《模擬電子技術》課件第11章

11.1

ispPAC簡介

1999年Lattice公司推出了在系統(tǒng)可編程模擬電路(InSystemProgrammabilityProgrammableAnalogCircuits,ispPAC)，翻開了模擬電路設計方法的新篇章。為電子設計自動化(EDA)技術的應用開拓了更廣闊的前景。與數字的在系統(tǒng)可編程大規(guī)模集成電路(ispLSI)一樣，在系統(tǒng)可編程模擬器件允許設計者使用開發(fā)軟件在計算機中設計、修改模擬電路，進行電路特性模擬，最后通過編程電纜將設計方案下載至芯片中。在系統(tǒng)可編程模擬器件可實現三種功能：信號調理、信號處理和信號轉換。信號調理主要指能夠對信號進行放大、衰減、濾波操作。信號處理是指對信號進行求和、求差、積分運算。信號轉換是指把數字信號轉換成模擬信號。

ispPAC的開發(fā)軟件為PACDesigner，軟件主要特征：設計輸入方式為原理圖輸入，可觀測電路的幅頻特性和相頻特性。支持的器件：ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30、ispPAC80、ispPAC81。開發(fā)軟件內含用于低通濾波器設計的宏，并能將設計直接下載。

11.2

PACDesigner軟件及其使用

11.2.1

PAC＝Designer軟件的安裝

PACDesigner軟件的安裝步驟如下：

(1)在PACDesigner軟件的根目錄下，運行setup.exe，根據提示步驟進行安裝。

(2)安裝完畢后重新啟動計算機。

(3)運行PACDesigner軟件必須的許可文件license.dat，并將其拷貝至C:＼PAC－Designer(假定軟件安裝在C盤的根目錄下)目錄下。11.2.2

PACDesigner軟件的使用方法

1.創(chuàng)建新文件

以下將通過一個簡單的例子——用一個PAC塊實現直流增益為7的放大器來說明用PACDesigner軟件對ispPAC10的基本操作。點擊WindowsXP的“開始”/“程序”/“LatticeSemiconductor”/“PACDesigner”，就進入PACDesigner的開發(fā)設計環(huán)境。點擊“File”菜單中的“New...”選項，此時會彈出如圖11－1所示的對話框，選擇ispPAC10，點擊“OK”按鈕。圖11－1新建文件對話框圖11－2圖形設計輸入環(huán)境

2.ispPAC10器件簡介

圖11－2所示的圖形設計輸入環(huán)境中清晰地展示了ispPAC10的內部結構：兩個輸入儀用放大器(IA)和一個輸出運算放大器(OA)組成一個PACBlock；4個PACBlock模塊組成整個ispPAC10器件。

每個PAC塊都可以獨立地構成電路，也可以采用級聯的方式構成電路以實現復雜的模擬電路功能。圖11－3表示了兩種不同的連接方法。(a)圖表示各個PAC塊作為獨立的電路工作，(b)圖為4個PAC塊級聯構成一個復雜的電路。利用基本單元電路的組合可進行放大、求和、積分、濾波?？梢詷嫵傻屯p二階有源濾波器和梯型濾波器，且無須在器件外部連接電阻、電容元件。圖11－3

ispPAC10中不同的使用形式

3.鼠標的各種狀態(tài)介紹

在進行設計時所需做的工作僅僅是在該圖的基礎上添加連線和選擇元件的參數。圖形設計輸入環(huán)境提供了良好的用戶界面，繪制原理圖的大部分操作可用鼠標來完成，因此有必要對設計過程中鼠標所處的各種狀態(tài)作一簡單介紹，參見表11－1。表11－1

PACDesigner軟件中鼠標的類型

4.設計操作

我們只需將K1設為7，信號從VIN1輸入，VIN2無信號輸入即可。具體設置步驟如下：

(1)用鼠標左鍵雙擊IA1的連線端，將出現一個連接對話框，如圖11－4所示。

(2)選擇“IN1”，點擊“OK”按鈕，即可將IA1連線至IN1，如圖11－5所示。圖11－4

VIN1內部連線選擇圖11－5

IA1連線至IN1

(3)再用鼠標左鍵雙擊IA1上的“1”，將出現一個增益選擇對話框，如圖11－6所示。

(4)選定“7”，點擊“OK”按鈕。到此，直流增益為7的放大器就設計就完成了，選擇“File→Save”菜單命令存盤，其效果如圖11－7所示。圖11－6增益選擇對話框圖11－7效果圖

5.仿真操作

當完成設計輸入后，需要對設計作仿真以驗證電路的特性是否與設計的初衷相吻合。PACDesigner軟件的仿真結果是以幅頻和相頻曲線的形式給出的，仿真步驟如下：

（1）設置仿真參數：選擇“Operations→Simulator”菜單命令，彈出如圖11－8所示的仿真參數設置對話框。圖11－8仿真參數設置對話框

(2)實施仿真：在完成仿真參數設置后即可選擇“Tools→RunSimulator”菜單命令進行仿真操作，其結果如圖11－9所示。圖11－9仿真結果由于幅頻/相頻曲線為對數曲線，為了減少觀看時的讀數誤差，PACDesigner軟件提供了“十”字型讀數標尺的功能：選擇“View→CrossHair”菜單命令，將鼠標移至曲線上某一點，單擊鼠標左鍵，即可看見便于讀數用的“十”字型標尺。與此同時，在窗口的右下角會顯示對應的頻率、幅值和相位值。

6.器件編程

完成設計輸入和仿真操作后，就要對PAC器件進行編程，需要一個標準的+5V電源和四芯的JTAG串行接口。給含有ispPAC器件和+5V電源的印刷線路板上電，將PC機并行口用JTAG串型接口的編程電纜與ispPAC器件連上。

檢查完硬件部分正確連接后，選擇“Tools→Download”菜單命令即可完成整個器件編程工作。

7.庫文件處理

安裝完PACDesigner軟件后，會在存放該軟件目錄的＼libarary子目錄下生成一系列.pac的設計源文件作為庫文件，用戶可在設計中選擇“File→BrowseLibarary”菜單命令調用這些文件并在此基礎上改進，從而方便地完成自己的設計。用戶也可將自己設計的文件(*.pac)放入該目錄下作為新的庫文件，以備以后的設計調用。

8.器件加密

選擇“Edit→Security”菜單命令，可以設定設計下載至ispPAC器件后能否允許被讀出，起加密保護作用。 11.3

PAC的接口電路

模擬信號輸入至ispPAC器件時，要根據輸入信號的性質考慮是否需要設置外部接口電路。這主要分成三種情況。

(1)若輸入信號共模電壓接近Vs/2，則信號可以直接與ispPAC的輸入引腳相連。

(2)倘若信號中未含有這樣的直流偏置，那么需要有外部電路，如圖11－10所示。圖11－10直流耦合偏置

(3)若是交流偶合，外加電路如圖11－11所示。此電路構成了一個高通濾波器，其截止頻率為1/(2πRC)，電路給信號加了一個直流偏置。電路中的VREFOUT可以用兩種方式給出。直接與器件的VREFOUT引腳相連時，電阻最小取值為200kΩ；采用VREFOUT緩沖電路，電阻最小取值為600Ω。

VREFOUT輸出為高阻抗，當用作為參考電壓輸出時，要進行緩沖，如圖11－12所示。注意PAC塊的輸入不連接，反饋連接端要閉合。此時輸出放大器的輸出為VREFOUT或2.5V，這樣每個輸出成為VREFOUT電壓源，但不能將兩個輸出端短路。圖11－11具有直流偏置的交流耦合輸入

(3)若是交流偶合，外加電路如圖11－11所示。此電路構成了一個高通濾波器，其截止頻率為1/(2πRC)，電路給信號加了一個直流偏置。電路中的VREFOUT可以用兩種方式給出。直接與器件的VREFOUT引腳相連時，電阻最小取值為200kΩ；采用VREFOUT緩沖電路，電阻最小取值為600Ω。

VREFOUT輸出為高阻抗，當用作為參考電壓輸出時，要進行緩沖，如圖11－12所示。注意PAC塊的輸入不連接，反饋連接端要閉合。此時輸出放大器的輸出為VREFOUT或2.5V，這樣每個輸出成為VREFOUT電壓源，但不能將兩個輸出端短路。圖11－12

PAC塊用作VREFOUT

11.4

ispPAC設計實例

11.4.1簡單增益設計

下例中，4個PAC塊相互獨立。PAC塊1和PAC塊2都只用一個儀用放大器分別實現7倍和4倍增益；PAC塊3和PAC塊4用兩個儀用放大器疊加，分別實現13倍和19倍增益。電路連接如圖11－13所示。圖11－13簡單增益設計11.4.2級聯增益設計

下例用兩個PAC塊實現較高增益。PAC塊1和PAC塊2級聯實現74倍增益，PAC3和PAC4實現139倍增益。電路連接如圖11－14所示。圖11－14級聯增益11.4.3分數增益設計

在這個例子中，PAC塊1和PAC塊2分別實現7/4和3/10倍增益，PAC塊3和PAC塊4級聯實現3/50倍增益。電路連接如圖11－15所示。圖11－15分數增益11.4.4四路加法器設計

下例用3個PAC塊實現四路加法器。此例可以實現Y=K6×（K8×（K3×S2+K4×S1）+K7×S4）+K5×S3，S1、S2、S3、S4為四路輸入信號，Y為輸出信號，K3、K4、K5、K6、K7、K8為各個儀用放大器的增益，這里都為1，所以可表示為Y=S1+S2+S3+S4。電路連接如圖11－16所示。圖11－16四路加法器11.4.5積分電路設計

在這個例子中，PAC塊1、3、4都作為2.5V參考電壓輸出，即PAC塊的儀用放大器不與輸入/輸出線連接。PAC塊2作為積分電路，將反饋電容設為61.59pF，如圖11－17所示。

當IN2輸入口輸入頻率為8kHz左右的方波時，可以用示波器接OUT2進行觀察，可看到三角波。圖11－17積分電路實驗11.4.6切比雪夫濾波器設計

這個例子實現的是四階低通切比雪夫濾波器，它的通帶紋波為0.5dB，截止頻率為65kHz。該濾波器是由調用宏產生的。選擇“Tools→RunMacro...”菜單命令(如圖11－18所示)后,彈出如圖11－19所示的“RunMacro”對話框。該對話框中有三種macro可運行:

(1)ispPAC10_Biquad.exe：產生適用于ispPAC10的雙二階濾波器；

(2)ispPAC10_Ladder.exe：產生適用于ispPAC10的巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)等類型的濾波器；

(3)ispPAC20_Biquad.exe：產生適用于ispPAC20的雙二階濾波器。圖11－18選擇“Tools→RunMacro...”菜單命令圖11－19“RunMacro”對話框本例選擇第一個選項，單擊“OK”按鈕，彈出如圖11－20所示的“LadderFilterGenerator”對話框，在該對話框的“Ripple”欄選擇“Chebyshev_0.5dB”，然后在“CutoffFrequency”欄選擇65.01。圖11－20“LadderFilterGenerator”對話框點擊“GenerateSchematic”按鈕，生成的電路如圖11－21所示。圖11－21濾波器電路圖11－22濾波器的仿真曲線11.4.7

ispPAC20的設計

ispPAC20在ispPAC10的基礎上增加了通道選擇器、極性控制器、兩個比較器和一個8位的D/A轉換器，如圖11－23所示。圖11－23

ispPAC20濾波器圖形設計環(huán)境

1.PCA塊

PAC20的兩個PAC塊和PAC10的PAC塊差不多，只是PAC塊1的一個儀用放大器的前端有一個兩路通道選擇器,由外部引腳MSEL來控制。當MSEL接高電平時，選通通道b；當MSEL接低電平時，選通通道a。PAC塊2的一個儀用放大器的前端有一個極性控制器，由外部引腳PC來控制。當PC為低電平時，極性不反向；為高電平時，極性反向（這里要把PC的應用方式設置為外部管腳）。PAC塊2的增益調節(jié)范圍為-1～-10，還可以通過改變PC管腳的電平來達到-10～10的增益。DAC的應用方式有4種，其中內部置數和外部并行輸入最為常用。當設置為內部置數時，外部引腳DMode接低電平，ENPSI接低電平；當設置為外部并行輸入時，外部引腳DMode接高電平，ENPSI接低電平，當輸入數據改變時，要給管腳CS發(fā)一個脈沖，它的上升沿將新數據鎖存，使之有效。

2.比較器

在ispPAC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，當正的輸入端電壓相對于負的輸入端電壓為正時，比較器輸出為高電平。另外比較器還有一些其他可選擇的功能。

3.D/A轉換器

這是一個8位電壓輸出的DAC。接口方式可自由選擇為：①8位的并行方式;②串行JTAG尋址方式；③串行SPI尋址方式。在串行方式中，數據總長度為8位，D0處于數據流的首位，D7為最末位。DAC的輸出是完全差分方式，可以與器件內部的比較器或放大器相連，也可以直接輸出。

例如，電壓比較器U>0.5V，則CP1OUT=1；U<0.25V，則CP2OUT=1；而當0.5V<U<0.25V時，不輸出信號，當超過上、下限時分別由CP1OUT和CP2OUT輸出信號。

ispPAC20的電壓比較器電路如圖11－24所示。圖11－24

ispPAC20的電壓比