在系統(tǒng)可編程模擬器件及其應(yīng)用

1、第七章 在系統(tǒng)可編程模擬器件及其應(yīng)用7.1 概述在系統(tǒng)可編程(In-System Programmability)是指可編程器件在不脫離所在應(yīng)用系統(tǒng)的情況下，能夠通過計算機(jī)對其編程。在系統(tǒng)可編程技術(shù)首先應(yīng)用可編程邏輯器件，它改變了數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。1999年底，Lattice公司推出了在系統(tǒng)可編程模擬器件（In-System Programmability Programmable Anology Circuits,簡稱ispPAC）及其開發(fā)軟件，從而為EDA技術(shù)在模擬電路中的應(yīng)用開拓了廣闊的前景。ispPAC內(nèi)部有可編程的模擬單元電路，如放大電路、濾波電路、比較電路等，通過計算機(jī)

2、編程可以實現(xiàn)模擬單元電路指標(biāo)參數(shù)的調(diào)整和單元電路之間的連接，從而獲得功能完整的模擬電路。ispPAC可實現(xiàn)三種功能：(1)信號調(diào)理，即對信號進(jìn)行放大、衰減、濾波；(2)信號處理，即對信號進(jìn)行求和、求差、積分、比較；(3)信號轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。與數(shù)字在系統(tǒng)可編程器件一樣，ispPAC允許設(shè)計者使用開發(fā)軟件在計算機(jī)上設(shè)計、修改電路，進(jìn)行電路特性模擬，最后通過編程電纜將設(shè)計的電路下載到芯片中，完成模擬電路的設(shè)計和實現(xiàn)。ispPAC的開發(fā)軟件為PAC Designer，采用原理圖輸入方式，并可仿真幅頻特性和相頻持性。ispPAC可以反復(fù)編程，允許編程次數(shù)在一萬次以上。7.2 在系統(tǒng)可編程

3、模擬器件的結(jié)構(gòu)和工作原理目前已推出的ispPAC器件主要有四種，ispPAC10為基本的PAC器件，ispPAC20和ispPAC30為帶數(shù)模轉(zhuǎn)換的PAC器件，ispPAC80和ispPAC81是專用的可編程五階濾波器，另外還有可編程電源管理芯片ispPAC Power Manager等。ispPAC器件的基本結(jié)構(gòu)由基本單元電路（PAC塊）、模擬布線池、配置存儲器、參考電壓、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、自動校正單元和ISP接口等組成，下面分別介紹ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30和ispPAC80/81的結(jié)構(gòu)和工作原理。7.2.1 PAC塊及ispPAC101.PAC塊PAC塊是i

4、spPAC器件中最重要的單元電路， 每個PAC塊由兩個儀表放大器和一個輸出放大器組成，配以電阻、電容，構(gòu)成一個差分輸入、差分輸出的基本單元電路，可獨(dú)立工作，其等效電路如圖7.2.1所示。電路的輸入阻抗為109，共模抑制比為69dB，增益調(diào)整范圍為-10+10。輸出放大器的反饋電容CF有128個值可選擇，反饋電阻RF為一定值，可編程為接通或斷開狀態(tài)。PAC塊中的放大器均由跨導(dǎo)運(yùn)放（OTAOperational Transconductance Amplifier）組成，與一般的電壓運(yùn)放不同，跨導(dǎo)運(yùn)放的輸出阻抗很高，其輸出端可視作壓控恒流源，因此放大能力用跨導(dǎo)gm表示，跨導(dǎo)運(yùn)放的電路符號如圖7.2

5、.2所示，其輸出電流與輸入差模電壓的關(guān)系為 （7.2.1）跨導(dǎo)gm與運(yùn)放的偏置電流成正比，因此，可通過調(diào)節(jié)偏置電流來改變OTA的增益。如將OTA的輸出全部反饋到反相輸入端，而同相輸入端接地，如圖中的OTA2，則此時的OTA構(gòu)成一個等效電阻R，其值為將此OTA與開環(huán)的OTA串聯(lián)，即構(gòu)成增益可調(diào)的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為 （7.2.2）調(diào)節(jié)gm，即可調(diào)節(jié)電壓放大器的增益k。在圖7.2.1所示的PAC塊的等效電路中，輸入電壓uI1、uI2和輸出電壓u0均是差模電壓，uA=k1uI1，uB=k2uI2，當(dāng)反饋電阻RF編程為連通時，C點(diǎn)電位為因此，PAC塊輸入輸出關(guān)系為 （7.2.3）式

6、中RF=250k，k1和k2可在范圍內(nèi)編程，步進(jìn)為1。由此得此時PAC塊的上限截止頻率為，由于CF的最小值是1.07pF，最大值是62pF，輸出級運(yùn)放的帶寬為5MHZ,所以PAC塊的上限截止頻率范圍為10.2595.2kHZ，當(dāng)信號頻率遠(yuǎn)低于截止頻率時，PAC塊相當(dāng)于一個求和電路。當(dāng)RF編程為斷開時，PAC塊的輸入輸出關(guān)系為 （7.2.4）此時，PAC塊相當(dāng)于一個具有求和功能的積分電路。2ispPAC10ispPAC10為28腳雙列直插式器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和引腳圖如圖7.2.4所示。它包含有四個PAC塊，每個PAC塊均可獨(dú)立工作，PAC塊之間可以通過模擬布線池中的連線實現(xiàn)互聯(lián)。改變四個PAC

7、塊的接法，可以構(gòu)成增益為±1±104的放大器或復(fù)雜的濾波器。ispPAC10的內(nèi)部電路示意圖如圖7.2.5所示。7.2.2 ispPAC20ispPAC20為40腳直插式器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和引腳圖如圖7.2.6所示。它包含有兩個PAC塊，兩個比較器，一個DAC，其內(nèi)部電路示意圖如圖7.2.7所示，下面將ispPAC20與 ispPAC10的不同之處加以說明。圖7.2.7 ispPAC20的內(nèi)部電路示意圖1. PAC塊ispPAC20中PAC塊的結(jié)構(gòu)與ispPAC10基本相同。但增加了一個多路輸入控制端MSEL。通過器件的外部引腳MSEL來控制。MSEL為0時，A連接至IA

8、1；MSEL為1時，B連接至IA1。另外，還可通過外部引腳PC來控制IA4的增益極性。PC引腳為1時，增益調(diào)整范圍為10至1；PC引腳為 0時，增益調(diào)整范圍為10至1。2. 比較器在ispPAC20中有兩個可編程的雙差分比較器，比較器的基本工作原理與常規(guī)的比較器相同。當(dāng)同相端的輸入電壓高于反相端的輸入電壓時，比較器的輸出為高電平，否則為低電平；當(dāng)兩個比較器的輸出經(jīng)過異或門（XOR）再輸出時，二者實現(xiàn)了窗口比較器的功能（注意CP2同相端前的反相器）。當(dāng)比較的輸入信號變化緩慢或混有較大的干擾時，可通過施加正反饋將比較器設(shè)置成遲滯比較器，遲滯信號的幅度定為47mV，且正、反相均相同。比較器是否設(shè)置成

9、遲滯比較器由配置單元Hyst決定，Hyst=on時設(shè)置，Hyst=off時不設(shè)置。3. D/A轉(zhuǎn)換器ispPAC20中的DAC是一個8位數(shù)字量輸入、電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。數(shù)字接口方式可自由選擇為：8位并行方式；串行JTAG 尋址方式；串行SPI尋址方式。在串行方式中，數(shù)據(jù)總長度為8位，D0（LSB，最低位）處于數(shù)據(jù)流的首位，D7（MSB，最高位）為最末位。DAC的輸出是完全差分形式，其輸出電壓不僅可以直接輸出，也可供器件內(nèi)部的比較器或儀用放大器輸入端選用。無論采用串行還是并行的輸入方式，DAC的編碼均如表6.2.1所示。表6.2.1 DAC編碼表7.2.3 ispPAC30ispPAC30為雙

10、列直插式器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳如圖7.2.8所示，ispPAC30內(nèi)部包含四個儀表放大器，兩個獨(dú)立的內(nèi)部可控參考源（64mV2.5V,分七級）和兩個增強(qiáng)型DAC。它最主要的特性是能夠通過SPI對器件進(jìn)行實時動態(tài)重構(gòu)，設(shè)計者可以改變和重構(gòu)ispPAC30無數(shù)次，用于放大器增益控制或其他需要動態(tài)改變電路參數(shù)的應(yīng)用。7.2.4 ispPAC80/81ispPAC80可實現(xiàn)五階連續(xù)時間低通模擬濾波器。無需外部元件或時鐘。在PAC設(shè)計軟件中的集成濾波器數(shù)據(jù)庫提供了數(shù)千個模擬濾波器，頻率范圍從50kHz到750kHz。可對任意一個五階低通濾波器執(zhí)行仿真和編程，濾波器類型為：Gaussian（高斯）、Bes

11、sel（貝塞爾）、Butterworth（巴特沃斯）、Chebyshev（切比雪夫）、Elliptic(橢圓) 、Legendre（拉格朗日）和Linear Phase Equiripple Delay Error（線性相位等紋波延遲誤差）等。ispPAC80內(nèi)含一個增益1、2、5、10可選的差分輸入儀表放大器（IA）和一個差分輸出求和放大器（OA）。1G的差分輸入阻抗使電路有較高的共模抑制比，差分輸出使得可以在濾波器之后使用高質(zhì)量的電路。此外，ispPAC80有個雙存儲器配置，它能為兩個完全不同的濾波器保存配置。 ispPAC81與ispPAC80器件極為相似，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖完全相同，如圖

12、7.2.9所示。所不同的是用ispPAC81的頻率范圍從10kHz到75kHz。PAC-Designer 1.3以上版本的軟件支持ispPAC81器件，其設(shè)計操作與ispPAC80器件相同。7.3 在系統(tǒng)可編程模擬器件應(yīng)用舉例7.3.1 放大電路設(shè)計模擬信號輸入至ispPAC器件時，要根據(jù)輸入信號的性質(zhì)，考慮信號的耦合問題，即需要設(shè)置外部接口電路。1. 信號耦合方式由于PAC器件采用+5V單電源方式供電，差分儀表放大器的兩個差分輸入端需有2.5V的直流偏置電壓，放大器才能工作。因此，根據(jù)輸入信號的特性，有三種耦合方式。(1) 簡單的直接耦合：若輸入信號中的共模電壓或直流分量接近2.5V，則信號

13、可以直接與ispPAC 的輸入引腳相連。如直流電橋測量電路的激勵電源等于+5V時，被測信號中含有2.5V的共模信號，電路如圖7.3.1所示。(2) 外接偏置電路的直接耦合：倘若信號中未含有2.5V的共模電壓或直流分量，就需外接如圖7.3.2所示的直流偏置電路。通過改變電阻R1、R2的大小，把兩輸入端的直流偏置電壓調(diào)至2.5V。外接偏置電路對輸入的差模分量有一定的衰減，設(shè)置電路增益時要相應(yīng)提高放大倍數(shù)以抵消其衰減作用。(3) 阻容耦合：倘若是交流偶合，外接電路如圖7.3.3所示。此電路構(gòu)成了一個高通濾波器，其截止頻率為1/(2pRC)，電路給信號加了一個直流偏置。電路中的UREF可以用兩種方式得

14、到。一是直接與器件中的VREFout引腳相連，此時電阻最小取值為200KW； 另一種方法是采用PAC塊的輸出，此時電阻的最小取值為600W。ispPAC中的基準(zhǔn)電壓VREFout 是帶隙基準(zhǔn)電壓源，其輸出阻抗很高，當(dāng)用作參考電壓輸出時，要經(jīng)過緩沖電路才會有較強(qiáng)的負(fù)載能力。其實可以將PAC塊作為UREF 使用，電路如圖7.3.4所示，圖中PAC塊的兩個儀表放大器的輸入端懸空，反饋電阻RF連接。此時輸出放大器的兩個差分輸出端的電壓均為2.5V ，它與VREFout引腳的電壓大小相等，使用時必需注意，雖然PAC塊的兩個輸出端電壓相等，但兩者不能短接。圖7.3.4 PAC塊用作UREF2. 增益設(shè)置方

15、法(1) 整數(shù)倍增益的設(shè)置方法：由于ispPAC10中每個PAC塊的增益可在之間按整數(shù)步長設(shè)置，四個PAC塊組合起來可實現(xiàn)增益為中任意整數(shù)的放大電路，圖7.3.5為增益等于-50的放大電路，其中IA1的增益設(shè)置為5，IA3的增益設(shè)置為-10，IA2和IA4不用，信號從PAC1輸入，從PAC2輸出。如果要得到非10倍數(shù)的整數(shù)增益，例如增益Au=28，可使用如圖7.3.6所示的配置方法。圖中，IA3和IA4組成加法電路，因此有以下關(guān)系：uOUT1 = 2uIN1uOUT2 = 10uOUT1+8 uIN1整個電路增益Au = uOUT2/ uIN1 = 28(2) 分?jǐn)?shù)倍增益的設(shè)置方法：分?jǐn)?shù)倍增益

16、可通過外接電阻實現(xiàn)，圖7.3.7中通過外接兩個50k和11.1k的電阻分壓，得到IA2的輸入電壓uIN2=11.1/(50+50+11.1)uIN=0.0999 uIN0.1uIN 而輸出電壓uOUT1=5 uIN1 +7uIN2=5uIN +7×0.1uIN=5.7 uIN因此整個放大電路的電壓放大倍數(shù)Au= uOUT1/ uIN =5.7(3) 整數(shù)比增益的設(shè)置方法：利用負(fù)反饋可使ispPAC器件無需外接電阻而實現(xiàn)某些整數(shù)比增益的放大電路，如圖7.3.8所示。放大器IA1和放大器IA2的增益值反號，輸出放大器的反饋電阻設(shè)置為斷開，這樣放大器OA1和IA2連接成負(fù)反饋，從而使OA1

17、的同相輸入端和反相輸入端的電位差為零，當(dāng)信號頻率遠(yuǎn)低于上限截止頻率時，CF可看作開路，此時若IA1的增益為k1，IA2的增益為k2，則有k1uIN+k2uOUT=0，Au=uOUT/uIN=-k1/k2。如k1=5，k1=-8，則Au= uOUT/uIN =5/8。若輸出電壓中有小的高頻毛刺而影響測量精度，這時需稍稍增大反饋電容CF的值。7.3.2 濾波器設(shè)計有源濾波器一般采用運(yùn)算放大器和阻容元件實現(xiàn)，但在ispPAC器件中沒有獨(dú)立的電阻、電容和運(yùn)算放大器，因此要使用PAC塊來設(shè)計和實現(xiàn)高階濾波器，（1）雙二階低通、帶通濾波器雙二階型函數(shù)能實現(xiàn)所有的二階濾波函數(shù)，其表達(dá)式如下： （7.3.1）

18、式中m=1或0，n=1或0，c、d、p、b、k均為實數(shù)。低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為 （7.3.2）帶通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為 （7.3.3） 首先討論低通函數(shù)的實現(xiàn)，低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)可作如下變換： （7.3.4）式（7.3.4）中，b=k1k2，用方框圖表示，則如圖7.3.9所示。不難看出方框圖中的函數(shù)可以分別用反相器電路、理想積分電路、有耗積分電路來實現(xiàn)。把各個運(yùn)算放大器電路代入圖7.3.9所示的方框圖中，U3作為輸出信號UO，即可得到如圖7.3.10所示的電路。下面再討論帶通函數(shù)的實現(xiàn)，如框圖中U1作為輸出信號UO，則 （7.3.5）輸入、輸出的關(guān)系與帶通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)相同，因此圖7.3.1

19、0中，若信號從A1輸出，則為二階帶通濾波電路，故名雙二階低通濾波器。該電路中包含兩個積分電路，對照ispPAC器件中PAC塊的結(jié)構(gòu)，用兩個PAC塊即可構(gòu)成一個雙二階低通濾波器，電路如圖7.3.11所示。PAC1構(gòu)成具有求和功能的有耗積分器，它對應(yīng)圖7.3.10中A1和A3組成的電路，PAC2構(gòu)成理想積分電路，與圖7.3.10中A2組成的電路對應(yīng)。為了保證整個電路工作在閉環(huán)負(fù)反饋狀態(tài)，PAC1中IA2的增益k21必須設(shè)置為負(fù)值。由上一節(jié)的式（7.2.3）得PAC1的輸出電壓uO1與兩個輸入電壓的關(guān)系為 （7.3.6）由式（7.2.4）得PAC2的輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系為 （7.3.7）聯(lián)立式

20、（7.3.6）和（7.3.7），解得 （7.3.8）與二階低通濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式 （7.3.9）比較，式中為濾波器的通帶增益，為截止頻率，稱為等效品質(zhì)因數(shù)，可得 （7.3.10） （7.3.11） （7.3.12）如要設(shè)計一只Q=0.7、f0=15kHZ、通帶增益Aup=2的低通濾波器，由式（7.3.10）得設(shè)k12=-k21=1，由式（7.3.11）得由式（7.3.11）、（7.3.12）和k12=-k21=1得 k11=Aup=22ispPAC80/81的軟件設(shè)計方法ispPAC80/81的內(nèi)核是一個五階濾波器，其軟件設(shè)計方法與ispPAC10、ispPAC20稍有不同，在產(chǎn)生新文件

21、的對話框中，選擇ispPAC80/81 Schematic欄，進(jìn)入如圖7.3.12所示的ispPAC80/81的圖形設(shè)計輸入環(huán)境：圖7.3.12 ispPAC80 圖形設(shè)計輸入環(huán)境每片ispPAC80/81器件可以同時存貯兩組不同參數(shù)的五階濾波器配置 (CfgA和CfgB)，在進(jìn)行設(shè)計前其默認(rèn)值是空的(CfgA unknown, CfgB unknown),如圖7.3.12所示。ispPAC Designer軟件含有八千多種不同類型和參數(shù)的五階濾波器庫，設(shè)計者可以調(diào)用該庫從而方便地完成設(shè)計，方法如下。先設(shè)計第一個配置(CfgA)：雙擊 CfgA unknown所在的矩形框，產(chǎn)生如圖7.3.13

22、所示的五階濾波器庫。該庫中含有各種不同類型的濾波器，如巴塞爾濾波器(Bessel)、線性相位濾波器、高斯濾波器(Gaussian)、巴特沃斯濾波器(Butterworth)、切比雪夫濾波器（Chebyshev）橢圓濾波器等，每種類型的濾波器根據(jù)其參數(shù)值的不同，又分為不同的具體型號，共計8244種。根據(jù)設(shè)計要求選定一種濾波器，如第4001種(ID號為4000)的橢圓濾波器，雙擊該ID號，將該種濾波器拷貝進(jìn)ispPAC80的第一組配置Configuration A中。同樣可再選一種濾波器并將其拷貝進(jìn)Configuration B中。這時，圖7.3.12所示的 ispPAC80 圖形設(shè)計輸入環(huán)境變成

23、圖7.3.14所示。圖7.3.13 五階濾波器庫圖7.3.14 調(diào)入濾波器庫后的 ispPAC80 圖形設(shè)計輸入環(huán)境在圖7.3.14中，雙擊輸入儀表運(yùn)放IA圖標(biāo)，可以調(diào)整輸入增益倍數(shù)(1,2,5或10)。同樣，雙擊Wakeup=Cfg A的梯形圖標(biāo)，可以設(shè)置激活配置 Cfg A或Cfg B。在上述設(shè)計輸入完畢后，按Tools=>Run Simulator菜單，可對設(shè)計進(jìn)行仿真，其方法與ispPAC10的仿真方法相同。若仿真結(jié)果仍與設(shè)計要求有所偏差，則還可以調(diào)整圖7.3.14中的濾波器參數(shù) C1, C2, L2,C3,C4,L4和 C5(雙擊該處即可進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)整狀態(tài))。這些參數(shù)的含義如圖7

24、.3.15所示。圖7.3.15 ispPAC80內(nèi)部的五階濾波器簡化結(jié)構(gòu)示意圖7.4 PAC-Designer 軟件及開發(fā)實例7.4.1 PAC-Designer 軟件的安裝PAC-Designer 軟件的安裝步驟如下：（1）在 PAC-Designer 軟件的根目錄下，運(yùn)行setup.exe，根據(jù)提示步驟進(jìn)行安裝。（2）安裝完畢后重新啟動計算機(jī)。（3）PC機(jī)的每個硬盤均有一個8位的16進(jìn)制硬盤號，根據(jù)該硬盤號到Lattice公司網(wǎng)址上()申請一個運(yùn)行PAC-Designer軟件必須的許可文件license.dat，并將其拷貝至C:PAC-Designer (假定按軟件提示的目錄未作改動進(jìn)行了

25、安裝)目錄下。7.4.2 PAC-Designer 軟件的使用方法1. 設(shè)計輸入在Windows界面下，按Start=>Programs=>Lattice Semiconductor=>PAC-Designer菜單，進(jìn)入PAC-Designer軟件集成開發(fā)環(huán)境(主窗口)，如圖7.4.1所示。圖 7.4.1 PAC-Designer 軟件集成開發(fā)環(huán)境PAC-Designer軟件提供給用戶進(jìn)行ispPAC器件設(shè)計的是一個圖形設(shè)計輸入接口。在PAC-Designer軟件主窗口中按File=>New菜單，將彈出如圖7.4.2所示的對話框：圖7.4.2 產(chǎn)生新文件的對話框選擇所用

26、的PAC器件，如ispPAC10，進(jìn)入圖7.4.3所示的原理圖輸入環(huán)境，根據(jù)設(shè)計要求，在該圖的基礎(chǔ)上添加連線和編輯元件。雙擊某一結(jié)點(diǎn)，就會彈出連線對話框，按設(shè)計要求 圖7.4.3 ispPAC10原理圖編輯窗口連線即可。如在圖7.4.3中，將IN1連接到IA1的輸入端，OA1的輸出端連接到IA3的輸入端，OA2的輸出端連接到IA2的輸入端。雙擊要編輯的元件，就會彈出相應(yīng)元件的對話框，根據(jù)需要選擇即可。如根據(jù)上一節(jié)的計算，在圖7.4.3中，分別雙擊IA1、IA2、IA3，設(shè)置增益k11=2，k21=-1，k12=1，雙擊電容CF1、CF2，選擇CF1=29.7pF，CF2=60.6pF，OA1的

27、反饋電阻連通，OA2的反饋電阻斷開。2. 設(shè)計仿真原理圖輸入完成后，可使用PAC Designer中的模擬器（Simulator）對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，在主窗口中按Operation=>Simulator菜單，將彈出一個設(shè)置仿真參數(shù)的對話框，如圖7.4.4所示。在該對話框中確定仿真頻率的起始值和終止值、仿真點(diǎn)數(shù)、輸入結(jié)點(diǎn)和輸出結(jié)點(diǎn)。該軟件可同時仿真四條頻率特性曲線，每一條曲線可獨(dú)立設(shè)定仿真參數(shù)，如Curve 1設(shè)定為低通濾波器的頻率特性曲線，則其輸入結(jié)點(diǎn)為Ui1，輸出結(jié)點(diǎn)為Uout2，Curve 2設(shè)定為帶通濾波器的頻率特性曲線，則其輸入結(jié)點(diǎn)為Ui1,輸出結(jié)點(diǎn)為Uout1等。 圖7.4.4 ispPAC仿真曲線參數(shù)設(shè)置完成參數(shù)設(shè)置后，按Tool=>Run Simulator菜單即可進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果以幅頻特性和相頻特性曲線的形式給出，如圖7.4.5所示。圖7.4.4 雙二階