LTspice+C程序，如何改善有線網(wǎng)絡(luò)信號完整性？

在“如何使用LTspice獲得出色的EMC仿真結(jié)果"系列文章的第1分部中，我們介紹了針對電源器件、傳導(dǎo)輻射和抗擾度的LTspice仿真工具。在第2部分中，我們將介紹LTspice和C程序的組合，旨在幫助設(shè)計(jì)人員了解和改善有線網(wǎng)絡(luò)信號完整性。

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借助這些工具，設(shè)計(jì)人員無需多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試迭代，也無需重新設(shè)計(jì)硬件。文中提供了符合以下標(biāo)準(zhǔn)的仿真模型：現(xiàn)場總線通信（RS-485、RS-232）、高速背板(LVDS)、無處不在的USB標(biāo)準(zhǔn)以及支持通過數(shù)據(jù)線供電(PoDL)的新型單對以太網(wǎng)(SPE)。

為什么設(shè)計(jì)人員應(yīng)關(guān)心信號完整性？

信號完整性不僅指原型機(jī)擁有正常工作的鏈路。即使鏈路看起來有效，也建議您對信號質(zhì)量進(jìn)行深入分析檢查，原因如下：

■ 可靠性：距離、吞吐量和環(huán)境可能會導(dǎo)致二進(jìn)制誤碼率提高，達(dá)到系統(tǒng)糾錯(cuò)機(jī)制無法接受的程度。

■ IEEE標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性：符合IEEE建議可確保網(wǎng)絡(luò)成員之間無縫互聯(lián)。

■ EMC指令合規(guī)性：高擺率和過沖常常是不合規(guī)的原因，因?yàn)槠浜懈咧C波成分。

圖1. 使用LTspice執(zhí)行的分析示例

使用LTspice解決信號完整性問題？

本文將幫助設(shè)計(jì)人員回答若干關(guān)鍵問題，例如：

■ 系統(tǒng)是否具有足夠的信號完整性？

■ 首先應(yīng)該改善信號的哪一方面？是否應(yīng)該改善信號擺率、振鈴、抖動或匹配？

■ 系統(tǒng)正常工作，但隨著時(shí)間推移、溫度和元件容差的變化，它能否可靠地工作？

閱讀本文后，您應(yīng)該能夠：

■ 在LTspice中實(shí)施信號完整性分析

■ 生成、導(dǎo)入和使用代表性測試向量，并產(chǎn)生類似圖1所示的分析和輸出

■ 使用多個(gè)隨機(jī)參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證

執(zhí)行眼圖仿真

眼圖提供了一種便捷的方法來評估發(fā)送器或接收器端信號是否一致。眼圖是基于時(shí)間的信號表示。

這種表示方法使用余輝方式來分析大量符號，并確保信號電平、抖動和上升時(shí)間是適當(dāng)?shù)摹?/p>

LTspice具有眼圖分析所需的一些工具，但要執(zhí)行全功能分析，需要實(shí)施一些額外的步驟。

使用測試向量生成PWL文件

LTspice提供了一種在仿真中使用測試向量的高效方法。為了更好地覆蓋可能導(dǎo)致不一致的情況，必須使用大量數(shù)據(jù)。

一些不一致情形會在非常特殊的情況下出現(xiàn)，例如：

■ 長連續(xù)位序列

■ 非零平衡序列

■ 來自附近其他傳輸通道的串?dāng)_

這意味著，假設(shè)數(shù)據(jù)是使用隨機(jī)函數(shù)生成的，為了確保遇到特定的11個(gè)連續(xù)高電平，可能必須使用數(shù)以千計(jì)的符號。

LTspice期望的PWL數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖2. PWL測試向量的文件格式。

其中：

■ 第一個(gè)值是時(shí)間

■ 第二個(gè)值是輸出（電壓、電流、溫度等）

■ -> 是制表符（Ascii碼#09）

■ CR是回車符（Ascii碼#13）

■ LF是換行符（Ascii碼#10）

圖3. 用于生成測試向量的代碼摘錄

生成測試向量的方案有很多。這里，我們選擇C語言。

只需幾行代碼，就可以輕松生成大量可立即注入仿真的測試向量。圖3顯示了用于生成測試向量的代碼摘錄，圖4顯示了C程序生成的波形。

圖4. 使用C程序生成的測試向量

有線通信中使用的概念（如位填充）可以用幾行代碼來實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5. 代碼參見本文提供的鏈接。

使用捕獲的測試向量生成PWL文件

也可以使用實(shí)際數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入LTspice。使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備采集數(shù)據(jù)后，只需幾個(gè)步驟即可將其導(dǎo)入。

例如，圖6是使用示波器捕獲的USB 1.0通信信號。

圖6. 使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備捕獲的USB信號

圖7是示波器保存的數(shù)據(jù)集典型示例（具體格式可能有所不同，但將數(shù)據(jù)導(dǎo)入LTspice的規(guī)則仍然適用）。

圖7. 捕獲的USB信號的原始數(shù)據(jù)

要在LTspice仿真中使用此數(shù)據(jù)集，需要進(jìn)行一些修改：

圖8. LTspice中導(dǎo)入的USB信號

使用測試向量PWL文件

要使用生成的PWL文件，可以向設(shè)計(jì)添加電壓源和文件路徑，如圖9所示。

圖9. 電壓源的PWL選項(xiàng)

絕對和相對文件路徑均可使用，但建議使用相對路徑，使仿真可移植，以便與同事分享。

圖10. 相對路徑示例

眼圖功能的啟用和調(diào)整

為了充分發(fā)揮LTspice這一隱藏功能的潛力，首先必須運(yùn)行仿真。

圖11. 右鍵單擊該區(qū)域以啟用眼圖水平軸屬性

仿真完成并顯示信號后，右鍵單擊水平（時(shí)間）軸。

隨即彈出一個(gè)對話框，顯示如圖12所示的眼圖按鈕。

圖12. 眼圖選項(xiàng)的位置

在此彈出窗口中，可以啟用和調(diào)整眼圖顯示，其中參數(shù)通俗易懂，無需解釋。

圖13. 眼圖的設(shè)置

驗(yàn)證后，顯示結(jié)果將如圖14所示。

圖14. 眼圖顯示

計(jì)算和顯示眼圖模板

為了簡化對信號完整性的評估，可以將眼圖與眼圖模板相關(guān)聯(lián)。眼圖模板不是標(biāo)準(zhǔn)的LTspice功能，但仍然可以實(shí)現(xiàn)（類似第一篇文章中的EMC限值線）。

眼圖規(guī)格是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此大部分模板可以通過一組精簡的變量進(jìn)行評估，如圖15所示。

圖15. 眼圖和眼圖模板

下面的列表給出了眼圖模板中字母A到E的定義：

■ A：眼圖平寬，在某些模板定義中它可以低至零。

■ B：眼寬，評估最大抖動、擺率和波特率等參數(shù)的關(guān)鍵。

■ C：眼高，根據(jù)您是在電纜的近端還是遠(yuǎn)端評估此參數(shù)而有所不同。

■ D：眼圖中心，定義眼圖的中心電壓。

■ E：延遲，僅在LTspice中使用，以便在繪圖窗口內(nèi)移動信號。

生成眼圖模板

在本系列文章的第1部分中，我們說明了如何使用繪圖元件在FFT頻譜上顯示EMC限值線。在本文中，我們將展示如何使用相同的工具來繪制眼圖模板。

與生成和添加EMC限值線相比，眼圖的生成更為復(fù)雜。對于眼圖，我們使用含有JavaScriptP2的網(wǎng)頁來生成眼圖定義，然后可以將其粘貼到LTspice信號顯示的繪圖設(shè)置文件(*.plt)中。如圖16所示，工程師可利用此JavaScript程序完成其設(shè)計(jì)。

圖16. 眼圖生成器的預(yù)設(shè)

常見有線接口標(biāo)準(zhǔn)的眼圖定義已作為預(yù)設(shè)提供。單擊每個(gè)單選按鈕，字段會自動填充典型值。

使用提供的字段也可以微調(diào)或?qū)崿F(xiàn)您自己的眼圖定義。

圖17. 眼圖模板輸入字段

單擊更新按鈕就會生成相應(yīng)的繪圖設(shè)置命令。您可以按照本系列文章第1部分所述的方法，將這些行添加到繪圖設(shè)置文件中。

圖18. 由網(wǎng)頁生成的繪圖設(shè)置

為了獲得比較理想的顯示效果，可能需要調(diào)整要繪制的眼圖數(shù)量和LTspice延遲設(shè)置，如圖19所示。

圖19. 由網(wǎng)頁生成的繪圖設(shè)置應(yīng)用于波形

評估容差范圍內(nèi)的一致性

設(shè)計(jì)中使用的元器件具有較寬的容差，我們可以通過計(jì)算檢查這些容差是否會有問題。但是，當(dāng)設(shè)計(jì)包含數(shù)百個(gè)元器件時(shí)，使用紙筆或電子表格等手動方法會非常耗時(shí)，并且可能無法捕獲重要參數(shù)。對于某些器件，可以使用更窄的容差，但如果為整個(gè)物料清單挑選低容差元器件的話，將會帶來價(jià)格和供貨問題，而且不會考慮老化或溫度相關(guān)性的影響。

為了在容差范圍內(nèi)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，spice及其擴(kuò)展LTspice提供了幾個(gè)非常棒的工具。

以下部分介紹在LTspice中使用蒙特卡羅和高斯分布進(jìn)行容差分析和最差情況分析的方法。

圖20. 三種主要方法的隨機(jī)值分布

高斯、最差情況和蒙特卡羅方法的通用測試電路

為了比較這些方法在實(shí)際用例中的相關(guān)性和窮盡性，我們選擇了以下基于Graber4工作的示例。此設(shè)置顯示了SPE 10Base-T1L標(biāo)準(zhǔn)(10SPE)物理層或MDI的仿真電路。

圖21所示的仿真電路包括100 Ω ±10%的端接電阻，用于ADI公司的 ADIN1110 或ADIN1100 10BASE-T1L以太網(wǎng)PHY/MAC-PHY。

圖21. 高斯、最差情況和蒙特卡羅方法的通用測試電路 — 基于參考文獻(xiàn)

信號耦合電容、功率耦合電感、共模扼流圈和其他EMC保護(hù)元件均進(jìn)行建模仿真。對于某些元件，我們添加了建議的元件值和容差范圍。

回波損耗圖的語法為：

(100+1/I(V1))/(100-1/I(V1))

蒙特卡羅仿真

蒙特卡羅仿真從仿真電路中每個(gè)指定元件的容差范圍中取一個(gè)隨機(jī)值。對于電路仿真而言，元件容差范圍內(nèi)的所有值都有相等的概率。

LTspice內(nèi)置一個(gè)使用方便的蒙特卡羅功能，其語法很簡單。

例如，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)容差為10%的100 Ω電阻，就需要使用以下語法：

{mc(100R, ToIA)}

.param ToIA = 0.10

表1. 使用蒙特卡羅方法定義元件值和容差

圖21所示的電路可用于仿真回波損耗，它衡量所有可能發(fā)生的信號反射。

回波損耗是由電纜鏈路上所有位置的阻抗不匹配引起的?；夭〒p耗以分貝為單位，對于10BASE-T1L中采用的高數(shù)據(jù)速率或長電纜距離(1700 m)通信尤為重要。

要將MDI回波損耗限值線添加到圖中（圖23中所示的紅線），請單擊Plot Settings（繪圖設(shè)置）菜單中的Save Plot Settings（保存繪圖設(shè)置）。

使用標(biāo)準(zhǔn)文本編輯器打開.PLT文件。復(fù)制并粘貼Excel文件所示的線定義語法（圖22）。

圖22. LTspice繪圖設(shè)置文件的線定義

圖23. SPE終端的差分回波損耗：蒙特卡羅分布參數(shù)的128次運(yùn)行

要在仿真中得到理想的圖形，請右鍵單擊波形，然后單擊Don'tPlot Phase（不繪制相位）按鈕。

關(guān)于蒙特卡羅仿真的結(jié)論

蒙特卡羅仿真是評估電子設(shè)計(jì)在其容差范圍內(nèi)的合規(guī)性的重要方法，很可能將滿足大多數(shù)設(shè)計(jì)人員的需求，同時(shí)仿真運(yùn)行次數(shù)合理。

最差情況仿真

最差情況仿真功能不是LTspice的內(nèi)置功能。但是，您可以用所需函數(shù)來模擬最差情況，如Joseph Spencer和Gabino Alonso的文章所述。根據(jù)最差情況執(zhí)行仿真需要.func binary(run,index)和.func wc(nom,tol,index)函數(shù)，您需要將它們作為SPICE指令放在LTspice原理圖中。

.func binary(run,index) floor(run/(2**index))-2*floor(run/(2**(index+1)))

.func wc(nom,tol,index) if(run==numruns,nom,if(binary(run,index),nom*(1+ tol),nom*(1-tol)))

為了使用這些函數(shù)，您需要：

■ 使用numruns聲明所需的仿真運(yùn)行次數(shù)，這些運(yùn)行次數(shù)應(yīng)覆蓋每個(gè)進(jìn)行最差情況分析的元件的最大值、最小值和標(biāo)稱值。運(yùn)行次數(shù)為2N+1，其中N等于與元件容差相關(guān)的不同索引的數(shù)量。對于圖21，運(yùn)行次數(shù)為129，因此語法為：

.param numruns = 129

■ 您必須聲明以下表達(dá)式，而不是使用元件的常規(guī)值：

{wc(100R, 0.1, 0)}

其中：

■ 100R為標(biāo)稱值

■ 0.1為容差（此處為+或-10%）

■ 0為要改變的參數(shù)的索引，下一個(gè)要改變的元件將采用索引

使用下表中的表達(dá)式（而不是靜態(tài)元件值）運(yùn)行圖21所示的仿真電路：

表2. 使用最差情況方法定義元件值和容差

結(jié)果顯示在圖24所示的波形圖中。

通過編輯繪圖設(shè)置文件來添加MDI回波損耗模板限值線，如前文所述。

關(guān)于最差情況分析的結(jié)論

Steve Knudtsen簡要說明3了系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用最差情況分析的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

最差情況分析是一種常見方法，其中會將元件參數(shù)調(diào)整到其最大容差極限。

最差情況方法的局限性包括：結(jié)果與通常觀察到的結(jié)果不一致；要觀察系統(tǒng)表現(xiàn)出最差性能，將需要裝配非常多的系統(tǒng)。

如果系統(tǒng)針對最壞情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么選擇的元器件可能會很昂貴。

然而，將最差情況與蒙特卡羅或高斯仿真結(jié)合使用可以產(chǎn)生有價(jià)值的系統(tǒng)見解。

圖24. SPE終端的差分回波損耗：最差情況分布參數(shù)的128次運(yùn)行

當(dāng)仿真時(shí)間很長且標(biāo)稱行為已經(jīng)得到驗(yàn)證時(shí)，最差情況分析非常適合對系統(tǒng)行為進(jìn)行總體驗(yàn)證。

高斯仿真

LTspice內(nèi)置一個(gè)高斯函數(shù)，其中心值出現(xiàn)的概率較高。此高斯函數(shù)的語法很簡單。

{nominal_value*(1+gauss(tolerance/σ))}

要根據(jù)高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)σ進(jìn)行調(diào)整，可以使用表3中的表達(dá)式。

表3. 使用高斯分布方法定義元件值和容差

或者使用更形象的表示：

圖25. 樣本的高斯分布與σ的關(guān)系

例如，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)容差為10%的100 Ω電阻，并且值在容差內(nèi)的概率為4σ，您需要使用以下語法：

{100R*(1+gauss(ToIA/4))}

.param ToIA = 0.10

圖26提供了圖19所示仿真運(yùn)行128次的結(jié)果，其中高斯仿真如圖19所示，高斯分布參數(shù)使用4σ。

圖26. SPE終端的差分回波損耗：高斯分布參數(shù)的128次運(yùn)行

關(guān)于高斯分布方法的結(jié)論

高斯分布通常是仿真電子設(shè)計(jì)變化的重要方法。

參數(shù)圍繞標(biāo)稱值的高斯分布仍然是研究容差影響的較自然的方法。

遺憾的是，這種方法代價(jià)不菲。為了詳盡無遺，仿真運(yùn)行次數(shù)需要非常多。

此分布還會選取容差范圍之外的值，省略元器件制造商執(zhí)行的排序和分倉操作。

在10BASE-T1L鏈路分析中的應(yīng)用

使用10BASE-T1L以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的話，可以省去幾條現(xiàn)場總線。同一電纜既可用于傳統(tǒng)現(xiàn)場總線，也可用于10BASE-T1L；它是一種簡單的平衡銅線對，用于全雙工通信和為終端供電設(shè)備(PD)供電。雖然可以復(fù)用同一電纜，但必須更換物理層通信收發(fā)器(PHY)和無源元件以滿足10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)。

LTspice中的大多數(shù)10BASE-T1L信號完整性驗(yàn)證可以使用類似形狀的信號進(jìn)行。

表4. 單對以太網(wǎng)的范圍取決于發(fā)送信號幅度

使用的編碼為PAM，用于脈沖幅度調(diào)制3級。根據(jù)端點(diǎn)期望的覆蓋范圍和能力，發(fā)送信號幅度可以調(diào)整為1 V或2.4 V。

在電纜側(cè)，-1至+1轉(zhuǎn)換的信號上升時(shí)間為53.33 ns，下降時(shí)間相同。

將擺率視為恒定，因此0至1、1至0、-1至0和0至-1轉(zhuǎn)換的標(biāo)稱轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)為26.66 ns。

為了生成這樣的測試向量，我們將使用圖27中的代碼。P3它將以PWL格式輸出含有5000個(gè)PAM3符號的測試向量。

將此測試向量輸入到原理圖中，我們就能驗(yàn)證各種參數(shù)，例如最小耦合、繞組間電容等等。

圖28、29和30分別顯示了10BASE-T1L鏈路基于變壓器的端接、PWL源電壓文件的輸出以及PWL電壓源和電纜側(cè)差分電壓的眼圖。這可用于10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性測試。

圖27. 用于生成PAM3測試向量的代碼摘錄

圖28. 基于變壓器的端接，使用PAM3 PWL測試向量

圖29. PWL電壓源的輸出

圖30. PWL電壓源和電纜側(cè)差分電壓的眼圖

LTspice是一款功能強(qiáng)大且免費(fèi)的仿真工具，可與使用標(biāo)準(zhǔn)C語言和JavaScript代碼的波形發(fā)生器結(jié)合使用。最終，我們得到一種強(qiáng)大的有線通信信號完整性分析工具，其可用于節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間、指導(dǎo)最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)并縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，加速產(chǎn)品上市。ADI和Würth Elektronik將為工程師提供該工具來設(shè)計(jì)有線鏈路，并幫助他們理解10BASE-T1L SPE等新標(biāo)準(zhǔn)。