第6章硬件设计案例.ppt

6 硬件设计 6.1 电源设计 6.2 时钟设计 6.3 驱动、隔离及电平转换 6.4 EDA软件 6.5 电磁兼容性 6.6 高速PCB设计 6.7 系统信号完整性分析与软件仿真 6.1 电源设计 6.1.1 电源需求 常见的有5 V、3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.2 V等。一般来说，1.8 V、1.2 V等是DSP或FPGA的内核电源，5 V、3.3 V、2.5 V为I／O电源。数字电源的电流通常较大，一片高速DSP需要1～2 A，FPGA需要1 A，存储器需要0.2 A，所以一块电路板的平均电流常达到6 A以上。数字电源一般要求误差范围不超过10％，而对于1.2 V等低压，要求误差范围不超过5％。对纹波的要求较宽松，对于60 mV以下的纹波，数字元件都可正常工作。纹波和噪声是电源质量的直接反映。 6.1.2 电源的种类及选用（专用IC） 化学电源：如电池 线性稳压电源（低压差线性稳压器LDO ） 优点：稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路、输出连续可调的模块。缺点：体积大，较笨重，效率相对较低。 开关型直流稳压电源（PWM 、PFM ） 优点：体积小，重量轻，稳定可靠；可以升压、降压或转换电压极性。缺点：纹波较大，纹波峰峰值一般为输出电压的1％ 。开关电源分类： ①AC／DC电源 ②DC／DC电源 ③模块电源 6.1.3 电源的设计要求 输入电压允许范围和输出电压允许范围 需求电流大小 电源稳定性 电压纹波 损耗 加电顺序 体积 辐射 保护电路 6.1.4 电源安全设计 慎重加电 负载电流的变化对电压的影响 多电源系统和多电源芯片，注意上电次序 浪涌电压保护、EMI／RFI抑制、散热问 题 电源电流的裕量设计常取15％～40％ 6.1.5 电源设计举例 6.2 时钟设计 6.2.1 时钟电路的选择原则 主频最高可达1GHz以上，晶振通过片内PLL来倍频，PLL电源LC滤波。 6.2.2 时钟电路电源和地的设计 铁氧体磁珠(ferrite bead)滤波，10uF钽电容和0.1uF电容滤波 ，阻抗匹配，尽量少使用过孔。 6.2.3 系统时钟与局部时钟 相参(同源) 和非相参(不同源) ]，专门的时钟驱动器，时钟同步、数据传输的问题。 6.2.4 时钟的影响 方波信号产生高次谐波分量，尽量选择低速时钟，走线最短，屏蔽（保护地、屏蔽电缆），用正弦波（隔离变压器）。 6.3 驱动、隔离及电平转换 6.3.1 驱动和隔离 总线驱动器可带很多个负载，另一作用是隔离；模数电路间加驱动器，隔离相互干扰；器件悬空引脚：输入引脚接固定电平，以降低电路噪声和功耗。 6.3.2 电平转换 3.3 V与5 V、DSP与外围器件的接口、其他类型的电平转换（RS232、RS485、26LS32/32） 6.4 EDA软件 高速实时系统设计的主要软件是电子设计自动化(EDA)软件；对具体的电路实现来说，EDA软件通常包括系统设计（SPW、DSP）、PCB设计、FPGA设计以及ASIC设计等等。 6.4.1 PCB设计 在PCB领域，EDA软件的强大功能主要包括强大的设计与编辑功能、丰富的库资源、高效的数字与模拟仿真、信号完整性分析、板级互连时序验证等。PCB行业的主要厂商有Cadence、Mentor、PADs、Viewlogic、Zuken等。最常用的是PROTEL软件。 EDA中的PCB设计产品主要包括以下内容： (a)设计输入工具 具有模拟和混合信号设计能力；有丰富的设计功能：符号库、电特性、热特性等等；采用Top—Down设计模式，使电路表述更清晰；有自由传送数据功能，可在原理图做功能仿真；可加入布图信息，便于PCB布局。 (b)模拟、数字仿真工具 可进行原理图仿真，显示模拟、数字波形；可根据布线延迟反标后进行时序仿真，实现信号系统排错；可进行模拟信号分析，如傅立叶变换、协方差、卷积等。 (c)热分析工具 从电路板数据库自动生成完整的热模型；在电路板设计早期进行热分析，可增强PCB设计的一次成功性。 (d)布线工具 有交互式自动布局布线工具；支持物理约束的设计方法；可完成从单面PCB到多层板设计。 (e)布图工艺 有符合加工工艺的布图建议；支持工业界最广泛的底层技术(标准格式)；有CAM输出工具，从光绘、版图到数控机床加工中心，可直接生产试验电路板。 (f)时延分析 有高层次、总线功能时延描述；可生成标准时延文件，供电气规则驱动布线。