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時間:2019-09-26
  随着现代无线通信系统的发展,移动通信、雷达、卫星通信等 通信系统对收发切换开关的开关速度、功率容量、集成性等方面有了更高的要求, 因此研究VXI总线技術,开发满足军方特殊要求的VXI总线模块,具有十分重要的意义,我们将利用虚拟仪器思想,将硬件电路以软件的方式实现,以下设计的射频开关可以由计算机直接控制,可以很方便地与VXI总线测试系统集成,最大限度的发挥计算机和微电子技術在当今测试领域中的应用,具有广阔的发展前景。
  1 VXI总线接口电路的设计与实现
  VXIbus是VMEbus在仪器领域的扩展,是计算机操纵的模块化自动仪器系统。它依靠有效的标准化,采用模块化的方式,实现了系列化、通用化以及VXIbus仪器 的互换性和互操作性,其开放的体系结构和Plug&Play方式完全符合信息産品的要求。它具有高速数据传输、结构紧凑、配置灵活、电磁兼容性好等优点,,因此系统组建和使用非常方便,应用也越来越广泛,已逐渐成为高性能测试系统集成的首选总线。
  VXI总线是一种完全开放的、适用于各仪器生产厂家的模块化仪器背板总线规范。VXI总线器件主要分为:寄存器基器件、消息基器件和存储器基器件。目前寄存器基 器件在应用中所占比例最大(约70%)。VXIbus寄存器基接口电路主要包括:总线缓冲驱动、寻址和译码电路、数据传输应答状态机、配置及操作寄存器组 四个部分。四个部分中除总线缓冲驱动采用74ALS245芯片来实现外,其余部分都用FPGA来实现。采用一片FLEX10K 芯片EPF10K10QC208-3和一片EPROM芯片EPC1441P8,利用相应软件MAX+PLUSⅡ来进行设计与实现。
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  1.1 总线缓冲驱动
  该 部分完成对VXI背板总线中的数据线、地址线和控制线的缓冲接收或驱动,以满足VXI规范信号的要求。对于A16/D16器件,只要实现背板数据总线 D00~D15的缓冲驱动。根据VXI总线规范的要求,此部分采用两片74LS245实现,用DBEN*(由数据传输应答状态机产生)来选通。
  1.2 寻址和译码电路
  尋址線包括地址線A01~A31、數據選通線DS0*和DS1*、長字線LWORD*。控制線包括地址選通線AS*和讀/寫信號線WRITE*。
  本電路的設計采用MAX+PLUSⅡ的原理圖設計方式。利用元件庫裏的現有元件進行設計,采用了兩片74688和一片74138。
  该 功能模块对地址线A15~A01及地址修改线AM5~AM0进行译码。当器件被寻址时,接收地址线及地址修改线上的地址信息,并将其与本模块上硬件地址开 关设置的逻辑地址LA7~LA0相比较,如果AM5~AM0上逻辑值为29H或2DH(由于是A16/D16器件),地址线A15、A14均为1,并且 A13~A06上的逻辑值与模块的逻辑地址相等时,该器件被寻址选通(CADDR*为真)。接着其结果被送往下一级译码控制,通过对地址A01~A05进 行译码选中模块在16位地址空间的寄存器。
  1.3 数据传输应答状态机
  數據傳輸總線是一組高速異步並行數據傳輸總線,是VMEbus系統信息交換的主要組成部分。數據傳輸總線的信號線可分爲尋址線、數據線、控制線三組。
  該部分的設計采用MAX+PLUSⅡ的文本輸入設計方式。由于DTACK*的時序比較複雜,所以采用AHDL語言來進行設計,通過狀態機實現。
  该 功能模块对VXI背板总线中的控制信号进行组态,为标准数据传输周期提供时序及控制信号(产生数据传输使能信号DBEN*,总线完成数据传输所需的应答信 号DTACK*等)。在进行数据传输时,系统控制者首先对模块进行寻址,并将相应的地址选通线AS*,数据选通线DS0*、DS1*以及控制数据传输方向 的WRITE*信号线等设置为有效电平。当模块检测到地址匹配及各控制线有效后,驱动DTACK*为低电平,以此向总线控制者确认已经将数据放置在数据总 线上(读周期)或已经成功地接收到数据(写周期)。
  1.4 配置寄存器
  每個VXI總線器件都有一組“配置寄存器”,系統主控制器通過讀取這些寄存器的內容來獲取VXI總線器件的一些基本配置信息,如器件類型、型號、生産廠家、地址空間(A16、A24、A32)以及所要求的存儲空間等。
  VXI總線器件的基本配置寄存器有:識別寄存器、器件類型寄存器、狀態寄存器、控制寄存器。
  該部分電路的設計采用MAX+PLUSⅡ的原理圖設計方式,利用74541芯片,其創建的功能模塊。
  ID、 DT、ST寄存器都是只读寄存器,控制寄存器为只写寄存器。本设计中,VXI总线主要用于控制这批开关的通断,所以,只要向通道寄存器中写入数据就可以控 制继电器开关的吸和或断开状态,查询继电器状态也是从通道寄存器中读取数据即可。根据模块设计需要,在其相应各数据位写入适当的内容,从而能够对功能模块 的射频开关进行有效控制。
  2 模块功能电路PCB板的设计
  每個VXI總線器件都有一組“配置寄存器”,系統主控制器通過讀取這些寄存器的內容來獲取VXI總線器件的一些基本配置信息,如器件類型、型號、生産廠家、地址空間(A16、A24、A32)以及所要求的存儲空間等。
  射 频电路的频率范围约为10kHz到300GHz。随着频率的增加,射频电路表现出不同于低频电路和直流电路的一些特性。因此,在设计射频电路的PCB板时 就需要特别注意射频信号给PCB板所带来的影响。本射频开关电路是由VXI总线控制的,在设计中为减少干扰,在总线接口电路部分与射频开关功能电路间采用 排线连接,以下主要介绍射频开关功能电路部分PCB板的设计。
  2.1 元器件的布局
  电磁 兼容性(EMC)是指电子系统在规定的电磁环境中按照设计要求能正常工作的能力。对于射频电路PCB设计而言,电磁兼容性要求每个电路模块尽量不产生电磁 辐射,并且具有一定的抗电磁干扰能力。而元器件的布局直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力。也直接影响到所设计电路的性能。
  布局總的原則:元器件應盡可能同一方向排列,通過選擇PCB進入熔錫系統的方向來減少甚至避免焊接不良的現象;元器件間最少要有0.5mm的間距才能滿足元器件的熔錫要求,若PCB板的空間允許,元器件的間距應盡可能寬。元器件的合理布局也是合理布線的一個前提,因此應該綜合考慮。在本設計中,繼電器是用于轉換射頻信號的通道,故應將繼電器盡量貼近信號輸入端與輸出端,以此來盡量減短射頻信號線的走線長度,爲下一步的合理布線做出考慮。此外,本射頻開關電路是由VXI總線控制,射頻信號對VXI總線控制信號的影響也是布局時必須考慮的問題。
  2.2 布线
  在基本完成元器件的布局後,就要開始布線,布線的基本原則爲:在組裝密度許可情況下,盡量選用低密度布線設計,並且信號走線盡量粗細一致,有利于阻抗匹配。
  對于射頻電路,信號線的走向、寬度、線間距的不合理設計,可能造成信號傳輸線之間的交叉幹擾;另外,系統電源自身還存在噪聲幹擾,所以在設計射頻電路PCB時一定要綜合考慮,合理布線。
  布 线时,所有走线应远离PCB板的边框(2mm左右),以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患。电源线要尽可能宽,以减少环路电阻,同时,使电源线、地 线的走向和数据传递的方向一致,以提高抗干扰能力。所布信号线应尽可能短,并尽量减少过孔数目;各元器件间的连线越短越好,以减少分布参数和相互间的电磁 干扰;对于不相容的信号线应尽量相互远离,而且尽量避免平行走线,而在正反两面的信号线应相互垂直:布线时在需要拐角的地方应以135度角为宜,避免拐直 角。
  以上設計中,PCB板采用四層板,爲減小射頻信號對VXI總線控制信號的影響,故將兩種信號走線分別放在中間兩層,且射頻信號線用接地過孔帶屏蔽。
  2.3 电源线和地线
  在射频电路PCB设计中的布线需要特别强调的是电源线与地线的正确布线。电源和地线方式的合理选择是仪器可靠工作的重要保证。射频电路的PCB板上相当多的 干扰源是通过电源和地线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大。根据PCB板电流的大小,电源线、地线线条设计的要尽量粗而短,减少环路电阻。同时使电源 线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。在条件允许的情况下尽量采用多层板,四层板比双面板噪声低20dB,六层板又比四层板噪 声低10dB。
  在本文設計的四層PCB板中,頂層和底層兩層均設計爲地線層。這樣無論中間層哪一層爲電源層,電源層和地線層這兩個層彼此靠近的物理關系,形成了一個很大的去耦電容,減少了地線所帶來的幹擾。
  地線層采用大面積鋪銅。大面積鋪銅主要有以下幾個作用:
  (1)EMC.對于大面積的地或電源鋪銅,會起到屏蔽作用。
  (2)PCB工藝要求。一般爲了保證電鍍效果,或者層壓不變形,對于布線較少的PCB板層鋪銅。
  (3)信號完整性要求,給高頻數字信號一個完整的回流路徑,並減少直流網絡的布線。
  (4)散熱,特殊器件安裝要求鋪銅等等。
  3 结论
  VXI 总线系统是一种在世界范围内完全开放的、适用于多厂商的模块化仪器总线系统,是目前世界上最新的仪器总线系统。以上主要介绍了基于VXI总线的射频开关模 块的研制。介绍了总线接口的设计以及射频开关模块功能电路部分PCB板的设计。射频开关由VXI总线控制,增加了开关操作的灵活性,使用方便。
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