射頻開(kāi)關(guān)模塊功能電路PCB板的設計

　　隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)通信系統的發(fā)展，移動(dòng)通信、雷達、衛星通信等 通信系統對收發(fā)切換開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度、功率容量、集成性等方面有了更高的要求, 因此研究VXI總線(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足軍方特殊要求的VXI總線(xiàn)模塊，具有十分重要的意義，我們將利用虛擬儀器思想，將硬件電路以軟件的方式實(shí)現，以下設計的 射頻開(kāi)關(guān)可以由計算機直接控制，可以很方便地與VXI總線(xiàn)測試系統集成，最大限度的發(fā)揮計算機和微電子技術(shù)在當今測試領(lǐng)域中的應用，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　1 VXI總線(xiàn)接口電路的設計與實(shí)現

　　VXIbus 是VMEbus在儀器領(lǐng)域的擴展，是計算機操縱的模塊化自動(dòng)儀器系統。它依靠有效的標準化，采用模塊化的方式，實(shí)現了系列化、通用化以及VXIbus儀器 的互換性和互操作性，其開(kāi)放的體系結構和PlugPlay方式完全符合信息產(chǎn)品的要求。它具有高速數據傳輸、結構緊湊、配置靈活、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，，因此系統組建和使用非常方便，應用也越來(lái)越廣泛，已逐漸成為高性能測試系統集成的首選總線(xiàn)。

　　VXI 總線(xiàn)是一種完全開(kāi)放的、適用于各儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家的模塊化儀器背板總線(xiàn)規范。VXI總線(xiàn)器件主要分為：寄存器基器件、消息基器件和存儲器基器件。目前寄存器基 器件在應用中所占比例最大(約70%)。VXIbus寄存器基接口電路主要包括：總線(xiàn)緩沖驅動(dòng)、尋址和譯碼電路、數據傳輸應答狀態(tài)機、配置及操作寄存器組 四個(gè)部分。四個(gè)部分中除總線(xiàn)緩沖驅動(dòng)采用74ALS245芯片來(lái)實(shí)現外，其余部分都用FPGA來(lái)實(shí)現。采用一片FLEX10K 芯片EPF10K10QC208-3和一片EPROM芯片EPC1441P8，利用相應軟件MAX+PLUSⅡ來(lái)進(jìn)行設計與實(shí)現。

　　1.1 總線(xiàn)緩沖驅動(dòng)

　　該 部分完成對VXI背板總線(xiàn)中的數據線(xiàn)、地址線(xiàn)和控制線(xiàn)的緩沖接收或驅動(dòng)，以滿(mǎn)足VXI規范信號的要求。對于A(yíng)16/D16器件，只要實(shí)現背板數據總線(xiàn) D00～D15的緩沖驅動(dòng)。根據VXI總線(xiàn)規范的要求，此部分采用兩片74LS245實(shí)現，用DBEN*(由數據傳輸應答狀態(tài)機產(chǎn)生)來(lái)選通。

　　1.2 尋址和譯碼電路

　　尋址線(xiàn)包括地址線(xiàn)A01～A31、數據選通線(xiàn)DS0*和DS1*、長(cháng)字線(xiàn)LWORD*?？刂凭€(xiàn)包括地址選通線(xiàn)AS*和讀/寫(xiě)信號線(xiàn)WRITE*。

　　本電路的設計采用MAX+PLUSⅡ的原理圖設計方式。利用元件庫里的現有元件進(jìn)行設計,采用了兩片74688和一片74138。

　　該 功能模塊對地址線(xiàn)A15～A01及地址修改線(xiàn)AM5～AM0進(jìn)行譯碼。當器件被尋址時(shí)，接收地址線(xiàn)及地址修改線(xiàn)上的地址信息，并將其與本模塊上硬件地址開(kāi) 關(guān)設置的邏輯地址LA7～LA0相比較，如果AM5～AM0上邏輯值為29H或2DH(由于是A16/D16器件)，地址線(xiàn)A15、A14均為1，并且 A13～A06上的邏輯值與模塊的邏輯地址相等時(shí)，該器件被尋址選通(CADDR*為真)。接著(zhù)其結果被送往下一級譯碼控制，通過(guò)對地址A01～A05進(jìn) 行譯碼選中模塊在16位地址空間的寄存器。

　　1.3 數據傳輸應答狀態(tài)機

　　數據傳輸總線(xiàn)是一組高速異步并行數據傳輸總線(xiàn)，是VMEbus系統信息交換的主要組成部分。數據傳輸總線(xiàn)的信號線(xiàn)可分為尋址線(xiàn)、數據線(xiàn)、控制線(xiàn)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(shí)序比較復雜，所以采用AHDL語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行設計，通過(guò)狀態(tài)機實(shí)現。

　　該 功能模塊對VXI背板總線(xiàn)中的控制信號進(jìn)行組態(tài)，為標準數據傳輸周期提供時(shí)序及控制信號(產(chǎn)生數據傳輸使能信號DBEN*，總線(xiàn)完成數據傳輸所需的應答信 號DTACK*等)。在進(jìn)行數據傳輸時(shí)，系統控制者首先對模塊進(jìn)行尋址，并將相應的地址選通線(xiàn)AS*，數據選通線(xiàn)DS0*、DS1*以及控制數據傳輸方向 的WRITE*信號線(xiàn)等設置為有效電平。當模塊檢測到地址匹配及各控制線(xiàn)有效后，驅動(dòng)DTACK*為低電平，以此向總線(xiàn)控制者確認已經(jīng)將數據放置在數據總 線(xiàn)上(讀周期)或已經(jīng)成功地接收到數據(寫(xiě)周期)。

　　1.4 配置寄存器

　　每個(gè)VXI總線(xiàn)器件都有一組“配置寄存器”，系統主控制器通過(guò)讀取這些寄存器的內容來(lái)獲取VXI總線(xiàn)器件的一些基本配置信息，如器件類(lèi)型、型號、生產(chǎn)廠(chǎng)家、地址空間(A16、A24、A32)以及所要求的存儲空間等。

　　VXI總線(xiàn)器件的基本配置寄存器有：識別寄存器、器件類(lèi)型寄存器、狀態(tài)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(chuàng )建的功能模塊。

　　ID、 DT、ST寄存器都是只讀寄存器，控制寄存器為只寫(xiě)寄存器。本設計中，VXI總線(xiàn)主要用于控制這批開(kāi)關(guān)的通斷，所以，只要向通道寄存器中寫(xiě)入數據就可以控 制繼電器開(kāi)關(guān)的吸和或斷開(kāi)狀態(tài)，查詢(xún)繼電器狀態(tài)也是從通道寄存器中讀取數據即可。根據模塊設計需要，在其相應各數據位寫(xiě)入適當的內容，從而能夠對功能模塊的射頻開(kāi)關(guān)進(jìn)行有效控制。

　　2 模塊功能電路PCB板的設計

　　每個(gè)VXI總線(xiàn)器件都有一組“配置寄存器”，系統主控制器通過(guò)讀取這些寄存器的內容來(lái)獲取VXI總線(xiàn)器件的一些基本配置信息，如器件類(lèi)型、型號、生產(chǎn)廠(chǎng)家、地址空間(A16、A24、A32)以及所要求的存儲空間等。

　　射 頻電路的頻率范圍約為10kHz到300GHz。隨著(zhù)頻率的增加，射頻電路表現出不同于低頻電路和直流電路的一些特性。因此，在設計射頻電路的PCB板時(shí) 就需要特別注意射頻信號給PCB板所帶來(lái)的影響。本射頻開(kāi)關(guān)電路是由VXI總線(xiàn)控制的，在設計中為減少干擾，在總線(xiàn)接口電路部分與射頻開(kāi)關(guān)功能電路間采用 排線(xiàn)連接，以下主要介紹射頻開(kāi)關(guān)功能電路部分PCB板的設計。

　　2.1元器件的布局

　　電磁 兼容性(EMC)是指電子系統在規定的電磁環(huán)境中按照設計要求能正常工作的能力。對于射頻電路PCB設計而言，電磁兼容性要求每個(gè)電路模塊盡量不產(chǎn)生電磁 輻射，并且具有一定的抗電磁干擾能力。而元器件的布局直接影響到電路本身的干擾及抗干擾能力。也直接影響到所設計電路的性能。布局總的原則：元器件應盡可能同一方向排列，通過(guò)選擇PCB進(jìn)入熔錫系統的方向來(lái)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(mǎn)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(xiàn)的一個(gè)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(lái)盡量減短射頻信號線(xiàn)的走線(xiàn)長(cháng)度，為下一步的合理布線(xiàn)做出考慮。此外，本射頻開(kāi)關(guān)電路是由VXI總線(xiàn)控制，射頻信號對VXI總線(xiàn)控制信號的影響也是布局時(shí)必須考慮的問(wèn)題。

　　2.2 布線(xiàn)

　　在基本完成元器件的布局后，就要開(kāi)始布線(xiàn)，布線(xiàn)的基本原則為：在組裝密度許可情況下，盡量選用低密度布線(xiàn)設計，并且信號走線(xiàn)盡量粗細一致，有利于阻抗匹配。

　　對于射頻電路，信號線(xiàn)的走向、寬度、線(xiàn)間距的不合理設計，可能造成信號傳輸線(xiàn)之間的交叉干擾;另外，系統電源自身還存在噪聲干擾，所以在設計射頻電路PCB時(shí)一定要綜合考慮，合理布線(xiàn)。

　　布 線(xiàn)時(shí)，所有走線(xiàn)應遠離PCB板的邊框(2mm左右)，以免PCB板制作時(shí)造成斷線(xiàn)或有斷線(xiàn)的隱患。電源線(xiàn)要盡可能寬，以減少環(huán)路電阻，同時(shí)，使電源線(xiàn)、地 線(xiàn)的走向和數據傳遞的方向一致，以提高抗干擾能力。所布信號線(xiàn)應盡可能短，并盡量減少過(guò)孔數目;各元器件間的連線(xiàn)越短越好，以減少分布參數和相互間的電磁 干擾;對于不相容的信號線(xiàn)應盡量相互遠離，而且盡量避免平行走線(xiàn)，而在正反兩面的信號線(xiàn)應相互垂直：布線(xiàn)時(shí)在需要拐角的地方應以135度角為宜，避免拐直 角。

　　以上設計中，PCB板采用四層板，為減小射頻信號對VXI總線(xiàn)控制信號的影響，故將兩種信號走線(xiàn)分別放在中間兩層，且射頻信號線(xiàn)用接地過(guò)孔帶屏蔽。

　　2.3 電源線(xiàn)和地線(xiàn)

　　在 射頻電路PCB設計中的布線(xiàn)需要特別強調的是電源線(xiàn)與地線(xiàn)的正確布線(xiàn)。電源和地線(xiàn)方式的合理選擇是儀器可靠工作的重要保證。射頻電路的PCB板上相當多的 干擾源是通過(guò)電源和地線(xiàn)產(chǎn)生的，其中地線(xiàn)引起的噪聲干擾最大。根據PCB板電流的大小，電源線(xiàn)、地線(xiàn)線(xiàn)條設計的要盡量粗而短，減少環(huán)路電阻。同時(shí)使電源 線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。在條件允許的情況下盡量采用多層板，四層板比雙面板噪聲低20dB，六層板又比四層板噪 聲低10dB。

　　在本文設計的四層PCB板中，頂層和底層兩層均設計為地線(xiàn)層。這樣無(wú)論中間層哪一層為電源層，電源層和地線(xiàn)層這兩個(gè)層彼此靠近的物理關(guān)系，形成了一個(gè)很大的去耦電容，減少了地線(xiàn)所帶來(lái)的干擾。

　　地線(xiàn)層采用大面積鋪銅。大面積鋪銅主要有以下幾個(gè)作用：

　　(1)EMC.對于大面積的地或電源鋪銅，會(huì )起到屏蔽作用。

　　(2)PCB工藝要求。一般為了保證電鍍效果，或者層壓不變形，對于布線(xiàn)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(gè)完整的回流路徑，并減少直流網(wǎng)絡(luò )的布線(xiàn)。

　　(4)散熱，特殊器件安裝要求鋪銅等等。

　　3 結論

　　VXI 總線(xiàn)系統是一種在世界范圍內完全開(kāi)放的、適用于多廠(chǎng)商的模塊化儀器總線(xiàn)系統，是目前世界上最新的儀器總線(xiàn)系統。以上主要介紹了基于VXI總線(xiàn)的射頻開(kāi)關(guān)模 塊的研制。介紹了總線(xiàn)接口的設計以及射頻開(kāi)關(guān)模塊功能電路部分PCB板的設計。射頻開(kāi)關(guān)由VXI總線(xiàn)控制，增加了開(kāi)關(guān)操作的靈活性，使用方便。