单片机硬件参数设计解析

信号质量表现为几个方面。对于大家熟知的频率、周期、占空比、过冲、振铃、上升时间、下降时间等，在此就不作详细介绍了。下面主要介绍几个重要概念。
①高电平时间（high time），指在一个正脉冲中高于Vih_min部分的时间。
②低电平时间（low time），指在一个负脉冲中低于Vil_max部分的时间，如图3所示。
③建立时间（setup time），指一个输入信号（input signal）在参考信号（reference signal）到达指定的转换前必须保持稳定的最短时间。
④保持时间（hold time），是数据在参考引脚经过指定的转换后，必须稳定的最短时间，如图4所示。
⑤建立时间裕量（setup argin），指所设计系统的建立时间与接收端芯片所要求的最小建立时间的差值。
⑥保持时间裕量（hold argin），指所设计系统的保持时间与接收端芯片所要求的最小保持时间之间的差值。
⑦时钟偏移（clock skew），指不同的接收设备接收到同一时钟驱动输出之间的时间差。
⑧Tco（time clock to output，时钟延迟），是一个定义包括一切设备延迟的参数，即Tco=内部逻辑延迟 （internal logic delay） + 缓冲器延迟（buffer delay）。
⑨最大经历时间（Tflightmax），即final switch delay，指在上升沿，到达高阈值电压的时间，并保持高电平之上，减去驱动所需的缓冲延迟。
⑩最小经历时间（Tflightmin），即first settle delay，指在上升沿，到达低阈值电压的时间，减去驱动所需的缓冲延迟。
时钟抖动（clock jitter），是由每个时钟周期之间不稳定性抖动而引起的。一般由于PLL在时钟驱动时的不稳定性引起，同时，时钟抖动引起了有效时钟周期的减小。
串扰（crosstalk）。邻近的两根信号线，当其中的一根信号线上的电流变化时（称为aggressor，攻击者），由于感应电流的影响，另外一根信号线上的电流也将引起变化（称为victim，受害者）。
SI是个系统问题，必须用系统观点来看。以下是将问题的分解。
◆ 传输线效应分析：阻抗、损耗、回流……
◆ 反射分析：过冲、振铃……
◆ 时序分析：延时、抖动、SKEW……
◆ 串扰分析
◆ 噪声分析：SSN、地弹、电源下陷……
◆ PI设计：确定如何选择电容、电容如何放置、PCB合适叠层方式……
◆ PCB、器件的寄生参数影响分析
◆ 端接技术等
3 电源完整性PI
PI的提出，源于当不考虑电源的影响下基于布线和器件模型而进行SI分析时所带来的巨大误差，相关概念如下。
◆ 电子噪声，指电子线路中某些元器件产生的随机起伏的电信号。
◆ 地弹噪声。当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如CPU的数据总线、地址总线等)，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出现地平面反弹噪声(简称地弹)。SSN和地弹的强度也取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。
◆ 回流噪声。只有构成回路才有电流的流动，整个电路才能工作。这样，每条信号线上的电流势必要找一个路径，以从末端回到源端。一般会选择与之相近的平面。由于地电平面（包括电源和地）分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。
◆ 断点，是信号线上阻抗突然改变的点。如用过孔（via）将信号输送到板子的另一侧，板间的垂直金属部分是不可控阻抗，这样的部分越多，线上不可控阻抗的总量就越大。这会增大反射。还有，从水平方向变为垂直方向的90°的拐点是一个断点，会产生反射。如果这样的过孔不能避免，那么尽量减少它的出现。
在一定程度上，我们只能减弱因电源不完整带来的系列不良结果，一般会从降低信号线的串绕、加去耦电容、尽量提供完整的接地层等措施着手。
4 EMC
EMC包括电磁干扰和电磁抗干扰两个部分。
一般数字电路EMS能力较强，但是EMI较大。电磁兼容技术的控制干扰，在策略上采用了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方针。
主要的EMC设计规则有：
① 20H规则。PowerPlane（电源平面）板边缘小于其与GroundPlane（地平面）间距的20倍。
② 接地面处理。接地平面具有电磁学上映象平面(ImagePlane) 的作用。若信号线平行相邻于接地面，可产生映像电流抵消信号电流所造成的辐射场。PCB上的信号线会与相邻的接地平面形成微波工程中常见的Micro-strip Line（微带线）或Strip Line（带状线）结构，电磁场会集中在PCB的介质层中，减低电磁辐射。
因为，Strip Line的EMI性能要比Micro-strip Line的性能好。所以，一些辐射较大的走线，如时钟线等，最好走成Strip Line结构。