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以太网控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)
发表于 2007-9-26 14:52:37

问：如何实现单片以太网微控制器？
答：诀窍是将微控制器、以太网媒体接入控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)整合进同一芯片，这样能去掉许多外接元器件。这种方案可使MAC和PHY实现很好的匹配，同时还可减小引脚数、缩小芯片面积。单片以太网微控制器还降低了功耗，特别是在采用掉电模式的情况下。

问：以太网MAC是什么？

答：MAC就是媒体接入控制器。以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。它实现了一个数据链路层。最新的MAC同时支持10Mbps和100Mbps两种速率。通常情况下，它实现MII接口。

问：什么是MII？

答：MII即媒体独立接口，它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口(图1)。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。

点击看大图

问：以太网PHY是什么？

答：PHY是物理接口收发器，它实现物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY。它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14条)和100BaseTX(第24条和第25条)的规范。

问：造成以太网MAC和PHY单片整合难度高的原因是什么？

答：PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件。芯片面积及模拟/数字混合架构是为什么先将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外的原因。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现MAC和PHY的单芯片整合。

问： 除RJ-45接口外，还需要其它元件吗？

答：需要其它元件。虽然PHY提供绝大多数模拟支持，但在一个典型实现中，仍需外接6、7只分立元件及一个局域网绝缘模块。绝缘模块一般采用一个1：1的变压器。这些部件的主要功能是为了保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏。

问：10BaseT和100BaseTX PHY实现方式不同的原因何在？

答：两种实现的分组描述本质上是一样的，但两者的信令机制完全不同。其目的是阻止一种硬件实现容易地处理两种速度。10BaseT采用曼彻斯特编码，100BaseTX采用4B/5B编码。

问：什么是曼彻斯特编码？

答：曼彻斯特编码又称曼彻斯特相位编码，它通过相位变化来实现每个位(图2)。通常，用一个时钟周期中部的上升沿表示“1”，下降沿表示“0”。周期末端的相位变化可忽略不计，但有时又可能需要将这种相位变化计算在内，这取决于前一位的值。

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问：什么是4B/5B编码？

答：4B/5B编码是一种块编码方式。它将一个4位的块编码成一个5位的块。这就使5位块内永远至少包含2个“1”转换，所以在一个5位块内总能进行时钟同步。该方法需要25%的额外开销。 

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如何进行高速电路的ESD保护
发表于 2007-8-7 22:44:55
静电放电(ESD)会给电子器件环境会带来破坏性的后果。事实上，在各种各样电路的电路封装和经过装配、正在使用大电子器件中，超过25%的半导体芯片损坏归咎于ESD。

通常情况下，来自人体某个部分(手指)的放电将给给不同的材料充电，随后传递到附着在电子器件的导电触点。这将造成IC损坏，并有理由指责终端用户器件制造商。

这个问题非常严重，以至于欧盟(European Union)已经为任何在经济区销售的商品制定了特殊的ESD抑制标准。现在设计工程师必须为当今更敏感的半导体提供有效的ESD保护。

不幸地是，这项任务经常遵循事后回想的设计原则：首先搭建没有额外过压瞬间抑制的电路，依靠板上的IC来进行保护。如果测试能显示在原型阶段的灵敏度，那么就加上保护器件。如果这种方法被采用来满足当今更低放大电压，增加频率和更低噪声的要求的话，整个设计必须最优的并是集成的。在末端增加保护可能非常昂贵，或由于时间限制而不切实际。

通常，ESD事件是由根据充电过程类型和瞬态电泳严重程度的三种主要ESD算法描述的：人体模型(HBM)、充电器件模型(CDM)和机器模型(MM)。这些模型定义了瞬变效应的类型，因此设计工程师们就可以定义明确的半导体过压芯片瞬变等级灵敏度，以及芯片及装配产品测试规程。利用这些模型，电路设计工程师可以测试芯片和产品的ESD保护效率相一致，而且可以定量地与可选方案进行比较。

电荷通过一系列电阻器直接传递，例如人的手指，是最普遍的ESD损坏原因。因此，优秀的ESD模型是HBM。在测试中待测器件中(DUT)，这是由一个100pF的电容通过一个1500Ω的电阻向器件放电来表示的。这个标准的商业版本是军用规范883方法3015(图1a)。


最流行的HBM变种是国际电工委员会IEC1000-4-2标准，定义为150pF电容通过一个330Ω电阻放电(图1b)。这是欧盟对在其区域内商品销售所必须的国际测试。

但是，明显的瞬间电压威胁和能量等级的不同存在于两个模型之中。于是设计工程师可以使测试过程适合他们所期望的具体应用。例如，IEC1000-4-2具有一个非常快速的电平脉冲上升时间，能应用更多的脉冲和更高的峰值电流(见表格)。


最近，电路设计工程师已经正在通过一定数量的瞬间电压抑制器(TVS)器件增加保护。一些例子包括固状器件(二极管)、金属氧化物变阻器(MOV)、可控硅整流器、其他可变电压的材料(新聚合物器件)、气体电子管和简单的火花隙。

这类器件被放置在输入端和地之间。当输入电压达到引起它们“开路”或导通的水平时，它们能迅速把阻抗降低。理想地，输入威胁被部分地反射回去，而平衡被部分地通过导通的TVS器件分流到地上。所以，在电路中只有更小比例的威胁能够达到敏感的IC。

但是ESD抑制器件也有着其自身的优缺点，随着新一代高速电路的出现，一些缺点被放大了。例如，TVS必须迅速响应到来的浪涌电压。浪涌电压在0.7ns达到8KV(或更高)峰值时，TVS器件的触发或调整电压(与输入线平行)必须要足够低以便作为一个有效的电压分配器。

一些器件可保护电路，但在仅几次电流脉冲和/或陷入进入低阻(短路)状态后就老化了，形成电路到地的大电电流通道。这点对由电池驱动的器件来说是致命的。

每个器件有其自身的差异。气体放电管可通过大电流，但是响应速度很慢。它们也会老化且不能恢复。MOV能为高速电路提供相对缓慢的导通响应。硅二极管的触发响应速度非常快，导通电压低，但它们像MOVS和其他器件一样，电容比较高，从而影响高速信号。

频率越高，电容效应就越大。全新的ESD变压器件是当前仅有能够提供极低电容和非常低关断漏电流的产品。此外，在多次脉冲之后它们能自我恢复。

现在考虑成本因素。设计工程师尽可能地把非主要器件的成本降到最低。由于供大于求，二极管的价格一直以来都很低。一些新的高频聚合物器件的价格也十分有竞争力。

过去几个主要的设计因素简化了ESD抑制器问题。工作电压更高、速度更慢、更鲁棒的IC对浪涌电压不那么敏感。更低的工作频率也意味着保护速度不那么重要。同时，阻抗更高线路和引脚元件的电路、金属更多的封装以及更少的外部节点，也使事情变得更加简单。

但是电子行业已发生变化。消费电信行业在发生爆炸式发展，出现了更多的手持设备。器件的工作频率已经从几kHz上升到GHz，从而使用于ESD保护的高容量无源器件带来设计失真问题。此外，芯片工作电压正在降低，有助于极大提高对任和高能量瞬态(固定结点的加热/融化)响应的灵敏度。同时，新型高频数码使用器件要求关断漏电流非常低，从而降低噪声。

在低成本的生产环境中，对于所有的电路元件来说降低成本是主要目标。因此，有效的ESD抑制器应为设计工程师提供下列主要的好处和特点(未必按重要性排列)：

具有成本效益；

保护新型消费电子的音频和视频I/O线路以及RF连接端口，而无需牺牲性能；

保护新型通信连接硬件；

在很广的工作频率范围内具有稳定的器件特性；

在工作频率为数GHz的超宽带电路中采用1pF以下的电容；

在关状态条件下漏电流最小，以减小噪音；

降低由ESD抑制器元件引起的工作电路信号失真和减衰；

为提供有效保护，触发和箝位特性要与电路器件要求一致；

具有所需的装配特性、外形因子和PCB封装，便于用在高速自动装配生产线上；

在各种可选择的器件中，最好是在无需改变电路板的情况下具有高互换性；

在产品使用寿命期间可靠性高。

布局指南

不管选择怎样的TVS器件，它们在电路板上的布局非常重要。TVS布局前的导线长度应该减到最小，因为快速(0.7ns)ESD脉冲可能产生导致TVS保护能力下降的额外电压。

另外，快速ESD脉冲可能在电路板上相邻(平行)导线间产生感应电压。如果上述情况发生，由于将不会得到保护，因为感应电压路径将成为另一条让浪涌到达IC的路径。因此，被保护的输入线不应该被放置在其它单独、未受保护的走线旁边。推荐的ESD抑制器件PCB布局方案应该是：放置在被保护的IC之前，但尽量与连接器/触点PCB侧尽量近这； 放置在与信号线串联任何电阻之前； 放置在包含保险丝在内的过滤或调节器件之前； 放置在IC之前的其他可能有ESD的地方。

由于业界对在高频电路中采用ESD抑制越来越感兴趣，所以已对消费电子领域中的一些大型器件进行了研究。对比数据表明，尽管低成本的硅二极管(甚至变阻器)的触发/箝位电压非常低，但它们的高频容量和漏电流无法满足不断增长的应用需求。

另一个重要要求是ESD抑制器对电路信号特性的影响最小。对聚合物ESD抑制器的测量表明，频率高达6GHz时的衰减小于0.2dB，这样它们对电路几乎没有影响。


另外，商业化产品要求在所有不同的硬件接口位置都要有ESD浪涌保护。例如，一些新型电脑和更高端的消费电子可能会如下这些互连器件的大部分或者全部：以太网、USB1.1/USB2.0、IEEE-1394/1394b、音频/视频/RF以及传统的RS-232、RJ-11等端口等的audio/video/RF端口。所有传统的保护器件都已经不同程度地得以成功应用。但是，如今不断增长的工作频率为超低电容器件(如聚合物抑制器)提出了需求(图2a)。


USB 2.0 协议具有00 Mbps的快速数据转换速率。因此，当采用具有SurgX技术(图 2b)的超低电容聚合物器件进行保护时，一个配备了USB 2.0功能的器件将具有最佳性能。这将比使用齐纳二极管或多层变阻器时产生更少的数据失真。

另外，许多新型消费电子器件能执行快速的IEEE-1394/1394b(Fireware)数据转换协议。这种非常高的数据速率(1600 Mbps，1394b)要求低电容ESD抑制器，例如聚合物浪涌器件(图 2c)。测试数据表明，聚合物ESD抑制器带来的信号失真比硅二极管器件保护Firewire端口产生的更少(图 3)。
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彩电的EMC抗扰度设计
发表于 2007-8-7 22:43:21
摘 要：介绍了彩电抗扰度的相关概念、测量方法、原理和设计措施。
关键词：电磁敏感度 抗扰度 滤波器 屏蔽效果

----一、基本概念

----1)EMS(电磁敏感度)：是英文ELECTROMGNETIC SUSCEPTIBLITY的缩写，是指设备或系统在电磁骚扰存在的情况下，能保持正常工作的能力。对电视机来说，就是当受到外界电磁骚扰时，保持图象没有明显干扰，伴音信噪比不低于40dB的这样的一种能力。

----2)差模信号：两条并排线路中，大小相等方向相反的一对信号电流，叫差模信号。一般是构成回路的信号电流。如：电源回路，信号回路等。差模电流构成的环路，能向外辐射电磁波，其辐射大小，与环路面积、电流频率的平方、电流大小成正比。

　




  图1中矩形天线向外辐射的电磁波场强

  E=(IL60π/rλ)sin(2πS/λ)

  通常2πS＜λ，上式可写成

  E=(120π2IA/rλ2) (v/m)

式中：

E——电场强度

I——电流

A——环路面积=SL

r——辐射距离

λ——波长=c/f

----因此，一般为减小辐射骚扰，尽量采用低速电路，少用上升沿时间很短的数字电路；构成回路的一对信号线应尽量使用排线或使用双绞线，在PCB布线时，差模信号的两根线最好并排排列，或尽量减小环路面积。当环路中有电流时，能向外发射电磁波，这时相当于一个发射天线。同样它也能当作接收天线，接收来自外界的干扰信号，其产生的感应电动势与环路面积、电磁波频率、电磁波场强成正比(磁场产生的最大感应电动势U=2πfBA，电场产生的最大感应电动势U＝2πAE/λ)。因此从减小受干扰的影响来说，也应尽量减小环路面积。

----3)共模信号：两条或两条以上并排线路中，大小相等或近似相等，方向相同的信号电流，叫共模信号。需提醒注意的是，共模电流是由共模源(电压源或电流源)提供的。共模电流本身不会对线路产生影响，它是通过一定的方式转化为差模信号对线路干扰的。它影响电路有两种方式，一是通过共模源的空间感应或辐射，由电场耦合(近场)或磁场耦合(近场)或电磁场耦合(远场)途径耦合到信号环路中的敏感部分形成差模信号而造成干扰；二是共模源处在两个以上的信号回路中(共阻抗)，当其中一个信号回路电流发生变化时，引起共电压变化，共电压的变化也加在其它回路上形成差模干扰信号，造成了干扰。如图2(共地)，图3(共电源)的共阻抗干扰。当回路I电流发生变化时，必然引起共电压UAB的变化，该变化加到负载Z2上，形成差模干扰信号，对回路II造成干扰。反过来，当回路II电流变化时，也会影响到UAB，对回路I造成干扰。




----因此为提高抗扰度，应尽量避免共模源的产生，或减小共模源的影响。数字电路中，尽量采用噪声容限值大的IC电路(例如CMOS电路)。对电视机来说，在设计时，信号输入回路要尽量使用平衡电路(对称电路)，使共电压的影响最小；尽量避免混地(或电源)，如数字地(电源)模拟地(电源)、大信号地(电源)小信号地(电源)、高频地(电源)低频地(电源)应各自分开，独自构成回路，参考地最后才汇集到一起，如图4。即使不同电路之间有数据交换，构成新的环路，也要尽量使环路面积最小。另外一种有效的手段是在输入输出回路并上容量几十至几百皮法的去耦电容，这实际上也是减小了环路面积，因为为干扰信号提供了阻抗最小的回路。当然，由于电视机现在用的主集成电路都是把多种电路(小信号模拟、数字电路)做在一片IC上，厂家已经预留了不同的接地端，PCB设计时要注意不要混地。但彩电厂家绝大多数用的是单面板，PCB排版时很难做到如此顺利，因此要打一些折扣。




----二、彩电抗扰度的测量方法、原理及设计

----一般性的电磁兼容性设计方法如滤波、屏蔽、接地等都是有用的，本文将重点针对GB9383-1995的几项测量参数来谈谈如何进行抗扰度设计，以及怎样运用上述原理方法。首先简略介绍GB9383-1995的内容。

----GB9383-1995是早期颁布的一项标准，现在已经修订为GB/T9383-1999。但主要执行的内容仍以GB9383-1995的内容为主，再增加一项内部抗扰度的要求(即GB/T13839)。具体对电视机来说，要执行4项：

a电源端及音频输入输出端子电压抗扰度

b天线端电流抗扰度

c屏蔽效果

d内部抗扰度

  其中前3项是GB9383-1995的内容，第4项是GB/T13839的内容。下面分别来探讨。

(1)电源端及音频输入输出端子电压抗扰度

(a)测量方法及原理

  图5中所示是电源端的电压抗扰度测试图，音频输入输出端子的测量原理是一样的，只是所用的耦合网络稍有不同。


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----测量是在屏蔽室中，M是一个耦合网络，其作用一是阻止电网的干扰信号进入到彩电中，二是阻止测试中的干扰信号注入到电网中，三是把所需的干扰信号通过平衡方式以共模信号的形式加入到电网的两个电极L桸上，这样就形成了彩电电源电压抗扰度的测试布置。需要提醒的是，原先用的是电源阻塞滤波器(MSF)，现在都用M型耦合滤波器，其结构上近似，测量结果是一致的。

----测量方法是：先调整电视机正常工作，然后在0.15KHz～150MHz的范围内，选定一个干扰频率f，改变其信号幅度，直到彩电画面刚看不到干扰，或伴音信噪比刚为40dB，两种情况取最坏的那一种，记录该频点下的干扰信号强度。通常记录那些影响最大的点。现在最先进的设备是自动扫频测试，可以大大缩短测试时间，提高测试精度，可重复性较好。当然要防止外界环境的影响，以及屏蔽室谐振的影响。

----测量方法很简单，但造成的干扰的机理却很复杂，下面来谈谈它的干扰原理。

----干扰信号通过M型耦合网络以共模信号的形式注入到彩电电源中，然后通过各种耦合途径(电场、磁场、电磁场)耦合到信号线路中，最后通过彩电与大地的分布电容回到干扰信号发生器(发生器信号地是接大地的)。

----当干扰信号通过某种途径耦合到有用信号上时，由于线路中地阻抗的存在，会产生干扰。见图6，图中干扰源的信号以共模形式从信号回路两端C点、A点注入，显然干扰源产生的电压UA＝UC，如果Zg=0，UAB=0，则UBC＝0，干扰信号对负载不会有任何影响。但是，引线总是有电感的，Zg不为0，UAB≠0，则UBC≠0，负载ZL上有干扰信号存在，当Zg值较大，或干扰信号足够强时，干扰就可以在电视机上观察到了。干扰信号对负载有两种干扰方式：一是当干扰信号频谱落在信号通带内时，被当作有用信号处理，直接产生干扰。另一种是干扰信号与有用信号及其谐波(或其他机内产生的谐波干扰信号)差拍，差拍后的信号频谱落在信号通带内，造成电视干扰。




----这就是彩电共模干扰的一般原理。GB9383?995给出的测量方法也是有实际意义的，如：当我们用电吹风时，会发现附近的电视机会被干扰，原因就是电吹风与电视机共同使用一个电源，电吹风的电动机工作时产生的电磁干扰通过电源线注入到电视机当中了。这就要求电吹风设计时要考虑电磁发射的抑制，减小电磁发射。二就是要求电视机有一定的抗干扰能力 抗扰度要好。下面就介绍几种抑制干扰的手段。

----b)滤波器的设计

----干扰信号在电源线中传播时，以两种方式对信号回路干扰，一是沿导线传导，通过近场耦合干扰信号回路；另一种是通过电源线向空中发射电磁波，通过信号回路的“天线”(信号环路或大于1/4干扰信号波长的导线）来接收而产生干扰，因此，最好的方法就是在电源线进线端就开始对干扰信号抑制，从源头加以防范。而滤波则是最有效的一种手段。因此滤波器的设计至关重要。

----下面就来看看一种典型的电源滤波器设计。

点击看大图


----图中L1、L2是两个电感量约为10μH的电感(在铁氧体磁芯上绕制几圈而成)，主要用于抑制30MHz～150MHz的干扰。Cx是抑制差模干扰的。T1、T2是两种不同规格的共模滤波器，T1电感量约为30mH，用于抑制5MHz以下的干扰：T2约为300μH，主要抑制5MHz～30MHz之间的干扰。电容Cy主要抑制10MHz～50MHz之间的共模干扰，随着干扰频率的提高，引线及接地线阻抗已经很大，逐渐会失去滤波作用。另外需注意的是，Cy的取值在1000P以下为好，因为Cy越大，漏电就越大，不符合安全的要求。R是1MΩ的放电电阻，用于静电的泄放。所有元件都要符合安规GB8898-1997的要求。

----以上分析的是典型滤波器的构成，实际当中会依产品种类的不同而稍有差异。对I类产品来说，由于电源线带接地端，Cy的作用将很大，干扰可以从很短的路径被引向大地而滤掉。对电视机这样的II类产品来说，采用的是双重绝缘(又叫加强绝缘)，电源线是两芯的，没有接地端，PCB主板不接大地，是“浮地”，随着频率的增大，接地阻抗将增大，Cy对抗扰度基本起不到应有的作用了，但对EMI的抑制是有作用的(150kHz～30MHz)。

----还有要注意的就是在PCB排版布线时，电源滤波器的元件最好成“一字型”直线排列，尽量避免“Z字型”排列，这主要是防止电源前端的干扰信号通过空间电磁场耦合到后级信号回路中，使滤波器失去作用。另外还应注意使元件紧凑排列，这一点已在前期文章中说明，在此不再阐述。

----滤波器作用是双向的，如果仅仅考虑EMI(电视机对电网的干扰)，L1、L2是可以去除的，因为EMI只考虑150kHz～30MHz的干扰。这个频率范围只需由T1、T2来完成。
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AD7656在测量中的应用
发表于 2007-7-25 23:59:51

AD7656在测量中的应用

               

 

摘　要：介绍一种新型的6通道16位高分辨率AD7656型模/数转换器的功能和性能，详细描述它在8位并行接口模式下的工作方式和原理。最后介绍AD7656实测参数并给出设计方案和电路。
关键词：AD7656、AT91R40008、信号采集、应用

      注意在图中AD7656 P24脚接高电平!                  

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 需要源码请发邮件给我lhx_127@126.com.
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ADC的校准
发表于 2007-6-7 9:55:12
ADC的校准，包括对ADC的特性修正和对显示值的调整。
一、没有PGA时：
没有PGA，是指在整个模拟范围内不换档。此时，对ADC及整个模拟系统的“校准”，应该包括“适配”和“修正”。
1、模拟系统的“适配”：
模拟系统的“适配”，包括“零点偏置”和“增益补偿”。
1）“零点偏置”，是将传感器的“零点”与“显示值的零点”进行“对准”。先测量这两个“零点”之间的差值，再通过“加”或“减”运算得到结果。运放的offset，模拟开关的通路电阻Rds（on），A/D的offset等，都会引起“零点”的失准和变动（漂移）。
最好是系统自带“零点偏置”调整功能，并定期自动进行“零点偏置”调整操作。比如，根据具体情况，将传感器输入“接地”或“开路”或“失效”，将实测值作为“零点偏置”值使用。
2）“增益补偿”，主要是指对ADC的量化误差、INL以及放大电路的增益误差进行调整。还有，ADC满刻度值与传感器灵敏度的不配套，参考值或者电源幅值的变动等等，也需要进行增益调整。进行“增益补偿”调整，主要是进行“乘法”或“除法”运算，将系统增益调整到标准值。
为了对模拟系统进行“适配”，我采用的办法，就是在产品检验之前，使用标准器，进行系统“适配”一揽子调整。将结果入ROM，持续使用。在用户使用过程中，依然可以进行这种校准操作。
2、模拟系统的“修正”：
对模拟系统线性的修正，主要是指对其特性的“非线性”进行修正。比如A/D的DNL，Analog switch的Rflate（on）等，就需要通过“修正”得到改善，以便更加“线性”。
对于模拟系统“非线性”的修正，我的办法是设定一个“参考点”，若干个“修正点”，一个“修正量”。再构造一个“修正表”，该表中的数据项由两位二进制数据构成，每项数据代表各修正点的修正情况，“0”表示该点不进行修正，“1”表示该点要进行“加”修正，“2”表示该点要进行“减”修正。此种修正方法的要点是确定合理的修正“参考点”及恰当的“修正量”。当然，最主要的是修正办法。我用的是“线性插补”方法的一种，综合了数控机床的“直线插补”以及“显示器画线”技术。