基于LVDS技术的传输接口设计

文章描述:-2022年3月29日发(作者:阮惟德)2008年第 1 期 声学与电子工程 总第 89 期 基于LVDS技术的传输接口设计 罗乃冬 (第七一五研究所,杭州,) 摘要 介绍了LVDS接口的原理和优点,接口机的硬件组成以及在设计LVDS接口时需注意的事项。 关键词 LVDS;数据传输

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基于LVDS技术的传输接口设计2022年3月29日发(作者:阮惟德)


2008年第 1 期 声学与电子工程 总第 89 期
基于LVDS技术的传输接口设计
罗乃冬
(第七一五研究所,杭州,310012)
摘要 介绍了LVDS接口的原理和优点,接口机的硬件组成以及在设计LVDS接口时需注意的事项。
关键词 LVDS;数据传输;时序
当声呐在海洋中执行任务时,前置预处理机
设备接收到的数据不仅需要送往数字信号处理机
进行实时分析,还经常需要使用数据记录仪将海上
各种复杂的信号数据记录下来以供事后分析研究;
在数据分析时需要将数据记录仪中记录的数据在
声呐设备上回放出来。由于声呐设备记录的数据量
大,在实时记录和回放过程中需要很高的数据吞吐
率,这就要求在前置预处理机、数字信号处理机和
数据记录仪三者之间建立一个高速、可靠、有效的
传输接口。本文的任务即是要设计这样一个数据传
输接口,可以将前置预处理机的多通道模拟信号转
换为数字信号,同时传输给数字信号处理机和数据
记录仪,也可将数据记录仪回放的数据转送数字信
号处理机。
的电流的方向,接收器(一个差分比较器)测量此
电压降的极性,正电压对应逻辑高状态,负电压对
应逻辑低状态。LVDS的小摆幅差分特性,使其成
为一种高速、低噪声、低功耗技术。相对恒定的小
输出电流降低了电源地噪声,由于信号线对中的
电流是紧密耦合的电流环,从而降低EMI。在某
些最新的LVDS接收器中,匹配电阻直接集成在
片内输入端,如本文所使用的TI公司的
S65LVDM1677等。

1 LVDS基础
众所周知,无论是模拟信号还是数字信号传
输,差分信号对共模干扰的抑制能力比单极信号更
强,采用差分传输方式无疑会使传输系统具有更高
的抗干扰能力。本文所采用的LVDS传输接口具
有更多的优点。
LVDS接口又称RS-644总线接口,是20世纪
90年代才出现的一种数据传输和接口技术。LVDS
即低电压差分信号,这种技术的核心是采用极低的
电压摆幅高速差动传输数据,可以实现点对点或一
点对多点的连接,具有高速率、低噪声、低电磁干
扰、低功耗、低成本等特点,其传输介质可以是铜
质的PCB连线,也可以是平衡电缆。目前,LVDS
在各个领域得到了越来越广泛的应用。
一个简单的LVDS传输系统由一个驱动器和
一个接收器通过一段匹配阻抗为100 Ω的导体连
接而成,如图1所示。驱动器的电流源(通常为
3.5 mA)来驱动差分线对,由于接收器的直流输入
阻抗很高,驱动器电流大部分直接流过100 Ω的终
端电阻,从而在接收器输入端产生的信号幅度大约
350 mV 。通过驱动器的开关,改变直接流过电阻


图1 LVDS原理简图
2 硬件组成及功能介绍
如图2所示,数据传输接口的硬件组成主要
包括AD转换器、数据寄存器、CPLD和LVDS驱
动接收器等。模数转换器选用AD公司的16位
ADC,最高采样率200kSPS,将多通道的模拟信
号转换为16位的并行数据存储在数据寄存器中;
CPLD选用Xilinx公司的CoolRunner-II系列,其
主要完成数据在AD转换器、数字信号处理机和数
据记录仪三者之间传输的时序以及传输的方向管
理,产生AD转换的采样时钟、数据寄存器的锁存
输出时钟、数据输出的主时钟和批同步时钟等;
LVDS接口器件使用的是TI公司的
S65LVDM1677,该器件在接收器终端集成了匹
配电阻,更便于电路板PCB的设计,并且集驱动
器与接收器于一身,对于双向传输的电路很方便使
用。
35


罗乃冬:基于LVDS技术的传输接口设计
响,此环节如能处理好,将对接口机的抗干扰能力
等性能有很大的影响。
这里主要介绍一下在进行LVDS接口板的
PCB设计时,应注意的几个问题:(1)至少用4
层PCB板,将LVDS信号、地、电源、TTL信号
分层布局;(2)将陡的CMOSTTL信号与LVDS
信号隔离,最好能布在不同层上,并用电源和地层
隔开;(3)保持发送器和接收器尽可能靠近接插
件,连线长度愈短愈好,以保证板上噪声不会被带
到差分线上,而且避免电路板及电缆线间的交叉电
磁干扰;(4)旁路每个LVDS器件,分布式散装
电容或表贴电容放在尽量靠近电源和地线引脚处;
(5)电源和地线应用宽的布线(低阻抗),并保持
地线PCB回路短而宽;(6)终端负载用100 Ω表
贴电阻靠近接收器输入端来匹配传输线的差分阻
抗,终端电阻到接收器输入端的距离应小于7 mm
(器件内部集成了匹配电阻则无需考虑);(7)空
闲引脚的处置应参照器件的数据手册。
信号接口机向数字信号处理机和数据记录仪
传送的数据格式比较类似,将同时采样的个通
道的数据作为一帧,分时传输。其区别在于与数据
记录仪之间的数据传输是双向的,且工作时需要以
下的几个信号:
A)READY(Record Ready):作为数据传输方
向信号。记录时高,回放时低。
B)DTE#(Data Transfer Enable):低有效,
允许数据传输。只有当DTE为低时,才可以向记
录设备发出写时钟或DTR。
C)DTR(Data Transfer Request):作为回放时
的请求时钟。记录时保持为高,回放时为振荡时钟。
只有在READY信号为低、DTE#有效后才能发出
振荡时钟, RDSTB利用DTR信号的频率。
D)PB_SYC#:用作帧信号,低电平表示一
帧的开始。
E)RD_STB(Read Data Strobe):读时钟,下
降沿数据变化,上升沿主机可以锁存数据。在记录
状态和DTE#无效时保持为高电平。
F)WD_STB(Write Data Strobe):写时钟,下降
沿数据变化,上升沿记录设备锁存数据。在回放状
态和DTE#无效时必须保持为高电平。
数据记录仪记录时的时序图如图3所示,回放
的时序图如图4所示。
4 取得的成效
与旧设备上使用的TTL接口电路相比较,现
用的LVDS接口在噪声抑制和功耗两方面都具有
很大的优越性。
(1)噪声抑制
LVDS:信号±400 mV,噪声容限±1000 mV,
S=2.5。
TTL:信号3000 mV,噪声容限400 mV,
S=0.133。
LVDS信噪比比TTL好18倍。
(2)功耗
对于1位数据来说,LVDS功耗只有3.5 mA
2
×
110 Ω=1.35 mW,而TTL则有十几mW,所以此部
分的功耗降低了10倍左右。
图3 记录时序图
5结束语
在当今的电子设备中,系统越来越复杂,传输
的数据量越来越大,速率越来越快,距离越来越长,
各种数据传输和接口技术应运而生,而LVDS技术
是一种不错的选择。经过与各设备之间连接的多次
试验,本文所设计的信号接口机可以将各方向的数
据稳定、可靠地进行传输,能够满足任务的要求。
参考文献:
[1] S ’Analog Technical Seminar,2004.
[2]宋万杰.CPLD技术及其应用[M]. 西安: 西安电子科技
大学出版社,1999.
[3] 顾海洲,马双武. PCB电磁兼容技术-设计实践[M].北
京: 清华大学出版社, 2004.
图4 回放时序图
3接口板设计注意事项
LVDS技术固然有很多优点,使我们可以比较
从容地进行信号接口的设计,但在设计过程中必须
注意电路板的PCB电磁兼容性设计,印制板布局、
走线是否合理,它们对数据传输可靠性有很大的影
36


2008年第 1 期 声学与电子工程 总第 89 期
基于LVDS技术的传输接口设计
罗乃冬
(第七一五研究所,杭州,310012)
摘要 介绍了LVDS接口的原理和优点,接口机的硬件组成以及在设计LVDS接口时需注意的事项。
关键词 LVDS;数据传输;时序
当声呐在海洋中执行任务时,前置预处理机
设备接收到的数据不仅需要送往数字信号处理机
进行实时分析,还经常需要使用数据记录仪将海上
各种复杂的信号数据记录下来以供事后分析研究;
在数据分析时需要将数据记录仪中记录的数据在
声呐设备上回放出来。由于声呐设备记录的数据量
大,在实时记录和回放过程中需要很高的数据吞吐
率,这就要求在前置预处理机、数字信号处理机和
数据记录仪三者之间建立一个高速、可靠、有效的
传输接口。本文的任务即是要设计这样一个数据传
输接口,可以将前置预处理机的多通道模拟信号转
换为数字信号,同时传输给数字信号处理机和数据
记录仪,也可将数据记录仪回放的数据转送数字信
号处理机。
的电流的方向,接收器(一个差分比较器)测量此
电压降的极性,正电压对应逻辑高状态,负电压对
应逻辑低状态。LVDS的小摆幅差分特性,使其成
为一种高速、低噪声、低功耗技术。相对恒定的小
输出电流降低了电源地噪声,由于信号线对中的
电流是紧密耦合的电流环,从而降低EMI。在某
些最新的LVDS接收器中,匹配电阻直接集成在
片内输入端,如本文所使用的TI公司的
S65LVDM1677等。

1 LVDS基础
众所周知,无论是模拟信号还是数字信号传
输,差分信号对共模干扰的抑制能力比单极信号更
强,采用差分传输方式无疑会使传输系统具有更高
的抗干扰能力。本文所采用的LVDS传输接口具
有更多的优点。
LVDS接口又称RS-644总线接口,是20世纪
90年代才出现的一种数据传输和接口技术。LVDS
即低电压差分信号,这种技术的核心是采用极低的
电压摆幅高速差动传输数据,可以实现点对点或一
点对多点的连接,具有高速率、低噪声、低电磁干
扰、低功耗、低成本等特点,其传输介质可以是铜
质的PCB连线,也可以是平衡电缆。目前,LVDS
在各个领域得到了越来越广泛的应用。
一个简单的LVDS传输系统由一个驱动器和
一个接收器通过一段匹配阻抗为100 Ω的导体连
接而成,如图1所示。驱动器的电流源(通常为
3.5 mA)来驱动差分线对,由于接收器的直流输入
阻抗很高,驱动器电流大部分直接流过100 Ω的终
端电阻,从而在接收器输入端产生的信号幅度大约
350 mV 。通过驱动器的开关,改变直接流过电阻


图1 LVDS原理简图
2 硬件组成及功能介绍
如图2所示,数据传输接口的硬件组成主要
包括AD转换器、数据寄存器、CPLD和LVDS驱
动接收器等。模数转换器选用AD公司的16位
ADC,最高采样率200kSPS,将多通道的模拟信
号转换为16位的并行数据存储在数据寄存器中;
CPLD选用Xilinx公司的CoolRunner-II系列,其
主要完成数据在AD转换器、数字信号处理机和数
据记录仪三者之间传输的时序以及传输的方向管
理,产生AD转换的采样时钟、数据寄存器的锁存
输出时钟、数据输出的主时钟和批同步时钟等;
LVDS接口器件使用的是TI公司的
S65LVDM1677,该器件在接收器终端集成了匹
配电阻,更便于电路板PCB的设计,并且集驱动
器与接收器于一身,对于双向传输的电路很方便使
用。
35


罗乃冬:基于LVDS技术的传输接口设计
响,此环节如能处理好,将对接口机的抗干扰能力
等性能有很大的影响。
这里主要介绍一下在进行LVDS接口板的
PCB设计时,应注意的几个问题:(1)至少用4
层PCB板,将LVDS信号、地、电源、TTL信号
分层布局;(2)将陡的CMOSTTL信号与LVDS
信号隔离,最好能布在不同层上,并用电源和地层
隔开;(3)保持发送器和接收器尽可能靠近接插
件,连线长度愈短愈好,以保证板上噪声不会被带
到差分线上,而且避免电路板及电缆线间的交叉电
磁干扰;(4)旁路每个LVDS器件,分布式散装
电容或表贴电容放在尽量靠近电源和地线引脚处;
(5)电源和地线应用宽的布线(低阻抗),并保持
地线PCB回路短而宽;(6)终端负载用100 Ω表
贴电阻靠近接收器输入端来匹配传输线的差分阻
抗,终端电阻到接收器输入端的距离应小于7 mm
(器件内部集成了匹配电阻则无需考虑);(7)空
闲引脚的处置应参照器件的数据手册。
信号接口机向数字信号处理机和数据记录仪
传送的数据格式比较类似,将同时采样的个通
道的数据作为一帧,分时传输。其区别在于与数据
记录仪之间的数据传输是双向的,且工作时需要以
下的几个信号:
A)READY(Record Ready):作为数据传输方
向信号。记录时高,回放时低。
B)DTE#(Data Transfer Enable):低有效,
允许数据传输。只有当DTE为低时,才可以向记
录设备发出写时钟或DTR。
C)DTR(Data Transfer Request):作为回放时
的请求时钟。记录时保持为高,回放时为振荡时钟。
只有在READY信号为低、DTE#有效后才能发出
振荡时钟, RDSTB利用DTR信号的频率。
D)PB_SYC#:用作帧信号,低电平表示一
帧的开始。
E)RD_STB(Read Data Strobe):读时钟,下
降沿数据变化,上升沿主机可以锁存数据。在记录
状态和DTE#无效时保持为高电平。
F)WD_STB(Write Data Strobe):写时钟,下降
沿数据变化,上升沿记录设备锁存数据。在回放状
态和DTE#无效时必须保持为高电平。
数据记录仪记录时的时序图如图3所示,回放
的时序图如图4所示。
4 取得的成效
与旧设备上使用的TTL接口电路相比较,现
用的LVDS接口在噪声抑制和功耗两方面都具有
很大的优越性。
(1)噪声抑制
LVDS:信号±400 mV,噪声容限±1000 mV,
S=2.5。
TTL:信号3000 mV,噪声容限400 mV,
S=0.133。
LVDS信噪比比TTL好18倍。
(2)功耗
对于1位数据来说,LVDS功耗只有3.5 mA
2
×
110 Ω=1.35 mW,而TTL则有十几mW,所以此部
分的功耗降低了10倍左右。
图3 记录时序图
5结束语
在当今的电子设备中,系统越来越复杂,传输
的数据量越来越大,速率越来越快,距离越来越长,
各种数据传输和接口技术应运而生,而LVDS技术
是一种不错的选择。经过与各设备之间连接的多次
试验,本文所设计的信号接口机可以将各方向的数
据稳定、可靠地进行传输,能够满足任务的要求。
参考文献:
[1] S ’Analog Technical Seminar,2004.
[2]宋万杰.CPLD技术及其应用[M]. 西安: 西安电子科技
大学出版社,1999.
[3] 顾海洲,马双武. PCB电磁兼容技术-设计实践[M].北
京: 清华大学出版社, 2004.
图4 回放时序图
3接口板设计注意事项
LVDS技术固然有很多优点,使我们可以比较
从容地进行信号接口的设计,但在设计过程中必须
注意电路板的PCB电磁兼容性设计,印制板布局、
走线是否合理,它们对数据传输可靠性有很大的影
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基于LVDS技术的传输接口设计

发布时间:2022-03-29 21:41:12
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评论列表 (有 10 条评论,364人围观)
并保持地线PCB回路短而宽;(6)终端负载用100 Ω表贴电阻靠近接收器输入端来匹配传输线的差分阻抗
无花无酒锄作田V铁粉12 minutes ago Google Chrome 93.0.4577.82 Windows 10 x64
应注意的几个问题:(1)至少用4层PCB板
怀孕初期食谱V铁粉4 minutes ago Google Chrome 93.0.4577.82 Windows 10 x64
系统越来越复杂
mlf操作什么意思V铁粉13 minutes ago Google Chrome 93.0.4577.82 Windows 10 x64
可以实现点对点或一点对多点的连接
烤串V铁粉3 minutes ago Google Chrome 93.0.4577.82 Windows 10 x64
数据记录仪记录时的时序图如图3所示
pp助手备份V铁粉8 minutes ago Google Chrome 93.0.4577.82 Windows 10 x64
数据输出的主时钟和批同步时钟等;LVDS接口器件使用的是TI公司的S65LVDM1677
青果炖猪肚V铁粉1 minute ago Google Chrome 93.0.4577.82 Windows 10 x64
本文所采用的LVDS传输接口具有更多的优点
五香粉V铁粉15 minutes ago Google Chrome 93.0.4577.82 Windows 10 x64
可以将前置预处理机的多通道模拟信号转换为数字信号
廊坊租房网V铁粉2 minutes ago Google Chrome 93.0.4577.82 Windows 10 x64
信号接口机向数字信号处理机和数据记录仪传送的数据格式比较类似

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