預(yù)測(cè)信號(hào)流向的方法主要包括那些？

信號(hào)回流路徑，即return current。高速數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí)，信號(hào)的流向是從驅(qū)動(dòng)器沿PCB傳輸線到負(fù)載，再由負(fù)載沿著地或電源通過最短路徑返回驅(qū)動(dòng)器端。這個(gè)在地或電源上的返回信號(hào)就稱信號(hào)回流路徑。Dr.Johson在他的書中解釋，高頻信號(hào)傳輸，實(shí)際上是對(duì)傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程。SI分析的就是這個(gè)圍場(chǎng)的電磁特性，以及他們之間的耦合。

PCB上每個(gè)從transceiver出發(fā)到receiver的信號(hào)必須最終回到transceiver一端，任何信號(hào)都需要這個(gè)回流路徑。如果把驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)出信號(hào)的那個(gè)pin腳視作電壓源的正極，把驅(qū)動(dòng)芯片的GND腳視為電壓源的負(fù)極，把接收芯片收到信號(hào)的那個(gè)pin腳視為負(fù)載的一級(jí)，把接收芯片的GND腳視為負(fù)載的另一級(jí)，整個(gè)信號(hào)回路就可以視為我們最常見的電壓源驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電路。也就是說，在驅(qū)動(dòng)和接收芯片的GND腳之間，存在電流流動(dòng)。這個(gè)電流流動(dòng)就構(gòu)成了地電平面上的信號(hào)回流路徑。

預(yù)測(cè)信號(hào)流向的方法主要包括以下幾種?：

?統(tǒng)計(jì)方法?：通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如計(jì)算信號(hào)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均絕對(duì)偏差等指標(biāo)，并觀察其變化趨勢(shì)。如果均值逐漸增加或減少，標(biāo)準(zhǔn)差或平均絕對(duì)偏差逐漸減少，可以判斷信號(hào)存在趨勢(shì)項(xiàng)?1。

?移動(dòng)平均法?：使用移動(dòng)平均法來平滑信號(hào)，通過計(jì)算一定期數(shù)內(nèi)的平均值來確定趨勢(shì)項(xiàng)。常用的移動(dòng)平均方法有簡(jiǎn)單移動(dòng)平均、加權(quán)移動(dòng)平均和指數(shù)移動(dòng)平均等?1。

?線性回歸分析?：通過線性回歸模型來擬合信號(hào)的趨勢(shì)項(xiàng)。將時(shí)間作為自變量，信號(hào)的取值作為因變量，利用最小二乘法等方法求得擬合線的斜率來確定趨勢(shì)的方向和強(qiáng)度?1。

?指數(shù)平滑法?：指數(shù)平滑法是一種適用于非常信號(hào)的平滑方法。它通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行指數(shù)加權(quán)平滑來消除隨機(jī)波動(dòng)，并根據(jù)加權(quán)系數(shù)的變化來判斷趨勢(shì)項(xiàng)的方向?1。

?圖表分析方法?：通過繪制信號(hào)的曲線圖，并觀察曲線的形狀和趨勢(shì)來判斷趨勢(shì)項(xiàng)。常用的圖表包括折線圖、柱狀圖、K線圖等?1。

某個(gè)年代的原理圖程序出現(xiàn)于這樣一個(gè)時(shí)期：PCB上大約有40個(gè)14引腳的邏輯芯片，每個(gè)芯片配一個(gè)去耦電容，再加上一個(gè)卡緣連接器。在1985年，DOS OrCAD甚至不能畫三角形。這是那個(gè)年代的局限，也是那個(gè)年代需要擔(dān)心的事。當(dāng)時(shí)許多公司覺得PCB上只有一個(gè)電源，即VCC(兩個(gè)“C”代表“公共集電極”，因?yàn)樗羞@些邏輯門都饋送電源給許多晶體管的集電極)。因此PCB只需要VCC和地。CAD公司的程序員甚至認(rèn)為不需要在芯片上顯示電源引腳。他們只是發(fā)明了“零長(zhǎng)度”引腳，然后版圖設(shè)計(jì)程序會(huì)將所有相同名字的引腳連接在一起。程序員認(rèn)為工程師使用最后生成網(wǎng)絡(luò)表的原理圖簡(jiǎn)直太蠢了。

好的原理圖應(yīng)該有可預(yù)測(cè)的信號(hào)流向。這個(gè)流向要求輸入部分位于左邊和上邊，輸出部分位于右邊和下邊。當(dāng)然這并非鐵板一塊，但如果你希望其他工程師一眼就能理解你的原理圖，遵循這個(gè)規(guī)則就非常重要。如果我高聲對(duì)你喊叫，“區(qū)別什么有做這樣?”這種語(yǔ)法結(jié)構(gòu)顯然讓人難懂，但如果我按從右到左的順序說，“這樣做有什么區(qū)別?”那么你馬上就能理解了。雖然許多半導(dǎo)體公司賺了很多錢，并提供很多支持，但很多時(shí)候他們專注于芯片內(nèi)部，而做不到正確的原理圖流向(圖1)。

圖1：目前許多公司畫的原理圖符號(hào)模仿的是元件的引腳圖，而不是信號(hào)流向

圖1中的六反相器U1不是很實(shí)用。它將6個(gè)反相器合成在一個(gè)符號(hào)中，并且左邊和右邊都有輸入輸出。引腳長(zhǎng)度也不需要那么長(zhǎng)。U2這個(gè)符號(hào)稍微好一些，輸入都在左邊，輸出都在右邊。像我這樣一把年紀(jì)的人不喜歡彩色背景，因?yàn)榻?jīng)過六次黑白拷貝黃色會(huì)變成黑色，從而讓你無法看清任何東西。我創(chuàng)建的U3由不同元件組成(異構(gòu)元件)，包括6個(gè)相同的元件和表示電源與地的第7個(gè)元件。排阻RP1是非常愚蠢的畫法，當(dāng)這些電阻應(yīng)該處于原理圖上不同位置時(shí)很容易把原理圖弄得一團(tuán)糟。RP2顯示了異構(gòu)元件在這種時(shí)候的作用。

對(duì)于多元件封裝來說(比如許多邏輯門)，原理圖符號(hào)需要分解開來，因?yàn)槟愫苌贂?huì)在原理圖的同一個(gè)地方使用全部這些元件。這個(gè)原則同樣適用于雙路或四路運(yùn)放。元件符號(hào)可以采用德·摩根等效符號(hào)(圖3)。我非常敬佩那些能夠通過布爾表達(dá)式來理解電路工作的工程師，但我還是喜歡圖形化的表達(dá)方式——通過圖形可以想象位于D鎖存器中的比特，或者多路復(fù)用器中斷言給定輸入的引腳。

圖3：早在1995年，OrCAD 9就允許用德·摩根等效符號(hào)表示與非(NAND)門

Altium/CircuitStudio可以讓用戶給元件分配不同的“模式”完成相同的任務(wù)。如果你想畫一個(gè)“引腳上負(fù)下正”模式的運(yùn)放符號(hào)就非常方便。若是沒有等效符號(hào)，如果你想垂直翻轉(zhuǎn)一個(gè)元件，也會(huì)把正電源放到下邊，把地放到上邊去。通過調(diào)用繪制的德·摩根等效符號(hào)，你可以交換輸入引腳，同時(shí)保持電源和地的位置不變。解決這個(gè)問題的另外一種方法是制作一個(gè)具有獨(dú)立電源的異構(gòu)元件(U6)。現(xiàn)在你可以垂直翻轉(zhuǎn)運(yùn)放，將負(fù)引腳放到上面來。

說到地，“公共端”或“回流端”其實(shí)更貼切，除非你的電路連接到墻上插座的大地引腳(圖4)。我承認(rèn)這只是個(gè)人喜好，但我喜歡美國(guó)風(fēng)格的電源和電阻符號(hào)，在晶體管和MOSFET上有個(gè)圓圈，且MOSFET清楚地指示了N溝道或P溝道類型。

圖4：地、電源、電阻、晶體管和MOSFET等各種元件符號(hào)

在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，電源和地引腳不可見帶來的問題是，當(dāng)版圖封裝的電源連接錯(cuò)誤時(shí)電路經(jīng)常會(huì)燒掉。經(jīng)常會(huì)燒。這是一個(gè)很嚴(yán)重的問題，因?yàn)槟憧赡苡卸鄠€(gè)帶電源的層，而重新做PCB甚至重新搭建原型是很困難的?；谶@個(gè)理由，我們?cè)S多人會(huì)把電源引腳明確地畫出來。對(duì)于像四運(yùn)放這樣的多元件封裝來說有三種方法來實(shí)現(xiàn)(圖5)。第一種方法是你可以將電源引腳畫在每個(gè)元件上。第二種方法是只將電源引腳畫在其中一個(gè)元件上，這時(shí)要確保將所有未用元件也都放到原理圖上。第三種方法是將四運(yùn)放設(shè)計(jì)成由5個(gè)元件組成的異構(gòu)封裝，包括4個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放和一個(gè)單獨(dú)的電源與地引腳元件。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是你可以將電源與地元件和所有去耦電容放在一起。缺點(diǎn)是你可能忘了放電源與地元件，由此帶來的災(zāi)難是器件沒有供電而不是接錯(cuò)電源。一個(gè)技巧是將電源引腳作為封裝中的第一個(gè)元件，這樣當(dāng)你放置這個(gè)元件時(shí)第一個(gè)放的就是電源。不管怎樣，你都應(yīng)該將所有元件都放到原理圖中去，以便給未用元件合適的偏置，防止它們發(fā)生振蕩。

圖5：電源和地不要使用零長(zhǎng)度的引腳

相反，最好在U1的每個(gè)元件上畫出電源引腳。你也可以只在封裝的某個(gè)元件上畫電源引腳，但要確保所有元件都被放置，這樣你就不會(huì)忘了連接電源(U2)。U3封裝則是使用了一個(gè)單獨(dú)的“元件”來畫電源和地。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是你可以翻轉(zhuǎn)運(yùn)放，根據(jù)電路需要靈活地將負(fù)引腳放在正引腳的上面或下面。

十幾年前Cadence的OrCAD中就有這些異構(gòu)元件了，這種方法還可以將連接器分解成若干塊。這樣做同樣是為了保持原理圖的信號(hào)流向，確保每根線連接正確的連接器(圖6)?，F(xiàn)在你可以確保你的原理圖流向是從左到右的，使得其他工程師理解起來更加容易，也能讓你在5年后再看時(shí)更加容易理解。

圖6：如果你將連接器只畫成一個(gè)元件符號(hào)，會(huì)使得原理圖很亂(a)

通過使用OrCAD中的異構(gòu)元件功能，或Altium/CircuitStudio中的元件“模式”，你可以將連接器分解開來，以便原理圖的流向更清晰更容易理解(b)。

另外一個(gè)考慮是如何將諸如開關(guān)電源芯片這樣的復(fù)雜元件畫清晰。即使你將輸入移到左邊，輸出移到右邊，仍然很難理解這種元件的工作原理。針對(duì)這種情況，你可以在符號(hào)框中畫一個(gè)簡(jiǎn)單的圖，用來暗示這個(gè)元件的功能。不一定是數(shù)據(jù)手冊(cè)中的框圖，只需簡(jiǎn)單的表述，以便提醒你和其他人這個(gè)元件是做什么的。

還有其它一些原理圖符號(hào)的慣例，它們更多的是偏好，而不是好的設(shè)計(jì)原則。我很喜歡用圓圈將晶體管包圍起來。需要重申的是，那些半導(dǎo)體工程師畫的晶體管才沒有圓圈。我認(rèn)為圓圈非常有用。同樣，我很喜歡當(dāng)走線發(fā)生交叉時(shí)做一個(gè)小的跳接。這就引出了另一個(gè)重要規(guī)則：沒有4向結(jié)點(diǎn)。我見過一個(gè)傳真過來的原理圖，怎么都看不出走線是否只是交叉而不是連接在一起。結(jié)果我猜錯(cuò)了，這浪費(fèi)了我一天時(shí)間。如果所有原理圖都用跳接，“沒有4向結(jié)點(diǎn)”規(guī)則就沒那么重要了。令我高興的是，最新版本的Altium/CircuitStudio可以顯示跳接，并能自動(dòng)防止生成4向結(jié)點(diǎn)(圖7)。

圖7：像我這樣的老人在走線間沒有連接關(guān)系時(shí)喜歡采用跳接的方式。

我的做法是使用輸入在左側(cè)的規(guī)則重畫元件符號(hào)(圖8)。我還使用了獨(dú)立的電源與地符號(hào)，以便減少雜亂現(xiàn)象，畢竟我們關(guān)心的是信號(hào)流向。大多數(shù)工程師理解555定時(shí)芯片內(nèi)部的功能。但如果你不知道，或者你認(rèn)為閱讀該原理圖的人不知道，那么你可以在元件內(nèi)部畫上一些或所有框圖。Altium/CircuitStudio允許你在原理圖符號(hào)上放置圖片，因此我在網(wǎng)上找到一個(gè)很好的555定時(shí)器框圖，經(jīng)過一些細(xì)微調(diào)整后我將它放進(jìn)原理圖符號(hào)中。我不得不遵循它們的引腳輸出結(jié)構(gòu)，因此原理圖上有些跳接(圖9)。

圖8：修改圖7中的555定時(shí)器，將輸入放在左邊，輸出放在右邊，這樣原理圖流向更清晰。單獨(dú)的電源與地符號(hào)消除了走線的雜亂現(xiàn)象。

圖9：你可以在元件內(nèi)部畫一個(gè)框圖來展示它的功能

這可以像顯示一個(gè)集電極開路輸出一樣簡(jiǎn)單，或者像顯示開關(guān)電源芯片內(nèi)部功能一樣更復(fù)雜一些。一些CAD軟件包允許你將圖像粘貼到元件符號(hào)內(nèi)。

這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。你可以用整個(gè)原理圖來表示元件內(nèi)部功能，或者要是對(duì)元件內(nèi)部功能不是很關(guān)心的話，可以想讓原理圖更簡(jiǎn)捷。我的想法是適當(dāng)在元件內(nèi)畫一些內(nèi)容，比如集電極開路輸出，但重要的是保持整個(gè)原理圖清晰有條理，人們看起來容易理解。

好了，就剩最后一個(gè)模擬工程師的最愛了。在大學(xué)里，John Kuras經(jīng)常開玩笑說功率晶體管應(yīng)該用粗一點(diǎn)的線畫得大一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)我們都嗤之以鼻，但現(xiàn)在我確實(shí)喜歡用更大的符號(hào)顯示TO-3巨型封裝的晶體管(圖10)。成為模擬工程師就得接受重要性原則，而更大的晶體管更重要，而且畫起來更容易。

圖10：每個(gè)人都可以看出來，右邊的晶體管是一個(gè)功率晶體管

如今顯示器上最常用的接口無非HDMI(High Definition Multimedia Interface)與DP(DisplayPort)兩種，VGA與DVI已經(jīng)很少使用，原因在于VGA傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，在發(fā)送端需要將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，在接收端又需要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)在傳輸過程中及其容易受到外界干擾，逐漸被淘汰。DVI接口與HDMI接口類似，都是傳輸數(shù)字信號(hào)，但只能傳輸視頻信號(hào)，不能傳輸音頻信號(hào)，也極少使用了。

HDMI接口是松下、索尼這些電視廠商在2002年聯(lián)合推出的視頻傳輸接口，HDMI1.0最高帶寬達(dá)到4.96Gbps。2006推出的HDMI1.3版本最高帶寬達(dá)到10.2Gbps，經(jīng)過四年發(fā)展，HDMI接口從電視領(lǐng)域逐步拓展到游戲主機(jī)、筆記本、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品上，這段時(shí)間HDMI風(fēng)光無限。