基於射頻開關模塊功能電路的PCB板設計

2021-08-17

Author：IPCB

隨著現代無線通訊系統的發展，移動通信、雷達、衛星通信等通信系統對收發開關的切換速度、功率容量和集成度提出了更高的要求。囙此，VXI匯流排科技的研究和開發是為了滿足軍隊的需要。黨對VXI匯流排模塊的特殊要求具有十分重要的意義。我們將使用虛擬儀器的思想來實現軟件中的硬體電路。下麵設計的射頻開關可以直接由電腦控制，並且可以很容易地與VXI匯流排測試系統連接。集成，最大限度地應用電腦與微電子技術在當今測試領域，具有廣闊的發展前景。

1 VXI匯流排介面電路的設計與實現

VXI匯流排是VME匯流排在儀器領域的擴展，是一種由電腦操作的模組化自動化儀器系統。它依靠有效的標準化，採用模組化方法實現VXI匯流排儀器的序列化、通用化、互換性和互操作性。其開放式架構和隨插即用模式完全符合資訊產品的要求。它具有資料傳輸速度快、結構緊湊、配寘靈活、電磁相容性好等優點。囙此，該系統的設定和使用非常方便，其應用也越來越廣泛。它已逐漸成為高性能測試系統集成的首選匯流排。

VXI匯流排是一種完全開放的模組化儀器背板匯流排規範，適用於各種儀器製造商。 VXI匯流排設備主要分為：基於寄存器的設備、基於消息的設備和基於記憶體的設備。現時，基於注册的設備在應用程序中所占比例最大（約70%）。 VXI匯流排寄存器基介面電路主要包括四個部分：匯流排緩衝驅動、定址和解碼電路、資料傳輸響應狀態機、配寘和操作寄存器組。在這四個部分中，除了匯流排緩衝驅動器由74ALS245晶片實現外，其餘部分均由FPGA實現。使用一塊FLEX10K晶片EPF10K10QC208-3和一塊EPROM晶片EPC1441P8，並使用相應的軟件MAX+PLUS2進行設計和實現。

1.1匯流排緩衝驅動器

該部分完成VXI背板匯流排中數據線、地址線和控制線的緩衝接收或驅動，以滿足VXI標準訊號的要求。對於A16/D16設備，只要背板數据總線D00ï½D15是緩衝和驅動的。根據VXI匯流排規範的要求，該部分由兩個74LS245實現，它們由DBEN*（由資料傳輸響應狀態機生成）選通。

1.2定址和解碼電路

定址線包括地址線A01至A31、數據選通線DS0*和DS1*以及長字線LWORD*。控制線包括地址選通線AS*和讀/寫訊號線write*。

該電路的設計採用MAX+PLUS2的原理圖設計方法。使用零部件庫中的現有零部件進行設計，使用兩個74688和一個74138。

該功能模組對地址線A15ï½A01和地址修改線AM5ï半AM0進行解碼。當設備被定址時，它接收地址線和地址修改線上的地址資訊，並將其與該模塊上硬體地址開關設定的邏輯地址LA7ï½LA0進行比較，如果AM5ï½AM0上的邏輯值為29H或2DH（因為它是A16/D16設備），當地址線A15和A14都為1，並且A13ï½A06上的邏輯數值等於模塊的邏輯地址時，設備為地址選通（CADDR*為true）。然後，將結果發送到下一級解碼控制，並通過解碼地址A01ï½A05來選擇模塊在16比特地址空間中的寄存器。

1.3資料傳輸響應狀態機

資料傳輸匯流排是一組高速非同步並行資料傳輸匯流排，是VMEbus系統資訊交換的主要組成部分。資料傳輸匯流排的訊號線可分為三組：定址線、數據線和控制線。

本部分的設計採用MAX+PLUS2文字輸入的設計方法。由於DTACK*的時序複雜，囙此使用AHDL語言通過狀態機進行設計和實現。

該功能模組配寘VXI背板匯流排中的控制訊號，並提供標準資料傳輸週期的定時和控制訊號（生成資料傳輸使能訊號DBEN*、匯流排完成資料傳輸所需的響應訊號DTACK*等）。在資料傳輸期間，系統控制器首先對模塊進行定址，並將控制資料傳輸方向的相應地址選通線AS*、數據選通線DS0*、DS1*和WRITE*訊號線設定為有效電平。當模塊檢測到地址匹配且控制線有效時，將DTACK*驅動至低電平，以向匯流排控制器確認數據已放置在數据總線上（讀取週期）或數據已成功接收（寫入週期））。

1.4配寘寄存器

每個VXI匯流排設備都有一組“配寘寄存器”。系統主控制器通過讀取這些寄存器的內容來獲得VXI匯流排設備的一些基本配置資訊，如設備類型、型號、製造商、地址空間（A16、A24）。， A32）和所需的存儲空間等。

VXI匯流排設備的基本配置寄存器包括：標識寄存器、設備類型寄存器、狀態寄存器和控制寄存器。

該部分電路的設計採用MAX+PLUS2原理圖設計方法，使用74541晶片及其創建的功能模組。

ID、DT和ST寄存器都是只讀寄存器，控制寄存器是只讀寄存器。在本設計中，VXI匯流排主要用於控制這批開關的接通和斷開，囙此只要將數據寫入通道寄存器，就可以控制繼電器開關的吸合或斷開狀態，並且査詢繼電器狀態也是從通道寄存器中讀取的。數據很好。根據模塊的設計要求，在相應的數據比特中寫入適當的內容，從而有效地控制功能模組的射頻開關。

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2模塊功能電路PCB板的設計

射頻電路的頻率範圍約為10kHz至300GHz。隨著頻率的新增，射頻電路表現出與低頻電路和直流電路不同的一些特性。囙此，在設計射頻電路的PCB板時，有必要特別注意射頻訊號對PCB板的影響。射頻開關電路由VXI匯流排控制。為了减少設計中的干擾，匯流排介面電路部分和射頻開關功能電路通過扁平電纜連接。下麵主要介紹射頻開關功能電路部分的PCB板設計。

2.1組件佈局

電磁相容性是指電子系統在特定的電磁環境中按照設計要求正常工作的能力。對於射頻電路PCB的設計，電磁相容性要求每個電路模塊盡可能不產生電磁輻射，並具有一定的抗電磁干擾能力。元器件的佈局直接影響電路本身的干擾和抗干擾能力。它也直接影響到所設計電路的效能。

佈局的一般原則：元件應盡可能排列在同一方向，通過選擇PCB進入焊接系統的方向，可以减少甚至避免焊接不良；元件之間必須至少有0.5mm的間距，以滿足元件的焊接要求。如果PCB板的空間允許，元件的間距應盡可能寬。

元件的合理佈局也是合理佈線的前提，囙此應綜合考慮。在本設計中，繼電器用於轉換射頻訊號，囙此繼電器應盡可能靠近訊號輸入端和輸出端，以最大限度地縮短射頻訊號線的長度，並為下一步工作做出合理佈局。考慮

此外，射頻開關電路由VXI匯流排控制，射頻訊號對VXI匯流排的控制訊號的影響也是佈局時必須考慮的問題。

2.2接線

在組件的佈局基本完成後，必須開始佈線。佈線的基本原理是：在組裝密度允許的情况下，儘量採用低密度佈線設計，訊號佈線盡可能厚，有利於阻抗匹配。

對於射頻電路，訊號線方向、寬度和線間距的不合理設計可能會導致訊號傳輸線之間的交叉干擾；此外，系統電源本身也有雜訊干擾，囙此在設計射頻電路PCB時必須綜合考慮。接線合理。

佈線時，所有跡線應遠離PCB板的邊界（約2mm），以避免PCB板製作時斷線或存在隱患。電源線應盡可能寬，以减少環路電阻。同時，使電源線和地線的方向與資料傳輸的方向一致，提高抗干擾能力。訊號線應盡可能短，並且過孔的數量應盡可能减少；部件之間的接線應盡可能短，以减少分佈參數和相互電磁干擾；不相容的訊號線應盡可能遠離對方，並儘量避免平行佈線，前後兩側的訊號線應該相互垂直：佈線時，轉角應為135度，避免直角轉彎。

在上述設計中，PCB板使用四層板。為了减少射頻訊號對VXI匯流排控制訊號的影響，將兩條訊號線分別置於中間兩層，射頻訊號線採用膠帶接地遮罩。

2.3電源線和接地線

射頻電路PCB設計中需要特別強調的佈線是電源線和地線的正確佈線。合理選擇電源和接地線是儀器可靠運行的重要保證。射頻電路PCB板上相當多的干擾源是由電源和地線產生的，其中地線產生的雜訊干擾最大。根據PCB板電流的大小，電源線和地線應設計得盡可能粗和短，以降低回路電阻。同時，使電源線和地線的方向與資料傳輸的方向一致，有助於增强抗雜訊能力。在條件允許的情况下，儘量使用多層板，四層板比雙面板低20dB，六層板比四層板低10dB。

在本文設計的四層PCB板中，頂層和底層都被設計為接地層。這樣，無論中間層的哪一層是電源層，電源層和接地層之間的物理關係都很接近，形成了一個大的去耦電容器，减少了接地線造成的干擾。

接地層使用了大面積的銅。大面積鋪銅主要有以下功能：

（1）EMC。對於大面積的接地或供電用銅，它將起到遮罩作用。

（2）PCB工藝要求。通常，為了確保電鍍或層壓的效果不變形，在佈線較少的PCB層上鋪設銅。

（3）要求信號完整性為高頻數位信號提供完整的返回路徑，並减少直流網絡的佈線。

（4）散熱、特殊設備的安裝需要鍍銅等。

3結論

VXI匯流排系統是一種在世界範圍內完全開放的模組化儀器匯流排系統，適用於多個製造商。它是世界上最新的儀錶匯流排系統。以上主要介紹了基於VXI匯流排的射頻開關模塊的開發。介紹了射頻開關模塊功能電路部分的匯流排介面設計和PCB板的設計。射頻開關採用VXI匯流排控制，新增了開關操作的靈活性，使用方便。