基于信号完整性分析的高速数采卡设计

论文摘要

现今,越来越多的现代电子系统面临着高速、大容量数据流的传输与处理问题。在许多领域都需要设计和应用高速数据采集系统,以实现较短时间内获取大量数据,而数据采集卡作为数据采集系统的核心,在数据采集系统中起着举足轻重的作用。日益复杂的高速系统给印制电路板的设计提出了更加严格的要求——随着信号高频分量的不断增加,信号延迟、反射、串扰以及电磁干扰等一系列在低速系统中没有给予重视的问题变得特别关键。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等因素,都会引起信号完整性问题,导致系统工作的不正常。本文介绍了高速PCB设计中出现的信号完整性问题,对高速环境下出现的时序、反射、串扰和电源完整性等问题进行了深入讨论,并利用Cadence公司EDA软件SPECCTRAQuest对关键信号网络作了详细的仿真。根据以上研究结果,本文采用基于信号完整性分析的设计方法设计实现了达到212MSPS采样频率,A/D有效转换位为7位的单通道PCI高速数据采集卡。在设计过程中充分考虑信号完整性理论,运用高速电路的分析方法,借助集成化的EDA工具,将信号完整性分析和实际设计制版过程相结合,设计出符合高速电路设计要求的PCB版图。最终制板得到的数据采集卡性能稳定可靠、系统工作正常。采用基于信号完整性分析的设计方法缩短了研发周期,降低了成本,也进一步表明信号完整性分析对于高速PCB设计的重要性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 信号完整性的研究
• 1.2.2 高速数据采集技术的发展现状
• 1.3 主要研究内容及文章结构
• 第2章 高速数字电路设计中的信号完整性问题
• 2.1 信号完整性理论
• 2.1.1 传输线理论
• 2.1.2 传输线的分类
• 2.1.3 传输线的特性阻抗理论
• 2.2 典型信号完整性问题
• 2.2.1 传输线反射
• 2.2.2 传输线反射的解决方法
• 2.2.3 传输线串扰
• 2.2.4 传输线串扰的解决方法
• 2.2.5 电磁干扰
• 2.3 系统电源完整性问题
• 2.3.1 电源完整性问题的产生原因
• 2.3.2 电源完整性问题的解决方法
• 2.4 信号完整性和电源完整性的关系
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于信号完整性分析的高速PCB设计方法
• 3.1 传统的PCB设计方法
• 3.2 基于信号完整性分析的PCB设计方法
• 3.3 基于模型仿真的信号完整性PCB设计方案
• 3.3.1 信号完整性仿真工具
• 3.3.2 信号完整性仿真模型
• 3.3.3 信号完整性仿真流程
• 3.4 本章小结
• 第4章 高速数据采集卡的设计
• 4.1 总体设计原则
• 4.2 需求分析
• 4.3 数据采集卡设计方案
• 4.4 数据采集卡硬件设计
• 4.4.1 电源模块设计
• 4.4.2 模拟通道调理电路的设计
• 4.4.3 模数转换电路的设计
• 4.4.4 时钟模块的设计
• 4.4.5 数据存储芯片电路设计
• 4.4.6 PCI总线接口芯片电路的设计
• 4.4.7 FPGA内部功能模块设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 数据采集卡PCB板级仿真
• 5.1 数据采集卡PCB仿真准备工作
• 5.1.1 信号完整性仿真的准备工作
• 5.1.2 电源完整性仿真的准备工作
• 5.2 数据采集卡的PCB信号完整性仿真
• 5.2.1 电路板的叠层设置
• 5.2.2 电路板布局设计
• 5.2.3 电路板布线设计
• 5.2.4 关键信号的确立与仿真参数定义
• 5.2.5 对关键信号的详细仿真
• 5.2.6 PCB信号完整性仿真小结
• 5.3 数据采集卡的PCB电源完整性仿真
• 5.3.1 电源完整性仿真概述
• 5.3.2 目标阻抗的确定
• 5.3.3 电源完整性的单节点仿真
• 5.3.4 电源完整性的多节点仿真
• 5.3.5 PCB电源完整性仿真小结
• 5.4 本章小结
• 第6章 数据采集卡调试与测试
• 6.1 高速信号电路调试
• 6.1.1 模拟通道电路调试
• 6.1.2 数字存储电路测试
• 6.1.3 PCI接口电路的调试
• 6.2 高速数据采集卡功能测试
• 6.2.1 采样速度测试
• 6.2.2 转换有效位测试
• 6.2.3 可调采样率与可调采样深度测试
• 6.3 误差分析
• 6.3.1 调试中问题分析
• 6.3.2 模拟调理通道误差分析
• 6.3.3 A/D基准转换电压误差分析
• 6.3.4 A/D采样精度误差分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢