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  • 差分信号线定义及布线
  • 差分信号线的定义和优点
  • 介绍了差分信号定义、分类、实现方式,很全面,很强大,希望对大家有用
  • FPGA中差分信号定义和使用(一)

    千次阅读 2015-01-16 23:26:00
    做数字电路设计的朋友对差分信号定义应该都不会太陌生,在当前比较流行的高速串行总线上,基本都是使用的差分信号。比如USB,PCIE,SATA等等。大多数的FPGA也都支持差分信号,甚至某些新型号的CPLD也开始支持差分...

    做数字电路设计的朋友对差分信号的定义应该都不会太陌生,在当前比较流行的高速串行总线上,基本都是使用的差分信号。比如USB,PCIE,SATA等等。大多数的FPGA也都支持差分信号,甚至某些新型号的CPLD也开始支持差分信号了。

    那么在FPGA中如何正确定义和使用差分信号呢?在这篇文章里,我们基于ALTERA公司的CYCLONE III系列的FPGA芯片,做一些讨论。

    一,差分信号输出

    我们先在设计中定义一个名字为DIF_OUT的输出信号。并将UART_CLK时钟赋给它(UART_CLK为串口时钟,大概为115.2kHz)。(该实验是在一个FPGA的项目上添加部分差分信号的设计来做的,会引用到原设计里的一些信号,但在介绍中,只会给出与差分信号实验相关的部分)如下面所示:

    module FPGA_TOP

    ……

    DIF_OUT

    ……
    );

    ……

    output DIF_OUT

    ……

    assign DIF_OUT = UART_CLK;

    endmodule

    在设计里,DIF_OUT和其他变量的定义和赋值方式是一样的,没有任何的区别。如果需要将DIF_OUT当做差分信号输出的话,就必须在Pin Planner中对其I/O Standard进行定义。如下图所示,我们可以把I/O Standard定义为1.2V的单端输出信号。

    clip_image002

    我们也可以把I/O Standard定义为BUS_LVDS类型的信号,这个时候会出现什么情况呢?从下面的图可以看到,系统会在将DIF_OUT定义为Bus LVDS类型的同时,多添加一个DIF_OUT(n)的信号,并且根据DIF_OUT的location自动选定DIF_OUT(n)的location。在Differential Pair里,会显示这两个信号互为差分信号对,也就是说,这是一组差分信号。

    clip_image004

    那我们看一下这一组差分信号的输出电平。下面是在示波器上抓取的信号波形,可以看到二者的电平是相反的。

    clip_image006

    再看一下两者的电平值,可以看到,电平是0V,高电平是330mV左右。这是正常的差分信号的电平。

    clip_image008

    我们再通过实例讨论一下CYCLONE III中定义差分信号时的注意事项。

    1. 差分信号对必须按照芯片的定义来配置。

    FPGA芯片的管脚定义中,会给出哪两个IO可以当做一对差分信号来使用,如下图中,我们刚才使用了EP3C5E144 BANK3中的IO,DIFFIO_B11p(52)和IO,DIFFIO_B11n(53)来定义DIF_OUT这一对差分信号。

    clip_image010

    如果我们不这样定义呢,比如说定义DIF_OUT到Pin46上,看会出现什么情况。先定义DIF_OUT到Pin46上,I/O Standard暂且选为2.5V,如下图所示:

    clip_image012

    然后我们去看I/O Standard的下拉列表,根本就没有Bus LVDS的选项,也就是说,没有办法把这个信号定义为差分信号。如果我们先定义I/O Standard为Bus LVDS,然后去选择location到PIN_46,这个时候会出现下面的对话框,也就是说,没有办法定义这个pin为差分信号。

    clip_image013

    2. 差分信号所在BANK的IO参考电压(VCCIO)必须设定为2.5V

    我们在BANK3添加DP_DATA[7]的信号,location选为PIN_38,I/O Standard选为3.3-V LVTTL(这就意味着BANK3的IO参考电压为3.3V),然后编译设计。软件会报告如下的错误(截图的原因,只给出Error的前半部分):

    clip_image015

    可以看出,差分信号需要的VCCIO是2.5V。

    实际上软件并不知道在实际的系统上该BANK的VCCIO接的电源是多少,只要不定义该BANK的任一IO的I/O Standard为非2.5V的值,编译的时候都会认为该BANK的VCCIO是2.5V。至于说如果VCCIO接了非2.5V的电源,编译后的程序在FPGA上能不能正常工作就不太好讲了。唯一可以确认的是,我实验的结果是VCCIO接3.3V的话差分信号可以正常工作。

    3. Location上紧邻着某一对差分信号的信号不能作为单端信号使用

    我们把DP_SEL[0]信号的location设定到PIN_51,I/O Standard设定为2.5V,重新编译系统,会看到下面的Error:

    clip_image017

    也就是说,DP_SEL[0]这个单端信号离DIF_OUT这对差分信号太近了,不能这样分配。我们把DP_SEL[0]定义到BANK3中的location PIN_49上,重新综合,可以发现,软件没有报错,在Pin Planner中,也正确定义了这三个信号,如下图所示:

    clip_image019

    如果我们选择DP_SEL[0]的location为PIN_50的话,软件仍然会报上面的错误,也就是说,同BANK中,location离差分信号距离小于等于2的信号不能用作单端信号

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  • 高速信号完整性,差分信号,特性阻抗,瞬态阻抗计算,传输线定义
  • 差分信号只是使用两根信号线传输一路信号,依靠信号间电压差进行判决的电路,既可以是模拟信号,也可以是数字信号。实际的信号都是模拟信号,数字信号只是模拟信号用门限...因此差分信号对于数字和模拟信号都可以定义
  • 差分信号只是使用两根信号线传输一路信号,依靠信号间电压差进行判决的电路,既可以是模拟信号,也可以是数字信号。实际的信号都是模拟信号,数字信号只是模拟信号用门限...因此差分信号对于数字和模拟信号都可以定义
  • 差分信号

    千次阅读 2020-05-08 14:45:35
    两根线上的信号振幅相同,相位相反的信号是差分信号。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。示意图如下图。 ![在这里插入图片描述]...

    定义

    两根线上的信号振幅相同,相位相反的信号是差分信号。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。示意图如下图。(严格意义上来说所有的信号都是差分信号,因为所有电压都是相对于另一个电压而言。一般情况下都是相对于GND的。)
    

    在这里插入图片描述

    意义

    有效抑制共模信号,同时对外加诶的电磁干扰也小。
    

    实现方式

    差分信号线必须是等长、等宽、密切靠近且在同一层面的两根线。(为了保证两路信号的赋值变化相同)。
    可以使用反相器形成两路幅值相同,相位相反的信号。
    

    应用场景

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  • 差分信号线的定义和优点

    千次阅读 2006-12-04 19:21:00
    一个差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上来讲,所有电压信号都是差分的,因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里,系统地被用作电压基准点。当地当作电压测量基准时,这种...
    一个差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上来讲,所有电压信号都是差分的,因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里,系统'地'被用作电压基准点。当'地'当作电压测量基准时,这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。
    

    另一方面,一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要,这两个电压的平均值还是会经常保持一致。我们用一个方法对差分信号做一下比喻,差分信号就好比是跷跷板上的两个人,当一个人被跷上去的时候,另一个人被跷下来了 - 但是他们的平均位置是不变的。继续跷跷板的类推,正值可以表示左边的人比右边的人高,而负值表示右边的人比左边的人高。0 表示两个人都是同一水平

    应用到电学上,这两个跷跷板用一对标识为V+和V-的导线来表示。当V+>V-时,信号定义成正极信号,当V+
    图2 差分对围绕摆动的平均电压设置成 2.5V。当该对的每个信号都限制成 0-5V 振幅时,偏移该差分对会提供一个信号摆动的最大范围。当用单一 5V 电源操作时,经常就会出现这种情况。

    当不采用单端信号而采取差分信号方案时,我们用一对导线来替代单根导线,增加了任何相关接口电路的复杂性。那么差分信号提供了什么样的有形益处,才能证明复杂性和成本的增加是值得的呢?

    差分信号的第一个好处是,因为你在控制'基准'电压,所以能够很容易地识别小信号。在一个地做基准,单端信号方案的系统里,测量信号的精确值依赖系统内'地'的一致性。信号源和信号接收器距离越远,他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与'地'的精确值无关,而在某一范围内。

    差分信号的第二个主要好处是,它对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值,这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外,差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。
    差分信号提供的第三个好处是,在一个单电源系统,能够从容精确地处理'双极'信号。为了处理单端,单电源系统的双极信号,我们必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号,低于虚地的电压来表示负极信号。接下来,必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号,不需要这样一个虚地,这就使我们处理和传播双极信号有一个高*真度,而无须依赖虚地的稳定性。 
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  • 共模信号与差模信号(差分信号

    千次阅读 2020-11-22 17:51:20
    共模信号与差模信号(差分信号) 共模、差模、共模信号、差模信号(即差分信号)、共模干扰、差模干扰,一直分不清,百度了解一番。 共模和差模这两个词可以认为是一种位置概念理解。共模是指1、2与GND的关系,而差...

    共模信号与差模信号(差分信号)

    共模、差模、共模信号、差模信号(即差分信号)、共模干扰、差模干扰,一直分不清,百度了解一番。

    在这里插入图片描述
    共模和差模这两个词可以认为是一种位置概念理解。共模是指1、2与GND的关系,而差模指的是1和2之间的关系。
    形象的说:共模干扰就是两个人同时向前或者同时向后在推你,而差模干扰则是两个人一前一后在拉你。

    在这里插入图片描述

    signal1和signal2对Gnd而言是共模信号

    共模信号和差模信号这两个概念多用于差分电路如(差分放大电路)。

    若1的电压为V1,2的电压为V2,则1和2的共模信号都为 V 1 + V 2 2 \frac {V1+V2} {2} 2V1+V2,1的差模信号为 V 1 − V 2 2 \frac{V1 - V2}{2} 2V1V2 ,2的差模信号为 V 2 − V 1 2 \frac{V2-V1}{2} 2V2V1

    每根信号线兼具共模信号和差模信号两个参数,每个信号的共模信号与差模信号之和为自己,如(V1=1的共模+1的差模)=( V 1 + V 2 2 \frac{V1+V2}{2} 2V1+V2+ V 1 − V 2 2 \frac{V1-V2}{2} 2V1V2 )。

    单独一根信号线没法谈共模差模,两根信号线才会有差模信号共模信号的说法,分别描述了这两根信号线电位与地线电位之差和这两根信号线电位之差。

    共模干扰就是指两条信号线与地之间的干扰信号,差模干扰就是两条信号线间的干扰信号。

    来源一般有两种:
    1、传导干扰主要就是地线电位不稳定带来干扰,地线电位如果发生浮动,那地线与信号线间的电压就会不稳定也就是共模电压不稳定,即产生了共模干扰。若两根线上的共模干扰电压不一致则还会使这两根信号线的差值发生浮动,引起差模干扰。我们常将信号线做成双绞线的原因就是让两根信号线的空间位置相对接近使它俩的共模干扰电压一致从而尽可能的消除了差模干扰,如果我们想得到的是信号线的差值,这样做就会大大减小误差。
    2、空间耦合干扰空间中变化的电磁场在信号线上产生压降带来共模和差模干扰。

    电平信号(亦叫单端信号,TTL电平信号)与差分信号的区别:
    电平信号:只要一根线就可以信号,这种信号容易受干扰,信号只参考GND,1为高电平。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    电平信号与差分信号都是可以传输1和0,但差分会更稳定,更常用。

    平衡信号与非平衡信号的定义

    在音频设备间传输的音频信号,可大致分成两类,平衡信号和非平衡信号。声波转变成电信号后,如果直接传送就是非平衡信号,如果把原始信号反相(相位差为180 度),然后同时传送反相的信号和原始信号,就叫做平衡信号(从单端变成了差分)。

    对于专业音频设备,平衡接口的统一信号电压是,当接口(无论输入还是输出)电平是机器的0VU的时候,端子的电平必须是+4dBu(相当于1.228V)
    0VU是个参考点,电平表一般就分为VU表和ppm表,vu显示信号有效值,体现信号整体响度。ppm显示峰值,体现信号的最大电平。卡座数字电平表应该是混合表。ppm:parts per million,百万分之多少

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空空如也

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差分信号的定义