信号完整性验证个案分析

• 80•制装置以及控制站中数据的交互工作和通讯工作进行实施和完成。

但是在使用太网网络时要注意控制集中控制装置和数据交互与通讯之间的距离，不能够太远。

如果集中控制装置和数据通讯之间的距离在1200米以外，就不仅仅需要太网进行连接，还需要专业人员进行中继器的安装，这样才能够保证数据交互的有效性，有利于设备的有效运行。

四、港口设备电气自动化的应用在新型港口中的的现状与发展电气自动化最终发展目标是无人化，在港口装卸系统中，港口设备的分布较为广泛，而且在系统中数据之间的交互较多，数据之间的关系较为复杂，这就需要一个较为完善的系统对这些数据进行梳理和处理。

在这种情况下，自动流程控制系统、自动调度管理系统及光纤数据通信应用就派上用场。

准备开建的南沙四期码头是一个新型的无人化码头，为此南沙四期将成为全球第一个水平运输采用无人驾驶集卡（IGV ）的全自动化码头。

南沙码头四期岸桥吊采用新型集装箱自动化轻桥吊，从集装箱船吊装到岸边由集装箱无人驾驶集卡（IGV ）负责运输到指定区域。

码头内部全部采用无人化管理，中控采用智能港口管理控制系统，码头地面按照设计划分预埋设好大量光电感应元件，经过光纤管线传输到中央控室，接入港口管理系统进行控制。

大船到岸前已经将装船数据预先储存在控制系统上，中央控制室得到装船信息后显示出大船集装箱位置信息，中控操作员发出指令要求吊装某个集装箱。

桥吊操控按照指令自动吊起集装箱后，集装箱被放在桥吊下面的待命的无人驾驶集卡（IGV ）上，无人驾驶集卡（IGV ）按照中控指令沿着地面上预先铺设好的光电传感器信号到达指定堆场后，轨道吊将集装箱吊起放在预定位置，整个过程现场全部自动完成。

当无人驾驶技术被运用到港区内的集装箱卡车上后，同比集装箱吞吐量规模相近的码头运营成本将大幅降低，码头安全生产管控水平将大幅提升。

五、结束语现如今，社会在不断进步，科学技术水平在不断提高，人们的生活水平得到不断提升。

科学技术的发展为人们的生活提供了极大的便利，进一步推动了社会的整体发展。

信号完整性研究：什么是信号完整性?如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。

早一天遇到，对你来说是好事。

在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个ns。

器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。

但在今天的高速时代，随着IC 输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。

另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v内核电压已经很常见了。

因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。

广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。

主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。

信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。

即使布线拓扑结构没有变化，如果采用了信号上升时间很小的IC芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。

下面谈谈几种常见的信号完整性问题。

反射：图1显示了信号反射引起的波形畸变。

看起来就像振铃，拿出你制作的电路板，测一测各种信号，比如时钟输出或是高速数据线输出，看看是不是存在这种波形。

如果有，那么你该对信号完整性问题有个感性的认识了，对，这就是一种信号完整性问题。

很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻，至于为什么，他们中很多人都说不清楚，他们会说，很多成熟设计上都有，照着做的。

或许你知道，可是确实很多人说不清这个小小电阻的作用，包括很多有了三四年经验的硬件工程师，很惊讶么?可这确实是事实，我碰到过很多。

其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。

而且随着电阻的加大，振铃会消失，但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。

一所要面临的问题二一些有用的常识三电感电容及电阻的基础以及要注意的问题四传输线的问题以及反射等问题五有损线的损耗六差分信号和查分对的问题一所要面临的问题一单一网络的信号完整性二两个或多个网络间的串扰三电源和地分配中的轨道塌陷四来自整个系统中的电磁干扰和辐射一个重要的概念1：带宽的问题（注释2）对任意一个非理想的方波信号而言（电子系统这种波形非常常见，比如系统的时钟），该信号均可认为是由同频率的基波信号和高次谐波叠加而成。

假设一个1GHz 的时钟它是有1G 的基波加3次谐波再加5次谐波再加7次谐波组成的。

那个这个时钟信号的带宽就是7G.如果加到31次谐波了，那么这个信号的带宽就是31G。

随着叠加的谐波数越多叠加后的信号就越接近完美的方波。

换句话说那就是10%到90%上升时间越小。

可见信号的上升时间决定了信号的带宽。

这样确定系统时钟的上升时间就非常重要了。

为什么上升时间会这么重要呢？下面举例说明：大多数电路板而言会采用FR4板材，FR4板并非理想的无耗板材。

损耗的机理有两种第一导体损耗，第二介质损耗。

比损耗更为严重的是损耗对不同频率信号的损耗是不同，因为在物理上这涉及到介质充放电过程的快慢以及带来的损耗。

对一个4英寸（4000mil）的FR4传输线而言，这样的导线对8GHz的信号损耗达到能量的50%或幅值的70%.试想如果用这样的线去传导一个带宽为9G的1GHz的方波会怎样？结果就是组成这个方波的信号中九次谐波分量被严重损耗，而其他谐波分量也将不同成度的损耗。

这就导致方波的上升沿退化，比如原来上升边是50ps变成了1.5ns。

如果传输的信号频率是10MHz影响不大。

如果传输信号是500M，（2ns的周期）这下麻烦就大了去了。

下面引入带宽和上升时间的关系这是一个近似的经验上的估计：对于10%到90%上升时间来讲关系为：BW=0.35/RT(RT为10%到90%上升时间)也有一些资料给的上升时间是20%-80%上升时间。

电气工程中的信号完整性分析在当今高度数字化和信息化的时代，电气工程领域的发展日新月异。

从智能手机到超级计算机，从医疗设备到航空航天系统，电子设备在我们的生活中无处不在。

而在这些复杂的电子系统中，信号完整性成为了确保设备性能稳定、可靠运行的关键因素。

信号完整性，简单来说，就是指信号在传输过程中保持其准确性、完整性和及时性的能力。

如果信号在传输过程中出现失真、衰减、反射、串扰等问题，就可能导致系统性能下降、误码率增加、甚至系统故障。

因此，对电气工程中的信号完整性进行深入分析和研究具有极其重要的意义。

首先，让我们来了解一下信号完整性问题产生的原因。

信号在传输线上传播时，会遇到各种阻抗不匹配的情况。

比如，当信号从驱动源输出，经过传输线到达负载时，如果驱动源的输出阻抗、传输线的特性阻抗和负载的输入阻抗不匹配，就会引起信号的反射。

反射的信号会与原信号叠加，导致信号波形失真。

此外，相邻传输线之间的电磁耦合会产生串扰，使得相邻信号之间相互干扰。

同时，传输线的损耗会导致信号的衰减，从而影响信号的强度和质量。

为了分析信号完整性问题，我们需要一些重要的工具和技术。

时域反射计（TDR）就是其中之一。

TDR 可以通过向传输线发送一个快速上升的脉冲，并测量反射回来的脉冲，来确定传输线中的阻抗不连续点和故障位置。

另一个常用的工具是示波器，它可以直观地显示信号的波形，帮助我们观察信号的失真、噪声等问题。

此外，还有一些仿真软件，如ADS、HFSS 等，可以在设计阶段对电路进行建模和仿真，预测可能出现的信号完整性问题，并提前采取优化措施。

在实际的电气工程应用中，信号完整性问题在高速数字电路中尤为突出。

随着数字信号的频率不断提高，信号的上升时间和下降时间变得越来越短，这对信号传输的要求也越来越高。

例如，在计算机主板上，高速的总线信号需要在严格的时序要求下进行传输，如果出现信号完整性问题，可能会导致数据传输错误，影响计算机的性能。

在通信系统中，高速的射频信号也需要保持良好的完整性，以确保信号的质量和传输距离。

信号完整性验证个案分析就有关信号完整性方面的问题同大多数的电路板设计工程师们探讨，他们都会喋喋不休地说个不停，告诉你设计高速电路板是如何复杂如何危险。

他们会告诉你系统时钟超出50MHZ时，板上的信号互联会导入时序路径上的信号延时，而这些信号延时会制约板级设计的性能。

他们也会跟你描述传输线效应将如何迅速地导入类似于信号震荡、过冲和下冲这样严重的信号完整性问题，以及这些问题将如何威胁到设计的噪声容限和设计的单调一致性原理。

更有甚者信号串扰和电磁辐射的出现会严重破坏设计电路板的正常工作。

同样的问题可能得到不同的回答。

如果接触的恰恰是那些还在从事低速电路板设计的工程师，他们通常只是耸耸肩膀以示无奈。

低速电路板设计中应对潜在的信号完整性问题通常采取被动应付的传统策略，就是为设计制定合适的设计约束条件。

当一些特殊的信号通道已经出现象信号串扰或者电磁干扰这样一来严重的信号完整性问题时，通常设计工程师们总是为设计的某一部分甚至可能就是整个设计本身加入严格的物理约束。

即便这种解决方案还能满足一时之需，设计工程师也得为此付出昂贵的代价。

约束设计通常会提升最终的产品成本并且制约产品性能。

举例来说，设计工程师可能苦于找不到一个合适的位置来实现某一个特定的信号互联，而被迫增加信号板层。

然而在今天高度激烈的市场竞争中，能否做到成本最小、能否提供独到的产品性能往往意味着产品是成功还是失败。

最近一个著名的网络设备提供商的设计工程师采用Innoveda公司研发的信号完整性分析工具集XTK为他们研制的路由器产品上的一块电路板实施信号分析。

分析的结果令人震惊。

尽管该电路板工作正常，然而十分苛刻的设计规则导致实施该电路板设计需要24个电路板层，才可以避开信号完整性问题。

分析结果表明该设计严重过约束，事实上该电路板设计仅需要8个电路板层即可以加工实现，与此同时还不会介入信号完整性问题。

改进后的产品仅电路板的生产制造成本一项就节省费用高达两百万美元。

1.信号完整性：PCB走线中途容性负载反射很多时候，PCB走线中途会经过过孔、测试点焊盘、短的stub线等，都存在寄生电容，必然对信号造成影响。

走线中途的电容对信号的影响要从发射端和接受端两个方面分析，对起点和终点都有影响。

首先按看一下对信号发射端的影响。

当一个快速上升的阶跃信号到达电容时，电容快速充电，充电电流和信号电压上升快慢有关，充电电流公式为：I=C*dV/dt。

电容量越大，充电电流越大，信号上升时间越快，dt越小，同样使充电电流越大。

我们知道，信号的反射与信号感受到的阻抗变化有关，因此为了分析，我们看一下，电容引起的阻抗变化。

在电容开始充电的初期，阻抗表示为：这里dV实际上是阶跃信号电压变化，dt为信号上升时间，电容阻抗公式变为：从这个公式中，我们可以得到一个很重要的信息，当阶跃信号施加到电容两端的初期，电容的阻抗与信号上升时间和本身的电容量有关。

通常在电容充电初期，阻抗很小，小于走线的特性阻抗。

信号在电容处发生负反射，这个负电压信号和原信号叠加，使得发射端的信号产生下冲，引起发射端信号的非单调性。

对于接收端，信号到达接收端后，发生正反射，反射回来的信号到达电容位置，那个样发生负反射，反射回接收端的负反射电压同样使接收端信号产生下冲。

转载请注明出处：。

为了使反射噪声小于电压摆幅的5%（这种情况对信号影响可以容忍），阻抗变化必须小于10%。

那么电容阻抗应该控制在多少？电容的阻抗表现为一个并联阻抗，我们可以用并联阻抗公式和反射系数公式来确定它的范围。

对于这种并联阻抗，我们希望电容阻抗越大越好。

假设电容阻抗是PCB走线特性阻抗的k 倍，根据并联阻抗公式得到电容处信号感受到的阻抗为：阻抗变化率为：，即，也就是说，根据这种理想的计算，电容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。

实际上，随着电容的充电，电容的阻抗不断增加，并不是一直保持最低阻抗，另外，每一个器件还会有寄生电感，使阻抗增加。

因此这个9倍限制可以放宽。

人们关注信号完整性问题，该问题源于奇怪的设计失败。

当时，美国硅谷一家著名的图像检测系统制造商早在七年前就成功设计，制造并投放市场，但是最近在生产线上下架的产品存在问题，并且新产品无法正常工作。

这是20MHz的系统设计，似乎没有必要考虑高速设计问题。

使产品设计工程师感到困惑的是，新产品没有任何设计修改，甚至采用的组件模型也与原始设计的要求一致。

唯一的区别是IC制造技术的进步。

新的设备技术使每个新生产的芯片都成为高速设备，而这些高速设备的应用中的信号完整性问题导致系统故障。

随着集成电路（IC）开关速度的提高，信号的上升和下降时间迅速缩短。

无论信号频率如何，该系统都将成为高速系统，并且将出现各种信号完整性问题。

在高速PCB系统的设计中，信号完整性问题主要体现为：工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短会减小系统的时序裕度，甚至引起时序问题。

传输线效应导致传输过程中的噪声容忍度，单调性甚至逻辑错误。

信号之间的串扰随着信号边缘时间的减少而增加。

并且，当信号边缘时间接近0.5ns或更小时，电源系统的稳定性降低并且发生电磁干扰。

信号完整性的含义信号完整性（简称SI）是指信号从驱动端沿传输线到达接收端后的波形完整性。

也就是说，信号在电路中以正确的时序和电压响应的能力。

如果电路中的信号能够以所需的时序，持续时间和电压幅度到达IC，则电路具有更好的信号完整性。

相反，当信号无法正常响应时，就会出现信号完整性问题。

广义上，信号完整性问题是指高速产品中互连线引起的所有问题，主要表现在五个方面：（1）延误。

延迟是指当信号以有限的速度在PCB导体上传输时，从驱动端到接收端的传输延迟。

信号延迟将影响系统的时序。

在高速PCB设计中，传输延迟主要取决于导体的长度和导体周围介质的介电常数。

（2）反思。

当传输线的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，一部分能量将在信号到达接收端后沿传输线反射回去，从而导致信号波形失真，甚至导致信号过冲和下冲。

如果信号在传输线上来回反射，则会发生振铃和周围振荡。

信号完整性分析《信号完整性分析》作者以实践专家的视角提出了造成信号完整性问题的根源，特别给出了在设计前期阶段的问题解决方案。

这是面向电子工业界的设计工程师和产品负责人的一本具有实用价值的参考书，其目的在于帮助他们在信号完整性问题出现之前能提前发现并及早加以解决，同时也可作为相关专业本科生及研究生的教学指导用书。

作品目录第1章信号完整性分析概论1.1 信号完整性的含义1.2 单一网络的信号质量1.3 串扰1.4 轨道塌陷噪声1.5 电磁干扰1.6 信号完整性的两个重要推论1.7 电子产品的趋势1.8 新设计方法学的必要性1.9 一种新的产品设计方法学1.10 仿真1.11 模型和建模1.12 通过计算创建电路模型1.13 三种测量技术1.14 测量的作用1.15 小结第2章时域与频域2.1 时域2.2 频域中的正弦波2.3 频域中解决问题的捷径2.4 正弦波特征2.5 傅里叶变换2.6 重复信号的频谱2.7 理想方波的频谱2.8 从频域到时域2.9 带宽对上升时间的影响2.10 带宽及上升时间2.11 “有效的”含义2.12 实际信号的带宽2.13 带宽和时钟频率2.14 测量的带宽2.15 模型的带宽2.16 互连线的带宽2.17 小结第3章阻抗和电气模型3.1 用阻抗描述信号完整性3.2 阻抗的含义3.3 实际和理想的电路元件3.4 时域中理想电阻的阻抗3.5 时域中理想电容的阻抗3.6 时域中理想电感的阻抗3.7 频域中的阻抗3.8 等效电气电路模型3.9 电路理论和SPICE3.10 建模简介3.11 小结第4章电阻的物理基础4.1 将物理设计转化为电气性能4.2 互连线电阻的最佳近似4.3 体电阻率4.4 单位长度电阻4.5 方块电阻4.6 小结第5章电容的物理基础5.1 电容中的电流流动5.2 球面电容5.3 平行板近似5.4 介电常数5.5 电源、地平面和去耦电容5.6 单位长度电容5.7 二维场求解器5.8 有效介电常数5.9 小结第6章电感的物理基础6.1 电感的含义6.2 电感定律之一:电流周围将形成闭合磁力线圈6.3 电感定律之二:电感是导体上流过单位安培电流时,导体周围磁力线圈的韦伯值6.4 自感和互感6.5 电感定律之三:当导体周围的磁力线圈匝数变化时,导体两端将产生感应电压6.6 局部电感6.7 有效电感、总电感或净电感及地弹6.8 回路自感和回路互感6.9 电源分布系统和回路电感6.10 单位面积的回路电感6.11 平面和过孔接触孔的回路电感6.12 具有出砂孔区域的平面回路电感……第7章传输线的物理基础第8章传输线与反射第9章有损线、上升边退化和材料特性第10章传输线的串扰第11章差分对与差分阻抗附录A 100条使信号完整性问题最小化的通用设计原则附录B 100条估计信号完整性效应的经验法则附录C 参考文献附录D 术语表心得体会1.信号完整性分析概论1.1信号完整性的含义广义上来说，信号完整形式指，在高速产品设计中由互连线引起的所有的问题。

信号完整性分析我们在滤除较为低频的噪声的时候，就应当选择电容值比较高的电容，想滤去频率较高的噪声，比如我们前面所说的EMI，则应该选择数值比较小的电容。

所以，在实际中，我们通常放置一个1uf到10uf左右的去耦电容在每个电源输出管脚处，来抑制低频成分，而选取0.01uf到0.1uf左右的去耦电容来滤除高频部分。

何为高速电路“高速电路”已经成为当今电子工程师们经常提及的一个名词，但究竟什么是高速电路?这的确是一个“熟悉”而又“模糊”的概念。

而事实上，业界对高速电路并没有一个统一的定义，通常对高速电路的界定有以下多种看法：有人认为，如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ-50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量(比如说1/3)，就称为高速电路；也有人认为高速电路和频率并没有什么大的联系，是否高速电路只取决于它们的上升时间；还有人认为高速电路就是我们早些年没有接触过，或者说能产生并且考虑到趋肤效应的电路；更多的人则对高速进行了量化的定义，即当电路中的数字信号在传输线上的延迟大于1/2上升时间时，就叫做高速电路，本文也沿用这个定义作为考虑高速问题的标准。

此外，还有一个容易产生混淆的是“高频电路”的概念，“高频”和“高速”有什么区别呢?对于高频，很多人的理解就是较高的信号频率，虽然不能说这种看法有误，但对于高速电子设计工程师来说，理解应当更为深刻，我们除了关心信号的固有频率，还应当考虑信号发射时同时伴随产生的高阶谐波的影响，一般我们使用下面这个公式来做定义信号的发射带宽，有时也称为EMI发射带宽：F=1／(Tr*π)，F是频率(GHz)；Tr(纳秒)指信号的上升时间或下降时间。

通常当F>100MHz的时候，就可以称为高频电路。

所以，在数字电路中，是否是高频电路，并不在于信号频率的高低，而主要是取决于上升沿和下降沿。

根据这个公式可以推算，当上升时间小于3.185ns左右的时候，我们认为是高频电路。