射频开关模块功能电路PCB板的设计

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<div class="mb_content" id="content_box">                        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总线技术，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术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方式完全符合信息产品的要求。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。
                         
                        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
                        寻址线包括地址线A01～A31、数据选通线DS0*和DS1*、长字线LWORD*。控制线包括地址选通线AS*和读/写信号线WRITE*。
                       
                本电路的设计采用MAX+PLUSⅡ的原理图设计方式。利用元件库里的现有元件进行设计,采用了两片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
                        数据传输总线是一组高速异步并行数据传输总线，是VMEbus系统信息交换的主要组成部分。数据传输总线的信号线可分为寻址线、数据线、控制线三组。
                       
                该部分的设计采用MAX+PLUSⅡ的文本输入设计方式。由于DTACK*的时序比较复杂，所以采用AHDL语言来进行设计，通过状态机实现。
                       
                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
                        每个VXI总线器件都有一组“配置寄存器”，系统主控制器通过读取这些寄存器的内容来获取VXI总线器件的一些基本配置信息，如器件类型、型号、生产厂家、地址空间（A16、A24、A32）以及所要求的存储空间等。
                         
                        VXI总线器件的基本配置寄存器有：识别寄存器、器件类型寄存器、状态寄存器、控制寄存器。
                该部分电路的设计采用MAX+PLUSⅡ的原理图设计方式，利用74541芯片，其创建的功能模块。
                         
                        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
                        每个VXI总线器件都有一组“配置寄存器”，系统主控制器通过读取这些寄存器的内容来获取VXI总线器件的一些基本配置信息，如器件类型、型号、生产厂家、地址空间（A16、A24、A32）以及所要求的存储空间等。
                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。
                       
                布局总的原则：元器件应尽可能同一方向排列，通过选择PCB进入熔锡系统的方向来减少甚至避免焊接不良的现象；元器件间最少要有0.5mm的间距才能满足元器件的熔锡要求，若PCB板的空间允许，元器件的间距应尽可能宽。元器件的合理布局也是合理布线的一个前提，因此应该综合考虑。在本设计中，继电器是用于转换射频信号的通道，故应将继电器尽量贴近信号输入端与输出端，以此来尽量减短射频信号线的走线长度，为下一步的合理布线做出考虑。此外，本射频开关电路是由VXI总线控制，射频信号对VXI总线控制信号的影响也是布局时必须考虑的问题。
                         
                        2.2 布线
                        在基本完成元器件的布局后，就要开始布线，布线的基本原则为：在组装密度许可情况下，尽量选用低密度布线设计，并且信号走线尽量粗细一致，有利于阻抗匹配。
                       
                对于射频电路，信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计，可能造成信号传输线之间的交叉干扰；另外，系统电源自身还存在噪声干扰，所以在设计射频电路PCB时一定要综合考虑，合理布线。
                       
                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。
                       
                以上设计中，PCB板采用四层板，为减小射频信号对VXI总线控制信号的影响，故将两种信号走线分别放在中间两层，且射频信号线用接地过孔带屏蔽。
                         
                        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。
                         
                        在本文设计的四层PCB板中，顶层和底层两层均设计为地线层。这样无论中间层哪一层为电源层，电源层和地线层这两个层彼此靠近的物理关系，形成了一个很大的去耦电容，减少了地线所带来的干扰。
                地线层采用大面积铺铜。大面积铺铜主要有以下几个作用：
                （1）EMC.对于大面积的地或电源铺铜，会起到屏蔽作用。
                （2）PCB工艺要求。一般为了保证电镀效果，或者层压不变形，对于布线较少的PCB板层铺铜。
                （3）信号完整性要求，给高频数字信号一个完整的回流路径，并减少直流网络的布线。
                （4）散热，特殊器件安装要求铺铜等等。
                         
                        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。