信號(hào)完整性和電磁兼容性問題分析
一、購置的必要性.
隨著電子產(chǎn)品的復(fù)雜性的增加，包括工作頻率的不斷提高，小型化程度的增加，混合電路的應(yīng)用等，使得產(chǎn)品的信號(hào)完整性和電磁兼容性問題越來越突出。
電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)在我們?cè)O(shè)計(jì)所占據(jù)了比較重的位置。雖然多年來我們的技術(shù)工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面摸索出了十分豐富有效的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但是近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和設(shè)計(jì)要求的不斷提高，我們所的電子產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)與調(diào)試中的難度也在不斷增大，尤其表現(xiàn)在問題的定位、診斷與解決方面，比如因信號(hào)完整性所引發(fā)的問題越來越多，產(chǎn)品研發(fā)過程中用于信號(hào)完整性調(diào)試與測(cè)試的時(shí)間延長(zhǎng)，大量的占用了我們工程師的時(shí)間，而效果卻不令人滿意。
在電磁兼容性問題面前，由于缺少相應(yīng)的調(diào)試設(shè)備，再加上工程師普遍對(duì)電磁兼容的設(shè)計(jì)和調(diào)試沒有成熟和豐富的經(jīng)驗(yàn)，所以，目前我們?cè)谶@些方面存在比較大的困難，基本上是比較盲目的憑經(jīng)驗(yàn)在進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。隨著產(chǎn)品的復(fù)雜度增加，問題將越來越明顯。
現(xiàn)在，我們所的產(chǎn)品從數(shù)字電路到模擬電路，從低頻電路到高頻電路都有，大規(guī)模集成電路和高速CPU，ASIC等高速器件也得到了廣泛的應(yīng)用。在這些綜合技術(shù)的應(yīng)用中，我們已經(jīng)十分明顯的體會(huì)到，許多環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)已經(jīng)無法依賴于我們過去的經(jīng)驗(yàn)了，尤其是在產(chǎn)品的電磁兼容性和信號(hào)完整性問題的測(cè)試、診斷、分析、調(diào)試等方面更是如此。為了提高現(xiàn)有產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)為了滿足新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)和測(cè)試工具，改善工程師的設(shè)計(jì)環(huán)境具有十分的必要性和迫切性。通過同行業(yè)中的廣泛的調(diào)研，并根據(jù)我所目前的設(shè)計(jì)和測(cè)試手段的現(xiàn)狀，我們認(rèn)為：在信號(hào)完整性和電磁兼容性方面配備必要的設(shè)計(jì)分析軟件和相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備是解決信號(hào)完整性和電磁兼容性問題的關(guān)鍵。
二、可行性分析
現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)概念是“盡早排除可能的隱患，**次就把工作做好”。信號(hào)完整性和電磁兼容性工作已經(jīng)逐步從事后檢測(cè)處理發(fā)展到預(yù)先分析評(píng)估、預(yù)先檢驗(yàn)、預(yù)先設(shè)計(jì)，即在方案設(shè)計(jì)階段就有針對(duì)性的開展預(yù)測(cè)分析工作,把過去用于研制后期試驗(yàn)測(cè)量和處理以及返工補(bǔ)救的費(fèi)用，安排到加強(qiáng)事前設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)、檢驗(yàn)中來。但是如何才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)呢？
一般來說，一個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)包括以下幾個(gè)階段：
¨ 設(shè)計(jì)前期：建立基本構(gòu)想，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)，進(jìn)行方案的總體設(shè)計(jì)；
¨ 設(shè)計(jì)期：進(jìn)入方案實(shí)施階段，包括原理圖設(shè)計(jì)與PCB板圖設(shè)計(jì)；
¨ 調(diào)試期：進(jìn)行樣機(jī)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改；
¨ 驗(yàn)證期：進(jìn)行各種檢驗(yàn)測(cè)試認(rèn)證工作，以確保系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
¨ 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)期：確保系統(tǒng)與系統(tǒng)能正常協(xié)同工作。
目前，市場(chǎng)上用于解決信號(hào)完整性和電磁兼容性問題的工具主要集中在以下幾個(gè)方面：
1． 設(shè)計(jì)早期階段的軟件仿真分析，盡早進(jìn)行信號(hào)完整性和EMC仿真設(shè)計(jì)，并排除潛在發(fā)生的電磁輻射問題。
2． 設(shè)計(jì)中期的檢測(cè)調(diào)試，包括信號(hào)完整性和電磁兼容性的故障的診斷、定位和分析。
3． 設(shè)計(jì)后期的預(yù)測(cè)試，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行摸底試驗(yàn)，掌握產(chǎn)品的總體性能，保證順利通過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。
總之，根據(jù)自身情況并結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn)，在從開發(fā)期到*終定型以及到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等的不同階段采取適當(dāng)?shù)墓ぞ?、方法及設(shè)備，將信號(hào)完整性和電磁兼容設(shè)計(jì)容入整個(gè)設(shè)計(jì)過程就會(huì)取得事半功倍的效果。
三、解決方案
**項(xiàng)：Apsim高質(zhì)量PCB仿真分析軟件
隨著系統(tǒng)主頻的提高，布線密度的增加以及大量數(shù)?；旌想娐返膽?yīng)用，對(duì)PCB設(shè)計(jì)的要求越來越高。高速數(shù)字和模擬電路的設(shè)計(jì)需要對(duì)信號(hào)失真給予特別的關(guān)注。各種噪聲的存在使我們的產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)往往與實(shí)際測(cè)試的結(jié)果有著不同程度的差異，帶來信號(hào)不完整性、電磁兼容性等問題。這些噪聲有：串?dāng)_噪聲、振蕩噪聲、回流噪聲、輻射噪聲、反射噪聲、傳輸時(shí)延、地/電層噪聲等。我們只有在設(shè)計(jì)仿真階段盡可能多的考慮這些因素，才可以保證設(shè)計(jì)功能的正確性。 Apsim軟件針對(duì)上述PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，推出了全套的SI（信號(hào)完整性）、EMC/EMI（電磁兼容性）、PI（電源完整性）仿真工具，并與常用CAD系統(tǒng)緊密結(jié)合，適用于數(shù)字、模擬、數(shù)?；旌想娐返姆抡妗Ｋ梢栽赑CB板布局布線完成后，PCB板拿去加工前對(duì)PCB板進(jìn)行信號(hào)完整性，電源完整性及電磁兼容性分析，發(fā)現(xiàn)問題可以及時(shí)修改，避免重復(fù)制板所造成的時(shí)間和費(fèi)用的浪費(fèi)，從而可以縮短產(chǎn)品研制周期、節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)。
配置內(nèi)容： 序號(hào) | 型號(hào) | 描述 | 數(shù)量 |
1 | ASPICE | 電磁場(chǎng)仿真工具，用于電路仿真、傳輸線信號(hào)完整性仿真等?？梢燥@示信號(hào)波形，并具有豐富的分析功能。如靈敏度分析、參數(shù)掃描、頻譜分析等。 | 1 |
2 | RLGC | 寄生參數(shù)提取工具，它用來提取PCB板中布線后產(chǎn)生的各種寄生參數(shù)。如電阻R、電導(dǎo)G、電感L和電容C。這些參數(shù)將APSICE配合使用，進(jìn)行信號(hào)變形仿真。用戶也可根據(jù)寄生參數(shù)來判斷PCB布線的優(yōu)劣。 | 1 |
3 | LIF | 各種CAD及仿真工具集成環(huán)境。使用戶在同一環(huán)境觀測(cè)分析PCB板及其信號(hào)情況和磁場(chǎng)情況。 | 1 |
4 | SLS/REDUCE | 超級(jí)線性求解器和模型階數(shù)減少 | 1 |
5 | SPAR | 可將隨頻率變化的N端口參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASPICE的宏模型，自動(dòng)產(chǎn)生S參數(shù)。 | 1 |
6 | SPI-I BASE | 信號(hào)完整性與電源完整性綜合分析工具的用戶界面 | 1 |
7 | IBIS_TRANSLATOR | 將IBIS模型轉(zhuǎn)化為SPICE模型 | 1 |
8 | XX2AAIF | XX到Apsim的接口 | 1 |
APSIM軟件與CADENCE仿真軟件的比較
設(shè)計(jì)需求 | CADENCE仿真軟件 | APSIM軟件 |
信號(hào)完整性分析 | 1. 只能分析數(shù)字電路中的部分噪聲和時(shí)延，無法做模擬電路的信號(hào)完整性分析，也無法做混合電路的信號(hào)完整性分析。 2. 只能將被分析的PCB板中的地電平面理想化，相當(dāng)于簡(jiǎn)化了模型的建立，實(shí)際上沒有考慮地平面的缺陷的嚴(yán)重影響，仿真結(jié)果精度會(huì)受很大的影響。 | 1. 分析數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐分械母鞣N噪聲。 2. 地電平面及回流路徑按實(shí)際情況建立模型，使仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更接近。 3. 在信號(hào)完整性分析中包含各種形式的分析報(bào)告：如眼圖分析圖、蒙特卡羅分析、頻譜FFT分析等 |
電磁兼容分析功能 | 沒有此項(xiàng)分析功能，或在開發(fā)過程中 | 性能優(yōu)越PCB板電磁兼容EMC/EMI分析包括：?jiǎn)尉€，組線，和整板的輻射分析，以及電磁場(chǎng)分布分析等 |
電源完整性分析功能 | 分析種類非常有限，功能也不強(qiáng) | 很強(qiáng)的PCB板的電源穩(wěn)定性分析 ¨ 地彈噪聲分析 ¨ 開關(guān)噪聲分析 ¨ 回流分析 ¨ PCB板電流分配分析 ¨ Delta-I 地彈噪聲分析 |
信號(hào)完整性、電源完整性與電磁兼容性一體化仿真功能 | 沒有此功能 | 目前在業(yè)界是**一家有此功能的產(chǎn)品?？梢栽谝粋€(gè)軟件中完成信號(hào)完整性、電源完整性與電磁兼容性仿真 |
接口 | 與其他EDA公司之間的數(shù)據(jù)往往不能兼容。 | 接口種類多，與業(yè)內(nèi)主要的EDA公司都有接口，可以方便的導(dǎo)入數(shù)據(jù) |
要點(diǎn)： 只有在設(shè)計(jì)仿真中同時(shí)考慮到各種噪聲因素影響后進(jìn)行的仿真結(jié)果，對(duì)我們實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)才有指導(dǎo)意義，才能真正保證設(shè)計(jì)功能的正確性。 |
第四項(xiàng)：抗干擾（敏感度）定位診斷系統(tǒng)
任何電子產(chǎn)品都會(huì)因?yàn)槭艿酵饨绲母蓴_而失去功能或者受到嚴(yán)重影響，這就是我們?cè)陔姶偶嫒蓊I(lǐng)域中所說的抗干擾能力。作為用戶，當(dāng)然希望自己的產(chǎn)品有很強(qiáng)的抗干擾能力，但在實(shí)際工作中，往往就是由于產(chǎn)品的抗干擾能力差而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定工作，尤其是系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)問題就更加突出。這就要求我們的工程師在進(jìn)行盡量減少產(chǎn)品對(duì)外輻射的同時(shí)，也必須提高產(chǎn)品自身的抗外界干擾的能力。而由于工程師們普遍缺乏這方面的工作經(jīng)驗(yàn)，往往很難進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。而實(shí)際上，產(chǎn)品中對(duì)外界干擾很敏感的部位往往就那么一小部位所引起的，那么如何定位和查找這些“弱點(diǎn)”――敏感源？利用我們的抗干擾能力定位診斷系統(tǒng)就很容易讓工程師很快把它定位出來。 該系統(tǒng)可以產(chǎn)生干擾電流、脈沖式磁場(chǎng)和脈沖式電場(chǎng)，并加載于針對(duì)的點(diǎn)或系統(tǒng)中，從而可以**的定位系統(tǒng)的敏感（薄弱）點(diǎn)及其敏感特性（是電場(chǎng)敏感還是磁場(chǎng)敏感？）。另外，通過各種選配件，還可以得知系統(tǒng)**擾的強(qiáng)度，而且應(yīng)用十分簡(jiǎn)單！因此你只需要很少地變動(dòng)就可以解決產(chǎn)品的抗干擾問題，從而降低了開發(fā)成本，縮短了研發(fā)時(shí)間。
配置內(nèi)容： 序號(hào) | 型號(hào) | 描述 | 數(shù)量 |
1 | E1 | | 1 |
2 | S2 | 磁場(chǎng)探頭組（選件） | 1 |
3 | P1 | 便攜式敏感點(diǎn)診斷器（選件） | 1 |
三項(xiàng)：電磁兼容診斷測(cè)試系統(tǒng)
電磁兼容診斷測(cè)試系統(tǒng)可以完成對(duì)高速PCB板，以及小型電子系統(tǒng)的電磁場(chǎng)分布的三維掃描，并直觀地以三維彩**形的方式顯示掃描結(jié)果。使工程師一目了然地觀測(cè)到產(chǎn)品中電磁場(chǎng)的分布情況，以便確定輻射源的具體位置。尤其是在調(diào)試過程中，可以很方便地將產(chǎn)品改進(jìn)前后的電磁分布情況進(jìn)行對(duì)比顯示，使得對(duì)電磁兼容的調(diào)試變得簡(jiǎn)單直觀！系統(tǒng)中除了電磁場(chǎng)的分布掃描以外，還有一個(gè)熱分布掃描功能，采用熱紅外掃描特性，將產(chǎn)品中的熱分布情況也直觀地用三維圖形顯示出來，以便讓工程師及時(shí)掌握產(chǎn)品中器件的發(fā)熱問題。
配置內(nèi)容：
序號(hào) | 產(chǎn)品型號(hào) | 產(chǎn)品描述 | 數(shù)量 |
1 | RQ644EH | EMC/Heat-Scanner，測(cè)量范圍600*400*400mm，可進(jìn)行電磁兼容及熱輻射分析 | 1 |
2 | EMCP1 | 近場(chǎng)探頭組 | 1 |
3 | PA303 | 前置放大器 | 1 |
4 | GPIB卡 | NI公司GPIB卡及電纜 | 1 |
5 | Computer | 計(jì)算機(jī) | 1 |
6 | 頻譜分析儀 | 用戶自備 | 1 |
**項(xiàng)：信號(hào)完整性分析儀
在高速電路應(yīng)用中，隨著頻率的提高，信號(hào)完整性問題已經(jīng)成為決定產(chǎn)品性能的*重要的因素，越來越受到工程師的重視。但是業(yè)界目前還沒有一種儀器能夠真正對(duì)高速信號(hào)的完整性進(jìn)行**的測(cè)量，針對(duì)這一難題，Wavecrest公司推出了信號(hào)完整性分析儀！該設(shè)備是一個(gè)專業(yè)的信號(hào)完整性測(cè)試設(shè)備，它采用獨(dú)特的“雙引擎”技術(shù)和多種**算法，能夠**的測(cè)量高速信號(hào)的完整性。具有測(cè)量精度*高、測(cè)試速度*快、測(cè)量功能*全、分辨率*高等特點(diǎn)，可對(duì)抖動(dòng)及抖動(dòng)中各個(gè)成分進(jìn)行準(zhǔn)確地定量測(cè)量與分析，是信號(hào)完整性實(shí)際測(cè)試中必備的設(shè)備。該設(shè)備內(nèi)置了各種工業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，工程師可以直接進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，獨(dú)特的專家系統(tǒng)可以幫助用戶進(jìn)行故障診斷。序號(hào) | 型號(hào) | 產(chǎn)品描述 | 數(shù)量 |
1 | W0805471-00 | 3300D-2.5G-2C | 1 |
2 | W7405091-04 | 先進(jìn)的時(shí)鐘分析軟件 | 1 |
3 | W7405092-04 | 先進(jìn)的ClockDataCom分析軟件 | 1 |
4 | W5005012-00 | SIA3000攜帶箱 | 1 |
5 | W2005009-03 | SIA3000手冊(cè) | 1 |
6 | W5305150-00 | 被動(dòng)探頭（6GHz） | 1 |
7 | W0305207-00 | 跳線電纜 | 2 |
