《信 号 完 整 性》实验报告

实验工程图：

2.1阻抗突变处的反射：

一、 实验目的

本实验旨在研究信号在遇到传输线阻抗突变时产生的反射现象。通过设置不同阻抗的传输线，模拟和分析信号反射系数的变化，观察反射对信号波形的影响。实验的核心目标是理解阻抗突变如何影响信号传播，计算反射系数，并评估不同阻抗匹配条件下反射波的幅度变化，以便为优化信号完整性和减少干扰提供实验依据。

二、 实验原理

在信号传输系统中，当信号沿传输线传播时，其信号的特性受到传输线阻抗的影响。信号会与传输线的瞬时阻抗相互作用，特别是当传输线的阻抗发生突变时，反射现象就会发生。这一现象是由于信号遇到阻抗不匹配区域时，部分信号被反射回原传播方向，而另一部分信号继续沿着新的传输路径前进，但信号的幅度会发生变化。在本实验中，我们关注的反射现象发生在传输线与另一个具有不同特性阻抗的传输线相连接处。具体来说，当信号从特性阻抗为 Z_1 的传输线进入特性阻抗为 Z_2 的另一区域时，信号的部分能量会被反射回源端，而其余部分将继续传播。总之，本实验旨在通过设置不同的传输线阻抗值，模拟和观察信号在遇到阻抗突变时的反射现象，分析反射系数对信号质量的影响，并探讨如何通过合理的设计减少反射引起的干扰。

三、 实验步骤

创建名为1_Reflection_basic的原理图，按照参数要求绘制模型并设置瞬态仿真步长与时间，最后仿真后在dds中绘制图表

四、 实验数据与结果

五、 数据处理与分析

分析输入和输出波形可以看到，信号受到的瞬时阻抗发生改变，就会有一些反射信号，信号也会产生失真。这里反射电压造成的边沿变化在0.2-0.3V左右，符合计算预期

六、 结论

具体而言，实验中设置的不同阻抗值成功模拟了阻抗不匹配的情况，并观察到了明显的反射现象。通过测量反射电压幅度，可以确认反射信号与入射信号之间的关系符合反射系数的理论计算。边沿的变化也进一步证实了阻抗突变对信号波形的影响。总体而言，本实验有效验证了信号在遇到阻抗突变时的反射特性，并提供了反射系数对信号失真的定量描述。

2.2驱动器内阻计算

实验目的

本实验旨在通过测量不同负载条件下的输出电压，计算并验证驱动器的内阻值。具体目标包括：

1. 测量开路输出电压和端接电压： 通过改变输出端的负载电阻，测量驱动器的开路输出电压和接负载电阻后的电压
2. 计算驱动器内阻： 使用测得的电压值，通过公式计算驱动器的内阻，并验证实验结果与理论值的一致性。
3. 理解驱动器内阻对信号传输的影响： 分析驱动器内阻对信号传输过程中的电压衰减和反射波的影响，进一步了解驱动器的输出阻抗在信号完整性中的重要作用。
4. 验证内阻计算方法： 通过实验测量和理论计算，验证基于负载电压和开路电压的驱动器内阻计算公式的准确性。

通过实验，能够帮助更好地理解驱动器内阻对信号传输质量的影响，并为设计低反射、信号完整性更高的电路提供参考。

实验原理

在信号传输系统中，驱动器的内阻对信号传输的质量有着重要的影响。通常，驱动器可以通过理想电压源和内阻的串联等效模型来表示。在实际应用中，驱动器的内阻值与信号的初始电压、反射波以及信号的失真密切相关。驱动器的内阻会导致在信号传输过程中，信号受到衰减和反射的影响，尤其是在信号进入传输线的初始阶段。

本实验通过测量驱动器的开路输出电压和端接电阻上的电压，来计算驱动器的内阻。具体方法是：在不同的负载条件下，记录驱动器输出端的电压值，通过以下公式计算驱动器的内阻：

通过在端接不同的电阻值（如 10kΩ 和 10Ω）时，测量输出电压，并应用上述公式计算驱动器的内阻。

此外，还可以通过仿真工具（如 SPICE 或 IBIS 模型）提取驱动器的内阻信息，或者通过改变负载电阻直至负载电压等于开路电压的一半时，直接测量驱动器的内阻。

实验步骤

根据实验文档，设置脉冲激励参数，并绘制模型，然后设置瞬态仿真，在dds中绘制图表

实验数据与结果

数据处理与分析

测得的开路电压约为 3.3V,10Ω电阻两端约为 1.9V,[(3.3/1.9)-1]*10=7.3 与驱动器内阻公式一致。

结论

通过本实验，我们成功测量了驱动器在不同负载条件下的输出电压，并使用驱动器内阻计算公式进行验证。实验中，开路电压测得为约 3.3V，而在端接 10Ω 电阻时，电压测得约为 1.9V。根据测得的电压值，应用驱动器内阻公式计算得出的驱动器内阻值与预期结果一致，验证了公式的正确性。这些结果表明，驱动器的内阻对信号传输的初始电压和反射波有显著影响。在实际应用中，驱动器内阻的正确计算有助于优化信号完整性，减少反射和信号失真。此外，实验进一步证明了通过测量开路电压和端接电阻电压的关系，可以准确估算驱动器的内阻。

2.3振铃的产生

实验目的

本实验旨在研究信号在传输线中由于驱动源内阻与传输线阻抗不匹配而产生的振铃现象。具体目标包括：

1. 观察振铃现象的产生： 通过设置驱动源内阻和传输线阻抗不匹配的条件，观察信号在传输线远端产生的负反射和振铃现象。
2. 分析多次反射的影响： 通过反弹图或网格图分析信号在传输线中的多次反射，探讨反射波与原信号的叠加对远端电压波形的影响。
3. 理解传输线的共振效应： 研究传输线结构的电感和电容如何导致信号在远端产生高于源电压的电压，尤其是在谐振条件下。
4. 探讨振铃对信号质量的影响： 通过实验验证负反射和振铃现象对信号质量的影响，了解振铃现象的形成机制，并为优化信号传输系统设计提供依据。

通过本实验，能够更深入理解信号传输中的反射现象及其对电压波形的影响，为提高信号完整性并减少反射带来的干扰提供有益的参考。

实验原理

振铃现象通常发生在驱动源的内阻与传输线的阻抗不匹配时。当内阻小于传输线的阻抗时，会出现负反射，这种反射引发信号在传输线远端的电压波动，最终形成振铃现象。振铃现象是由于多次反射和传输线的分布电感和电容产生谐振效应。具体来说，当信号进入传输线时，电压与传输线的阻抗和内阻共同决定了信号的入射电压。若传输线的远端开路，信号到达后会产生反射波，这些反射波会与原信号叠加，导致远端的电压在初期时大于源电压，随着多次反射的进行，电压波动会逐渐减小，但最终会趋向源电压。

实验中，通过模拟驱动源内阻与传输线特性阻抗不匹配的情况，可以观察到因负反射引起的振铃现象。通过分析反射波和信号的叠加，我们可以使用反弹图或网格图来追踪多次反射的电压变化，并预测远端电压的时域波形。实验结果表明，在没有阻尼的情况下，远端的电压波形最终会趋向源电压，而振铃现象将逐渐减弱，但有时远端电压在某些时刻会超过源电压。

实验步骤

根据文档设置阶跃激励，并绘制模型和设置瞬态仿真的参数，最后在dds中绘制图表

实验数据与结果

数据处理与分析

内阻小于传输线的特性阻抗，源端出现的是负反射，这将引起通常所说的振铃现象。给出了信号上升边远小于传输线的时延时，传输线远端的电压波形。这是考虑了所有的多次反射和阻抗突变的情况下，仿真器预估出的远端波形。 远端的电压最终逼近源电压 1 V,因为该电路是开路的，所以这是必然的结果，即源电压最终是加在开路端的。 第二，开路处的实际电压有时大于源电压。源电压仅为 1 V,然而远端测得的最大电压是1.68 V。高出的电压是怎么产生的？它是传输线结构共振的一个特征。

结论

本实验通过仿真分析了驱动源内阻与传输线特性阻抗不匹配引起的振铃现象。实验结果表明，当内阻小于传输线的特性阻抗时，反射波会引发负反射，导致远端电压出现振铃现象。通过观察仿真波形，我们发现远端电压最终趋向源电压 1V，这符合开路条件下的必然结果。与此同时，实验也显示，尽管源电压仅为 1V，但远端测得的最大电压达到 1.68V，这种超出源电压的电压是由于传输线结构的共振效应造成的。

这些结果表明，在传输线的阻抗突变处，尤其是开路时，反射和多次反射的叠加可以导致电压波形的极大波动，即振铃现象。此现象不仅使远端电压在初期高于源电压，还可能影响信号的稳定性和完整性。通过仿真分析，进一步验证了反射、阻抗不匹配以及传输线的共振效应对信号传输过程的影响，为进一步优化信号完整性和减少反射引起的干扰提供了理论依据和实验数据支持。

2.4 反射波形仿真

实验目的

1. 分析上升沿时间对远端信号波形的影响：通过仿真不同上升沿时间（0.1ns, 0.5ns, 1.5ns），观察信号在传输线远端的反射波形变化，研究上升沿时间对反射现象的影响。
2. 研究驱动器内阻对远端信号波形的影响：通过仿真驱动器内阻为 10Ω、50Ω、100Ω 的不同情况，观察不同内阻对远端信号波形的影响，尤其是反射波的幅度和相位变化。
3. 分析传输线阻抗对远端信号波形的影响：通过仿真传输线阻抗为 20Ω、50Ω、100Ω 的不同情况，观察传输线阻抗对信号传播和反射波形的影响。
4. 探索不同端接阻抗下的反射波形变化：研究端接阻抗变化时，信号波形如何发生变化，并通过仿真工具分析其反射特性。

通过本实验，能够深入理解信号传播过程中的反射现象，进一步掌握如何根据不同的传输条件优化信号完整性，减少反射带来的影响。

实验原理

本实验旨在使用仿真工具分析信号在传输线上的反射波形。信号沿传输线传播时，遇到阻抗不匹配时会发生反射，反射波的特性取决于多个因素，包括信号的上升沿时间、驱动器的内阻、传输线的特性阻抗以及端接阻抗。反射系数是决定反射信号强度和相位的关键参数，它可以通过传输线的特性阻抗与负载阻抗的关系计算得到。

在实验中，使用仿真工具（如 SPICE）模拟信号的传播过程。信号在传输线传播时遇到不同的阻抗突变会产生反射波，仿真结果能够展示反射波与入射波的叠加情况。通过改变信号的上升沿时间、驱动器内阻、传输线阻抗和负载端接阻抗，可以观察到不同条件下远端信号波形的变化。具体来说：

• 信号上升沿时间：上升沿越快，信号的频率成分越丰富，可能引发更强的反射。
• 驱动器内阻：驱动源的内阻直接影响反射系数，内阻较小时，反射信号更强。
• 传输线阻抗：传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时，会产生不同的反射系数。

实验步骤

根据文档要求，设置瞬态仿真参数，绘制模型。并先后根据要研究的几个对象对远端波形的影响，分别修改模型中对象参数并仿真后再dds中绘制图表

不同上升沿时间：

不同源内阻：

不同传输线阻抗：

实验数据与结果

不同上升沿时间：

不同源内阻：

不同传输线阻抗：

数据处理与分析

仿真给出了三种不同情况下的远端电压的变化，并且通过这些波形的变化和数据我们可以方便地计算给出反射电压如何随着入射电压而改变 。任意阻抗、任意波形对应的反射系数和反射波形 都可以通过仿真给出

结论

本实验通过仿真分析了不同条件下反射波形的变化。实验结果表明，通过改变信号的上升沿时间、驱动器的内阻、传输线的特性阻抗以及端接阻抗，可以观察到远端电压波形的显著变化。

1. 上升沿时间：随着上升沿时间的增大，信号的频率成分变得更加平滑，反射波的幅度和波形变化变得更加平缓。这表明较快的上升沿会导致更多的高频成分，进而产生更明显的反射现象。
2. 驱动器内阻：不同的驱动器内阻导致反射系数的变化，进一步影响反射电压的幅度。较小的内阻值导致更强的负反射，表现为较大幅度的反射波。相反，较大的内阻值则减少了反射波的强度。
3. 传输线阻抗：不同的传输线特性阻抗对反射波形有明显影响。当传输线的阻抗与负载阻抗匹配时，反射波的幅度较小，反之则会导致较大的反射波形。通过仿真可以清楚地看到，阻抗不匹配时反射波的幅度增大，造成信号波形的失真。

2.5 用 TDR 测量反射

实验目的

本实验的目的是通过使用时域反射计（TDR）测量传输线路中的反射波形，分析不同阻抗突变对信号传播的影响。通过观察不同的上升沿时间、驱动器内阻、传输线特性阻抗等因素如何影响远端信号波形的变化，计算传输线的阻抗，进一步了解信号反射、阻抗匹配以及反射系数的影响，为传输线设计与优化提供理论支持。

实验原理

1. 时域反射计（TDR）原理： 时域反射计（TDR）是通过向传输线路发送一个快速上升沿信号，测量反射信号的时域波形，进而分析线路中的阻抗变化。TDR内置一个快速阶跃信号发生器和高速采样示波器，通过监测反射波的幅度和时延，能够定位到阻抗突变的位置，计算出反射系数，从而推算出传输线的特性阻抗。
2. 反射与阻抗匹配： 当信号沿传输线传播时，若线路的阻抗与信号源阻抗不匹配，便会发生反射。反射信号的幅度取决于源阻抗与传输线特性阻抗的差异，反射系数（Γ\Gamma）可以通过公式

• 计算

1. TDR 测量与计算： TDR 通过监测反射信号的变化，能够反映出传输线中的阻抗突变。利用反射信号的幅度和传输电压，可以根据反射公式计算出传输线的特性阻抗

实验步骤

根据文档要求，绘制模型并设置端口名称、设置瞬态仿真等。最后仿真后再dds中绘制图表

重新绘制新的原理图，这里需要添加 Equation 后再进行绘制dds

实验数据与结果

数据处理与分析

通过信号的时域反射波形，可以测量到链路中阻抗突变处的电压变化。第一步，可观察到远端不同阻抗时，由反射带

来的传输线入射信号电压的不同变化。第二步，由自己设置的环境公式，可由对应时延处测量到传输线阻抗

结论

通过本实验的测量和分析，得出以下结论：

1. 反射波形分析： 使用时域反射计进行反射波形测量时，可以直观地观察到反射波形的变化。不同的信号上升沿、驱动器内阻和传输线特性阻抗会显著影响远端信号的波形。具体表现为，信号上升沿时间较短时，产生的反射波形更加剧烈，反射信号的幅度较大；而较长的上升沿时间则能减少反射波的幅度。
2. 阻抗匹配与反射： 通过TDR测量，能够准确地评估传输线的阻抗。实验表明，若传输线的阻抗与源阻抗不匹配，会导致反射波的产生。根据测得的反射信号，可以计算出传输线的特性阻抗。通过调整源内阻和传输线阻抗的匹配，可以有效减少反射波，优化信号完整性。
3. 传输线阻抗计算： 根据TDR测得的反射信号，采用反射系数公式，可以计算出传输线的阻抗。实验结果与理论值吻合，验证了TDR作为一种有效的测量工具，能够准确地检测到传输线中的阻抗突变，并计算出相应的传输线阻抗。

综上所述，时域反射计在传输线的阻抗测量中具有重要应用，能够为信号完整性分析提供精确的测试数据。通过合理的阻抗匹配，可以有效减少信号反射和失真，优化电路性能。

2.6 端接位置对信号波形的影响

实验目的

本实验的目的是通过仿真分析不同传输线长度对信号波形的影响，特别是在没有终端端接的情况下，探讨反射波（振铃）对输出信号的影响。通过观察传输线时延与信号上升沿的关系，研究何时需要终端端接以避免因振铃噪声引发的信号完整性问题。

实验原理

1. 传输线反射与振铃现象： 当信号在传输线中传播时，若传输线的阻抗没有与源端阻抗匹配，信号会在传输线的远端发生反射，产生振铃现象。这种反射波会影响信号波形，特别是当传输线的长度较长时，多次反射会导致信号失真，从而影响系统的正常工作。
2. 传输线时延与信号上升沿的关系： 传输线的时延是信号传播所需的时间，通常由传输线的长度和传播速度决定。若传输线的时延大于信号上升沿的时间，反射波将无法被上升沿掩盖，可能会影响信号质量。根据经验法则，当传输线的时延大于信号上升沿的20%时，反射波对信号的影响将变得明显，必须采取终端端接来减少振铃噪声。
3. 端接与信号完整性： 端接是解决反射问题的有效方法，终端电阻的选择要与传输线特性阻抗匹配。若信号传播过程中没有适当的终端端接，反射波将继续传播并在源端与入射波叠加，导致振铃现象。在传输线长度较长时，端接非常重要，能够有效地减少反射波的影响，提高信号完整性。
4. 经验法则： 实验中提出了一个经验法则：当信号上升沿时间1 ns时，无终端端接的传输线最大长度约为 1 英寸；若上升沿时间为 0.1 ns，则最大长度为 0.1 英寸。这个法则有助于判断何时需要终端端接，以避免因传输线长度过长导致的振铃噪声。

实验步骤

根据文档要求，绘制模型，调整传输线的电长度，同时设置了瞬态仿真，并在dds中绘制

实验数据与结果

数据处理与分析

从输出波形中可以看出，传输线电长度改变、时延改变对振铃现象的影响。当电长度过长时会导致显著的振铃噪声

结论

1. 传输线长度与振铃现象： 仿真结果表明，当传输线的时延大于信号上升沿的20%时，反射波会导致显著的振铃现象，影响信号波形的完整性。如果传输线的时延小于上升沿时间的20%，反射波将被信号的上升沿掩盖，不会对信号质量产生显著影响。
2. 终端端接的重要性： 在实验中，我们发现当传输线长度过长时，反射波的叠加会导致信号严重失真。此时，采用适当的终端端接可以有效地消除反射波，减少振铃噪声，从而保证信号的完整性。对于当前的高速信号传输，终端端接是确保信号质量的必要措施。
3. 经验法则的验证： 实验验证了经验法则的准确性。根据上升沿时间和传输线时延的关系，能够准确估算出需要端接的传输线长度。对于高速信号（如上升沿时间为 0.1 ns），无终端端接的最大传输线长度约为 0.1 英寸，超过此长度则需采用终端端接策略。

综上所述，本实验表明，传输线的长度、时延以及信号上升沿时间对反射波和振铃现象有显著影响。在设计高速信号传输系统时，必须考虑传输线的端接策略，确保信号完整性，避免反射噪声对电路功能的影响。

2.7 源端串联端接，不同传输线长度时传输线源端波形

实验目的

本实验的目的是通过仿真分析源端串联端接在不同传输线长度下的效果，探讨源端串联电阻如何减少反射引起的振铃现象。通过观察源端电压波形的变化，研究源端串联端接对信号质量的改善作用，尤其是在不同传输线长度的情况下。

实验原理

1. 振铃与反射现象： 振铃现象是由源端和远端阻抗不匹配引起的反射波相互叠加产生的。具体来说，当传输线两端存在阻抗突变时，信号会发生反射，并在信号的上升或下降沿形成振铃波形，影响信号的完整性。
2. 源端串联端接的原理： 为了减少反射，可以在源端串联一个电阻器，该电阻器的阻值应该与传输线的特性阻抗匹配。源端串联端接的作用是通过消除源端的阻抗突变，避免反射的发生。这样，信号传输到传输线时，会经历一个由源端电阻和传输线特性阻抗共同决定的分压作用，减少信号的振铃。特别是在远端开路时，反射信号会经过往返时间后与原信号叠加，从而在源端产生一定的台阶状波形。
3. 源端电压变化： 当传输线长度增加时，源端的电压波形会受到传输线时延的影响。传输线的时延与信号传播的距离有关，因此，较长的传输线会导致信号的反射波返回源端的时间延迟，从而在源端产生一个逐渐上升的台阶形状（称为台阶架形状）。此时，信号波形的上升时间会被延长，直到反射波与原信号叠加后，达到完整的电压摆幅。
4. 信号波形的特性： 在源端串联端接的情况下，源端的初始电压大约是传输线电压的一半，经过等待反射波的返回后，源端电压会逐渐达到完整的电压幅度。源端的电压变化呈现出一个台阶形态，这种台阶形态的持续时间与传输线的长度成正比。

实验步骤

根据文档要求绘制模型并仿真，在dds中绘制图表

实验数据与结果

数据处理与分析

可以看到传输线长度增加时源端信号的台阶架形状产生

结论

1. 源端串联端接的作用： 源端串联端接有效地消除了源端的阻抗突变，减少了信号反射，避免了反射波与原信号叠加产生振铃现象。这使得信号的波形变得更加平滑，改善了信号质量，避免了因反射引发的信号完整性问题。
2. 传输线长度对源端波形的影响： 随着传输线长度的增加，源端的电压波形呈现出较长时间的台阶状波动，这是由于信号反射波到达源端所需的时间延迟。传输线长度越长，反射波的往返时间越长，源端电压的上升时间也随之增加。
3. 信号完整性与端接匹配： 在使用源端串联电阻器进行端接时，只要源端附近没有其他接收器接收信号波形，台阶架形状不会对系统产生影响。然而，当其他器件接入源端附近时，台阶波形可能会对系统功能产生影响。因此，在这种情况下，需要进一步考虑其他端接方案和拓扑结构。
4. 端接方案的重要性： 对于当前高速信号传输系统，源端串联端接是一种常见且有效的端接方法，可以显著减少反射引起的振铃噪声，提高信号质量。然而，对于长距离传输和高频信号，可能需要更精细的端接策略以确保信号的完整性。

2.8 短串联传输线的反射

实验目的

本实验的目的是分析和研究在传输线中存在阻抗突变时，反射信号和传输信号的变化。通过仿真三段不同阻抗值（50Ω、25Ω、75Ω）的短传输线串接，以及不同长度的阻抗突变段对信号完整性和反射的影响，了解在电路板设计中如何控制阻抗突变，以减少信号反射对信号质量的负面影响。

实验原理

1. 阻抗突变与反射： 在实际电路板设计中，传输线的阻抗常因过孔或元件密集区域的布线变化而发生突变。阻抗的突变引起反射，这会导致信号的波形变化，特别是在信号的上升沿附近。当传输线的阻抗发生突变时，反射系数取决于突变前后的阻抗差异，反射信号会影响传输信号的质量，产生振荡和噪声。
2. 反射系数计算： 反射系数 Γ与阻抗变化量成正比。假设一段传输线的阻抗从Z1变为Z2，则反射系数为：

• 反射信号和传输信号会在突变处发生相互干扰，具体影响与阻抗突变的大小及突变段的长度有关。

1. 时延与突变长度的关系： 影响突变段信号完整性的因素包括突变段的时延、阻抗差异及信号的上升时间。如果突变段的时延小于信号的上升时间的 20%，则反射对信号质量的影响可以忽略。反之，如果突变段的时延较大，反射可能会对信号产生较大的干扰，导致信号完整性问题。
2. 经验法则：
   • 突变段的最大允许长度与信号的上升时间密切相关。通常，突变段的最大长度应该小于信号上升时间的 20%。
   • 经验公式为：

实验步骤

根据文档要求绘制模型，设置瞬态仿真并绘图

实验数据与结果

数据处理与分析

从输出波形中可以看出阻抗突变的影响，较大的阻抗变化会导致更多的反射量并导致波形的失真

结论

1. 阻抗突变的影响： 通过仿真不同阻抗突变（例如从 50Ω 到 25Ω 或 75Ω）时，发现反射信号和传输信号的变化取决于突变处的阻抗差异。较大的阻抗变化导致更显著的反射信号，从而影响传输信号的波形。
2. 突变段长度对反射的影响： 当突变段较短（时延小于上升时间的 20%）时，反射信号对传输信号的影响较小，信号的完整性得到保持。如果突变段的时延较大，反射对信号质量的影响会变得明显，导致信号失真和波形畸变。
3. 仿真结果的验证： 仿真结果表明，阻抗突变段的长度应控制在信号上升时间的 20% 以内，否则会对信号质量产生较大的影响，尤其是在信号频率较高时，反射引起的干扰更为严重。
4. 设计建议：
   • 在设计电路板时，应避免过度的阻抗突变，特别是在高频信号传输路径中。应尽量使传输线的阻抗保持一致，避免由于过孔或元件区域导致的阻抗突变。
   • 对于短小的阻抗突变段，如果其时延小于信号上升时间的 20%，则可以忽略其对信号的影响。但在其他情况下，需采取措施（如加装端接电阻或优化线路设计）以减小反射对信号完整性的影响。

综上所述，阻抗突变段的长度与信号上升时间的关系对信号完整性有显著影响，在电路设计时应避免较大的阻抗变化，并保持传输线的阻抗均匀，以确保信号的质量和稳定性。

2.9 短桩线传输线的反射

实验目的

本实验的目的是分析短桩线对传输信号和反射信号的影响，特别是桩线长度与信号上升边之间的关系。通过仿真不同桩线长度对反射信号和传输信号的影响，研究桩线在电路设计中的信号完整性问题，并提出如何控制桩线长度以确保信号质量的建议。

实验原理

1. 桩线的定义与影响： 桩线是指在传输线上因信号需要分支而留下的短小并联传输线段。这些短桩线通常在球栅阵列封装或其他集成电路设计中出现。桩线的存在可能导致反射信号的产生，影响信号的质量，甚至在高频应用中产生明显的信号失真。
2. 反射与并联阻抗： 当信号遇到桩线分支点时，传输线的阻抗会发生变化，形成并联阻抗，这会导致负反射。信号的一部分会沿着桩线传播，而另一部分会返回源端，并在桩线和主线之间产生往返振荡，形成反射噪声。这种反射会进一步影响传输信号的质量，尤其是在桩线的末端和分支点处。
3. 时延与信号上升边的关系： 桩线的长度和信号上升边之间的时延关系直接影响反射对信号质量的影响。如果桩线的时延小于信号上升边的 20%，其对信号的影响较小，可以忽略不计。反之，如果桩线的时延较长，信号的上升边无法快速响应，反射对信号质量的影响就会变得显著。
4. 经验法则：
   • 桩线的最大允许长度应小于信号上升边的 20%。具体公式为：

• 例如，当信号上升边为 1 ns 时，桩线的长度不应超过 0.2 ns 的时延，约为 1 in。如果上升边为 0.5 ns，则桩线的长度应小于 0.5 in。

实验步骤

根据文档要求绘制模型，设置瞬态仿真并绘图

实验数据与结果

数据处理与分析

可以看见，短桩线的长度越长，对信号失真的影响越大

结论

1. 桩线对信号质量的影响： 仿真结果表明，短桩线的长度直接影响反射信号的幅度和传播时间。当桩线长度较短且时延小于信号上升边的 20% 时，反射对信号质量的影响较小。若桩线的长度过长或时延过大，反射信号与传输信号的叠加会导致信号失真，严重影响信号完整性。
2. 信号上升边与桩线长度的关系： 通过仿真，我们发现桩线长度应当保持在信号上升边的 20% 以内，以避免产生显著的反射干扰。例如，当上升边为 1 ns 时，桩线长度应不超过 1 in。如果上升边小于 1 ns，桩线长度需要进一步缩短，以保证信号的质量。
3. 仿真验证： 仿真显示，当桩线的长度超过信号上升边的 20% 时，传输线上的反射信号明显增大，信号的上升边变得模糊，产生明显的波形畸变。特别是在高频信号传输中，较长的桩线会显著影响信号的传输质量。
4. 设计建议：
   • 在设计电路时，尽量避免使用过长的桩线，特别是在高频应用中。应通过合理布局和优化设计，减小桩线的长度，确保其时延不超过信号上升边的 20%。
   • 对于一些特殊的封装工艺，如球栅阵列封装，虽然桩线通常较短（一般小于 0.25 in），但在信号上升边较小时（如小于 0.25 ns），这些桩线仍可能引发信号完整性问题，需要重新评估设计或选择其他封装方式。

综上所述，桩线对信号质量的影响与其长度和信号的上升边密切相关。通过控制桩线长度、保持时延小于信号上升边的 20%，可以有效减少反射噪声对信号的影响，确保信号完整性。

2.10 容性终端的反射

实验目的

本实验旨在分析不同容性负载对传输信号和反射信号的影响，尤其是容性终端对信号上升边的滤波作用以及由此产生的时延累加效应。通过仿真不同容值的负载（0 pF, 2 pF, 5 pF, 10 pF），探讨容性负载对信号时序、反射及其对信号质量的影响。

实验原理

1. 容性负载的影响： 传输线末端的容性负载（如接收器的输入电容或封装引线间的寄生电容）会对信号的上升沿产生滤波作用，使得信号的上升边变得缓慢。电容的充电过程类似RC电路中的充电特性。电容的瞬时阻抗随电压的变化而变化，导致反射系数随时间变化。特别是在上升边短且电容较大的情况下，信号的上升边会因电容的充电效应而显著延迟。
2. RC充电电路： 电容器充电时间常数决定了电压的上升速度。10%-90%上升边的时间与此充电时间常数相关，约为

• 当信号的上升边小于电容的充电时间时，信号上升过程将受到显著的影响，可能导致接收端信号的时延增大。

1. 容性负载的影响公式：
   • 10%-90%上升边的时延为
   • ，其中 Z0 是传输线的特性阻抗，C 是负载电容。
   • 当电容较大时，信号上升边会被延迟，进而影响信号的完整性，特别是当信号上升边比电容充电时间长时，容性负载的影响更加显著。

实验步骤

根据文档要求绘制模型，设置瞬态仿真并绘图

实验数据与结果

数据处理与分析

从图表中可以看到随着电容值的增大对上升边额延迟影响是越来越大的

结论

1. 容性负载对信号上升边的影响： 仿真结果表明，随着容性负载（如2 pF、5 pF、10 pF）的增加，信号的上升边会变得更慢，导致上升时间增加。电容值较大的情况下，信号的上升边被延迟的现象更加明显，特别是在信号的初始上升边较短时，这种延迟对信号质量产生的影响较大。
2. 反射信号的影响： 随着电容的增大，反射信号的幅度也随之增大。电容器对信号上升沿的滤波作用使得反射信号在信号的上升和下降过程中产生较大的波动，从而影响接收端的波形。
3. 信号时延的累加效应： 电容负载对信号的时延效应是累加的。当电容较大时，信号的上升边被延迟，增加了时序误差，特别是在高速信号传输中，时延累加可能导致信号不同步，进而影响系统的时序。
4. 设计建议： 为了减小容性负载对信号的影响，应当尽量减小电容的值，特别是在高速信号传输设计中。若电容较大，则需要考虑信号的上升边与容性负载的RC时间常数之间的关系，确保信号的时序不受到显著干扰。对于接收器和电路的设计，应在仿真中考虑这些时延累加效应，以确保信号完整性。

2.11 感性突变的反射

实验目的

本实验旨在分析感性突变对信号传输和反射信号的影响，特别是信号上升边的失真和时延累加效应。通过仿真不同电感值（0, 1 nH, 5 nH, 10 nH）的感性突变对阶跃信号的影响，观察在源端和接收端的波形变化。

实验原理

1. 感性突变的影响： 在实际电路中，感性突变通常由连接器、电感器、过孔等组件引起，这些组件具有串联电感。感性突变会导致反射信号返回源端，并表现为近端信号的上升后下降现象。这种现象被称为非单调性（即信号不是稳定地单调上升）。
2. 电感突变的反射： 当信号上升边通过电感突变时，电感器的阻抗对于信号的上升边起到了显著的作用。如果电感值较大，电感的阻抗会产生正反射（即反射信号的幅度与原信号相反）。这种反射信号会影响接收端的波形，可能导致时序错误和误触发。
3. 电感突变的影响公式：
   • 电感器的阻抗可以通过公式 ZL=LRTZ_L = \frac{L}{RT} 计算，其中 LL 是电感值，RTRT 是信号的上升边（单位为 ns）。
   • 允许的最大串联电感 LmaxL_{\text{max}} 为 0.2×Z0×RT0.2 \times Z_0 \times RT，其中 Z0Z_0 是传输线的特性阻抗。
   • 传输信号的 10%-90% 上升边时延为 t10%−90%=2.2×LZ0t_{10\%-90\%} = 2.2 \times \frac{L}{Z_0}。
4. 时延累加： 由于感性突变，反射信号会产生一定的时延累加，尤其是对于短上升边信号，时延累加显得尤为明显。电感值越大，时延累加越显著，可能影响到时序和信号的完整性。

实验步骤

根据文档要求绘制模型，设置瞬态仿真并绘图

实验数据与结果

数据处理与分析

随着电感值的增加，波形的上升和下降的突变变得明显

结论

1. 感性突变对信号波形的影响： 仿真结果显示，随着电感值的增加（0 nH, 1 nH, 5 nH, 10 nH），源端信号的波形呈现先上升后下降的特征，这种非单调性特征表现为信号的反射。电感值较大时，反射信号的幅度更大，导致接收端信号的波形失真。
2. 反射信号的影响： 在感性突变较大时，反射信号可能导致接收端的误触发，特别是在信号的上升边通过电感突变时。信号的非单调性使得接收器难以正确捕获信号的边沿，进而可能引发时序错误。
3. 时延累加： 电感突变对信号的时延累加有显著影响。较大的电感值会导致时延增大，尤其是对于信号的上升边较短时，时延累加对信号质量的影响更加明显。通过仿真，可以预估不同电感值下的时延累加量。
4. 设计建议：
   • 为了避免感性突变引发过大的反射和信号失真，设计时应尽量减小串联电感的值。
   • 允许的最大电感值可以通过公式进行粗略估算。例如，对于传输线特性阻抗为50Ω、信号上升边为1ns的情况，可容许的最大串联电感约为10 nH。如果电感过大，应增加信号的上升边或优化电路设计，避免出现显著的反射和时延累加。
   • 对于较短的信号上升边，尤其是亚纳秒级的信号，应特别注意感性突变的影响，并选择具有低回路电感的元件（如SMT电阻器）。

2.12 补偿

实验目的

本实验旨在分析感性突变对信号传输的影响，并通过补偿电容（并联在电感两端）来抑制反射信号的产生。通过仿真无电感、带10nH电感、以及电感两端分别加2pF补偿电容的情形，观察源端和接收端信号波形的变化。

实验原理

1. 感性突变的影响： 感性突变通常由于电路中的串联电感（如连接器、过孔等）引起，导致信号在通过电感器时发生反射。反射信号会影响源端信号的波形，并可能导致接收端的误触发。感性突变带来的反射信号通常表现为信号的先上升后下降，即非单调性。
2. 补偿电容的作用： 为了减小反射信号，可以通过在电感两端并联电容来进行补偿。补偿电容的目的是让电路看起来像一段均匀的传输线，从而减小由突变引起的反射噪声。

• 补偿电容的计算公式为：
• 最优的补偿方式是将补偿电容分为两部分，分别加在电感器的两侧，即每侧为 2 pF。

1. 补偿效果： 通过合适的补偿电容，突变处的电感会变得像一段与传输线特性阻抗匹配的传输线，从而减少反射信号的幅度并提高信号质量。理想情况下，反射噪声可以减少高达 75%。
2. 仿真条件：
   • 信号上升边为 0.5ns，
   • 传输线特性阻抗为 50Ω，
   • 电感值为 10nH，
   • 补偿电容为 2pF（每侧）。

• 仿真将比较无电感、带有电感、带有补偿电容的不同情况，观察源端和接收端信号波形的变化。

实验步骤

根据文档要求绘制模型，设置瞬态仿真并绘图

实验数据与结果

数据处理与分析

• 无连接器（无电感）：信号在传输过程中没有受到任何反射影响，接收端信号完全保持与源端相同的波形。
• 无补偿连接器（10nH 电感）：反射信号明显，源端波形出现非单调性，接收端信号失真，时延累加明显。
• 补偿连接器（10nH 电感 + 2pF 电容）：通过补偿电容，电感的影响得到了有效抵消，源端和接收端的波形恢复平滑，反射信号大大减小，时延累加也显著降低。

结论

1. 补偿电容的选择：当设计中出现感性突变时，使用补偿电容是一种有效的抑制反射的措施。补偿电容的大小应根据电感值和传输线特性阻抗来确定，确保补偿效果最优。
2. 控制电感突变：在设计中尽量减少电感突变，如使用低回路电感的元件（如SMT电阻器），并优化布局和连接器的选择。
3. 仿真验证：在实际设计中，应通过仿真验证补偿电容的效果，确保信号质量和时序要求得到满足。

补偿电容技术能够有效降低因感性突变引起的反射噪声和时延累加，改善信号的完整性，尤其是在高频信号和高速传输中，补偿技术显得尤为重要。