Ponieważ nowoczesne systemy elektroniczne w coraz większym stopniu integrują czujniki i działają w coraz bardziej dynamicznych środowiskach, ograniczenia stałych obwodów analogowych stają się coraz trudniejsze do zignorowania. Przetwarzanie cyfrowe może zdominować dzisiejsze architektury systemów, ale świat fizyczny ma nadal charakter analogowy. Punktem wyjścia każdego czujnika, elementu wykonawczego i interfejsu jest rzeczywisty sygnał elektryczny. Przed jakąkolwiek skuteczną obróbką tych sygnałów należy najpierw przeprowadzić wzmocnienie, filtrację i kondycjonowanie.
Ponieważ niskie opóźnienia stają się kluczowym wskaźnikiem, a wymagania aplikacji ewoluują, ponownie podkreśla się znaczenie interfejsów symulacyjnych. Monitoring przemysłowy, instrumenty medyczne, elektronika samochodowa i platformy Internetu rzeczy opierają się na precyzyjnym i adaptacyjnym kondycjonowaniu sygnału. Niewielkie ulepszenia jakości sygnału analogowego często przekładają się bezpośrednio na wyższą dokładność, niezawodność i wydajność systemu.
Tradycyjnie łącze sygnału analogowego jest zbudowane ze stałych elementów funkcjonalnych, takich jak wzmacniacze operacyjne, filtry i komparatory. Takie podejście zapewnia doskonałe wyniki, gdy wymagania są stabilne i jasne. Jest jednak z natury sztywny. Zmiany w charakterystyce czujnika, warunkach pracy lub celach wydajności często wymagają rewizji schematów, przeprojektowania układu PCB i dodatkowych cykli weryfikacji.
Field Programmable Analog Array (FPAA) zapewnia zupełnie inne podejście. Inżynierowie mogą konfigurować funkcje analogowe za pomocą oprogramowania, bez konieczności używania stałego łącza sygnału analogowego w sprzęcie. Urządzenia OKIKA OTC2310K04-PIKA, Chameleon ™ 8-rzędowy filtr dolnoprzepustowy Butterworth i Apex Quad4 (rysunek 1) ilustrują, w jaki sposób programowalna architektura analogowa jest stosowana w rzeczywistym systemie sygnału mieszanego. W artykule omówiono sposób działania układu FPAA, jego umiejscowienie w nowoczesnych architekturach systemów oraz kompromisy, które inżynierowie powinni wziąć pod uwagę przy ocenie programowalnych rozwiązań symulacyjnych.
Płytka rozwojowa Okika PiKa Quad FlexFPAA (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 1: Płytka rozwojowa Okika PiKa Quad FlexFPAA. Źródło obrazu: Urządzenia Okika)
Ustrukturyzowane wyzwania projektowania symulacyjnego
Projekty analogowe stoją przed różnymi wyzwaniami, z którymi rzadko spotykają się inżynierowie cyfrowi. Charakterystyki obwodów są bardzo wrażliwe na tolerancje komponentów, dryf temperatury, sprzężenie szumów i wpływ układu. Małe zmiany mogą mieć znaczący wpływ na wzmocnienie, zniekształcenie, przepustowość lub stabilność.
Proces weryfikacji i dostrajania jest często czasochłonny i iteracyjny. Projektant musi ocenić wydajność w granicach mocy i temperatury, uwzględnić tolerancje dla najgorszego przypadku i sprawdzić zgodność z wymaganiami na poziomie systemu. Aby osiągnąć wysoką wydajność, płytki drukowane są często modyfikowane kilka razy.
Koszty iteracyjne są długotrwałym problemem. Dostosowanie wartości rezystancji lub topologii filtra zwykle oznacza przeprojektowanie sprzętu. Każda zmiana zwiększa koszty, harmonogram i ryzyko.
Te ostatnie zmiany są szczególnie destrukcyjne. Nowe czujniki, zaktualizowane wymagania dotyczące zgodności lub nieoczekiwane źródła hałasu mogą wymusić znaczne przeprojektowanie. W przeciwieństwie do systemów cyfrowych problemów tych nie można rozwiązać poprzez aktualizację oprogramowania sprzętowego. Brak elastyczności od dawna stanowi strukturalne ograniczenie w skupianiu się na systemach symulacyjnych.
Wprowadzenie do programowalnego przez użytkownika układu analogowego
FPGA to układ scalony z konfigurowalnymi funkcjami analogowymi. FPAA nie opiera się na stałym obwodzie wewnętrznym, ale na wbudowanym, programowalnym analogowym bloku konstrukcyjnym. Te elementy konstrukcyjne można ze sobą łączyć, tworząc niestandardowe ścieżki sygnałowe.
Typowe funkcje FPAA obejmują wzmacnianie, filtrowanie, integrację i porównywanie. To samo urządzenie może wykonywać zróżnicowaną konfigurację na różnych etapach rozwoju produktu, a nawet całkowicie przedefiniować swoje przeznaczenie, aby osiągnąć nową orientację funkcjonalną. Ta rekonfigurowalność jest decydującą cechą FPAA.
Układy FPAA są często porównywane do układów FPGA, chociaż podobieństwa dotyczą raczej koncepcji niż technologii. Obydwa opierają się na blokach funkcyjnych wielokrotnego użytku i programowalnych połączeniach wzajemnych. Główna różnica między nimi polega na tym, że FPAA działa bezpośrednio w domenie analogowej w czasie ciągłym, przetwarzając sygnały świata rzeczywistego bez konwertowania ich do postaci cyfrowej.
W hybrydowych systemach sygnałowych FPAA jest często używany jako adaptacyjny interfejs analogowy. Urządzenia te umieszcza się pomiędzy czujnikiem a przetwornikiem ADC lub pomiędzy przetwornikiem cyfrowo-analogowym a siłownikiem, aby poprawić jakość sygnału przed rozpoczęciem przetwarzania cyfrowego.
Podstawowe modele architektury i konfiguracji
Układ FPAA jest zbudowany wokół konfigurowalnego bloku analogowego (CAB), który stanowi rdzeń urządzenia. Moduły te są zwykle używane do realizacji funkcji, takich jak wzmacniacze, filtry, integratory i komparatory. Każdy moduł jest programowalny, dzięki czemu projektant może ustawić parametry, takie jak wzmocnienie, szerokość pasma, warunki przesunięcia i poziomy progowe, aby zdefiniować wymaganą charakterystykę obwodu.
Wzajemne połączenie tych modułów odbywa się poprzez programowalne połączenia wzajemne (struktury routingu). Struktura ta określa, w jaki sposób sygnał przepływa przez urządzenie i umożliwia zmianę układu lub przedłużenie łańcucha sygnałowego bez przeprojektowywania sprzętu zewnętrznego.
Specyficzne zachowanie urządzenia jest definiowane przez informacje konfiguracyjne i jest zwykle przechowywane w postaci listy przełączników lub pamięci konfiguracyjnej. Te informacje konfiguracyjne są ładowane po włączeniu zasilania i ustanawiana jest ścieżka sygnału analogowego. Wiele platform FPAA obsługuje również szybką rekonfigurację, umożliwiając aktualizacje podczas programowania lub w niektórych przypadkach podczas pracy.
Interfejs analogowych wejść/wyjść łączy FPAA z czujnikiem, ADC, DAC i innymi komponentami zewnętrznymi. Interfejsy te zostały specjalnie zaprojektowane, aby zapewnić przewidywalne poziomy sygnału, stabilną pracę i bezproblemową integrację z mieszanymi systemami sygnałowymi.
Proces projektowania i zalety rozwoju
Rozwój FPAA zmienia sposób projektowania systemów symulacyjnych. Zamiast używać dyskretnych urządzeń do konstruowania stałych obwodów funkcjonalnych, inżynierowie korzystają z intuicyjnych, opartych na schematach narzędzi konfiguracyjnych w celu zdefiniowania zachowania sygnału.
Projektant tworzy kompletne łącze sygnałowe, wybierając konfigurowalny blok analogowy (CAB) i łącząc moduły za pomocą programowalnej architektury okablowania (rysunek 2). Kluczowe parametry, takie jak wzmocnienie, charakterystyka filtrowania i próg, można ustawić bezpośrednio w oprogramowaniu. Ta możliwość pozwala zmienić projekt symulacji z uciążliwych obliczeń ręcznych na szybsze, bardziej elastyczne i konfigurowalne metody.
Kompletne łącze sygnałowe można utworzyć, wybierając konfigurowalny blok analogowy (CAB) (kliknij POWIĘKSZ)
Rysunek 2: Kompletne łańcuchy sygnałowe są tworzone poprzez wybór konfigurowalnych bloków analogowych (CAB) i łączenie modułów za pomocą programowalnej architektury okablowania (źródło: Okika Devices)
Ponieważ projekt można zaktualizować w ciągu kilku minut, cykl iteracji jest znacznie szybszy. Inżynierowie mogą szybko badać alternatywy, oceniać kompromisy i stale poprawiać wydajność. Przy tej prędkości iteracyjnej można osiągnąć rzeczywistą optymalizację, co często nie jest możliwe w przypadku tradycyjnego sprzętu analogowego, ponieważ każda zmiana wymaga przeprojektowania, rekonfiguracji i ponownego przetestowania.
Większość platform FPAA ładuje konfigurację po włączeniu zasilania, podczas gdy niektóre są ponownie konfigurowane podczas obsługi operacji strukturalnych, takich jak przełączanie między trybami pracy. W obu przypadkach możliwość modyfikacji funkcji symulacyjnych bez zmiany sprzętu skraca czas rozwoju, obniża koszty i wydłuża cykl życia produktu.- g.
W rzeczywistości FPAA wprowadza model zdefiniowany programowo do projektu symulacyjnego, przenosząc elastyczność, wydajność i wydajność systemu elektronicznego na nowy poziom.
Typowe zastosowania
Kondycjonowanie sygnału czujnika
Interfejs czujnika jest głównym przypadkiem użycia FPAA. Wiele czujników generuje sygnały o niskim poziomie, szumy lub sygnały skośne i wymagają wzmocnienia, filtrowania i kalibracji przed digitalizacją.
FPAA może zintegrować te funkcje w jednym urządzeniu, aby zmniejszyć liczbę komponentów i uprościć zmiany projektowe. Łańcuchy sygnałowe można raczej rekonfigurować niż przeprojektowywać, gdy charakterystyka czujnika ulegnie zmianie lub trzeba ją ulepszyć.
Jest to szczególnie ważne w przypadku systemów obsługujących wiele typów czujników lub zmieniających się wymagań.
Dobrym przykładem jest monitorowanie EKG lub EKG. Sygnały elektryczne mierzone przez ludzkie ciało mają zwykle zaledwie kilka miliwoltów i łatwo je zakłócają artefakty związane z ruchem, zakłócenia linii energetycznej i dryft linii bazowej. Aby uzyskać niezawodny pomiar, wymagane jest dokładne wzmocnienie, filtrowanie i tłumienie szumów w trybie wspólnym, zanim sygnały dotrą do ADC.