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104条 PCB 布局布线小技巧

在电子产品设计中，PCB布局布线是重要的一步，PCB布局布线的好坏将直接影响电路的性能。

现在，虽然有很多软件可以实现PCB自动布局布线。但是随着信号频率不断提升，很多时候，工程师需要了解有关PCB布局布线的基本的原则和技巧，才可以让自己的设计完美无缺。

下面涵盖了PCB布局布线的相关基本原理和设计技巧，以问答形式解答了有关PCB布局布线方面的疑难问题。

PCB布局布线的相关基本原理和设计技巧

1、[问] 高频信号布线时要注意哪些问题？

[答 ]

信号线的阻抗匹配；

与其他信号线的空间隔离；

对于数字高频信号，差分线效果会更好。

2、[问] 在布板时，如果线密，过孔就可能要多，当然就会影响板子的电气性能，请问怎样提高板子的电气性能？

[答] 对于低频信号，过孔不要紧，高频信号尽量减少过孔。如果线多可以考虑多层板。

3、[问] 是不是板子上加的去耦电容越多越好？

[答] 去耦电容需要在合适的位置加合适的值。例如，在你的模拟器件的供电端口就进加，并且需要用不同的电容值去滤除不同频率的杂散信号。

4、[问] 一个好的板子它的标准是什么？

[答] 布局合理、功率线功率冗余度足够、高频阻抗阻抗、低频走线简洁。

5、[问] 通孔和盲孔对信号的差异影响有多大？应用的原则是什么？

[答] 采用盲孔或埋孔是提高多层板密度、减少层数和板面尺寸的有效方法，并大大减少了镀覆通孔的数量。

但相比较而言，通孔在工艺上好实现，成本较低，所以一般设计中都使用通孔。

6、[问] 在涉及模拟数字混合系统的时候，有人建议电层分割，地平面采取整片敷铜，也有人建议电地层都分割，不同的地在电源源端点接，但是这样对信号的回流路径就远了，具体应用时应如何选择合适的方法？

[答] 如果你有高频>20MHz信号线，并且长度和数量都比较多，那么需要至少两层给这个模拟高频信号。一层信号线、一层大面积地，并且信号线层需要打足够的过孔到地。这样的目的是：

对于模拟信号，这提供了一个完整的传输介质和阻抗匹配；

地平面把模拟信号和其他数字信号进行隔离；

地回路足够小，因为你打了很多过孔，地又是一个大平面。

7、[问] 在电路板中，信号输入插件在PCB左边沿，mcu在靠右边，那么在布局时是把稳压电源芯片放置在靠近接插件（电源IC输出5V经过一段比较长的路径才到达MCU），还是把电源IC放置到中间偏右（电源IC的输出5V的线到达MCU就比较短，但输入电源线就经过比较长一段PCB板）？或是有更好的布局？

[答] 首先你的所谓信号输入插件是否是模拟器件？如果是是模拟器件，建议你的电源布局应尽量不影响到模拟部分的信号完整性．因此有几点需要考虑：

首先你的稳压电源芯片是否是比较干净，纹波小的电源．对模拟部分的供电，对电源的要求比较高；

模拟部分和你的ＭＣＵ是否是一个电源，在高电路的设计中，建议把模拟部分和数字部分的电源分开；

对数字部分的供电需要考虑到尽量减小对模拟电路部分的影响。

8、[问] 在高速信号链的应用中，对于多ASIC都存在模拟地和数字地，究竟是采用地分割，还是不分割地？既有准则是什么？哪种效果更好？

[答] 迄今为止，没有定论。一般情况下你可以查阅芯片的手册。

ADI所有混合芯片的手册中都是推荐你一种接地的方案，有些是推荐公地、有些是建议隔离地。这取决于芯片设计。

9、[问] 何时要考虑线的等长？如果要考虑使用等长线的话，两根信号线之间的长度之差不能超过多少？如何计算？

[答] 差分线计算思路：如果你传一个正弦信号，你的长度差等于它传输波长的一半是，相位差就是180度，这时两个信号就完全抵消了。

所以这时的长度差是值。以此类推，信号线差值一定要小于这个值。

10、[问] 高速中的蛇形走线，适合在那种情况？有什么缺点没，比如对于差分走线，又要求两组信号是正交的？

[答] 蛇形走线，因为应用场合不同而具不同的作用：

如果蛇形走线在计算机板中出现，其主要起到一个滤波电感和阻抗匹配的作用，提高电路的抗干扰能力。计算机主机板中的蛇形走线，主要用在一些时钟信号中，如PCI-Clk,AGPCIK,IDE,DIMM等信号线。

若在一般普通PCB板中，除了具有滤波电感的作用外，还可作为收音机天线的电感线圈等等。如2.4G的对讲机中就用作电感。

对一些信号布线长度要求必须严格等长，高速数字PCB板的等线长是为了使各信号的延迟差保持在一个范围内，保证系统在同一周期内读取的数据的有效性（延迟差超过一个时钟周期时会错读下一周期的数据）。

如INTELHUB架构中的HUBLink，一共13根，使用233MHz的频率，要求必须严格等长，以消除时滞造成的隐患，绕线是惟一的解决办法。一般要求延迟差不超过1/4时钟周期，单位长度的线延迟差也是固定的，延迟跟线宽、线长、铜厚、板层结构有关，但线过长会增大分布电容和分布电感，使信号质量有所下降。

所以时钟IC引脚一般都接;" 端接，但蛇形走线并非起电感的作用。相反地，电感会使信号中的上升沿中的高次谐波相移，造成信号质量恶化，所以要求蛇形线间距少是线宽的两倍。

信号的上升时间越小，就越易受分布电容和分布电感的影响。

蛇形走线在某些特殊的电路中起到一个分布参数的LC滤波器的作用。

11、[问]在设计PCB时，如何考虑电磁兼容性EMC/EMI，具体需要考虑哪些方面？采取哪些措施？

[答] 好的EMI/EMC 设计必须一开始布局时就要考虑到器件的位置, PCB 叠层的安排，重要联机的走法， 器件的选择等。
例如时钟产生器的位置尽量不要靠近对外的连接器，高速信号尽量走内层并注意特性阻抗匹配与参考层的连续以减少反射，器件所推的信号之斜率(slew rate)尽量小以减低高频成分，选择去耦合(decoupling/bypass)电容时注意其频率响应是否符合需求以降低电源层噪声。

另外，注意高频信号电流之回流路径使其回路面积尽量小(也就是回路阻抗loop impedance 尽量小)以减少辐射， 还可以用分割地层的方式以控制高频噪声的范围，适当的选择PCB 与外壳的接地点。

12、[问] 请问射频宽带电路PCB的传输线设计有何需要注意的地方？传输线的地孔如何设置比较合适，阻抗匹配是需要自己设计还是要和PCB加工厂家合作？

[答] 这个问题要考虑很多因素．比如PCB材料的各种参数，根据这些参数建立的传输线模型，器件的参数等。

阻抗匹配一般要根据厂家提供的资料来设计。

13、[问] 在模拟电路和数字电路并存的时候，如一半是FPGA或单片机数字电路部分，另一半是DAC和相关放大器的模拟电路部分。各种电压值的电源较多，遇到数模双方电路都要用到的电压值的电源，是否可以用共同的电源，在布线和磁珠布置上有什么技巧？

[答] 一般不建议这样使用．这样使用会比较复杂，也很难调试。

14、[问] 您好，请问在进行高速多层PCB设计时，关于电阻电容等器件的封装的选择的，主要依据是什么？常用那些封装，能否举几个例子。

[答] 0402是手机常用；0603是一般高速信号的模块常用；依据是封装越小寄生参数越小，当然不同厂家的相同封装在高频性能上有很大差异。

建议你在关键的位置使用高频专用元件。

15、[问] 一般在设计中双面板是先走信号线还是先走地线？

[答] 这个要综合考虑．在首先考虑布局的情况下，考虑走线。

16、[问] 在进行高速多层PCB设计时，应该注意的问题是什么？能否做详细说明问题的解决方案。

[答] 应该注意的是你的层的设计，就是信号线、电源线、地、控制线这些你是如何划分在每个层的。

一般的原则是模拟信号和模拟信号地至少要保证单独的一层。电源也建议用单独一层。

17、[问] 请问具体何时用2层板，4层板，6层板在技术上有没有严格的限制？（除去体积原因）是以CPU的频率为准还是其和外部器件数据交互的频率为准？

[答] 采用多层板首先可以提供完整的地平面，另外可以提供更多的信号层，方便走线。

对于CPU要去控制外部存储器件的应用，应以交互的频率为考虑，如果频率较高，完整的地平面是一定要保证的，此外信号线要保持等长。

18、[问] PCB布线对模拟信号传输的影响如何分析，如何区分信号传输过程中引入的噪声是布线导致还是运放器件导致。

[答] 这个很难区分，只能通过PCB布线来尽量减低布线引入额外噪声。

19、[问] 近我学习PCB的设计，对高速多层PCB来说，电源线、地线和信号线的线宽设置为多少是合适的，常用设置是怎样的，能举例说明吗？例如工作频率在300Mhz的时候该怎么设置？

[答] 300MHz的信号一定要做阻抗仿真计算出线宽和线和地的距离；电源线需要根据电流的大小决定线宽，地在混合信号PCB时候一般就不用“线”了，而是用整个平面，这样才能保证回路电阻，并且信号线下面有一个完整的平面。

20、[问] 请问怎样的布局才能达到的散热效果？

[答] PCB中热量的主要有三个方面：

电子元器件的发热；

P c B本身的发热；

其它部分传来的热。

在这三个热源中，元器件的发热量，是主要热源，其次是PCB板产生的热，外部传入的热量取决于系统的总体热设计，暂时不做考虑。

那么热设计的目的是采取适当的措施和方法降低元器件的温度和PCB板的温度，使系统在合适的温度下正常工作。

主要是通过减小发热，和加快散热来实现。

21、[问] 可否解释下线宽和与之匹配的过孔的大小比例关系？

[答] 这个问题很好，很难说有一个简单的比例关系，因为他两的模拟不一样。一个是面传输一个是环状传输。

可以在网上找一个过孔的阻抗计算软件，然后保持过孔的阻抗和传输线的阻抗一致就行。

22、[问] 在一块普通的有一MCU控制的PCB电路板中，但没大电流高速信号等要求不是很高，那么在PCB的四周外的边沿是否铺一层地线把整个电路板包起来会比较好？

[答] 一般来讲，就铺一个完整的地就可以了。

23、[问]

1）我知道AD转换芯片下面要做模拟地和数字地的单点连接，但如果板上有多个AD转换芯片的情况下怎么处理呢？
2）多层电路板中，多路开关（multiplexer）切换模拟量采样时，需要像AD转换芯片那样把模拟部分和数字部分分开吗？

[答]

几个ADC尽量放在一起，模拟地数字地在ADC下方单点连接；

取决于MUX与ADC的切换速度，一般ADC的速度会高于MUX，所以建议放在ADC下方。

当然，保险起见，可以在MUX下方也放一个磁珠的封装，调试时视具体情况来选择在哪进行单点连接。

24、[问] 在常规的网络电路设计中，有的采用把几个地连在一起，有这样的用法吗？为什么？谢谢！

[答] 不是很清楚您的问题。对于混合系统肯定会有几种类型的地，总是会在一点将其连接一起，这样做的目的是等电势。大家需要一个共同的地电平做参考。

25、[问] PCB中的模拟部分和数字部分、模拟地和数字地如何有效处理？

[答] 模拟电路和数字电路要分开区域放置，使得模拟电路的回流在模拟电路区域，数字的在数字区域内，这样数字就不会影响到模拟。

模拟地和数字地处理的出发点是类似的，不能让数字信号的回流流到模拟地上去。

26、[问] 模拟电路和数字电路在PCB板设计时，对地线的设计有哪些不同?需要注意哪些问题？

[答] 模拟电路对地的主要要求是，完整、回路小、阻抗匹配。数字信号如果低频没有特别要求；如果速度高，也需要考虑阻抗匹配和地完整。

27、[问] 去耦电容一般有两个，0.1和10的，如果面积比较紧张的情况话，如何放置两个电容，哪个放置背面好些？

[答] 要根据具体的应用和针对什么芯片来设计。

28、[问] 请问老师，射频电路中，经常会出现IQ两路信号，请问这两根线的长度是否需要一样？

[答] 在射频电路里尽量使用一样的。

29、[问] 高频信号电路的设计与普通电路设计有什么不同吗？能以走线设计为例简单说明一下吗？

[答] 高频电路设计要考虑很多参数的影响，在高频信号下，很多普通电路可以忽略的参数不能忽略，因此可能要考虑到传输线效应 。

30、[问] 高速PCB，布线过程中过孔的避让如何处理，有什么好的建议？

[答] 高速PCB，少打过孔，通过增加信号层来解决需要增加过孔的需求。

31、[问] PCB板设计中电源走线的粗细如何选取？有什么规则吗?

[答] 可以参考：0.15×线宽(mm)=A,也需要考虑铜厚。

32、[问] 数字电路和模拟电路在同一块多层板上时，模拟地和数字地要不要排到不同的层上？

[答] 不需要这样做，但模拟电路和数字电路要分开放置。

33、[问] 一般数字信号传输时多几个过孔比较合适？（120Mhz以下的信号）

[答]不要超过两个过孔。

34、[问] 在即有模拟电路又有数字电路的电路中，PCB板设计时如何避免互相干扰问题？

[答] 模拟电路如果匹配合理辐射很小，一般是被干扰。干扰源来自器件、电源、空间和PCB；数字电路由于频率分量很多，所以肯定是干扰源。

解决方法一般是，合理器件的布局、电源退偶、PCB分层,如果干扰特点大或者模拟部分非常敏感，可以考虑用屏蔽罩 。

35、[问] 对于高速线路板，到处都可能存在寄生参数，面对这些寄生参数，我们是各种参数然后再来消除，还是采用经验方法来解决？应该如何平衡这种效率与性能的问题？

[答] 一般来说要分析寄生参数对于电路性能的影响．如果影响不能忽略，就一定要考虑解决和消除。

36、[问] 多层板布局时要注意哪些事项？

[答] 多层板布局时，因为电源和地层在内层，要注意不要有悬浮的地平面或电源平面，另外要确保打到地上的过孔确实连到了地平面上，是要为一些重要的信号加一些测试点，方便调试的时候进行测量。

37、[问] 如何避免高速信號的crosstalk?

[答] 可以让信号线离的远一些，避免走平行线，通过铺地或加保护来起到屏蔽作用，等等。

38、[问] 请问在多层板设计中经常会用到电源平面，可是在双层板中需要设计电源平面吗？

[答] 很难，因为你各种信号线在双层布局已经差不多了。

39、[问] PCB板的厚度对电路有什么影响吗？一般是如何选取的？

[答] 厚度在作阻抗匹配时比较重要，PCB厂商会询问阻抗匹配是在板厚为多少时进行计算的，PCB厂商会根据你的要求进行制作。

40、[问] 地平面可以使信号回路，但是也会和信号线产生寄生电容，这个应该怎么取舍？

　[答] 要看寄生电容对信号是否有不可忽略的影响．如果不可忽略，那就要重新考虑。

41、[问] LDO输出当做数字电源还是模拟电源意思是数字跟模拟哪个先接电源输出好？

[答] 如果想用一个LDO来为数字和模拟提供电源，建议先接模拟电源，模拟电源经过LC滤波后，为数字电源。

42、[问] 请问应该在模拟Vcc和数字Vcc之间用磁珠，还是应该在模拟地和数字地之间用磁珠呢？

[答] 模拟VCC经过LC滤波后得到数字VCC，模拟地和数字地间用磁珠。

43、[问] LVDS等差分信号线如何布线？

[答] 一般需要注意：所有布线包括周围的器件摆放、地平面都需要对称。

44、[问] 一个好的PCB设计，需要做到自身尽量少的向外发射电磁辐射，还要防止外来的电磁辐射对自身的干扰，请问防止外来的电磁干扰，电路需要采取哪些措施呢？

[答] 的方法是屏蔽，阻止外部干扰进入。电路上，比如有INA时，需要在INA前加RFI滤波器滤除RF干扰。

45、[问] 采用高时钟频率的快速集成电路芯片电路，在PCB板设计时如何来解决传输线效应的问题？

[答] 这个快速集成电路芯片是什么芯片？如果是数字芯片，一般不用考虑。

如果是模拟芯片，要看传输线效应是否大到影响芯片的性能 。

46、[问]在一个多层的PCB设计中，是否还需要覆铜呢？如果覆铜的话应该将其连接到哪一层？

[答] 如果内部有完整的地平面和电源平面，则顶层和底层可以不敷铜。

47、[问] 在高速多层PCB设计时，进行阻抗仿真一般怎么进行，利用什么软件？有什么要特别注意的问题吗？

[答] 你可以采用Multisim软件来仿真电阻电容效应。

48、[问] 有些器件的引脚较细，但是PCB板上走线较粗，连接后会不会造成阻抗不匹配的问题？如果有该如何解决？

[答] 要看是什么器件．而且器件的阻抗一般在数据手册上给出，一般和引脚粗细关系不大。

49、[问] 差分线一般都需要等长如果实在在LAYOUT中有困难实现，是否有其他补救措施？

[答] 可以通过走蛇形线来解决等长的问题，现在大多数的PCB软件都可以自动走等长线，很方便。

50、[问] 在用万用表测量芯片的模拟地与数字地接口的时候是导通的，这样模拟地域数字地不就是多点连接了吗？

[答] 芯片内部的地管脚都是连接在一起的。但是在PCB板上仍然需要连接。

理想的单点接地，应该是要了解芯片内部模拟和数字部分的连接点位置，然后把PCB板上的单点连接位置也设计在芯片的模拟和数字分界点。

51、[问] 由于受到板子尺寸的限制，我的电路板采用两面贴片焊接芯片，板子上走了很多的过孔，信号线也走在附近，这样走线会对信号产生干扰吗？

[答] 如果是低速数字信号，应该问题不大。否则肯定会影响信号的质量。

52、[问] 数字线在考虑要不要做阻抗匹配时，是看信号传出至反射回来时，总时间是否超过上升沿的20%，若超过则需阻抗匹配。请问模拟线要不要阻抗匹配？怎样考虑？

[答] 低频的模拟信号是不需要匹配的，射频的模拟信号当然也要考虑匹配问题。

53、[问] 关于完整的地平面，在使用AD/DA芯片的板子上，如果层数比较多，可以提供一个完整的模拟地和一个完整的数字地；也可以在这两层地平面上都分别划分模拟地，数字地。二者孰优孰劣？

[答] 一般来讲，都会铺完整的地平面。除非是一些特殊的情况，比如板子的模拟部分和数字部分是明显分开的，可以很容易地区分开。

54、[问] 用磁珠或MECCA连接数字、模拟地时，是利用其频率特性，使数字地中高频成分不影响模拟地，同时保证二者电平相等。那么，0ohm电阻连接数字、模拟地有什么作用，有时还只用一小块铜连接，能分析一下吗？

[答] 磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适当型号。

对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合。0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。

电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)，这点比磁珠强。铜皮类似于0ohm电阻。)

55、[问] 如何避免布线时引入的噪声？

[答] 数字地与模拟地要单点接地，否则数字地回流会流过模拟地对模拟电路造成干扰。

56、[问] PCB如何预防PWM等突变信号对模拟信号(如运放)产生的干扰,又如何进行测试这种干扰(辐射干扰或传导干扰)的大小？除布局布线需要注意外,有无其他方法来进行抑制(除屏蔽的手段）？

[答] 要从运放的几个接口入手，输入端要防止空间耦合干扰和PCB串扰（布局改善）；电源需要不同容值去耦电容。测试可以用示波器的探头测试上面说的位置，判断出干扰从何而来。

PWM信号如果是通过低通滤波变成直流控制电压的话，可以考虑就进做滤波，或者并联对地一个小电容，让PWM的波形变圆，减少高频分量。

57、[问] 请问，在电路板中，一个ARM或者FPGA经常会向外连接很多RAM，FLAH这样的器件，请问这些主芯片与这些存储器之间的连线需要注意什么，过孔的数目有什么限制么？数字信号中常用的过孔孔径大小是多少？过孔孔径的大小对信号的影响大么？

[答] 如果速度大于100MHz，则一根信号线上的过孔不要超过两个，过孔不能太小，一般，10个mil的孔径即可。

58、[问] 请问在布双面板（高频是）的时候，顶层地和底层地相连时的过孔也是越少越好吗？那么要怎么放过孔比较合理呢？

[答] 过孔少是针对信号线，如果是地的过孔，适当的多一些会减少地回路和阻抗。放的原则是就进器件。

59、[问] LVDS信号布线应该注意哪些？如何布线？

[答] 平行等长;

60、[问] 请问数据线并行布线是不是为了相互干扰？

[答] 并行走线要注意线与线的间距，防止串扰发生。

61、[问] 在一块4层板，布有一整个采集系统，有模拟放大、数字采集、MCU。布好后，如何测量此系统的输入阻抗，如何做到系统的输入阻抗和传感器匹配，如何匹配，有没有相关的设计原则？

[答] 不知道您的模拟信号的频率多高，如果不高则不需要阻抗匹配。阻抗匹配可以用一些仿真软件计算PCB的阻抗。例如AppCAD。器件的阻抗可以通过手册查询。

62、[问] 经常会看到PCB板上有很多地孔，这些地孔是越多越好吗？有什么规则吗？

[答] 不是．要尽量减少过孔的使用，在不得不使用过孔时，也要考虑减少过孔对电路的影响。

63、[问] 在多层板布线的时候难免会有跨平面的现象。我们现在的做饭是在割平面时尽量优先照顾到差分线不跨平面。但有以为老师的说法是单端的不能跨，差分的反倒没那么严格。请教下老师对此的看法？

[答] 单端和差分信号在跨越地平面后都得回流回去，如果回流绕很大圈才回去，一样会感应更多的干扰进来，如果差分线上的噪声一样，则会彼此抵消，所以是有一定道理的。

64、[问] 在高速多层PCB设计时，数字地和模拟地怎么区分？是根据器件的数据手册中说明的进行连接吗？

[答]高速设计不用分数字地和模拟地。

65、[问] 对PCB走线的熔断电流如何考虑??PCB走线多大电流时会熔断,和哪些因素有关?

[答] 参考0.15×线宽(mm)=A，这时电流。设计时候不能用熔断电流做预算。这样就是铜线的截面积。

66、[问] 请问，在信号输入输出接口和电源输入接口等方面需要做哪些保护？电源为220V输入转直流时，在实际应用时，需要采取哪些防护措施？

[答] TVS管，保险丝这些在电源上是必须的。信号的话，看情况也得加TVS管，及二极管来保护模拟电路输入出现大电压的情况。

67、[问] 见PCB板的布线折弯时有45度角和圆弧两种，有何优缺点，怎么选择？

[答] 从阻抗匹配的角度，这两种线都可以做成匹配的弯角。但是圆角可能不好加工。

68、[问] 在高频走线中如果尺寸受限，常用的走线方法或者说合理的走线方法有那些？比如说蛇形走线，可以吗？

[答] 不好，会引入更多寄生参数。

69、[问] 请问在使用仪表放大器时关键的输入型号，我在器件层其周围还有必要覆铜吗，我在器件的底层已经覆铜了。还有仪表放大器的反馈电阻我是用直插的，引线就长了，换成贴片的电阻温漂和就达不到要求，请问该怎样处理？

[答] 一般仪放芯片资料会有推荐的Layout的方法及图，可以参考。保证引线短和粗是必须的。选用贴片低的电阻还是直插高的电阻哪种好，得看具体调试的结果。

70、[问] PCB软件可以自动布线，但器件的位置布局是不是得手动放置？

[答] 布局布线都手动完成。

71、[问] 在做PCB板制板时，PCB选材有没有什么特殊的规定或是一般如何选材？我现在在制作高频信号电路板，请问您选择什么材质的PCB板较好？

[答] 目前较多采用的高频电路板基材是氟糸介质基板，如聚四氟乙烯(PTFE)，平时称为特氟龙，通常应用在5GHz以上。做板时跟PCB厂商说明即可。

72、[问] 我是PCB设计的初学者，我想了解下去耦电容的选型规则是什么？还有值的大小怎么计算？

[答] 一般情况，对于电源产生部分，要用10u和0.1u的电容去耦，要同时考虑高频和低频的去耦；对于其他原件一般都是用0.1u的电容在电源部分去耦。

73、[问] 一个5khz的脉冲信号在板子上走20cm长，10mil宽的走线之后，其衰减能达到多少呢？

[答] 不同的材质的ＰＣＢ的寄生参数不同，可以根据你使用的寄生参数建立模型来计算。

74、[问] 在高频中走的微带线走线与地平面的距离有什么要求吗？比如说大于1mm。还是没有太大的要求，只要差不多就可以了？还是要按共面波导计算？

[答] 一定要用共面波导或者微带线的阻抗仿真计算。

75、[问] 如何布线才能尽可能地降低线间高频信号的串扰？

[答] 高频信号匹配好会减少反射，同样也会减少辐射。

76、[问] 想请问在DC-DCConvertIC，在IC下方需要连接到地平面，透过Via连接到地平面，Via孔的数量多与少影响程度为何？

[答] 一般可以根据参考设计来设计．由于电流较大，可能需要一定数量的Via。

77、[问] 阻抗匹配时，若引脚给出的阻抗值为复数，即既有阻抗部分又有电抗部分，这时阻抗匹配如何做？光考虑电阻部分吗？

[答] 考虑共轭匹配，将阻抗的虚部抵消。

78、[问] 高频中集中参数和分布参数那种比较好？要怎么选择这两种方法比较合适呢？

[答] 分布方法，较高，但比较复杂；集总方式相对简化，但有一定误差。

79、[问] 双层板连接上下覆铜地的过孔分布有何要求？

[答] 一般来讲只是为了提高连通性的话，应该对分别没有太多要求。

80、[问] 如何在中频应用中，如何平衡放大器输入端的寄生电感和寄生电容?

[答] 一般来讲寄生电感和电容对中频电路的影响较小，可以忽略．只要保证不引入大的寄生电容和电感值就行了。

81、[问] 怎样能有效减少电路元件间的干扰影响，以及放大器如何布局才能限度的抑制纹波的引入？

[答] 减少干扰的原则是：

减少辐射端；

加强被干扰的隔离、屏蔽和退偶；

纹波减少的原则也是：

减少开关电源的纹波输出；

足够的退偶滤波；

82、[问] 6层设计时，层的分配技巧，那些走线要走中间层？

[答] 看你的设计了。原则是保证模拟信号线和模拟地有单独两层。

83、[问] 在模拟地和数字地相连时，采用的方法是否在数字地处接一个合适的磁珠到模拟地？那这个磁珠要怎么选呢？

[答] 磁珠主要是起到隔离高频噪声的作用，不同的磁珠滤波频率不同，所以要根据板上噪声的情况来选择合适的器件。

84、[问] 請问对于高于5G以上的讯号布局有何要注意的地方?

[答] 既要考虑传输线效应，又要考虑寄生效应，还有EMI的问题。

85、 [问] 电路中有高速逻辑器件时，布线长度为多大？

[答] 布线不怕长，就怕不对称或者有比较大的差，这样容易因为时延造成错误的逻辑。

86、[问] 在高速数字电路板中，有多个不同电压值的电源，铺电源平面时应该尽量采用多层电源平面还是在同一层电源平面上分开布置好？

[答] 可以在一个平面上多个电压，注意之间隔离开。也可以把重要的电源单独走一层，这样保证它不受其他电源干扰。

87、[问] 在走差分线的时候由于空间限制，不能完全等距等长，请问是等距优先还是等长优先？

[答] 等长可以保证阻抗匹配，但是不等距实际上对差分匹配也有影响，需要仿真测试。

88、[问] 在PCB布局中，如何减少电磁干扰？另外哪些模块应该距离主控制芯片近一点？

[答] 对于主控制器，主要传输数字信号，所以模拟和电源部分应远离控制器；对于减小电磁干扰，需要注意匹配，去耦，布局布线，分层等问题，建议参考一些资料。

89、[问] 考虑信号完整性时，如果只知道数字芯片的频率是1GHZ，一般会估算他的上升时间是为周期的1/10，即0.1ns。有何依据吗？

[答] 这是一个一般性原则，沿的速度取决于器件输出口的速度。如果太慢会影响判决。再快了芯片工艺达不到了。

90、[问] 你好，请问ARM芯片提高电源的抗干扰，除了在电源输入端接入TVS管之外，电源输入端的输入脚要接电感比较好，还是磁珠比较好？

[答] 一般会使用磁珠。

91、[问] pcb板在线能不能仿真一下，也就是怎么验证下板子有没有问题?

[答] 有些PCB软件可以做一些走线检查和完整性分析，例如cadence。

92、[问] 在pcb布线时有些人在信号的输入输出端串一个电阻进行端接，这个作用大吗？要如何选择这个电阻呢？那些地方需要这样做呢？

[答] 这要看串联电阻的作用，有的是起到限流作用的，有的可能是做阻抗匹配。

93、[问] 对影响电源的高速脉冲串有什么好的抑制方案或者成比较系统的处理方法吗？

[答] 您所谓的高速脉冲串，无非就是不同频率的干扰信号，采用不同值的电容退偶。

94、[问] 高速PCB对板材有什么特殊要求没有？

[答] 高频电路对PCB材料有要求．在高频下要考虑传输线效应。

95、[问] 关于信号线的阻抗匹配，请作点介绍和作法？

[答] 频率较低场合，需要考虑信号线的宽度和电流的承载能力的关系，高频时，需要考虑匹配等长等问题。

96、[问] 高频信号线的抗干扰措施有哪些？布线时应注意哪些方面？

[答] 这个问题比较宽泛，很难一两句话说清楚。

97、[问] 为什么高速信号不用分数字和模拟地？

[答] 因为驱动器端可以调整输出相位差，PCB布局好了再调整就很难了，接收端直接输入了，无法调整。

98、[问] 关于差分线的等长补偿，您为何就直接建议在驱动器端补偿呢？能解释一下吗？EricBogatin的书中也只是给出结论，但无解释。

[答] 驱动端有些芯片有调整功能，PCB线设计好不容易改了，接受端直接输入一般都没有时延调整的功能。

99、[问] 在高频选用制板材料时，介电常数是不是越小越好呢？

[答] 意味着寄生电容小，然而对于信号线特征阻抗的设计时对介电常数是有要求的，不能一概而论。

100、[问] 多大频率的晶振要考虑MCU与晶振间的走线方式？

[答] 晶振与MCU应尽量靠近，用短的直线连接。

101、[问] 开关电源过来的直流电上面带有100mv左右的噪声，应该如何有效地滤除？

[答] 可以考虑加调制器LDO产品稳定电源，或者考虑适当的去耦电容滤除纹波。

102、[问] 模拟电源是否也可以铺平面，是否和地的作用相同？

[答] 电源当然可以铺平面。若不能铺平面，电源线要尽量粗。

103、[问] 请问，两层电路板的覆铜，什么时候选择两面均覆，什么时候仅选择一面覆铜呢？

[答] 如果能保证一面是全地平面的话，可以只铺一层。

104、[问] 请问在高频（1GHz以上）板的设计中，过孔的大小及过孔间距有什么要求？阻抗匹配时需要考虑到的因素有哪些？板材需要注意么？差分走线与地平面的距离有什么注意事项？

[答] 如何需要综合考虑以上指标，建议做整体的电路仿真和调试，寄生效应会影响仿真效果，需要进行反复验证和尝试。

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电路仿真软件详谈七，proteus电路仿真软件优点+仿真浅析

电路仿真软件是工作得力助手之一，但目前流行度高的电路仿真软件并非很多。几大优秀电路仿真软件中，proteus更是受到诸多青睐。对于这款电路仿真软件，你知道它的优点和仿真过程吗?不知道的话，继续浏览这篇电路仿真软件proteus的介绍吧。

一、proteus

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是英国著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到pcb设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。

设置

F8：全部显示 当前工作区全部显示

F6：放大以鼠标为中心放大

F7：缩小以鼠标为中心缩小

G：栅格开关栅格网格

Ctrl F1：栅格宽度0.1mm 显示栅格为0.1mm，在pcb的时候很有用

F2：显示栅格为0.5mm，在pcb的时候很有用

F3：显示栅格为1mm，在pcb的时候很有用

F4： 显示栅格为2.5mm，在pcb的时候很有用

Ctrl s：打开关闭磁吸 磁吸用于对准一些点的，如引脚等等

x：打开关闭定位坐标 显示一个大十字射线

m：显示单位切换 mm和th之间的单位切换，在右下角显示

o：重新设置原点 将鼠标指向的点设为原点

u：撤销键

Pgdn：改变图层

Pgup：改变图层

Ctrl Pgdn：最底层

Ctrl pgup：最顶层

Ctrl 画线：可以划曲线

R：刷新

-：旋转

F5：重定位中心

二、proteus的优点有哪些

Proteus软件具有其它EDA工具软件(例：multisim)的功能。这些功能是：

(1)原理布图

(2)PCB自动或人工布线

(3)SPICE电路仿真

革命性的特点

(1)互动的电路仿真

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

(2)仿真处理器及其外围电路

可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型

上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

具有4大功能模块

(1)智能原理图设计(ISIS)

丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件;

智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件;

智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间;

支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰;

可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。

(2)完善的电路仿真功能(Prospice)

※ ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真;

※ 超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件;

※ 多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频(使用wav文件)、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入;

※ 丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等;

※ 生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件(如电机、显示器件、按钮)的使用可以使仿真更加直观、生动;

※ 高级图形仿真功能(ASF)：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析;

(3)独特的单片机协同仿真功能(VSM)

※ 支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器;

※ 支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM(COM口物理接口模型)还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信;

※ 实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真;

※ 编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境(如IAR、Keil和Hitech)结合，进行高级语言的源码级仿真和调试;

(4)实用的PCB设计平台

※ 原理图到PCB的快速通道： 原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计;

※ 先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局;支持无网格自动布线或人工布线;支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理;

※ 完整的PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层(含板边)，灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D 可视化预览;

※ 多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转(如protel)和PCB板的设计和加工。

Proteus提供了丰富的资源

(1)Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。

(2)Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。

(3)除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。

(4)Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

三、proteus仿真

在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

PROTEUS 是单片机课堂教学的先进助手。

PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。

它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。

课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台

随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。

使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力;在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高的推广利用价值。

目前Proteus的最新版为8.7，ARM cortex处理器被增加，在7.10中已经增加DSP系列(TMS320)。

以上便是小编从3大方面带来的有关proteus电路仿真软件的介绍，希望大家喜欢。

电子工程师离不开的那些电路设计工具，你用过几个？

EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的 最新成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。

EDA常用软件

EDA工具层出不穷，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有：Protel、MentorPADS、OrCAD、Mentor WG、Mentor EN、allegro、EWB、PSPICE、 Synopsys等等。按主要功能或主要应用场合，大致可分为电路设 计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件。

电子电路设计与仿真工具

电子电路设计与仿真工具包括：

SPICE/PSPICE、EWB、Matlab、SystemView、Multisim、MMICAD等。下面简单介绍前三个软件。

1）SPICE：由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，现在用得较多的是PSPICE6.2，在同类产品中是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真 EDA软件，它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无 论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。

2）EWB软件：20世纪90年代初推出 的电路仿真软件。相对于其它EDA软件，它是较小巧的软件(只有16M)。但它对模数电路的混合仿真功能却十分强大，几乎100%地仿真出真实电路的结 果，并且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。它的界面直观，易学 易用。它的很多功能模仿了SPICE的设计，但分析功能比PSPICE稍少一些。

3）MATLAB：它的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。它具有数据采集、报告生成和MATLAB语言编程产生独立C/C 代码等功能。

PCB设计软件

PCB设计软件种类很多，如Protel/AD、OrCAD、Viewlogic、Cadence PSD、Mentor公司的Mentor EN、Mentor WG以及Mentor PADS等系列。常用的PCB设计软件还有Zuken CadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO等等。

先来说说Mentor旗下几个常用系列工具！

Mentor公司有三个系列的PCB设计工具，分别是：

Mentor EN系列，即Mentor Board Station.

Mentor WG系列，即Mentor Expedition.

还有PADS系列，即PowerPCB.

上面讲到的Mentor PADS，也就是以前的PowerPCB/PowerLogic系列，是低端的PCB软件中最优秀的一款，其界面友好、容易上手、功能强大而深受中小企业的青睐，在中小企业用户占有很大的市场份额。

其他两个系列Mentor EN系列和Mentor WG系列与Cadence Allegro一样，都是目前最高端的PCB软件，像中兴、华为这类大型公司都会使用这些高端的设计软件。

其中，Mentor Expedition（WG系列）是拉线最顺畅的软件，被誉为拉线之王，它的自动布线功能非常强大，布线规则设计非常专业。

Mentor EN系列是从早期UNIX系统移植到Windows系统，也是最专业的PCB工具软件，但其学习难度较大，自学的话会比较吃力。

PADS系列则相对来说比较简单易用且上手快，设计灵活，用户的自由度也非常高，很适合初学者及热衷于自学的群体。

再来说说Altium公司的Protel和AD

Protel/AD也有不少高校用户，它拥有完整的全方位电位设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计(包含印刷电 路板自动布局布线)，可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server(客户/服务器体系结构，同时还 兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。

最后来谈谈Cadence Allegro.

Cadence公司拥有Orcad/SPB/PSD等多个系列，三者都是Cadence公司基于capture和allegro的PCB设计套件，区别仅在于软件配置。

Orcad的配置是低端产品，存在价格低的优点，但是在Orcad中Allegro 的功能比较弱，只有各项基本功能而没有constrain manager，如果需要SI或者constrain manager呢，就需要另外的增加配置了。

PSD和SPB其实是同一个东西，PSD是Allegro系统互连设计平台的早期版本，后来新出的版本叫做 SPB，因为改进了设计理念，所以修改了套件包的名称。

由此大家应该明白了，SPB是Allegro最全功能的版本。

衡量一个软件的优劣，其中一个很现实的标准就是看它的市场占有率，也就是它的普及和流行程度.Cadence Allegro现在几乎成为高速板设计中实际上的工业标准，被很多大型电子通信类公司采用，因此掌握Cadence Allegro对求职有实质的帮助；另外其学习资源也比较丰富，比较适合自学。

现在Cadence公司的系列产品有：Cadence SPB16.2, Cadence SPB16.0, Cadence SPB 15.7, Cadence SPB15.5, Cadence SPB15.2等。板级电路设计系统。

Cadence Allegro现在几乎成为高速板设计中实际上的工业标准，其学习资源也比较丰富，比较适合自学。

曾经有人这么评价Cadence：

“Cadence是高速板设计中实际上的工业标准。无论哪一方面都超牛。Cadence PCB Layout工具绝对一流，稍微熟悉一点后就不再想用其他工具了，布线超爽。仿真方面也是非常的牛，有自己的仿真工具，信号完整性仿真，电源完整性仿真都能做。在做pcb高速板方面牢牢占据着霸主地位。要知道这个世界上60%的电脑主板40%的手机主板可都是拿Allegro画的。”

IC设计软件

IC设计工具很多，其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。

1）设计输入工具：像Cadence的composer，viewlogic的viewdraw，硬件描述语言VHDL、verilog HDL是主要设计语言，许多设计输入工具都支持HDL。另外像Active—HDL和其它的设计输入方法，包括原理和状态机输入方法，设计 FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具，Modelsim FPGA等。

2）设计仿真工作：EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确，几乎每个公司的EDA 产品都有仿真工具。

Verilog—XL、NC—verilog用于Verilog仿真，Leapfrog 用于VHDL仿真，Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器，speedwaveVHDL仿真器，VCS— verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog双仿真器：Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器)。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。

3）综合工具：综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势，它的Design Compile是综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler，可以提供更高级的综合。此外，美国还出了一家软件叫Ambit，比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度 更快。不过Ambit已被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。

随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA 公司又陆续开发了用于FPGA设计的综合软件，比较有名的有：Synopsys的FPGA Express，Cadence的Synplity，Mentor的Leonardo，这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。

4）布局和布线：在 IC设计的布局布线工具中，Cadence软件是比较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra，它原来是用于PCB布线的，后来Cadence把它用来作IC的布线。

其主要工具有：Cell3，Silicon Ensemble—标准单元布线器;Gate Ensemble—门阵列布线器;Design Planner—布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。

5）物理验证工具：物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的，其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。

6）模拟电路仿真器：前面讲的仿真器主要是针对数字电路的，对于模拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE，这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的 SPICE，像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中，最好最准的当数HSPICE，作为IC设计，它的模型最 多，仿真的精度也最高。

PLD设计工具

PLD(Programmable Logic Device)是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。目前主要有两大类型：CPLD(Complex PLD)和FPGA(Field Programmable Gate Array)。它们的基本设计方法是借助于EDA软件，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，最后用编程器或下载电 缆，由目标器件实现。生产PLD的厂家很多，但最有代表性的PLD厂家为ALTERA、Xilinx和Lattice公司。

PLD的开发工具一般由器件生产厂家提供，但随着器件规模的不断增加，软件的复杂性也随之提高，目前由专门的软件公司与器件生产厂家合作，推出功能强大的设计软件。

PLD(可 编程逻辑器件)是一种可以完全替代74系列及GAL、PLA的新型电路，只要有数字电路基础，会使用计算机，就可以进行PLD的开发。PLD的在线编程能力和强大的开发软件，使工程师可以在几天，甚至几分钟内就可完成以往几周才能完成的工作，并可将数百万门的复杂设计集成在一颗芯片内。PLD技术在发达国家已成为电子工程师必备的技术。

PLD生产及开发工具：

1）ALTERA—20世纪90年代以后发展很快，后被英特尔收购。主要产品有：MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其开发工具—MAX PLUS II是较成功的PLD开发平台，最新又推出了Quartus II开发软件。Altera公司提供较多形式的设计输入手段，绑定第三方VHDL综合工具，如：综合软件FPGA Express、Leonard Spectrum，仿真软件ModelSim。

2）XILINX—FPGA的发明者。产品种类较全，主要有：XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列，其最大的 Vertex—II Pro器件已达到800万门。开发软件为Foundation和ISE。通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在亚太地区用ALTERA的人多，在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD 技术的发展方向。

3）Lattice—Vantis Lattice是ISP（In—System Programmability）技术的发明者，ISP技术极大地促进了PLD产品的发展，与ALTERA和XILINX相比，其开发工具比Altera 和Xilinx略逊一筹。中小规模PLD比较有特色，大规模PLD的竞争力还不够强(Lattice没有基于查找表技术的大规模FPGA)，1999年推出可编程模拟器件，1999年收购Vantis(原AMD子公司)，成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001年12月收购Agere公司(原 Lucent微电子部)的FPGA部门。主要产品有ispLSI2000/5000/8000，MACH4/5。

4）ACTEL—反熔丝(一次性烧写)PLD的领导者，由于反熔丝PLD抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。

5）Quicklogic—专业PLD/FPGA公司，以一次性反熔丝工艺为主，在中国地区销售量不大。6）Lucent—主要特点是有不少用于通讯领域的专用IP核，但PLD/FPGA不是Lucent的主要业务，在中国地区使用的人很少。

7）ATMEL—已被Microchip收购，中小规模PLD做得不错。ATMEL早年也做了一些与Altera和Xilinx兼容的片子，但在品质上与原厂家还是有一些差距，在高可靠性产品中使用较少，多用在低端产品上。

8）Clear Logic—生产与一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片，这种芯片可将用户的设计一次性固化，不可编程，批量生产时的成本较低。

9）WSI—生产PSD(单片机可编程外围芯片)产品。这是一种特殊的PLD，如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash，并支持ISP(在线编程)，集成度高，主要用于配合单片机工作。

其它EDA软件

1）VHDL语言超高速集成电路硬件描述语言(VHSIC Hardware DeseriptionLanguagt，简称VHDL)，是IEEE的一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超高速集成电路(Very High Speed Integrated Circuit，简称VHSIC)计划，是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入工具。

2）Veriolg HDL 是Verilog公司推出的硬件描述语言，在ASIC设计方面与VHDL语言平分秋色。

3）其它EDA软件如专门用于微波电路设计和电力载波工具、PCB制作和工艺流程控制等领域的工具，在此就不作介绍了。

在文章结束即将结束前，再介绍一下Saber软件！

Saber 是混合信号、混合技术设计与验证工具，在电力电子、数模混合仿真、汽车电子及机电一体化领域得到广泛应用。Saber软件在技术、理论及新产品开发方面保 持明显优势，其大量的器件模型、先进的仿真技术和精确的建模工具为客户提供了全面的系统解决方案，在并在技术方面不断地完善创新。

Saber 的建模工具运用广泛，有可用于电源、机电、磁、热、负载等各种建模工具。Saber也有独特的设计与验证方法：“自顶向下”(Top- Down Design)设计与“自下而上”(Bottom-Up)仿真验证方法。在作了建模方法演示、混合技术设计方法演示、线缆设计(从电气设计到线缆生产)流 程演示后，Johnson演示了单故障模式仿真调试;关键参数与非关键参数的多故障模式仿真调试，显示了Saber仿真器Testify的强大功能。

Saber的典型案例是航空器领域的系统设计，其整个设计过程包含了机械技术、电子技术、液压技术、燃油系统、娱乐系统、雷达无线技术等复杂的混合技术设计与仿真。从航空器、轮船、汽车到消费电子、电源设计都可以通过Saber来完成。

在开关电源设计中，如果有变压器，saber仿真是最好的，变压器模型比较全。saber仿真现在主要问题就是没有教材。不方便学习。

学习笔记阵列式MEMS矢量水听器的信息采集系统设计

赢一个双肩背包

有多难？

戳一下试试看！

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长摁识别

作者：申辉，张国军，郭靖，张文栋

摘 要： 设计了一种应用于阵列式MEMS矢量水听器的水下信息采集系统，用于采集水声信号和水听器姿态信息；采集信息经编码后通过RS422接口输出。设计了一种低噪声前置放大电路来对模拟信号进行调理；对于时统信号和姿态信号，采用抽样判决进行消抖，保证了信号接收的准确性。将采集系统与水听器封装一体后进行了测试，结果表明，系统工作稳定，可准确采集水听器的水下信息。

0 引言

随着对海洋及水下环境探索的不断深入，水听器基阵在声纳设备中应用越来越广，同时对水听器的一致性和阵列孔径的要求也越来越高。基于单个MEMS仿生矢量水听器原理设计的集成阵列式水听器具有成本低、体积小、一致性好的优点[1-2]，可以很好地满足工程应用，图1为2×2敏感单元的阵列微结构。本文针对阵列式MEMS矢量水听器设计了一种低功耗、低噪声、多通道采集系统，其可与水听器封装一体，便于传感器的组阵及应用。

1 系统总体设计

整个数据采集系统主要由FPGA控制器、A/D转换器、信号调理电路、电源供电电路、RS422接口电路等组成。系统以FPGA为控制核心对传感器信息进行采集、编码、传输。

水听器的输出信号经预处理电路滤波、放大后，传输至ADC转换为数字信号；姿态传感器(三维电子罗盘)用于采集传感器的水下姿态信息，其输出数据为RS232格式，经电平转换电路后送入FPGA与数字化的水声信号进行整合编码，之后通过RS422接口电路输出，上位机也可通过该接口检测信号和发送命令。系统结构框图如图2所示。

2 硬件电路设计

2.1 电源电路设计

根据任务要求，为采集系统提供的供电电源为24 V，考虑到系统散热、芯片功率等问题，先将24 V通过电源芯片LM2576稳压到7 V，实现一级稳压。由于一级稳压后的电压噪声较大，故采用低噪声的线性稳压器LT1965将7 V稳压到5 V给系统供电。LT1965的输出电压噪声为40 ?滋VRMS，最大输出电流为1.1 A。根据LM2576的输出电压公式：

取R1=1 kΩ，R2=4.7 kΩ，则VOUT1=7.01 V；LT1965的输出电压公式为：

其中IADJ为芯片ADJ管脚的偏置电流，设计中IADJ=1.3 ?A，取R3=15 kΩ，R4=4.7 kΩ，则VOUT2=5.05 V，两级稳压电路均满足设计要求。

2.2 信号调理电路设计

2.2.1 恒压源和放大电路设计

由于电源噪声对水听器的最优性能有很大影响，所以又另外选用了噪声更低的线性稳压器LT1761，其输出电压噪声为20 VRMS，将一级稳压后的7 V电压稳压到5 V，来为传感器和信号调理电路供电。

水听器内部的敏感单元可等效成惠斯通电桥结构，输出差分信号，输出阻抗的特征值为1 kΩ，最大值1.2 kΩ[3]。水听器差分信号在进入放大电路之前先经过一个无源低通滤波器滤除高频噪声，取R5=R6=300 Ω，C9=C10=0.1 F，则截止频率为：fp=1/(2πRC)=5.3 kHz。放大电路设计中选用低噪声、低功耗、高共模抑制比的仪表放大器AD8421，其最大输入电压噪声为3.2 nV/√Hz，只需通过单个外接电阻RG便可设置增益，增益范围1~10 000。RG选用200 Ω电阻，则放大电路的增益为：G=1 9.9 kΩ/RG≈50。设计中运放AD8421采用单电源 5 V供电，输出摆幅为 1.2 V~ 3.4 V，根据水声传感器输出信号的动态范围：-15 mV~ 15 mV，经放大后变为-0.75 V~ 0.75 V，加上运放的参考电压 2.5 V，则最终信号调理的输出范围为 1.75 V~ 3.25 V，在运放的输出摆幅之内[4]。水听器的恒压源激励和放大电路如图3所示。

2.2.2 二阶高通滤波器设计

通过对水听器的输出信号进行分析，发现其低频噪声要大于高频噪声，为提高信噪比，需要设计一个高通滤波器进行滤波。常用的高通滤波器有多重负反馈型和压控电压源型（VCVS）两种，但考虑到多重负反馈型滤波器的拓扑结构相对复杂而且容易叠加高频谐波[5]，故选用具有增益容易控制、同相输出、对运放要求较低等优点的VCVS式滤波器。巴特沃兹滤波器在通频带幅值特性平坦，在阻频带则逐渐下降为零，是唯一的无论阶数、振幅对角频率曲线都保持同样形状的滤波器[6]，所以滤波器设计为VCVS二阶巴特沃兹高通滤波器。根据水听器所需检测的信号范围：20 kHz~3 kHz，设计高通滤波器的截止频率f0=10 Hz，增益为1，滤波电路原理图如图4所示。

在设计过程中，令巴特沃兹滤波器的二项式系数α=0.707，β=1，则电阻R11、R12的阻值可根据以下公式计算：

其中?棕0为转折角频率，其值可由转折频率f0得出，0=2πf0；k为C11与C12的比例系数，设C11=kC12。为方便设计和器件匹配，设计中取k=1；然后根据转折频率、电容的标准系列值和保证电阻在中等大小范围内的经验公式：

确定C12的取值范围为1 F~100 F，取C12=10 F，则计算得C11=C12=10 F，R11=1.13 kΩ，R12=2.26 kΩ。经Multisim仿真，滤波器的截止频率为10.2 Hz，与设计相符。

2.3 RS422接口电路设计

系统采集的数据通过RS422通信接口串行输出。RS422接口是差模传输，抗干扰能力强，在其传输线上可连接多个接收节点，采用该接口便于水听器组成观测网。接口芯片选用MAX3462，其内部有一个传输线驱动器和一个传输线接收器，可工作在全双工模式，故该接口可发送数据和接收命令。MAX3462的上限通信速率可达20 Mb/s，具有1/4单位负载(48 kΩ)输入阻抗的接收器，其通信总线上最大可允许连接128个收发器。MAX3462与FPGA的通信通过高速光电耦合器HCPL-0738来实现电气隔离，HCPL-0738的速度可达15 MBd，该接口可满足10 Mb/s的最大数据传输速率，接口电路如图5所示，R15和R18的阻值应根据通信速率选取，其中422R 和422R-为接收差分信号，422T 和422T-为发送差分信号。

3 逻辑设计

3.1 AD采集时序

ADC选用8通道的AD7606，其工作方式有3种：并行模式、串行模式和字节模式。系统设计时采用字节模式，此时每个通道的转换结果通过接口DB[7:0]分为高低两个字节输出，高低字节输出的先后顺序可通过HBEN管脚设置。CS为低时，随着RD下降沿的到来，DB[7:0]便输出一个字节， 8个通道转换数据的读取共需要16个RD下降沿。采集通道转换完后，CS的下降沿使FRSTDATA变为低；RD的第1个下降沿到来后FRSTDATA变为高，表明1通道的转换结果正被读出；RD的第3个下降沿到来后FRSTDATA又变为低电平，表明1通道的数据已被读出。根据水声传感器所需检测信号的频率范围，将采样率设计为25 kHz，数模转换器的采集时序如图6所示。

3.2 信号消抖

系统在工作过程中，经常受到复杂的电磁干扰，时统触点的闭合以及罗盘信号的电平转换都会出现尖峰脉冲干扰，当信号为低电平有效时，便会影响到信号的准确接收，所以采取了有效的消抖逻辑，确保系统的可靠运行。在信号接收过程中采用实时抽样判决法对其进行消抖。抽样判决法即每隔时间t对信号进行一次采样，并将采样结果存入一个n位移位寄存器中。每采样一次，移位寄存器中的数据便右移1位并将此时采样得到的数据存储到第一位；n次采样完成后便对寄存器中的信息进行判断，设寄存器中低电平的个数为m，判决系数λ=m/n×100%，若λ≥60%，便认为接收到了低电平信号，否则认为接收到了高电平信号[7]。对于寄存器的位宽n，要根据干扰脉冲的宽度而定，设干扰脉冲宽度为t，采样时钟周期为fosc，应保证n×fosc>t，在设计中选用了10 bit的移位寄存器。

3.3 FIFO缓存模块

FIFO存储器是一个带有控制逻辑模块的先进先出存储阵列，本设计中通过配置FPGA内部的两个宽度为4 bit、深度为1 024的双口RAM来实现宽度为8 bit、总容量为1 KB的FIFO缓存模块。

系统工作后，将接收到的罗盘数据先存入FIFO1，当其写地址和读地址的偏差大于一帧罗盘数据长度时，便从FIFO1中读出该帧数据，并和ADC转换的数据整合编码后存入FIFO2。当FIFO2的写地址与读地址的偏差大于零时，便通过RS422接口发送数据。

4 测试结果

将信号采集系统和电子罗盘封装进水听器管壳后，对水听器进行水下测试，并将采集到的信号进行分析。图7为水听器在刚性固定情况下20 min内的水下姿态变化图；图8为水听器在驻波桶内接收500 Hz信号时敏感单元X、Y通道的波形图，根据波形可计算出传感器X、Y通道输出信号的峰值分别为3.32 mV、1.54 mV；图9为500 Hz情况下Y通道的指向性图，其凹点深度为28.9 dB，最大值不均匀性为0.7 dB，具有较好的“8”字形指向特性。

5 结论

本文根据阵列式MEMS矢量水听器的应用需求，设计了一种信息采集系统。设计了低噪声的微弱信号提取电路和高速的RS422接口电路；对于逻辑信号的接收采用了有效的消抖方式，提高了系统的可靠性。经过多次水下实验测试，实验结果充分表明系统能准确采集水听器的水声信号及其姿态信息，满足采集系统的设计要求。

参考文献

[1] 许娇．单片集成阵列式MEMS矢量水听器的研究[D]．太原：中北大学，2012.

[2] 刘林仙，张国军，许娇，等．阵列式MEMS仿生矢量振动传感器研究[J]．传感技术学报，2012，31(9)：39-41.

[3] 乔慧，刘俊，张斌珍，等．一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计[J]．传感技术学报，2008，21(2)：301-304.

[4] Analog Devices Inc.AD8421 data sheet[EB/OL]．(2010-05)[2014-06].http：//analog.com/static/imported-files/zh/data_sheets/AD8421_cn.pdf.

[5] 松井邦彦．OP放大器应用技巧100例[M]．邓学，译．北京：科学出版社，2005.

[6] 王建平，张国军，薛晨阳，等．基于MEMS矢量水听器微弱信号提取电路的设计与测试[J].仪表技术与传感器，2010(7)：74-77.

[7] 宋丹，任勇峰，姚宗．一种低功耗水下多通道实时采集存储装置的设计[J]．电子器件，2013，36(4)：502-505.