1 引 言

DAC5687是美國TI公司出品的一款雙通道、16bit高速數模轉換芯片。片內資源豐富， 具有內插、調制等多種功能。FPGA" title="FPGA">FPGA 因其屬于大規模在系統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設計的靈活性和系統的擴展性。

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

2 系統概述

2. 1 系統組成

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合的設計思路， 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

采用上圖所示設計方法， 系統可擴展性強， 不同應用場合只需更換不同的功能背板即可。

2. 2 系統功能

對本文所設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)產生信號的樣點數據， 通過高速接插件將信號樣點數據傳輸到DAC5687背板， 在背板上實現數模轉換和信號輸出功能。

3 DAC5687功能背板電路設計

根據DAC5687的工作手冊， 結合圖1中的功能設計， 由FPGA 產生的A、B 兩路信號數據分別通過兩路16bit數據總線傳輸到DAC5687， LVPECL時鐘信號可以選擇與CLK1 /CLK1C 或者CLK2 /CLK2C相連接， 具體由DAC5687的時鐘工作模式決定。當DAC5687工作在內部時鐘模式下， 與CLK1 /CLK1C連接; 工作在外部時鐘模式下， 與CLK2 /CLK2C 連接。另外， NB4N855S是一款電平轉換芯片 ， 能將任何電平的信號轉換成為LVDS信號， 本設計中利用這款芯片將DAC5687內部鎖相環PLL 產生的時鐘單端信號轉換成為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據產生同步時鐘。

4 單端高速數據傳輸線的布線及匹配問題

4. 1 單端高速數據線的阻抗計算模型

因為DAC5687芯片的兩路16bit數據總線接口都是單端的， 即每bit都只對應一根單端傳輸信號線， 并非是通常高速數據傳輸所使用的LVDS、LVPECL等差分傳輸信號線， 所以在印制電路板( PCB" title="PCB">PCB )設計時， 就必須考慮高速數據傳輸情況下的單端數據線布線及終端匹配問題。本設計采用微帶線阻抗計算模型和表層走線規則， 以FR4印制板為例進行分析。表層走線應采用微帶線模型， 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。

例如， 當設計單根傳輸線阻抗為50Ω， 印制板為FR4， 其介電常數εr = 4. 3， 假設對地高度h =0. 0046in， 走線厚度t= 0. 00137 in (相當于銅層總量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高速數據線的終端匹配

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

圖3

左邊部分， 即驅動部分， 由驅動門電路、傳輸線和端接電阻組成。對于印制板走線， 當連線長度小于上升沿有效長度的1 /6時， 該電路表現為集總系統特征。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 即可采用集總系統模型進行電路布線。但當印制電路板走線的長度大于上升沿的長度的1 /6時， 集總系統模型失效， 應采用分布系統模型討論。根據傳輸線理論， 傳輸線模型的完全響應為：



其中，H x (w )是傳輸線(即單端高速數據線)的傳播因數， 當信號頻率小于1GH z時， 忽略傳輸線電導的影響：



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 是傳輸線的并聯電容( F / in)。

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


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


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

圖4

圖4中實線表示驅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果約為1. 3ns， 實測結果約為1. 5ns， 兩者基本相符。

由以上分析可得到結論， 單端高速數據總線的走線應盡可能的短， 并在終端端接匹配負載電阻， 以達到傳輸線匹配、提高數據傳輸速率的目的。

5 FPGA 設計

依托通用底板， 針對DAC5687 功能背板進行FPGA 設計。其主要功能一是使FPGA 通過DAC5687 的串行編程接口( SPI) 對DAC5687 的內部寄存器進行設置; 二是實現內部DDS 數據源與DAC5687的嚴格同步。采用VHDL或V erilog 語言編寫程序， 可以簡便實現上述功能。DDS 與DAC5687的接口原理如圖5所示。

FPGA與DAC5687的數據及時鐘接口框圖

圖5 FPGA與DAC5687的數據及時鐘接口框圖。

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利用內部鎖相環PLL產生數據同步時鐘， 經由NB4N855S變換成LVDS差分時鐘信號傳入FPGA 內部DDS數據源， 作為數據源工作時鐘， 以保證信號樣點數據和DAC轉換工作時鐘同步。DDS數據源將產生的A、B兩路信號樣點數據通過印制板上的單端高速數據總線傳輸到DAC5687， 最終完成數模轉換。

6 結束語

討論了在CPC I通用底板上設計DAC5687數模轉換背板的設計方法， 解決了單端高速數據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。