1 引 言

DAC5687是美國TI公司出品的一款雙通道,、16bit高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。片內(nèi)資源豐富,， 具有內(nèi)插,、調(diào)制等多種功能。FPGA" title="FPGA">FPGA 因其屬于大規(guī)模在系統(tǒng)可編程專用集成電路而且具有高密度,、高速度,、高可靠性等特點， 因此FPGA 應(yīng)用于高速多通道雷達信號模擬器" title="模擬器">模擬器可大大提高系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和系統(tǒng)的擴展性,。

本文設(shè)計的高速多通道信號模擬器系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于通信,、雷達信號的模擬產(chǎn)生， 為雷達設(shè)備,， 特別是接收機設(shè)備檢修提供參考信號,， 分離設(shè)備故障問題， 簡化設(shè)備檢修過程,。另外,， 此高速多通道信號模擬器系統(tǒng)基于CPC I總線， 具用很好的工程穩(wěn)定性和通用性,。

2 系統(tǒng)概述

2. 1 系統(tǒng)組成

高速多通道信號模擬器采用通用CPC I底板與功能背板相結(jié)合的設(shè)計思路,， 其組成如圖1所示。

高速多通道信號模擬器

圖1 高速多通道信號模擬器

采用上圖所示設(shè)計方法， 系統(tǒng)可擴展性強， 不同應(yīng)用場合只需更換不同的功能背板即可。

2. 2 系統(tǒng)功能

對本文所設(shè)計的高速多通道雷達信號模擬器，由FPGA 控制時鐘管理模塊,， 為四路DAC5687背板提供相參工作時鐘。同時,， 利用X ilinx FPGA 提供的DDS核( IP core)產(chǎn)生信號的樣點數(shù)據(jù),， 通過高速接插件將信號樣點數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻AC5687背板， 在背板上實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換和信號輸出功能,。

3 DAC5687功能背板電路設(shè)計

根據(jù)DAC5687的工作手冊,， 結(jié)合圖1中的功能設(shè)計， 由FPGA 產(chǎn)生的A,、B 兩路信號數(shù)據(jù)分別通過兩路16bit數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紻AC5687,， LVPECL時鐘信號可以選擇與CLK1 /CLK1C 或者CLK2 /CLK2C相連接,， 具體由DAC5687的時鐘工作模式?jīng)Q定。當(dāng)DAC5687工作在內(nèi)部時鐘模式下,， 與CLK1 /CLK1C連接; 工作在外部時鐘模式下,， 與CLK2 /CLK2C 連接。另外,， NB4N855S是一款電平轉(zhuǎn)換芯片 ,， 能將任何電平的信號轉(zhuǎn)換成為LVDS信號， 本設(shè)計中利用這款芯片將DAC5687內(nèi)部鎖相環(huán)PLL 產(chǎn)生的時鐘單端信號轉(zhuǎn)換成為LVDS 信號,， 通過高速接插件傳回通用底板,， 作為外部時鐘工作模式下的數(shù)據(jù)產(chǎn)生同步時鐘。

4 單端高速數(shù)據(jù)傳輸線的布線及匹配問題

4. 1 單端高速數(shù)據(jù)線的阻抗計算模型

因為DAC5687芯片的兩路16bit數(shù)據(jù)總線接口都是單端的,， 即每bit都只對應(yīng)一根單端傳輸信號線,， 并非是通常高速數(shù)據(jù)傳輸所使用的LVDS、LVPECL等差分傳輸信號線,， 所以在印制電路板( PCB" title="PCB">PCB )設(shè)計時,， 就必須考慮高速數(shù)據(jù)傳輸情況下的單端數(shù)據(jù)線布線及終端匹配問題。本設(shè)計采用微帶線阻抗計算模型和表層走線規(guī)則,， 以FR4印制板為例進行分析,。表層走線應(yīng)采用微帶線模型， 如圖2所示,。

微帶線阻抗計算模型

圖2 微帶線阻抗計算模型,。

當(dāng)1. 0< 2. 0， 1< εr < 15時,， 采用如下公式計算:< P>

阻抗( Ω) :




傳輸延時(p s /in ):



其中,， h 是對地高度， w 是走線寬度,， t是走線厚度,， 單位都是in，  r 是基板相對介電常數(shù),。

例如,， 當(dāng)設(shè)計單根傳輸線阻抗為50Ω， 印制板為FR4,， 其介電常數(shù)εr = 4. 3,， 假設(shè)對地高度h =0. 0046in， 走線厚度t= 0. 00137 in (相當(dāng)于銅層總量1oz ),。由( 1)可以計算得到印制電路板走線寬度為0. 008in,， 即8m il。

4. 2 DAC5687高速數(shù)據(jù)線的終端匹配

因為DAC5687的最高轉(zhuǎn)換速率是500MSPS,， 采用奇偶工作模式,， 其最高數(shù)據(jù)輸入的速率為250MSPS,， 所以在印制電路板設(shè)計上應(yīng)將單端高速數(shù)據(jù)線末端上升時間控制在< 2ns的范圍內(nèi)。計算模型 如圖3所示,。

圖3

左邊部分,， 即驅(qū)動部分， 由驅(qū)動門電路,、傳輸線和端接電阻組成,。對于印制板走線， 當(dāng)連線長度小于上升沿有效長度的1 /6時,， 該電路表現(xiàn)為集總系統(tǒng)特征,。以FR4板材為例， 由( 2)可計算得到表層走線的上升沿有效長度約為14. 286in,。所以,， 只要表層走線長度小于2. 38 in 即可采用集總系統(tǒng)模型進行電路布線。但當(dāng)印制電路板走線的長度大于上升沿的長度的1 /6時,， 集總系統(tǒng)模型失效,， 應(yīng)采用分布系統(tǒng)模型討論。根據(jù)傳輸線理論,， 傳輸線模型的完全響應(yīng)為：



其中,，H x (w )是傳輸線(即單端高速數(shù)據(jù)線)的傳播因數(shù)， 當(dāng)信號頻率小于1GH z時,， 忽略傳輸線電導(dǎo)的影響：



其中X 是傳輸線長度( in),， R 是傳輸線的串連電阻( Ω / in)， L 是傳輸線的串連電感(H / in),， C 是傳輸線的并聯(lián)電容( F / in),。

A (w )是輸入接收函數(shù)， 由源端阻抗(即驅(qū)動門電路的內(nèi)阻)Zs (w )和傳輸線阻抗Z0 (w )共同決定：


R2 (w )是末端反射函數(shù),， R1 (w )是源端反射函數(shù),， 分別由( 6) ， ( 7)表示：


其中ZL (w ) = R1 jwC 根據(jù)電路實際參數(shù),， 使用Ma thCAD進行脈沖上升時間的仿真,， 其中源端阻抗(即驅(qū)動門電路的內(nèi)阻) Zs = 30Ω ， Z0 = 50Ω??,， C =5pF,， 印制板傳輸線長度X = 4in， 傳輸線并聯(lián)電容約為CT = X·C = 12pF,， 傳輸線串聯(lián)電感約為LT =X·L = 32nH,， RT =X·R≈0. 02Ω結(jié)果如圖4所示,。

圖4

圖4中實線表示驅(qū)動門電路的輸出脈沖上升沿波形,， 虛線表示DAC5687末端接收波形,。由于末端電容負載C 的影響， 振鈴明顯減少,， 上升時間增加,，末端上升時間仿真結(jié)果約為1. 3ns， 實測結(jié)果約為1. 5ns,， 兩者基本相符,。

由以上分析可得到結(jié)論， 單端高速數(shù)據(jù)總線的走線應(yīng)盡可能的短,， 并在終端端接匹配負載電阻,， 以達到傳輸線匹配、提高數(shù)據(jù)傳輸速率的目的,。

5 FPGA 設(shè)計

依托通用底板,， 針對DAC5687 功能背板進行FPGA 設(shè)計。其主要功能一是使FPGA 通過DAC5687 的串行編程接口( SPI) 對DAC5687 的內(nèi)部寄存器進行設(shè)置; 二是實現(xiàn)內(nèi)部DDS 數(shù)據(jù)源與DAC5687的嚴格同步,。采用VHDL或V erilog 語言編寫程序,， 可以簡便實現(xiàn)上述功能。DDS 與DAC5687的接口原理如圖5所示,。

FPGA與DAC5687的數(shù)據(jù)及時鐘接口框圖

圖5 FPGA與DAC5687的數(shù)據(jù)及時鐘接口框圖,。

如圖所示， 時鐘管理模塊將分別給FPGA 和DAC5687提供差分工作時鐘,。DAC5687利用內(nèi)部鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生數(shù)據(jù)同步時鐘,， 經(jīng)由NB4N855S變換成LVDS差分時鐘信號傳入FPGA 內(nèi)部DDS數(shù)據(jù)源， 作為數(shù)據(jù)源工作時鐘,， 以保證信號樣點數(shù)據(jù)和DAC轉(zhuǎn)換工作時鐘同步,。DDS數(shù)據(jù)源將產(chǎn)生的A、B兩路信號樣點數(shù)據(jù)通過印制板上的單端高速數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紻AC5687,， 最終完成數(shù)模轉(zhuǎn)換,。

6 結(jié)束語

討論了在CPC I通用底板上設(shè)計DAC5687數(shù)模轉(zhuǎn)換背板的設(shè)計方法， 解決了單端高速數(shù)據(jù)傳輸線的布線和終端匹配問題,， 為高速多通道信號模擬器提供了一種解決方案,。