高速数字设计：Modbus协议中测量小电感的FPGA实现及其影响

本篇文章主要探讨了高速数字电路设计中的一个重要主题——测量到地的小电感在通信与网络中Modbus通信协议的FPGA实现中的影响。测量对象是一个1英寸长的印制线，其结构包括0.008英寸高的FR-4基板上的1.5-oz铜箔，宽度为0.010英寸，带有0.035英寸直径的过孔与地相连。这个结构的特性使得它具有2pF的寄生电容，当连接状态改变时，电感值约为9nH。 在进行电路特性测试时，考虑到800ps的快速上升沿，寄生容抗远大于实际要测量的感抗，这意味着电容效应显著。这会导致观察到的L/R值被放大12倍，因此在设计过程中必须充分考虑这些电容效应以确保准确测量和信号完整性。测试装备包括一对RG-174同轴电缆，其中输入电缆配有49欧姆终端电阻和10欧姆并联电阻，以减少地反射和匹配问题。 文章还深入讲解了高速数字设计中的一些关键概念，如地弹（ground bounce）、地反射、引脚电感、电压裕量、电流突变的影响等。设计者需要关注电压和电流的变化速率（dV/dT和dI/dt），以及不同类型的电路（如TTL或CMOS电路）在驱动负载时的功耗，包括静态功耗、动态功耗和内部耗散等。此外，电路对共模电容、串扰、终端电阻间电容以及电容耦合和电感耦合的理解也至关重要，这些都是在高速信号传输中需要考虑的电磁兼容性和信号质量因素。 测量亚稳态状态和数据吞吐量也是高速数字设计中的重要环节，特别是在处理Modbus通信协议时，因为这些因素可能影响系统的稳定性和效率。因此，了解如何在实际硬件中精确测量和补偿小电感带来的影响，以及如何优化电路设计以适应Modbus通信的要求，是本文的核心内容。整个章节围绕着高速数字电路设计的基本原理和技术细节展开，强调了实践中的注意事项和策略。