跟着IC制作工艺的迅速发展，以DSP、FPGA为代表的数字芯片的核算处理才干和数据传输才干得到了大幅进步，一起，也给高速数字电路规划带来了许多新的问题。芯片特征尺度的减小、作业主频和集成度的进步以及特别的运用环境，使得数字电路体系电路规划时信号完好性(SI)剖析、体系散热规划、电磁兼容性(EMC)等问题不容忽视。近年来，凭借EDA仿真软件在整个电路规划进程中进行电、热等方面归纳仿真的规划办法，逐渐代替了依托规划者经历和参阅规划的传统办法，大大缩短了规划周期，并显着进步了规划成功率。现在，首要芯片厂商都推出了相关芯片的仿真模型及仿真软件，EDA供货商也供给了功用强大的电路规划仿真东西。
HyperLynx正是一种针对整个体系电路规划的归纳仿真剖析东西，包含多个不同功用的仿真模块，可以超卓地完结信号完好性、热剖析、EMC等各项仿真使命，保证体系在规划阶段就能猜测和消除或许存在的问题。
本文结合HyperLynx仿真软件，以雷达信号处理机为例，提出了一种数字电路规划的归纳仿真办法，详细剖析了HyperLynx中各仿真模块的功用、运用办法及仿真成果，为数字电路规划供给了学习。屡次的工程实践标明，在电路规划进程中合理运用HyperLynx进行归纳仿真可以极大进步电路规划的成功率。
1 HyperLynx归纳仿真流程
1.1 HyperLynx仿真软件介绍
HyperLynx是MENTOR公司针对原理图仿真验证、信号完好性和电源完好性(PI)剖析、热仿真剖析等问题供给的归纳仿真剖析东西，包含Analog、LineSim、BoardSim和Thermal四个模块。在体系电路规划进程中归纳运用各仿真模块，可认为规划提出归纳性的辅导和反应主张，保证体系在规划阶段就能到达预期要求。
Analog模块为原理图验证供给了数模混合电路仿真的功用，可以对原理图中各点的静态特性、作业波形及频域特性进行仿真核算，还可以经过蒙特卡洛（Mente Carlo）剖析或参数扫描（Parameter Sweep）剖析，测验电路中元器材的参数在必定范围内的改变对输出波形的影响，为电路参数的优化供给参阅。
LineSim和BoardSim首要针对SI剖析和PI剖析，别离用于体系电路规划的Pre-layout（布线前）和Post-layout（布线后）仿真阶段。在PI剖析中，可以得到体系多电源区域的区分战略以及电源退耦和滤波电容的各种参数，为电源规划及噪声剖析等复杂问题供给了辅导。而进行SI剖析时，经过LineSim和BoardSim的交互式运用，可以辅导PCB叠层规划及实践的布局布线，剖析信号的传输特性和串扰，保证体系电路高速的传输特性。此外，BoardSim还可进行多板仿真和接插件仿真，从体系全体视点考虑串扰强度、阻抗连续性、整个信号网络的完好性及EMC等问题。
热仿真模块Thermal则可直接将Layout文件导入到软件中，这样就处理了因为体系建模以及缺少精确的输入参数和边界条件所导致的剖析差错较大的问题[1]。一起，Thermal还可以辨认超越限值的元件和板温度并给出整板的五颜六色温度梯度图，然后剖析经过不同的散热规划关于体系散热功用的改进。
运用HyperLynx的各仿真模块可以对整个电路规划进程中呈现的首要问题进行仿真剖析。本文首要介绍运用LineSim、BoardSim和Thermal模块在数字电路规划中进行SI仿真、热仿真和EMC仿真的首要流程及仿真成果。
1.2 归纳仿真流程
电子体系规划最重要的两个要素即体系的功用性和安稳性。数字电路体系不只需有丰厚的规划功用，更重要的是在不同的作业环境下要有安稳的作业状况，这对电路规划提出了严厉的束缚和极高的要求。首要，芯片的主频越来越高，PCB布线密度越来越大，使得信号完好性等高速数字仿真问题显得分外重要；其次，现在在数字电路体系的运用中，体系大多是关闭的并且装置严密，热量的往复很大。以往规划中热仿真剖析未引起满意的注重，导致体系在实践运用中不正常作业乃至溃散，所以杰出的导热、散热规划日渐成为影响体系规划的一个要害性的问题；第三，传统的在PCB规划完结后才干暴露出的体系EMC与电磁辐射（EMI）等问题，将导致整个体系需求进行重复性规划，因而，在电路规划阶段进行EMC与EMI剖析成为进步体系规划功率的一个不容忽视的问题。
针对以上数字电路规划中常见的几个问题，图1给出了运用HyperLynx进行归纳仿真的流程图。仿真进程一般分以下几个环节：
(1)原理图确认之后，依据体系规划需求及相关的器材材料确认仿真模型和仿真参数，在Pre-layout仿真中经过端接、时序、串扰等仿真确认电路布局布线规矩、模块间的拓扑联系、信号端接战略等。
(2)在完结布局布线后，经过Post-layout仿真生成整板的信号完好性陈述，对PCB进行部分修正，并对要害信号进行阻抗连续性、串扰等仿真。
(3)对体系全体建模（包含装置腔体），设置不同的作业环境条件，完结热仿真，辅导体系的散热规划。
(4)结合运用布景对体系全体进行EMC仿真。
2 规划实例
2.1 体系架构及仿真需求
图2是一个由4片ADSP-TS201和XC5VSX35T（Xilinx-Virtex5系列FPGA）构成的并行信号处理体系的结构框图，用于某多功用雷达的实时信号处理。该体系选用同享总线的紧耦合架构，4个DSP经过高达4 Gb/s数据吞吐量的链路口完结了互相的全互联，可灵敏地支撑同享总线与音讯传递两类首要并行核算模型。一起，与外部其他板卡经过高速链路口及总线互联，具有高速、实时的数据交换与灵敏牢靠的控制才干。该体系要求电路规划有必要满意：
(1)体系主频能安稳运转于480 MHz（芯片最高主频500 MHz)，为了保证各处理器同步，4片DSP及FPGA的作业时钟有必要同频同相。
(2)体系外频，即同享总线能安稳运转于80 MHz，然后使得每个DSP可经过同享总线以相同速度拜访其他3个DSP及同享存储器(SDRAM和Flash)。
(3)体系主频480 MHz的条件下，链路口能以最高功用全速运转，即双向吞吐量960 MB/通道；
(4)热束缚详见本文热仿真部分。
下面将经过该实例来介绍怎么运用HyperLynx各仿真模块，以保证体系规划可以满意如上需求。表1给出了仿真中用到的仿真模型参数及部分束缚条件，除特别阐明外，参数设置参照表1。
2.2 SI仿真
2.2.1 Pre-layout仿真
(1)依据规划需求，确认总线拓扑结构及PCB叠层。
现在，多片处理器互联常用的总线拓扑首要有菊花链和星型两种拓扑结构。在菊花链结构下，接纳端DSP接纳波形不只传输推迟不同，并且接近驱动端的DSP波形遭到严峻的反射影响。更重要的是，菊花链结构只适用于总线上仅有一个Master的景象，无法满意规划需求中DSP0-DSP3中任何一个都可为驱动方(即总线Master)的需求，因而本规划中挑选星型结构的总线拓扑。在拓扑结构确认后，归纳考虑布线束缚、布线空间、制作工艺、PCB厚度等方面的要素，就可以开始确认层数、层厚、介质厚度与介电常数、叠层分配等，调整适宜的特征阻抗和传输速率，然后确认PCB的叠层规划。
(2)经过端接战略和时序仿真，确认要害信号的端接办法和布线规矩。
为了保证信号完好性，从理论上讲，星型拓扑结构的每个分支都应进行AC端接，但是每个分支进行端接的计划在实践中存在两个问题：(1)端接元件数目巨大，布局布线难以完结；(2)负载添加，在DSP驱动才干必定的景象下，信号上升时间过长而无法满意要求。因而实践规划中，应该结合器材的时序需求，合理安排端接，保证信号完好性满意需求。
图3是TS201驱动强度装备为-5级、一切分支无端接时总线信号接纳端的仿真成果。图3中，Testload标明TS201数据手册中时序参数测验时的规范负载对应的接纳波形，其他则为实践拓扑结构和传输特性下几个DSP和SDRAM的接纳波形。由图3可见，与规范负载下的接纳信号比较，实践负载条件下的接纳信号波形虽然有严峻过冲，但TS201引脚内部的钳位电路使之可兼容3.3 V信号，因而引起的过冲效应可以疏忽，只需再剖析信号的时序裕量即可。
DSP处理器总线操作时序裕量的典型界说为：
(3)经过串扰仿真，确认合理的布线间隔等参数。
在DSP、FPGA芯片和星型拓扑布线通道等区域布线密度很大，不同信号线间简单发生串扰。特别是总线类型的信号线，为了坚持等长，一般选用1簇平行线，有必要对线间隔以及平行线最大长度等进行必要的束缚。以DSP相邻的两数据线为例，若设线间隔5 mil(1 mil=0.025 4 mm)、线宽7 mil、耦合长度1.5英寸(1英寸=2.54 cm)，则搅扰源端对接纳端发生的串扰信号起伏最大为243 mV，超越了150 mV串扰阈值要求。依据高速数字信号传输的相关理论，可采纳加大线间隔、减小平行走线（即耦合长度）等办法削减串扰影响，相关参数调整后的串扰信号显着下降。
2.2.2 Post-layout仿真
依据Pre-layout仿真得到的布线束缚，完结PCB的布局布线。因为布局布线的密度很大，尤其是在星型拓扑的中心方位和BGA内部，并且高速信号也多会集在此区域，因而凭借BoardSim的整板交互式仿真东西，设置相应的参数如串扰阈值、时延最大差错、阻抗最大差错等，可以得到整板的端接、时序、串扰、阻抗等信号完好性陈述。
2.3 体系热仿真
热经过传导、对流、辐射三种办法传递[5]，热仿真首要从这三个方面别离考虑，辅导散热规划。依据规划要求，在Thermal中导入PCB文件，设置热仿真模型参数如表3所示。
一般条件下，处理器的散热可经过在其顶部加装散射片来处理。从图4可以看出，在体系非密闭的情况下，在DSP和FPGA上加装散热片(散热片的参数设置见文献[6])可以有效地下降体系温度。但是，许多运用中的多处理器体系往往处于密闭腔体中，热往复很大，依托散热片扩展散热面积的办法难以得到很好的作用。为了改进密闭环境下的散热作用，一般可选用：(1)PCB平面层散热；(2)PCB敷裸铜并使之与金属腔体严密相连，使用金属腔体散热；(3)专用的导热管等。这些办法的散热作用可经过在Thermal中设置恰当的边界条件来进行仿真。在本体系的散热规划中，经过(1)和(2)两种办法来增强散热作用。依据实践结构规划，PCB三条边与金属壳体相连，从图5的仿真成果可知，体系散热得到了很好的处理，温度控制在一切芯片的正常作业范围内。体系的最高温度呈现在FPGA处，为了进一步改进散热作用，可在FPGA顶部规划导热管与腔体相连。
2.4 PCB板EMC仿真
前面说到BoardSim的多板仿真可为EMC问题供给辅导，在PCB以及体系规划时充分考虑叠层设置、屏蔽办法、接地规划等问题。一般，在数字体系中，时钟信号是最大的辐射源，以体系与其他体系板间互联的80 MHz时钟线为例，在BoardSim中主动查看该网络的辐射，在测验间隔为3 m时，80 MHz时钟信号在各个频点辐射都没有超越FCC、CISPR-Class AB[7]的辐射规范。
本文针对数字电路体系规划中存在的信号完好性、散热、EMC等问题，经过雷达信号处理机的规划实例，介绍了HyperLynx仿真东西中各个模块的特色、功用及运用办法，为体系的散热计划、总线拓扑结构及端接战略等供给了辅导性的主张，猜测并消除了很多或许存在的问题，为数字体系电路规划与仿真供给了重要参阅。实践标明，归纳运用HyperLynx仿真东西中的各个模块进行数字电路体系规划，可以使PCB规划进程愈加完好、精确，并显着改进体系电路功用，进步规划的成功率。
