PCB利用Protel 99軟件進(jìn)行預先的信號分析

隨著(zhù)各種大規模、高密度新型電子元器件的不斷涌現，電子電路的設計越來(lái)越復雜、越來(lái)越精密?；谶@種迫切需求，電路CAD設計技術(shù)也充分利用了計算機革命所帶來(lái)的成果，使得設計手段發(fā)生了翻天覆地的變化，其中的Protel 99電子設計軟件就是一款功能強大、界面友好、操作簡(jiǎn)便實(shí)用的快速、高效的電路CAD設計軟件。為了保證設計的電路能可靠工作，需要對電路進(jìn)行準確地時(shí)序分析、波形分析、信號完整性分析、電磁噪聲分析等，以避免設計的盲目性，降低設計成本。這里著(zhù)重介紹如何利用Protel 99軟件對所設計之PCB 進(jìn)行預先的信號分析，使得設計的電路更加切實(shí)可行。

信號完整性的有關(guān)概念

電磁干擾

電磁干擾是指電子產(chǎn)品向外發(fā)出噪聲，引起設備、裝置或系統工作性能降低的電磁變化現象，主要分為傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指電磁通過(guò)導電介質(zhì)把信號從一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上;輻射干擾是指干擾源（電磁）通過(guò)空間把其信號耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上。在PCB設計中，需要考慮的主要是輻射干擾，因為集成電路的引腳、各類(lèi)接插件等都具有天線(xiàn)的特性，能發(fā)射電磁波并影響本系統或其他電系統的正常工作。

信號完整性

信號完整性是指信號在信號線(xiàn)上的傳輸質(zhì)量，是信號在電路中能以正確的時(shí)序和電壓作出響應的能力。在實(shí)際的電路工作時(shí)，由于多種因素往往會(huì )造成信號傳輸質(zhì)量下降，對設備正常工作造成影響。因此在電路設計時(shí)，必須考慮在需要的時(shí)候，信號能達到所必需的電壓電平數值，即信號具有良好的信號完整性。

串擾

串擾是指兩條信號線(xiàn)之間的信號發(fā)生耦合，即信號線(xiàn)之間的互感和互容會(huì )引起信號線(xiàn)上的噪聲。PCB板層的參數、信號線(xiàn)間距、驅動(dòng)端和接收端的電氣特性及線(xiàn)端接方式等都會(huì )對串擾有一定的影響。

反射

反射是指在信號傳輸線(xiàn)上產(chǎn)生的回波。如果源端與負載端阻抗不匹配，當信號功率傳輸到線(xiàn)上并到達負載處時(shí)，將引起線(xiàn)上反射，負載將一部分電壓反射回源端。布線(xiàn)的幾何形狀、不正確的線(xiàn)端接、經(jīng)過(guò)連接器的傳輸及電源平面不連續等因素的變化均會(huì )導致此類(lèi)反射。

網(wǎng)路阻抗

網(wǎng)路阻抗是指信號傳輸線(xiàn)上輸入電壓對輸入電流的比值。當某一個(gè)源端發(fā)送一個(gè)信號到傳輸線(xiàn)上時(shí)，阻抗將阻礙信號驅動(dòng)，直到2TD時(shí)，信號仍未改變，TD是傳輸線(xiàn)的延時(shí)。

過(guò)沖和下沖

過(guò)沖是指信號第一個(gè)峰值或谷值超過(guò)設置電壓，其中對于上升沿是指最高電壓，對于下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個(gè)谷值或峰值。過(guò)沖嚴重時(shí)由于保護二極管工作，會(huì )導致其過(guò)早地失效;下沖嚴重時(shí)會(huì )引起假的時(shí)鐘或數據錯誤（誤操作） 。

信號完整性分析工具的特點(diǎn)

Protel 99軟件中包含有一個(gè)高級信號完整性仿真器，它使用經(jīng)典的傳輸線(xiàn)理論和I/O緩沖器模型信息作為仿真輸入?；诳焖俜瓷浜痛當_仿真模型，它根據經(jīng)過(guò)工業(yè)驗證的算法產(chǎn)生精確的仿真，并具有以下特點(diǎn)：

①在設計規則中必須對設計參數約束（如阻抗、過(guò)沖、下沖等）進(jìn)行定義；

②設計人員無(wú)須特殊經(jīng)驗即可在PCB 編輯器中直接進(jìn)行電路的信號完整性分析；

③采用設計規則檢查（DRC） ，可以迅速定位不符合設計要求（設計規則中設定的約束內容）的網(wǎng)絡(luò )；

④使用I/O緩沖器宏模型，不需要了解有關(guān)SP ICE語(yǔ)言和模擬仿真的知識。另外，采用宏模型逼近，可更快、更準確地進(jìn)行仿真，并依據元件編號進(jìn)行模型的自動(dòng)匹配連接，支持IB IS2工業(yè)標準子集；

⑤信號完整性仿真的波形結果，可在圖上以示波器的形式進(jìn)行顯示，直觀(guān)、方便；

⑥利用電阻和電容的參數值對不同的分析終止策略進(jìn)行假設分析；

⑦仿真器內含成熟的傳輸導線(xiàn)特性計算和并發(fā)式仿真算法；

⑧提供了快速的反射分析和串擾分析。

信號完整性分析

設置信號完整性分析規則

在PCB編輯主界面中執行菜單命令【Design】/【Rules. 。 . 】，會(huì )出現設計規則對話(huà)框，單擊其中的【Signal Integrity】標簽，可切換到信號完整性規則設置項對話(huà)框，如圖1所示。

圖1　信號完整性分析規則設置對話(huà)框

在圖1設置對話(huà)框的左邊Rule Classes列表框中含有14個(gè)約束設置項，每個(gè)約束項的約束范圍基本上只有3 種：“Whole Board ”、“Net”和“NetClass”。每當選中左邊列表框中某一個(gè)設置項時(shí)，在列表框右邊就會(huì )出現該設置項的相關(guān)說(shuō)明，如何進(jìn)行具體地設置，這里就不一一敘述了。

信號完整性分析仿真器

信號完整性分析工具內嵌在PCB編輯器中，提供一個(gè)便于使用的交互式仿真環(huán)境。在PCB編輯主界面中執行菜單命令【Tools】/【Signal Integrity. 。 . 】，會(huì )出現信號完整性仿真器窗口，如圖2所示。下面簡(jiǎn)單介紹該仿真器幾個(gè)關(guān)鍵的菜單命令。

圖2　信號完整性仿真器的工作窗口

【GetNets】　該命令在【File】菜單下，用于將當前正在設計的電路板（處于打開(kāi)的激活狀態(tài)）進(jìn)行信息連接，從電路板的數據庫中提取出所有的網(wǎng)絡(luò )名稱(chēng)，并將它們在仿真器主窗口中的【All Nets】列表欄中列出。

【Take Over】　該命令在【Edit】菜單下。執行本命令，仿真器將與當前正在設計的電路板相連，從該電路板的數據庫中提取出與【All Nets】列表欄下選中網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的布局數據，才能進(jìn)行信號完整性仿真。

【Termination Advisor】　該命令在【Simulation】菜單下。用于定義網(wǎng)絡(luò )仿真的終止方式，僅對反射或串擾分析有效，對“Screening”分析無(wú)效。終止方式有：【None】（無(wú)終止方式）、【Serial R】（串擾方式）、【Parallel R to VCC】（電源VCC端并聯(lián)電阻方式）、【Parallel R to GND】（地端并聯(lián)電阻方式）、【ParallelR’s to VCC and GND】（電源端和地端并聯(lián)電阻方式）、【Parallel C to GND】（地端并聯(lián)電容方式）、【Rand C to GND】（地端并聯(lián)電阻和電容方式）、【ParallelSchottky Diodes】（并聯(lián)肖特基二極管方式）

【Reflection】　該命令在【Simulation】菜單下。執行該命令后，仿真器將使用在【Simulation】單的下方列表欄中關(guān)于每個(gè)網(wǎng)絡(luò )的緩沖器的選定輸出作為驅動(dòng)，并考慮所有已設置的有效終止方式，來(lái)進(jìn)行詳細的信號反射仿真。仿真結果以圖形方式顯示在波形分析器中。

【Crosstalk】　該命令在【Simulation】菜單下。執行該命令后，仿真器將使用在【Simulation】菜單的下方列表欄中關(guān)于“Agressor Net”的緩沖器的選定輸出作為驅動(dòng)，并考慮所有已設置的有效終止方式，來(lái)進(jìn)行詳細的信號反射仿真。仿真結果以圖形方式顯示在波形分析器中。

波形分析器

使用波形分析器可以方便地顯示出反射仿真和串擾仿真的結果，并可以直接對波形進(jìn)行測量計算。波形分析器是通過(guò)執行【Simulation 】菜單下的【Reflection】/【Crosstalk】命令來(lái)啟動(dòng)的。波形分析器工作窗口如圖3所示。

圖3　波形分析器工作窗口

在波形分析器示圖區的右邊，列出了正在進(jìn)行波形分析的網(wǎng)絡(luò )名稱(chēng)以及屬于該網(wǎng)絡(luò )的元件引腳名稱(chēng)。在這里，使用鼠標左鍵單擊某個(gè)元件引腳名稱(chēng)或其下方的小短線(xiàn)（對不同的引腳以不同的顏色顯示，以作區分） ，就可以選中該引腳上的信號波形，在圖中將以高亮狀態(tài)顯示;再次單擊，將取消信號波形的選中。只有選中了某個(gè)引腳上的信號波形，才可以對它進(jìn)行分析計算，同時(shí)在波形分析器示圖區的最右邊空白處顯示一系列相關(guān)的測量值。圖4是對圖3中的一個(gè)信號波形進(jìn)行FFT變換以及特征參數計算的結果。

圖4　FFT變換以及特征參數計算的結果

結束語(yǔ)

總之，在用Protel 99電子設計軟件開(kāi)發(fā)電路時(shí)，只有充分利用好信號完整性分析功能，分析印刷電路板的設計和檢查設計參數，并測試電路的特性參數，這樣才能在電路板投入實(shí)際應用之前，發(fā)現可能出現的信號完整性問(wèn)題，避免設計的盲目性，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高設計的可靠性。