信號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)在我們設(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)過程中用于信號完整性調(diào)試與測試的時(shí)間延長，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，目前我們在這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完整性問題的測試、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)和測試手段的現(xiàn)狀，我們認(rèn)為：在信號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)的檢測設(shè)備是解決信號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”。信號完整性和電磁兼容性工作已經(jīng)逐步從事后檢測處理發(fā)展到預(yù)先分析評估、預(yù)先檢驗(yàn)、預(yù)先設(shè)計(jì)，即在方案設(shè)計(jì)階段就有針對性的開展預(yù)測分析工作,把過去用于研制后期試驗(yàn)測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、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)問題并對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改；
¨ 驗(yàn)證期：進(jìn)行各種檢驗(yàn)測試認(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，市場上用于解決信號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)中期的檢測調(diào)試，包括信號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)測試，對產(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)需要對信號失真給予特別的關(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)際測試的結(jié)果有著不同程度的差異，帶來信號不完整性、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軟件針對上述PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，推出了全套的SI（信號完整性）、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)模混合電路的仿真。它可以在PCB板布局布線完成后，PCB板拿去加工前對PCB板進(jìn)行信號完整性，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 | 型號 | 描述 | 數(shù)量 |
1 | ASPICE | 電磁場仿真工具，用于電路仿真、傳輸線信號完整性仿真等?？梢燥@示信號波形，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)境觀測分析PCB板及其信號情況和磁場情況。 | 1 |
4 | SLS/REDUCE | 超級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，自動產(chǎn)生S參數(shù)。 | 1 |
6 | SPI-I BASE | 信號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完整性分析，也無法做混合電路的信號完整性分析。 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)果精度會受很大的影響。 | 1. 分析數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)模混合電路中的各種噪聲。 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)測結(jié)果更接近。 3. 在信號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：單線，組線，和整板的輻射分析，以及電磁場分布分析等 |
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，這就是我們在電磁兼容領(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、脈沖式磁場和脈沖式電場，并加載于針對的點(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（是電場敏感還是磁場敏感？）。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)用十分簡單！因此你只需要很少地變動就可以解決產(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 | 型號 | 描述 | 數(shù)量 |
1 | E1 | | 1 |
2 | S2 | 磁場探頭組（選件） | 1 |
3 | P1 | 便攜式敏感點(diǎn)診斷器（選件） | 1 |
三項(xiàng)：電磁兼容診斷測試系統(tǒng)
電磁兼容診斷測試系統(tǒng)可以完成對高速PCB板，以及小型電子系統(tǒng)的電磁場分布的三維掃描，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到產(chǎn)品中電磁場的分布情況，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)行對比顯示，使得對電磁兼容的調(diào)試變得簡單直觀！系統(tǒng)中除了電磁場的分布掃描以外，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 | 產(chǎn)品型號 | 產(chǎn)品描述 | 數(shù)量 |
1 | RQ644EH | EMC/Heat-Scanner，測量范圍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)：信號完整性分析儀
在高速電路應(yīng)用中，隨著頻率的提高，信號完整性問題已經(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高速信號的完整性進(jìn)行**的測量，針對這一難題，Wavecrest公司推出了信號完整性分析儀！該設(shè)備是一個(gè)專業(yè)的信號完整性測試設(shè)備，它采用獨(dú)特的“雙引擎”技術(shù)和多種**算法，能夠**的測量高速信號的完整性。具有測量精度*高、測試速度*快、測量功能*全、分辨率*高等特點(diǎn)，可對抖動及抖動中各個(gè)成分進(jìn)行準(zhǔn)確地定量測量與分析，是信號完整性實(shí)際測試中必備的設(shè)備。該設(shè)備內(nèi)置了各種工業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)，工程師可以直接進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測量，獨(dú)特的專家系統(tǒng)可以幫助用戶進(jìn)行故障診斷。序號 | 型號 | 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 | 1 |
6 | W5305150-00 | 被動探頭（6GHz） | 1 |
7 | W0305207-00 | 跳線電纜 | 2 |
