分析仪器是仪器仪表中重要的组成部分,实现对物质成分的鉴别和测定,主要分为光谱、色谱、质谱等三大类产品。随着现代微电子学、微加工技术、信息技术、新型材料和计算机科学等高新技术的发展,分析仪器向着模块化、微型化、智能化的方向发展,迫使芯片的体积越来越小,印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)的密度越来越高,系统的工作频率越来越快,使得分析仪器也面临着所有高速数字设计必然要面对的问题:信号完整性(Signal Integrity,简称SI)问题。信号完整性是指单板中传输线上的信号质量,典型的信号完整性问题包括反射、串扰、振铃、同步开关噪声等。一个高速互连系统中,芯片封装、信号互连线、过孔、焊盘等引起的传输线效应和介质材料对信号质量的影响已经成为高速数字电路设计不能忽略的因素。本课题从信号完整性仿真分析和PCB设计两个方面入手,研究如何解决分析仪器单板中的信号质量问题,并结合分析仪器中一块典型的高速信号采集板进行实例仿真和PCB设计说明,阐明了高速数字电路设计对分析仪器单板设计的重要性。本文的主要内容包括:首先,深入分析传输线理论和典型的信号完整性问题,结合实际设计经验总结出一些常用的PCB设计规则。其次,以分析仪器中一块典型的高速信号采集板为例,应用SI仿真软件SpecctraQuest和PI仿真软件Ansoft Siwave进行布局布线前仿真与PCB设计:仿真固定结构的电源平面和地平面的谐振模式确定关键IC芯片的放置位置;仿真关键信号线的反射和串扰问题,提出解决该问题的方法;分析系统时序,确定数据信号的时序约束条件;总结符合分析仪器本身信号特点的PCB设计规则。最后,对布局布线完成后的高速信号采集板进行后仿真验证和设计优化,确保由于反射、串扰引起的信号噪声和电源平面不连续引起的电源噪声满足系统的设计要求。本文提出的基于信号完整性仿真的分析仪器单板信号质量解决方案,可以在设计阶段解决所有可能遇见的信号完整性问题,保证PCB板上的信号质量满足系统设计的要求,大大缩短了设计周期,降低了投资成本,提高了市场竞争力。