Поскольку современные электронные системы все чаще интегрируют датчики и работают во все более динамичных средах, ограничения фиксированных аналоговых схем становится все труднее игнорировать. Цифровая обработка может доминировать в сегодняшних системных архитектурах, но физический мир по своей природе по-прежнему аналоговый. Отправной точкой каждого датчика, привода и интерфейса является реальный электрический сигнал. Перед любой эффективной обработкой этих сигналов необходимо сначала выполнить усиление, фильтрацию и преобразование.
Поскольку низкая задержка реакции становится ключевым индикатором, а требования к приложениям развиваются, важность интерфейсов моделирования снова подчеркивается. Платформы промышленного мониторинга, медицинских инструментов, автомобильной электроники и Интернета вещей полагаются на точное и адаптивное преобразование сигнала. Небольшие улучшения качества аналогового сигнала часто напрямую приводят к повышению точности, надежности и эффективности системы.
Традиционно линия аналогового сигнала состоит из фиксированных функциональных элементов, таких как операционные усилители, фильтры и компараторы. Этот подход дает отличные результаты, когда требования стабильны и ясны. Однако по своей сути он жесткий. Изменения характеристик датчиков, условий эксплуатации или целевых показателей производительности часто требуют пересмотра схемы, изменения компоновки печатной платы и дополнительных циклов проверки.
Программируемая аналоговая матрица (FPAA) обеспечивает совершенно другой подход. Инженеры могут настраивать аналоговые функции с помощью программного обеспечения без использования фиксированной линии аналогового сигнала в аппаратном обеспечении. OKIKA Devices OTC2310K04-PIKA, Chameleon™ Фильтр нижних частот Баттерворта 8-го порядка и Apex Quad4 (рис. 1) иллюстрируют, как программируемая аналоговая архитектура применяется к реальной системе смешанных сигналов. В этой статье обсуждается, как работает FPAA, ее место в современных системных архитектурах, а также компромиссы, которые инженеры должны учитывать при оценке решений для программируемого моделирования.
Плата разработки Okika PiKa Quad FlexFPAA (нажмите, чтобы увеличить)
Рисунок 1: Плата разработки Okika PiKa Quad FlexFPAA. Источник изображения: Okika Devices)
Структурированные задачи моделирования моделирования
Аналоговые конструкции сталкиваются с различными проблемами, с которыми редко сталкиваются цифровые инженеры. Характеристики схемы очень чувствительны к допускам компонентов, температурному дрейфу, шумовой связи и эффектам компоновки. Небольшие изменения могут оказать существенное влияние на усиление, перекос, полосу пропускания или стабильность.
Процесс проверки и настройки часто занимает много времени и является итеративным. Проектировщик должен оценить производительность в пределах мощности и температуры, учесть допуски наихудшего случая и проверить соответствие требованиям на уровне системы. Для достижения высокой производительности печатные платы часто модифицируются несколько раз.
Итеративные затраты — давняя проблема. Изменение значения сопротивления или топологии фильтра обычно означает перепроектирование аппаратного обеспечения. Каждая редакция увеличивает стоимость, график и риск.
Последние изменения особенно разрушительны. Новые датчики, обновленные требования соответствия или неожиданные источники шума могут привести к значительным изменениям конструкции. В отличие от цифровых систем, эти проблемы не могут быть решены путем обновления прошивки. Отсутствие гибкости уже давно является структурным препятствием для сосредоточения внимания на системах моделирования.
Введение в программируемую аналоговую матрицу
FPGA — это интегральная схема с настраиваемыми аналоговыми функциями. FPAA опирается не на фиксированную внутреннюю схему, а на встроенный программируемый аналоговый строительный блок. Эти строительные блоки можно соединять между собой для формирования индивидуальных путей прохождения сигнала.
Типичные функции FPAA включают усиление, фильтрацию, интегрирование и сравнение. Одно и то же устройство может выполнять дифференцированную конфигурацию на разных этапах разработки продукта или даже полностью переопределить свое назначение для достижения новой функциональной ориентации. Эта возможность реконфигурации является решающей особенностью FPAA.
FPAA часто сравнивают с FPGA, хотя сходство заключается в концепции, а не в технологии. Оба основаны на многоразовых функциональных блоках и программируемых соединениях. Основное различие между ними заключается в том, что FPAA работает непосредственно в аналоговой области с непрерывным временем, обрабатывая сигналы реального мира без преобразования их в цифровую форму.
В гибридных сигнальных системах FPAA часто используется в качестве адаптивного аналогового интерфейса. Эти устройства располагаются между датчиком и АЦП или между ЦАП и исполнительным механизмом для улучшения качества сигнала перед началом цифровой обработки.
Базовая архитектура и модели конфигурации
FPAA построен на основе конфигурируемого аналогового блока (CAB), который составляет ядро устройства. Эти модули обычно используются для реализации таких функций, как усилители, фильтры, интеграторы и компараторы. Каждый модуль является программируемым, поэтому разработчик может установить такие параметры, как усиление, полоса пропускания, условия смещения и пороговые уровни, чтобы определить необходимые характеристики схемы.
Соединение этих модулей осуществляется посредством программируемых межсоединений (структур маршрутизации). Эта структура определяет, как сигнал проходит через устройство, и позволяет перестраивать или расширять цепочку сигналов без перепроектирования внешнего оборудования.
Конкретное поведение устройства определяется информацией о конфигурации и обычно хранится в виде списка переключателей или памяти конфигурации. Эта информация о конфигурации загружается при включении питания и устанавливается канал аналогового сигнала. Многие платформы FPAA также поддерживают быструю реконфигурацию, позволяя выполнять обновления во время разработки или, в некоторых случаях, во время эксплуатации.
Аналоговый интерфейс ввода-вывода соединяет FPAA с датчиком, АЦП, ЦАП и другими внешними компонентами. Эти интерфейсы специально разработаны для обеспечения предсказуемых уровней сигнала, стабильной работы и плавной интеграции со смешанными сигнальными системами.
Процесс проектирования и преимущества разработки
Разработка FPAA меняет способ проектирования систем моделирования. Вместо использования дискретных устройств для построения фиксированных функциональных схем инженеры используют интуитивно понятные, основанные на схемах инструменты конфигурации для определения поведения сигнала.
Проектировщик создает полную сигнальную линию, выбирая конфигурируемый аналоговый блок (CAB) и соединяя модули посредством программируемой проводной архитектуры (рис. 2). Ключевые параметры, такие как усиление, характеристики фильтрации и порог, можно установить непосредственно в программном обеспечении. Эта возможность позволяет перейти от громоздких ручных вычислений к более быстрым, гибким и более настраиваемым методам моделирования.
Полную ссылку на сигнал можно создать, выбрав конфигурируемый аналоговый блок (CAB) (нажмите «УВЕЛИЧИТЬ»).
Рисунок 2. Полные сигнальные цепочки создаются путем выбора настраиваемых аналоговых блоков (CAB) и соединения модулей с помощью программируемой кабельной архитектуры (источник: Okika Devices).
Поскольку дизайн можно обновить за считанные минуты, цикл итерации значительно ускоряется. Инженеры могут быстро исследовать альтернативы, оценивать компромиссы и постоянно улучшать производительность. При такой итеративной скорости может быть достигнута реальная оптимизация, которая часто невозможна при использовании традиционного аналогового оборудования, поскольку каждое изменение требует перепроектирования, реконфигурации и повторного тестирования.
Большинство платформ FPAA загружают конфигурацию при включении, а некоторые перенастраиваются при поддержке структурированных запусков, таких как переключение между режимами работы. В обоих случаях возможность изменять функции моделирования без замены аппаратного обеспечения сокращает время разработки, снижает затраты и продлевает жизненный цикл продукта. g.
Фактически, FPAA привносит в процесс моделирования программно-определяемую модель, выводя гибкость, эффективность и производительность электронной системы на новый уровень.
Общие приложения
Формирование сигнала датчика
Интерфейс датчика является основным вариантом использования FPAA. Многие датчики генерируют сигналы низкого уровня, шума или искажения и требуют усиления, фильтрации и калибровки перед оцифровкой.
FPAA может интегрировать эти функции в одно устройство, чтобы уменьшить количество компонентов и упростить внесение изменений в конструкцию. Сигнальные цепочки можно переконфигурировать, а не перепроектировать, когда характеристики датчика изменяются или необходимо усовершенствовать.
Это особенно важно для систем, поддерживающих несколько типов датчиков или изменяющихся требований.
Хорошим примером является ЭКГ или мониторинг ЭКГ. Электрические сигналы, измеряемые от человеческого тела, обычно составляют всего несколько милливольт и легко искажаются артефактами движения, помехами в линиях электропередачи и дрейфом базовой линии. Для достижения надежных измерений перед входом сигнала в АЦП необходимы точное усиление, фильтрация и подавление синфазного шума.