Με τα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα να ενσωματώνουν όλο και περισσότερο αισθητήρες και να λειτουργούν σε όλο και πιο δυναμικά περιβάλλοντα,Οι περιορισμοί των σταθερών αναλογικών κυκλωμάτων γίνονται όλο και πιο δύσκολο να αγνοηθούνΗ ψηφιακή επεξεργασία μπορεί να κυριαρχεί στις σημερινές αρχιτεκτονικές συστημάτων, αλλά ο φυσικός κόσμος εξακολουθεί να είναι αναλογικός.Ο ενεργοποιητής και η διεπαφή είναι το πραγματικό ηλεκτρικό σήμαΠριν από οποιαδήποτε αποτελεσματική επεξεργασία αυτών των σημάτων, πρέπει πρώτα να γίνει ενίσχυση, φιλτράρισμα και προετοιμασία.
Με την ανταπόκριση χαμηλής καθυστέρησης να γίνεται ένας βασικός δείκτης και τις απαιτήσεις εφαρμογής να εξελίσσονται, η σημασία των εμπρόσθιων τερμάτων προσομοίωσης υπογραμμίζεται και πάλι.Οι πλατφόρμες αυτοκινητοβιομηχανικής ηλεκτρονικής και του Διαδικτύου των Πραγμάτων βασίζονται σε ακριβή και προσαρμοστική ρύθμιση σήματοςΟι μικρές βελτιώσεις στην ποιότητα του αναλογικού σήματος συχνά μεταφράζονται άμεσα σε μεγαλύτερη ακρίβεια, αξιοπιστία και αποτελεσματικότητα του συστήματος.
Παραδοσιακά, η αναλογική σύνδεση σήματος κατασκευάζεται από σταθερά λειτουργικά στοιχεία όπως λειτουργικοί ενισχυτές, φίλτρα και συγκριτές.Η προσέγγιση αυτή αποφέρει εξαιρετικά αποτελέσματα όταν οι απαιτήσεις είναι σταθερές και σαφείςΩστόσο, είναι εγγενώς άκαμπτο. Οι αλλαγές στα χαρακτηριστικά του αισθητήρα, στις συνθήκες λειτουργίας ή στους στόχους απόδοσης συχνά απαιτούν σχηματικές αναθεωρήσεις, επανασχεδιασμούς διάταξης PCB,και πρόσθετους κύκλους επαλήθευσης.
Η Field Programmable Analog Array (FPAA) παρέχει μια πολύ διαφορετική προσέγγιση.Οικιακές συσκευές OTC2310K04-PIKA, Chameleon TM Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης Butterworth 8 τάξεων και το Apex Quad4 (Σχήμα 1) δείχνουν πώς η προγραμματιζόμενη αναλογική αρχιτεκτονική εφαρμόζεται σε ένα πραγματικό σύστημα μικτού σήματος.Αυτό το έγγραφο εξετάζει πώς λειτουργεί η FPAA, την τοποθέτησή του στις σύγχρονες αρχιτεκτονικές συστημάτων, και τα trade-offs που οι μηχανικοί θα πρέπει να εξετάσουν κατά την αξιολόγηση προγραμματιζόμενων λύσεων προσομοίωσης.
Το Συμβούλιο Ανάπτυξης Okika PiKa Quad FlexFPAA (κάντε κλικ για να μεγαλώσετε)
Σχήμα 1: Οκίκα PiKa Quad FlexFPAA Development Board (Πηγή εικόνας: Okika Devices)
Διαρθρωμένες προκλήσεις σχεδιασμού προσομοίωσης
Τα αναλογικά σχέδια αντιμετωπίζουν διάφορες προκλήσεις που σπάνια αντιμετωπίζουν οι ψηφιακοί μηχανικοί.επιπτώσεις σύνδεσης θορύβου και διάταξηςΟι μικρές αλλαγές μπορούν να έχουν σημαντική επίδραση στην αύξηση, την κλίση, το εύρος ζώνης ή τη σταθερότητα.
Ο σχεδιαστής πρέπει να αξιολογεί τις επιδόσεις εντός των ορίων ισχύος και θερμοκρασίας, να λαμβάνει υπόψη τις δυσμενέστερες ανοχές,και να επαληθεύει τη συμμόρφωση με τις απαιτήσεις σε επίπεδο συστήματοςΓια να επιτευχθεί υψηλή απόδοση, τα κυκλώματα συχνά τροποποιούνται αρκετές φορές.
Η προσαρμογή της τιμής αντίστασης ή της τοπολογίας φίλτρου συνήθως σημαίνει επανασχεδιασμό του υλικού.
Οι τελευταίες αλλαγές είναι ιδιαίτερα καταστροφικές. Νέοι αισθητήρες, επικαιροποιημένες απαιτήσεις συμμόρφωσης ή απρόσμενες πηγές θορύβου μπορούν να υποχρεώσουν σε σημαντικές αναδιαρθρώσεις.αυτά τα προβλήματα δεν μπορούν να επιλυθούν με αναβαθμίσεις firmwareΗ έλλειψη ευελιξίας υπήρξε εδώ και καιρό διαρθρωτικός περιορισμός για την εστίαση στα συστήματα προσομοίωσης.
Εισαγωγή στο Field-Programmable Analog Array
Το FPGA είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα με ρυθμιζόμενες αναλογικές λειτουργίες.Αυτά τα δομικά στοιχεία μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν προσαρμοσμένες διαδρομές σήματος.
Οι τυπικές λειτουργίες FPAA περιλαμβάνουν την ενίσχυση, το φιλτράρισμα, την ενσωμάτωση και τη σύγκριση.ή ακόμη και να επαναπροσδιορίσει εντελώς το σκοπό του για να επιτύχει ένα νέο λειτουργικό προσανατολισμόΑυτή η επανασυστασιμότητα είναι ένα καθοριστικό χαρακτηριστικό του FPAA.
Οι FPAA συχνά συγκρίνονται με τις FPGAs, αν και οι ομοιότητες είναι στην έννοια και όχι στην τεχνολογία.Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο είναι ότι το FPAA λειτουργεί απευθείας στον συνεχές χρόνο αναλογικού τομέα, επεξεργασία σημάτων πραγματικού κόσμου χωρίς να μετατρέπονται σε ψηφιακή μορφή.
Σε υβριδικά συστήματα σήματος, το FPAA χρησιμοποιείται συχνά ως προσαρμοστικό αναλογικό front-end.βελτίωση της ποιότητας του σήματος πριν από την έναρξη της ψηφιακής επεξεργασίας.
Βασικά μοντέλα αρχιτεκτονικής και διαμόρφωσης
Η FPAA είναι κατασκευασμένη γύρω από ένα ρυθμιζόμενο αναλογικό μπλοκ (CAB) που αποτελεί τον πυρήνα της συσκευής.και συγκριτικάΚάθε ενότητα είναι προγραμματιζόμενη έτσι ώστε ο σχεδιαστής να μπορεί να ορίσει παραμέτρους όπως κέρδος, εύρος ζώνης, συνθήκες αντιστάθμισης και επίπεδα κατώτατων ορίων για να καθορίσει τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά του κυκλώματος.
Η διασύνδεση των εν λόγω μονάδων επιτυγχάνεται μέσω προγραμματιζόμενων διασύνδεσεων (δομών διαδρομής).Αυτή η δομή καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο το σήμα ρέει μέσω της συσκευής και επιτρέπει την αναδιάταξη ή επέκταση της αλυσίδας σήματος χωρίς να επανασχεδιάζεται το εξωτερικό υλικό.
Η συγκεκριμένη συμπεριφορά μιας συσκευής ορίζεται από πληροφορίες διαμόρφωσης και συνήθως αποθηκεύεται με τη μορφή λίστας διακόπτη ή μνήμης διαμόρφωσης.Αυτές οι πληροφορίες διαμόρφωσης φορτώνονται κατά την ενεργοποίηση και μια αναλογική διαδρομή σήματος καθορίζεταιΠολλές πλατφόρμες FPAA υποστηρίζουν επίσης ταχεία επαναδιάταξη, επιτρέποντας ενημερώσεις κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ή σε ορισμένες περιπτώσεις κατά τη διάρκεια της λειτουργίας.
Η αναλογική διεπαφή I/O συνδέει το FPAA με αισθητήρα, ADC, DAC και άλλα εξωτερικά εξαρτήματα.σταθερή λειτουργία και απρόσκοπτη ολοκλήρωση με συστήματα μικτού σήματος.
Πλεονεκτήματα της διαδικασίας σχεδιασμού και ανάπτυξης
Η ανάπτυξη του FPAA αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται τα συστήματα προσομοίωσης.εργαλεία διαμόρφωσης βασισμένα σε σχήματα για τον καθορισμό της συμπεριφοράς του σήματος.
Ο σχεδιαστής δημιουργεί μια πλήρη σύνδεση σήματος επιλέγοντας ένα ρυθμιζόμενο αναλογικό μπλοκ (CAB) και συνδέοντας τις ενότητες μέσω μιας προγραμματιζόμενης αρχιτεκτονικής καλωδίωσης (σχήμα 2).Βασικές παραμέτρους όπως η απόδοσηΗ δυνατότητα αυτή μετατοπίζει το σχεδιασμό προσομοίωσης από δύσκολους χειροκίνητους υπολογισμούς σε ταχύτερους, πιο ευέλικτους,και πιο ρυθμιζόμενες μεθόδους.
Η πλήρης σύνδεση σήματος μπορεί να δημιουργηθεί επιλέγοντας το ρυθμιζόμενο αναλογικό μπλοκ (CAB) (κάντε κλικ στο ZOOM IN)
Σχήμα 2: Δημιουργούνται πλήρεις αλυσίδες σήματος με την επιλογή ρυθμιζόμενων αναλογικών τεμαχίων (CAB) και τη διασύνδεση των μονάδων μέσω προγραμματισμένης αρχιτεκτονικής καλωδίωσης (πηγή: Okika Devices)
Δεδομένου ότι το σχέδιο μπορεί να ενημερωθεί σε λίγα λεπτά, ο κύκλος επανάληψης είναι σημαντικά ταχύτερος.και να βελτιώνουμε συνεχώς την απόδοσηΣε αυτή την επαναλαμβανόμενη ταχύτητα, μπορεί να επιτευχθεί πραγματική βελτιστοποίηση, η οποία συχνά δεν είναι δυνατή με παραδοσιακό αναλογικό υλικό, επειδή κάθε αλλαγή απαιτεί επανασχεδιασμό, επανασχηματισμό και επαναδοκιμασία.
Οι περισσότερες πλατφόρμες FPAA φορτώνουν τη διαμόρφωση όταν ενεργοποιούνται, ενώ ορισμένες επανασυσταθούν όταν υποστηρίζουν δομημένες λειτουργίες, όπως η μετάβαση μεταξύ λειτουργικών τρόπων.η δυνατότητα τροποποίησης λειτουργιών προσομοίωσης χωρίς αλλαγή υλικού συντομεύει τον χρόνο ανάπτυξης, μειώνει το κόστος και παρατείνει τον κύκλο ζωής του προϊόντος.
Στην πραγματικότητα, το FPAA φέρνει ένα μοντέλο που καθορίζεται από λογισμικό στον σχεδιασμό προσομοίωσης, ανεβάζοντας την ευελιξία, την αποτελεσματικότητα και τις επιδόσεις του ηλεκτρονικού συστήματος σε ένα νέο επίπεδο.
Κοινές αιτήσεις
Προετοιμασία σήματος αισθητήρα
Πολλοί αισθητήρες παράγουν χαμηλού επιπέδου, θόρυβο ή στρέβλουν σήματα και απαιτούν ενίσχυση, φιλτράρισμα και βαθμονόμηση πριν από την ψηφιοποίηση.
Η FPAA μπορεί να ενσωματώσει αυτές τις λειτουργίες σε μια ενιαία συσκευή για να μειώσει τον αριθμό των εξαρτημάτων και να απλοποιήσει τις αλλαγές σχεδιασμού.Οι αλυσίδες σήματος μπορούν να επανασχηματιστούν αντί να επανασχεδιαστούν όταν τα χαρακτηριστικά των αισθητήρων αλλάζουν ή πρέπει να αναπτυχθούν.
Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για συστήματα που υποστηρίζουν πολλαπλούς τύπους αισθητήρων ή μεταβαλλόμενες απαιτήσεις.
Τα ηλεκτρικά σήματα που μετρούνται από το ανθρώπινο σώμα είναι συνήθως μόνο λίγα millivolts και διαταράσσονται εύκολα από αντικείμενα κίνησης, παρεμβολές ηλεκτρικών γραμμών,και μετατόπιση βασικής γραμμήςΓια την επίτευξη αξιόπιστης μέτρησης, απαιτείται ακριβής ενίσχυση, φιλτραρίσματος και καταστολής θορύβου κοινής λειτουργίας πριν τα σήματα εισέλθουν στο ADC.