（通信与信息系统专业论文）基于mg2470的高速zigbee系统的信号完整性分析与pcb优化.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 随着电子技术的发展以及i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 设计的进步 无线通信电子设 备正在朝着高频率 大规模的方向快速发展 工作频率超过1 0 0 m h z 的高速电子设 备已经随处可见 高速电路在给电子行业带来发展的同时也引起了一些不容忽视的 问题 即高速电路的完整性问题 其中包括电源完整性问题 信号完整性问题以及 电磁兼容问题 这三个问题共同决定着高速电路是否能够正常 稳定地工作 目前 针对高速电路的这三大问题 主要的解决方法就是对高速电路进行理论 仿真 得出最佳的元器件值以及最理想的p c b p r i n t e dc i r c u i tb o a r d 布局与布线 方案 然后根据仿真结果制作p c b 从而达到提高设计的成功率和系统的稳定性的 目的 本文首先对高速电路的电源完整性以及电磁干扰进行了比较详细的探讨 总结 出解决电源完整性和电磁兼容问题的途径 同时通过c a d e n c e 仿真软件对信号完整 性问题中的反射以及串扰进行了建模与仿真 提出解决反射与串扰问题的方法 最 后 本文还使用a d s 2 0 0 9 仿真软件 对本人所设计的高速z i g b e e 系统的射频电路 进行了电路图仿真与版图仿真 得出最佳的元器件值以及最理想的p c b 布局与布线 方案 并对制作出来的p c b 进行了实测 实测证明设计基本达到了设计目标 本论文研究的问题主要包括以下几点 1 使用c a d e n c e 仿真软件对过载以及欠载的反射进行了仿真 同时对不同平 行长度的传输线 不同间距的传输线以及不同线宽的传输线进行了串扰的仿真 据 此得出改善反射与串扰的方法与途径 2 利用m g 2 4 7 0 芯片设计出一套传输速率可以达到1 m b i t s 的高速z i g b e e 系 统 并使用a d s 2 0 0 9 仿真软件对系统射频部分原理图进行了仿真 得到了最佳的巴 伦电路与阻抗匹配电路 同时 使用a d s 2 0 0 9 仿真软件对射频部分进行了版图仿真 得出了最理想的p c b 布局与布线方案 3 对制作出来的p c b 进行了实测 测量出系统的反射系数与发射功率 实测 证明 本设计基本达到了设计目标 关键词 高速电路 z i g b e e 电源完整性 信号完整性 电磁兼容 a b s t r a c t w i mt l l ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ep r o g r e s so ft l l e i c i n t e g r a t e dc i r c u i t d e s i g n e l e c t r o n i ce q u i p m e n t h a sb e e nm o v i n gt o w a r dt h ed i r e c t i o n o f1 1 j g hf r e q u e n c ya n dl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n a n dh i 曲 s p e e de l e c t r o n i cd e v i c e sw h o s e o p e r a t i n gf r e q u e n c ye x c e e d s10 0 m h za l eu b i q u i t o u s h i g h s p e e dc i r c u i th a sb r o u g h t d e v e l o p m e n tt ot h ee l e c t r o n i c si n d u s t r y b u t a tt h es a m et i m ei ta l s oc a u s e ss o m e p r o b l e m st h a tc a l ln o tb ei g n o r e d t h a ti st h ei n t e g r i t yo f t h eh i g h s p e e dc i r c u i t i n c l u d i n g p o w e ri n t e g r i t y s i g n a li n t e g r i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yp r o b l e m s t h e s e t h r e e f a c t o r sd e t e r m i n ew h e t h e rh i g h s p e e dc i r c u i tc a no p e r a t ep r o p e r l ya n ds t a b l y a tp r e s e n t t h em a i ns o l u t i o nt ot h e s et h r e em a j o ri s s u e si sh i g h s p e e dc i r c u i t s i m u l a t i o n w ec a no b t a i no p t i m u mv a l u eo ft h ec o m p o n e n t s a sw e l la st h em o s t d e s i r a b l ep c b p r i n t e dc i r c u i tb o a r d l a y o u ta n dr o u t i n gs c h e m et h r o u g hs i m u l a t i o n t h e nw em a k et h ep c ba c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t st oi m p r o v et h ed e s i g ns u c c e s s r a t ea n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yg i v ead e t a i l e dd i s c u s s i o no fp o w e ri n t e g r i t ya n de l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t yf o rh i e 一s p e e dc i r c u i t s a n ds u n lu p t l ew a y st oa d d r e s sp o w e ri n t e g r i t ya n d e m c o j l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y p r o b l e m s i nt h em e a n t i m e w eg e tt h em o d e l s i m u l a t i o no fr e f l e c t i o na n dc r o s s t a l ko fs i g n a li n t e g r i t yp r o b l e m s a n dp r e s e n tt h e s o l u t i o nt or e f l e c t i o na n dc r o s s t a l ku s i n gc a d e n c ee m u l a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y w eu s et h e a d ss i m u l a t i o ns o f t w a r et og e tah i g h s p e e dz i g b e es y s t e ms c h e m a t i cs i m u l a t i o na n d l a y o u ts i m u l a t i o n o b t a i nt h eb e s tv a l u eo ft h ec o m p o n e n t sa sw e l la st 1 1 em o s td e s i r a b l e p c b l a y o u ta n dr o u t i n gp r o g r a m a n dt e s tt h ep c b t h et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e d e s i g ni sq u i t eg o o dt om e e tr e q u i r e m e n t s h e r ea l et h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e r 1 u s i n gt h ec a d e n c es i m u l a t i o ns o f t w a r e t og i v ear e f l e c ts i m u l a t i o no nt h e o v e r l o a da n du n d e r l o a d a tt h es a m et i m eg i v eac r o s s t a l ks i m u l a t i o no i ld i f f e r e n tp a r a l l e l l e n g t ht r a n s m i s s i o nl i n e s d i f f e r e n ts p a c i n go ft h et r a n s m i s s i o nl i n e sa n dd i f f e r e n tl i n e w i d t h so ft h et r a n s m i s s i o nl i n e a c c o r d i n g l yd r a w nt oi m p r o v et h er e f l e c t i o na n d c r o s s t a l k a n dm e a n s 2 d e s i g nas e to fh i g h s p e e dz i g b e es y s t e mw h i c hh a v ea t r a n s m i s s i o nr a t eo f n 1m b i t s 觚d 西v eas i m u l m i o nt or fs e c t i o n o ft h es c h e m a t i cu s i n gt h ea d s 2 0 0 9 s 妇u l a t i o ns 0 胁a r e d b t a i n e dt h eb e s tb a l u nc i r c u i ta n di m p e d a n c em a t c h i n g c i r c u i t a t 也es 锄et m 西v eal a y o u ts i m u l a t i o n t ot h er fp a r tu s i n ga d s 2 0 0 9s i m u l a t i o n s o f t w a r e o b t a i n e dt h eb e s tp c bl a y o u ta i l dr o u t i n gp m 咖 mm e 删鹏dt h ep r o d u c e d p c b o b t a i n e d t h er e f l e c t i o n c o e 丘1 c l e n t 趾d t r a n s m i s s i o np o w e ro f t h es y s t e m t h ed e s i g ni sp r o o f e d t oh a v ea c h i e v e dt h ed e s l 盟g o a j a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e d r e s u l t i 畸w 0 豳 h i g h s p e e d c i r c u i t z i g b e e p o w e l i n t e g r i t y s i g n a l l n e g r i t y e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 1 1 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 在传统的电子设备中 由于电路工作的频率比较低 电容 电阻 电感等电子 元器件以及传输线所表现的是其基本电器特性 因此p c b 仅仅被视为支撑电子元器 件的平台 然而 随着电子技术的发展以及i c 设计的进步 芯片的集成规模越来 越大 电路已经朝着大规模 高频率的方向飞速发展 p c b 板已经成为了一个高性 能的系统结构 在高速电路系统中 互连线不再是单纯的电器连接线 而是已经表 现为具有电容 电阻 电感等的传输线 由传输线的阻抗不匹配引起的反射 串扰 等问题 与电源分配系统噪声 电磁兼容等问题相互作用 共同影响信号的质量和 时序 即信号完整性 如今电子行业的竞争又相当激烈 企业为了让电子产品能够尽快上市 要求研 发设计周期越短越好 而目前大多数的高速电子系统的设计时间有一大半用在解决 印制电路板中的信号完整性问题上 这就使信号完整性在电路设计中显得异常的重 要 本课题基于信号完整性分析的高速p c b 设计 在设计初期 通过a d s 对电路 进行原理图仿真 也称作前仿真 然后在c a d e n c e 中建模 根据i b i s 模型对p c b 版图进行仿真 也称为后仿真 最后 根据仿真报告 进行电路设计以及p c b 板布 局 布线 通常 若在信号完整性分析中使用的i b i s 模型正确 且分析方法无误 则只需对p c b 进行很少的版图修改或者电路图修改就能够定稿 从而可以在相对短 的时间内完成产品的设计 因此 在设计高速电子系统中 必须对p c b 进行前仿真 后仿真等信号完整性分析 本课题基于r a d i o p u l s e 的高速z i g b e e 系统的信号完整性分析与p c b 优化 不 仅对信号完整性中出现的电源完整性 p i p o w e ri n t e g r i t y 信号完整性 s i s i g n a l i n t e g r i t y 以及电磁兼容 e m c e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 进行了理论上的探 讨 而且使用c a d e n c e 对反射 串扰进行了仿真 得出了解决反射 串扰的途径 最后本课题还使用a d s 2 0 0 9 对高速z i g b e e 系统进行了前仿真与后仿真 得到最佳 的p c b 版图 使系统的发射功率达到最大 传输距离最远 差错率最低 解决了高 速z i g b e e 设计中遇到的瓶颈 f r 冬 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 高速电路的定义 在电子系统高速发展的今天 高速电路 在p c b 行业中已经成了非常常见的 词语 对于 高速电路 的定义 有如下四种说法 3 l j 1 部分人认为 当电路系统有超过3 0 的部分工作在高频 即频率超过4 5 m h z 一5 0 m h z 那么就称这个电路系统为 高速电路系统刀 2 另一部分人认为 只有当某电路系统的信号上升或者下降时间达到一定的 值 如t r j g 弓 图3 4 欠载反射仿真拓扑结构图 曲n l d e s i g n1 0 11 d e s i g n1 0 11r i s e 聊r e f l e c t i o n c a s e 0 s u nf e b0 51 8 2 4 4 02 0 1 2 图3 5 欠载反射仿真结果图 通过仿真 我们得到信号在欠载情况下的反射的波形图 如上图图3 5 所示 其中绿线为驱动源的电压波形 蓝线为源端的电压波形吆的波形 红线为负载端k 的波形 由图可见仿真结果与理论推导结果完全一致 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 1 3 反射的改善方法 由反射的原理我们可以知道 引起反射的主要原因是源端的阻抗与负载端的阻 抗不一致 因此若想改善反射现象 我们可以采用阻抗匹配的方法 通常阻抗匹配 的方法包括如下几种 4 j 1 并联终端匹配 所谓并联终端匹配 是指通过在电路中添加并联电阻 从而使负载端的阻抗尽 量与传输线之间的阻抗保持一致 以此来消除电路中的反射 并联终端匹配的电路 图如下图图3 6 所示 p a r a l l e it e r m i n a t i o n 图3 6 并联终端匹配 通过在电路中使用并联终端匹配的方法后 传输线上的信号将具有两个特点 即一 电路中所添加的匹配电阻几乎吸收了所有的反射能量 二 电路中的驱动信 号将近似以满幅幅度沿传输线传播 因此在负载端接收到的信号能量基本与源端发 送的信号能量基本一样 根据并联终端匹配电路的不同 又可以将其分为单电阻并联终端匹配与双电阻 并联终端匹配 也称为戴维宁终端匹配 在使用单电阻并联终端匹配时 电阻选 择的原则是负载端的并联电阻最好与传输线的特征阻抗相等 而在使用双电阻并联 终端匹配时选择电阻的原则为 1 选择使用的并联电阻的值不能过小 2 通过等效 计算 两个电阻的并联值和传输线的特征阻抗一致 并联终端匹配容易实现 方法简单 而其缺点是不论是单电阻并联终端匹配还 是双电阻并联终端匹配 都将带来直流损耗的问题 2 串联终端匹配 所谓串联终端匹配是指在传输线的阻抗高于信号的源端阻抗的情形下 通过在 电路中串联一个电阻 从而使源端的阻抗与传输线的阻抗保持一致 以此达到抑制 1 7 反射的目的 串联终端匹配的电路图如图3 7 所示 陟 s e r i e st e r m i n a t i o n 图3 7 串联终端匹配 通过在电路中使用串联终端匹配的方法后 传输线上的信号将具有两个特点 即一 添加了匹配电阻后 驱动信号将以其幅度大小的一半向负载端传播能量 二 由于在负载端信号的反射系数近似等于 l 因此反射信号的幅度大小近似等于原始 信号幅度的一半 和并联终端匹配方法一样 串联终端匹配的优点是方法简单 容易实现 匹配 电阻不需要与电源相连接 并可提供过流保护 缺点是接收信号的负载器件必须位 于线路的终端 而不能沿着线路分布 3 r c 终端匹配 由上面的讨论 我们知道 并联终端匹配会带来直流损耗的问题 而串联终端 匹配会带来传输延迟的问题 下面我们将介绍另外一种解决上述两个问题的匹配方 法 即r c 终端匹配 其电路如下图图3 8 所示 a c p a r a l l e lt e r m i n a t i o n 图3 8r c 终端匹配 1 8 f 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s r c 终端匹配的优点是没有直流损耗与传输延迟的问题 而缺点就是相对于并 联终端匹配与串联终端匹配 其电路构成要稍加复杂些 3 2 串扰的原理 仿真及改善方法 3 2 1 串扰的原理 所谓串扰 是指电子系统工作时 能量从一根传输线 干扰线 耦合到另一根 传输线 受害线 的现象 众所周知 在导线中通过交变电流时 就会产生磁场 当不同的传输线产生的电磁场发生相互作用时 将会在附近的传输线上产生电压噪 声或者电流噪声 从而引发串扰 按照产生串扰的根源 串扰可以被分为感性串扰与容性串扰 2 3 1 1 容性串扰 由传输线原理我们知道 在高频条件下 传输线具有分布的电容与电感 当交 变电流在干扰线上传输时 将会使信号边沿电压发生变化 变化的电压将在干扰线 周围产生变化的电场 由于受害线在该时变电场之中 变化的电场将会在受害线产 生感应电流 若此感应电流是由分布电容引起 那么这种干扰就称为容性干扰 其 原理图如下图图3 9 所示 殳了二呐酬 n 栅 d d 七 露 ik 2 h r l t 图3 9 容性串扰原理图 由容性干扰而引起的电流可以表示为 乞 c 皿a 出 v 3 6 a f 上式中 y 代表信号电压 巴表示单位长度传输线上的耦合互容 2 感性串扰 同容性干扰一样 若此感应电流是由分布电感引起 那么这种干扰就称为感性 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 干扰 其原理图如下图图3 1 0 所示 图3 1 0 感性串扰原理图 由于感性干扰而引起的电压可以用式子表示为 屹 脚面d i 3 7 上式中 表示动态线上的信号电流 厶代表单位长度传输线上的耦合互感 按照串扰在传输线上的位置 又可以将串扰分为近端串扰和远端串扰 若受害 线上的串扰噪声位于靠近干扰线驱动源一端 那么我们将这种干扰称为近端干扰 相反 若受害线上的某串扰噪声位于远离干扰线驱动源那一端 那么我们将这种干 扰称为远端干扰 近端干扰和远端干扰示意图如图3 1 1 所示 2 4 i 霾蝌 图3 1 1 近端干扰和远端干扰示意图 据此 我们将受害线上的容性干扰电流分为t 蠡 与i c l l e 麓l 其中i c n c a r 向受害线的近端流动 而i c f a r受害线的远端流动 由于耦合互感产生的电流厶 总是和干扰线中的电流方向相反 因此 远端和近端的电流可以表示为 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s i 嚼 ic 翱f il i 乙 七一 五 灌 3 2 2 串扰的仿真 上 d 节中 我们已经从理论上对串扰进行了分析 并介绍了串扰形成的原理 同时讨论了近端串扰与远端串扰 在这 d 节中 我们将使用c a d e n c e 软件 对不 同平行长度的传输线 不同间距的传输线以及不同线宽的传输线进行串扰的仿真 模拟出传输线上串扰信号的波形并得出不同传输线长度 不同间距以及不同线宽与 串扰的关系 仿真拓扑结构图如下图图3 1 2 所示 图3 1 2 串扰仿真拓扑结构图 在上图中 r l r 2 r 3 l r 5 r 6 为传输线上连接的电阻 m s l 代表三 条平行的传输线 m s 2 m s 3 m s 4 m s 5 m s 6 m s 7 为传输线 1 不同长度的平行传输线的串扰仿真 首先我们对不同长度的平行传输线进行仿真 得出串扰的值 仿真结果如下 2 1 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 搬1 t r t c e w i d t h 3x s i t r c e w i d t h 2x s i s p l c i 址2k s i h n e t h c r o s s t a l k s i m l 撕 l e c e i v e r t s l o d e i l l i i l k i t 薹i l l t l 豫s 1 5 h 1 0 t 2 1 5 0d e s i l q 1 0 p 5 0 0h s t 5554 0 0 08 2 4 4 2d e s l 5 hi 呻2 1 5 0d e s i e 茸 1 0 p 5 8 0h s t 5556 0 0 01 0 5 4 3证s i 钮 1 0 7 2 1 5 0 北s l 茸 1 0 t 5 8 0h s l 5 5 5 8 0 0 0 i 3 1 4 图3 1 3 不同长度的平行传输线的串扰仿真结果 由仿真结果可以看出 不同平行长度时 串扰的值是不同的 当设置平行长度 为4 0 0 0 r r f i l 时 串扰大小为8 2 2 4 m v 当设置平行长度为6 0 0 0 m i l 时 串扰大小为 1 0 5 4 m v 而当设置平行长度为8 0 0 0 m i l 时 串扰大小为1 3 1 4 m v 可以看出串扰 的大小随着平行长度的增加在一直增加 2 不同间距长度的传输线的串扰仿真 下面我们将对不同间距长度的传输线的串扰进行仿真 其拓扑图与图3 1 2 一 样 只需将传输线的间距进行修改 在仿真中 我们设置间距长度分别为5 m i l l o m i l 以及1 5 t r i l l 仿真结果如下图图3 1 4 示 型 竺l 竺 睦叫 簧竺巴 趟竺巴鲨 逍笠 筮 ll d e i g l qi o p 21 5 0茈s 1 5 葺1 0 p 50 0 a s i5 5557 7 0 9 2i d e s i h 1 2 1 5 0茈s i i i o p 5 8 0h s t5 5i 01 04 9 6 8 1 e s 堕i c j 垣塑 垄 堕 堂 i 亘蔓 二二二二歪二二二二亘二二二夏二二卫塑 图3 1 4 不同问距长度的传输线的串扰仿真结果 由仿真结果可以看出 当设置传输线之间的间距为5 r a i l 时 串扰大小为 7 7 0 9 m v 当设置传输线之间的间距为l o m i l 时 串扰大小为4 9 6 8 m v 而当设置 传输线之间的间距为1 5 i n i l 时 串扰大小为3 4 o l m v 可以看出 当传输线的间距 逐渐增大时 串扰的大小越来越小 与理论分析基本一致 3 不同宽度的传输线的串扰仿真 下面我们将对不同宽度的传输线的串扰进行仿真 其拓扑图与图3 1 2 一样 只需将传输线的宽度进行修改 在仿真中 我们设置传输线的宽度分别为6 r a i l 8 t r i l l 以及1 0 r r d l 仿真结果如下图图3 1 5 石贞士学位论炙 m a s t e r st h e s l s s i j l d r i v e rl e e e i v e r n 锄d l i s 嚣等小 i s i t r t c e w i d t h 2i s l s p l c i n 暑2苴s 1 t r i c e v i 越列c r o s s t l l k x l l x i l 耵l jl i ld e s l 5 h1 0 f 2 1 5 0 d s 1 5 x i o p 58 0 t s i661 054 6 1 6 2d e s i 钮i o p 2 1 5 0 职s i e hi s8 0h s l8 8 1 083 98 1 一一 一 3 茈s i h i o f 2 1 5 0 皿s i 疆 i 5 8 0l a s tl o 1 01 01 03 t 17 图3 1 5 不同宽度的传输线的串扰仿真结果 由仿真结果可以看出 当设置传输线宽度为6 r a i l 时 串扰大小为4 6 1 6 m v 当 设置传输线宽度为g r a i l 时 串扰大小为3 9 8 1 m v 当设黄传输线宽度为1 0 r a i l 时 串扰大小为3 7 1 7 m v 可以看出 当传输线的宽度逐渐增大时 串扰的大小越来越 小 与理论分析基本一致 3 2 3 串扰的改善方法 由上面一节的分析与仿真可以得出减小串扰的方法主要有以下几种 1 在p c b 上走线时 尽可能减小平行传输线的走线长度 在其他量一致时 平 行长度越小 串扰就越小 在走线时 可以考虑蛇形走线 2 在p c b 大小允许的情况下 尽可能加大传输线与传输线之间的距离 在其他 量一致情况下 传输线之间的距离越大 当然 过大是不符合现实的 串扰越小 通常 当间距为传输线宽度的三倍时 串扰最小 3 制作p c b 时 设置合适的传输线宽度 尽可能增大传输线的宽度 在其他量 保持一致的情况下 串扰将随着传输线的宽度的增大而逐渐减小 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 第四章电磁兼容基本理论与解决方法 在进行高速电路系统设计时另一个不能被忽视的问题就是电磁干扰的问题 所 谓电磁干扰 就是指一个电网络通过导电介质或者空间将其信号耦合到另一个网 络 电磁干扰包括传导干扰以及辐射干扰 当干扰是通过导电介质从一个电网络耦 合到另一个电网络 那么这种干扰被称为传导干扰 若干扰是通过空间从一个电网 络耦合到另一个电网络 那么这种干扰被称为辐射干扰 在高速电路系统中 高频 信号线 集成电路的引脚 各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源 它们能发射电磁波并影响其他系统或者本系统内的其他子系统正常工作 因此在设 计高速电路时 我们必须对电磁干扰进行分析和仿真 4 1 电磁兼容基本原理 在高速电路系统中 电磁干扰通常由三部分的因素构成 即 电磁干扰源 耦 合通道以及敏感设备 整个过程为干扰源通过耦合通道将信号干扰到敏感设备中 去 其原理框图如下图图4 1 所示 2 6 1 图4 1 电磁兼容原理图 电磁干扰可以用公式表示为 2 7 双力 驭力 足t 4 1 其中双f 表示电磁干扰源 a 力表示电磁能量的传播耦合性 r t 表示敏感设 备的敏感性也即其能忍耐的最大电磁干扰 当双f 和c 1 力之积大于设备能忍耐的最 大电磁干扰厦t 时 就会产生电磁干扰 下面我们就将依次介绍这三个因素 4 1 1 电磁干扰源 电磁干扰源是指自然界中任何产生电磁干扰的电子元器件 电子设备 电子系 4 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s l s 统或者自然界中的自然现象 通常可以将干扰源分为两种 即人为干扰源和自然干 扰源 人为干扰源指人工装置产生的电磁能量干扰源以及有机电干扰源 包括通信 广播 电视 雷达等无线电设备产生的有意发射干扰源以及家用电器 电动机械 交通车辆 架空输电线等产生的无意发射干扰源 自然干扰源主要来源于大气层的天电噪声 地球外层空间的宇宙噪声 它们既 是地球电磁环境的基本要素构成部分 同时也是对无线电通信和空间技术造成干扰 的干扰源 自然噪声会对人造卫星和宇宙飞船的运行产生干扰 也会对弹道导弹运 转火箭的发射产生干扰 在高速电路设计中 经常遇到的干扰源有传输线的差模辐射 共模辐射 数字 逻辑电路中的接地反弹以及装配过程中产生的共模电流等 4 1 2 耦合通道 耦合通道是指电磁干扰从电路中某一个电网络传播到另一个电网络的途径 由 电磁干扰的分类可知耦合通道可以分为两大类 即传导耦合通道和辐射耦合通道 磁 o 传导耦合要想发生 需要在干扰源与敏感设备之间存在完整的电路连接 干扰 信号产生以后正是沿着这个连接电路传播到敏感器件中来的 因此在电路中 传导 耦合通道包括公共地阻抗耦合 公共电源内阻耦合 电容性耦合 电感性耦合 图4 2 公共地阻抗耦合原理图 图4 3 公共电源内阻耦合原理图 一军l l v z 亍tjvl 上 上上 图4 4 电容耦合原理图 由电容耦合引起的耦合干扰 可以表示为 k 蒜矗 k 其中乞为耦合的分布电容 互为受害网络的电阻 电感耦合原理图如下图图4 5 所示 4 2 图4 5 电容耦合原理图 由电感耦合产生的耦合干扰可以表示为 k 如蚂 4 3 上式中 m 为两个电网络之间的耦合电感 为干扰源电流的大小 辐射传输是指电磁干扰通过空气等介质以电磁波的形式向周围传播 常见的辐 2 6 矗 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 射耦合分为三种 即天线对天线耦合 场对线耦合以及线对线耦合 其框图分别如 图4 6 所示 图4 6 辐射耦合原理图 4 1 3 敏感设备 电气系统中所有的被干扰对象都可以被称为敏感设备 在电磁干扰分析中 一 般用电磁敏感度的大小来衡量某个敏感设备是否容易受到电磁干扰 在模拟电路系统中 电磁敏感度可以表示为 2 5 l o g 1 9 8 删g 妄一 4 上式中 b 为模拟电路的频带宽度 f 为噪声系数 r 为敏感设备的输入阻抗 在数字电路系统中 电磁敏感度可以表示为 s d i g i t a l 2 0l g 专 4 5 上式中 b 表示数字电路的频带宽度 n 表示数字电路的敏感度门限 4 2 电磁兼容的解决方法 由影响电磁干扰参数的因素可以知道 电磁干扰的大小取决于干扰源辐射出来 的干扰强度以及传播途径传播干扰的能力 因此抑制电磁干扰可以考虑从两个方面 着手 一方面可以设法减小干扰源的干扰强度 另一方面可以考虑在系统中设法切 断干扰的传播途径 在电路设计中 通常可以采用电路的隔离 屏蔽 接地以及p c b 板的合理布局与布线 2 8 1 来减小系统的干扰 1 电路的隔离 在模拟电路中 若传输的是交流信号 则一般选择采用变压器来隔离干扰 而 若传输的是直流信号 则一般采用线性隔离器件 比如线性光电耦合器 来隔离干 扰 在数字电路中 对于数字量输入 主要是选择采用脉冲变压器或者光电耦合器 f叁厥 久後台 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 来隔离干扰 而对于数字量输出 主要考虑选择光电耦合器或者高频变压器来隔离 干扰 2 屏蔽 根据干扰电场的不同 屏蔽可以分为两类 一类是静电屏蔽 而另一类是电磁 屏蔽 屏蔽可以有效抑制开关电源辐射干扰 对于电场干扰 可以采用导电良好的 材料实现屏蔽 而对于磁场干扰 则可以采用导磁高的材料来实现屏蔽 3 接地 根据电路中信号的种类不同 我们可以将接地分为以下几类 即直流地 交流 地 数字地 模拟地 信号地 功率地以及电源地等 为了防止交流电路与直流电 路在工作时产生的干扰源彼此干扰 影响系统正常工作 在电路设计中 制作p c b 时可以将各个交流电源地连在一起 而各个直流电源地与直流电源地连在一起 最 后再将两者连接到公共的地 同时也有必要将模拟电路与数字电路的电源地分开 功率地与弱电地分开 一 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s 第五章 高速z i g b e e 系统电路仿真与p c b 优化 5 1 高速z i g b e e 系统简介 z i g b e e 技术是一种用于近距离的双向无线通信技术 其具有低功耗 低成本 低复杂度的优点 可工作在2 4 g h z 9 15 m h z 以及8 6 8 m h z 三个频段上 分别具有 最高2 0 k b i t s 4 0 k b i t s 2 5 0 k b i t s 以及1 m b i t s 的传输速率 z i g b e e 的传输距离一般 在1 0 7 5 m 的范围内 同时也可以通过在电路中添加功率放大器来扩大传输距离 z i g b e e 通信所具有的特点可以概括如下1 1 6 j 1 低功耗 由于z i g b e e 的发射功率非常低 同时可以设置z i g b e e 芯片工作在 休眠模式 因此采用z i g b e e 技术的通信设备非常省电 2 低成本 最初z i g b e e 模块的制造成本在人民币4 0 元左右 随着芯片制造 技术的发展 其价格现在基本上已经降至人民币1 0 到1 5 元左右 同时z i g b e e 协 议是全部免费的 因此使用z i g b e e 技术的成本是比较低廉的 3 安全可靠 z i g b e e 技术不但采用了碰撞避免策略 在其m a c 层采用了完 全确认的数据传输模式 而且z i g b e e 技术提供了基于循环冗余校验 c r c 的数 据包完整性检查功能 支持鉴权和认证 各个应用可以灵活确定其安全属性 所以 z i g b e e 本身也是非常安全可靠的 本设计高速z i g b e e 系统所使用的z i g b e e 芯片为韩国r a d i o u l s e 公司研发和生产 的m g 2 4 7 0 芯片 该芯片的供电电压在2 3 6 v 之间 工作时的电流为2 5 m a 射频 部分电路工作频率为2 4 5 g h z 完全满足i e e e 8 0 2 1 5 4 通信协议 同时 该芯片的 功耗比较低 采用o q p s k 的调制方式 最高传输速率为1 m b i t s 由于传输速率 已经高达1 m b i t s 因此该芯片不但可以用于普通的数据传输 而且可以应用于语音 与视频通信 本设计使用的是这样一款高速率的芯片 因此被称为是高速z i g b e e 系统 其使用前景非常宽阔 本系统高速z i g b e e 系统由收 发两个子系统构成 每个子系统分别包括底板 模块与射频模块 其中底板模块主要为射频模块服务 提供工作电压 u s b 转串口 复位等功能 而射频模块主要是由射频芯片m g 2 4 7 0 巴伦电路 振荡电路等构成 在这 章中 我们将具体介绍这些电路 并使用a d s 2 0 0 9 1 3 对电路原理图以及p c b 进行仿真 得出最佳的p c b 布局与布线 并对p c b 进行测量 修改 使系统的信 号完整性最好 发射功率最大 传输距离最远 从而解决z i g b e e 通信系统的瓶颈 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 5 2 高速z i g b e e 系统底板模块电路介绍 底板模块主要是为射频模块服务 分别由电源电路 u s b 转串口电路 复位电 路 i s p i n s y s t e mp r o g r a m m i n g 电路等构成 下面将着重介绍电源电路 1 4 与u s b 转串口电路 一 1 电源电路 一 7 一 一 一 二 一 i 旺一一2 一 砒 二 一0 一 一 v 二 h i 一 三 i 鼍兰三 受鼍三三 降三三与三二三 三兰三三三三乏三三三三三三三 0 一呼一二i5 三 l e d h i i 了 一 二j i j 0 二 j 0 二 t 一 一 一 一t 一 一 1 一一 一 t i 一 t 一4 图5 1 电源电路原理图 由于韩国r a d i o u l s e 公司生产的m g 2 4 7 0 这款z i g b e e 芯片的工作电压在2 3 6 v 之间 所以在电路设计时 首先必须得考虑设计一个电压转换以及滤波电路 本设 计中所使用的电源芯片为l m ln 7 电源电路如上图图5 1 所示 其中v b u s 为电 脑u s b 端口提供的 5 v 电压 l m l11 733 为一款低压差稳压电源芯片 当输入电 压大于4 7 5 v 时 该芯片可以将输入的大于4 7 5 v 的电压转换为 3 3 v 电压 本设 计中 电脑u s b 端口提供的 5 v 电压首先经过c 2 滤波 然后进入稳压电源芯片 l m l1 1 733 的输入引脚 p i n 3 将该 5 v 电压转换为 3 3 v 电压 在输出引脚 p i n 2 输出 该 3 3 v 电压产生以后一路进入电源指示电路 该电路由电阻r 2 发光二极 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 管d 1 构成 当电压正常时 发光二极管点亮 指示电源电路正常 另一路电压为 射频模块提供工作电压 该电压经过c 8 c 9 c i o 三个滤波电容 以及o 欧姆的 测试电阻以后进入射频模块 为射频模块提供 3 3 v 的工作电源 2 u s b 转串口电路 上 二二 j 三二j j 二三二二王二 j 二 二王 二二羔二二之 二三立二 二二二 一王二二二 二 二二 二 二 二二j 图5 2u s b 转串口电路原理图 本系统工作时 系统与电脑之间的数据通信是通过u s b 端口传输的 而 m g 2 4 7 0 芯片中只提供了串口数据连接的引脚 因此系统工作需要一个u s b 转串口 电路 该电路的作用有两个 一是为系统下载程序提供通道 二是为系统工作时的 数据传输提供通道 在本设计中 使用的u s b 转串口芯片是c p 2 1 0 2 上图5 2 所 示为u s b 转串口电路 该电路主要是由芯片c p 2 1 0 2 及其外围电路构成 芯片 c p 2 1 0 2 是一款高集成度的u s b 转串口数据通信芯片 该芯片的工作电压为 3 3 v 最高传输速率为1 2 m b p s 其中p i n 6 为电压供给引脚 p i n 3 为电源地引脚 芯片工 作时 电脑中的数据通过u s bd p i n 4 与u s bd p i n 5 进入芯片 由芯片转 换成串口可以接收的数据 并通过u s br x d p i i l 2 5 u s bt x d p i n 2 6 将需 要传送的数据传送到到芯片m g 2 4 7 0 中 除了电源电路以及u s b 转串口电路外 底板模块中还包含复位电路以及i s p 电路 在复位电路中包含复位开关 2 0 千欧的限流电阻 1 u f 的储能电容 当按下复 位开关时 芯片m g 2 4 7 0 的第十个引脚由高电平转换为低电平 芯片进入复位状态 在i s p 电路中有一个三孔排针 当收 发子系统在下载程序时 芯片m g 2 4 7 0 的第1 5 脚的电压需要为高电平 所以必须将排针的第一个引脚与第二个引脚相连 使高电平进入芯片 而当收 发子系统在通信时 芯片m g 2 4 7 0 的第1 5 脚的电压 需要为低电平 所以必须将排针的第一个引脚与第三个引脚相连 使低电平进入芯 茂 最后 在底板模块上有两排1 0 2 的底座 使射频模块与底板模块可以完整连 接 为射频模块服务 5 3 高速z i g b e e 系统射频模块电路介绍 射频模块电路是负责本系统中收发数据的电路 也是本系统的关键电路 其主 要由巴伦电路 主芯片m g 2 4 7 0 及其外围电路以及振荡电路等构成 下面将着重介 绍巴伦电路以及主芯片m g 2 4 7 0 及其外围电路 1 巴伦电路 一 o 二二二i 一 二 二一j 卜 三 竽 量 v u 4 一 一 一 一一h i j i 1 c h 旷 吣 r 一 一 一一i 1 1 6 j j r fn 一 i i 一 一一一 一 u 4 一 一一 l 7 一c 1 3 m 1 2 b 7 1 肇f 一 4 一一一 一 高 i 了j 野声i l j 5 p f 了 j 一 吲驴蜘r 一 弧 1 删删卜一 l 2 厶 j r ff 一 j k u 一l 0 用n 一一一 一 s 鲤 一 寻薯僦皇j 一 l j 一 k 一一一 一 7 研 j 一 j 一 图5 3 巴伦电路原理图 巴伦 b a l u n b a l u n c e u n b a l a n c e 是平衡与不平衡的音译 可以实现单端 天 线 与差分结构电路 芯片的差分输出引脚 之间的转换 本设计中采用的是l c 3 2 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 巴伦电路 由上图可见 从芯片出来的射频通信引脚有r f n 与唧两个 而天 线端只有一个引脚 必须使用巴伦电路将两端的端口转换好 关于巴伦电路 我们 将在下一节中详细讨论与仿真 2 主芯片m g 2 4 7 0 及其外围电路