درک آرایه های آنالوگ قابل برنامه ریزی در طراحی های سیگنال مخلوط مدرن

با سیستم‌های الکترونیکی مدرن که به طور فزاینده‌ای حسگرها را یکپارچه می‌کنند و در محیط‌های پویا کار می‌کنند، نادیده گرفتن محدودیت‌های مدارهای آنالوگ ثابت به طور فزاینده‌ای دشوار می‌شود. پردازش دیجیتال ممکن است بر معماری سیستم های امروزی تسلط داشته باشد، اما جهان فیزیکی هنوز ماهیت آنالوگ دارد. نقطه شروع هر سنسور، محرک و رابط سیگنال الکتریکی واقعی است. قبل از هر گونه پردازش موثر این سیگنال ها، ابتدا باید تقویت، فیلتر و تهویه انجام شود.

با تبدیل شدن پاسخ با تأخیر کم به یک شاخص کلیدی و نیازهای برنامه در حال تکامل، اهمیت شبیه‌سازی قسمت‌های جلویی دوباره برجسته می‌شود. مانیتورینگ صنعتی، ابزار پزشکی، الکترونیک خودرو و پلتفرم‌های اینترنت اشیاء بر تنظیم دقیق و تطبیقی ​​سیگنال متکی هستند. بهبودهای کوچک در کیفیت سیگنال آنالوگ اغلب مستقیماً به دقت، قابلیت اطمینان و کارایی بیشتر سیستم منجر می شود.

به طور سنتی، پیوند سیگنال آنالوگ از عناصر عملکردی ثابت مانند تقویت کننده های عملیاتی، فیلترها و مقایسه کننده ها ساخته می شود. این رویکرد زمانی که الزامات پایدار و واضح باشد نتایج عالی را ارائه می دهد. با این حال، ذاتاً سفت و سخت است. تغییرات در ویژگی‌های حسگر، شرایط عملیاتی یا اهداف عملکرد اغلب نیازمند بازبینی‌های شماتیک، طراحی مجدد طرح PCB و چرخه‌های تأیید اضافی است.

آرایه آنالوگ قابل برنامه ریزی میدانی (FPAA) رویکرد بسیار متفاوتی را ارائه می دهد. مهندسان می توانند عملکردهای آنالوگ را از طریق نرم افزار بدون استفاده از پیوند سیگنال آنالوگ ثابت در سخت افزار پیکربندی کنند. دستگاه های OKIKA OTC2310K04-PIKA، آفتاب پرست ™ فیلتر پایین گذر 8 مرتبه Butterworth و Apex Quad4 (شکل 1) نشان می دهد که چگونه معماری آنالوگ قابل برنامه ریزی در یک سیستم سیگنال مختلط واقعی اعمال می شود. این مقاله نحوه کار FPAA، موقعیت آن در معماری سیستم های مدرن، و مهندسان مبادله ای را که باید هنگام ارزیابی راه حل های شبیه سازی قابل برنامه ریزی در نظر بگیرند، مورد بحث قرار می دهد.

برد توسعه Okika PiKa Quad FlexFPAA (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
شکل 1: برد توسعه Okika PiKa Quad FlexFPAA. منبع تصویر: Okika Devices)

چالش های ساختاریافته طراحی شبیه سازی
طرح های آنالوگ با چالش های مختلفی روبرو هستند که مهندسان دیجیتال به ندرت با آن مواجه می شوند. ویژگی های مدار به تحمل اجزا، رانش دما، کوپلینگ نویز و اثرات چیدمان بسیار حساس هستند. تغییرات کوچک می تواند تأثیر قابل توجهی بر افزایش، انحراف، پهنای باند یا پایداری داشته باشد.

فرآیند تأیید و تنظیم اغلب وقت گیر و تکراری است. طراح باید عملکرد را در محدوده توان و دما ارزیابی کند، تحمل‌های بدترین حالت را در نظر بگیرد و مطابقت با الزامات سطح سیستم را تأیید کند. برای دستیابی به عملکرد قوی، تخته های مدار اغلب چندین بار اصلاح می شوند.

هزینه های تکراری یک مشکل دیرینه است. تنظیم مقدار مقاومت یا توپولوژی فیلتر معمولاً به معنای طراحی مجدد سخت افزار است. هر تجدید نظر هزینه، برنامه و ریسک را اضافه می کند.

تغییرات اخیر به ویژه مخرب هستند. حسگرهای جدید، الزامات انطباق به روز یا منابع نویز غیرمنتظره می توانند طراحی مجدد قابل توجهی را مجبور کنند. بر خلاف سیستم های دیجیتال، این مشکلات با ارتقاء سیستم عامل قابل حل نیستند. عدم انعطاف پذیری مدت هاست که یک محدودیت ساختاری در تمرکز بر سیستم های شبیه سازی بوده است.

مقدمه ای بر آرایه آنالوگ قابل برنامه ریزی میدانی
FPGA یک مدار مجتمع با عملکردهای آنالوگ قابل تنظیم است. FPAA به یک مدار داخلی ثابت متکی نیست، بلکه یک بلوک ساختمانی آنالوگ قابل برنامه ریزی داخلی است. این بلوک‌های ساختمانی را می‌توان برای ایجاد مسیرهای سیگنال سفارشی‌شده به هم متصل کرد.

توابع معمولی FPAA شامل تقویت، فیلتر کردن، ادغام و مقایسه است. همان دستگاه می تواند پیکربندی متفاوتی را در مراحل مختلف توسعه محصول انجام دهد یا حتی هدف خود را برای دستیابی به جهت گیری عملکردی جدید کاملاً بازتعریف کند. این قابلیت پیکربندی مجدد یک ویژگی تعیین کننده FPAA است.

FPAA ها اغلب با FPGA مقایسه می شوند، اگرچه شباهت ها در مفهوم به جای فناوری نهفته است. هر دو به بلوک های عملکردی قابل استفاده مجدد و اتصالات قابل برنامه ریزی متکی هستند. تفاوت اصلی بین این دو این است که FPAA مستقیماً در دامنه آنالوگ زمان پیوسته عمل می کند و سیگنال های دنیای واقعی را بدون تبدیل آنها به شکل دیجیتال پردازش می کند.

در سیستم های سیگنال هیبریدی، FPAA اغلب به عنوان یک جلوی آنالوگ تطبیقی ​​استفاده می شود. این دستگاه ها بین سنسور و ADC یا بین DAC و محرک قرار دارند تا کیفیت سیگنال را قبل از شروع پردازش دیجیتال بهبود بخشند.

معماری اصلی و مدل‌های پیکربندی
FPAA حول یک بلوک آنالوگ قابل تنظیم (CAB) ساخته شده است که هسته دستگاه را تشکیل می دهد. این ماژول ها معمولاً برای پیاده سازی توابعی مانند تقویت کننده ها، فیلترها، یکپارچه سازها و مقایسه کننده ها استفاده می شوند. هر ماژول قابل برنامه ریزی است بنابراین طراح می تواند پارامترهایی مانند بهره، پهنای باند، شرایط آفست و سطوح آستانه را برای تعریف مشخصات مدار مورد نیاز تنظیم کند.

اتصال این ماژول ها از طریق اتصالات قابل برنامه ریزی (ساختارهای مسیریابی) حاصل می شود. این ساختار چگونگی جریان سیگنال از طریق دستگاه را مشخص می کند و امکان تنظیم مجدد یا گسترش زنجیره سیگنال را بدون طراحی مجدد سخت افزار خارجی فراهم می کند.

رفتار خاص یک دستگاه با اطلاعات پیکربندی تعریف می شود و معمولاً به شکل یک لیست سوئیچ یا حافظه پیکربندی ذخیره می شود. این اطلاعات پیکربندی در هنگام روشن شدن بارگذاری می شود و یک مسیر سیگنال آنالوگ ایجاد می شود. بسیاری از پلتفرم‌های FPAA از پیکربندی مجدد سریع پشتیبانی می‌کنند و به‌روزرسانی‌ها را در حین توسعه یا در برخی موارد در حین کار امکان‌پذیر می‌سازد.

رابط ورودی/خروجی آنالوگ FPAA را با سنسور، ADC، DAC و سایر اجزای خارجی متصل می کند. این رابط ها به طور خاص برای اطمینان از سطوح سیگنال قابل پیش بینی، عملکرد پایدار و ادغام یکپارچه با سیستم های سیگنال مختلط طراحی شده اند.

فرآیند طراحی و مزایای توسعه
توسعه FPAA نحوه طراحی سیستم های شبیه سازی را تغییر می دهد. مهندسان به جای استفاده از دستگاه‌های مجزا برای ساخت مدارهای عملکردی ثابت، از ابزارهای پیکربندی مبتنی بر شماتیک برای تعریف رفتار سیگنال استفاده می‌کنند.

طراح با انتخاب یک بلوک آنالوگ قابل تنظیم (CAB) و اتصال ماژول ها از طریق یک معماری سیم کشی قابل برنامه ریزی، یک پیوند سیگنال کامل ایجاد می کند (شکل 2). پارامترهای کلیدی مانند بهره، ویژگی های فیلتر و آستانه را می توان به طور مستقیم در نرم افزار تنظیم کرد. این قابلیت طراحی شبیه سازی را از محاسبات دستی دست و پاگیر به روش های سریع تر، انعطاف پذیرتر و قابل تنظیم تر تغییر می دهد.

پیوند سیگنال کامل را می توان با انتخاب بلوک آنالوگ قابل تنظیم (CAB) ایجاد کرد (روی ZOOM IN کلیک کنید)
شکل 2: زنجیره های سیگنال کامل با انتخاب بلوک های آنالوگ قابل تنظیم (CAB) و اتصال ماژول ها از طریق یک معماری کابل کشی قابل برنامه ریزی ایجاد می شوند (منبع: Okika Devices)

از آنجایی که طرح را می توان در عرض چند دقیقه به روز کرد، چرخه تکرار به طور قابل توجهی سریعتر است. مهندسان می توانند به سرعت گزینه های جایگزین را بررسی کنند، مبادلات را ارزیابی کنند و به طور مداوم عملکرد را بهبود بخشند. با این سرعت تکراری، بهینه‌سازی واقعی می‌تواند حاصل شود، که اغلب با سخت‌افزار آنالوگ سنتی امکان‌پذیر نیست، زیرا هر تغییری نیاز به طراحی مجدد، پیکربندی مجدد و آزمایش مجدد دارد.

اکثر پلتفرم‌های FPAA هنگام روشن شدن، پیکربندی را بارگیری می‌کنند، در حالی که برخی از آن‌ها هنگام پشتیبانی از اجراهای ساخت‌یافته، مانند جابه‌جایی بین حالت‌های عملیاتی، مجدداً پیکربندی می‌شوند. در هر دو مورد، توانایی اصلاح توابع شبیه سازی بدون تغییر سخت افزار زمان توسعه را کوتاه می کند، هزینه ها را کاهش می دهد و چرخه عمر محصول را طولانی می کند.

در واقع، FPAA یک مدل نرم افزاری تعریف شده را به طراحی شبیه سازی می آورد و انعطاف پذیری، کارایی و عملکرد سیستم الکترونیکی را به سطح جدیدی می رساند.

برنامه های کاربردی رایج
تهویه سیگنال سنسور
رابط حسگر مورد استفاده اولیه برای FPAA است. بسیاری از حسگرها سیگنال‌های سطح پایین، نویز یا کج را تولید می‌کنند و قبل از دیجیتالی شدن نیاز به تقویت، فیلتر کردن و کالیبراسیون دارند.

FPAA می تواند این توابع را در یک دستگاه واحد ادغام کند تا تعداد اجزا را کاهش دهد و تغییرات طراحی را ساده کند. هنگامی که ویژگی های حسگر تغییر می کند یا نیاز به توسعه دارد، زنجیره های سیگنال را می توان به جای طراحی مجدد، پیکربندی مجدد کرد.

این امر به ویژه برای سیستم هایی که از انواع سنسورهای متعدد یا نیازهای متغیر پشتیبانی می کنند، مهم است.

مانیتورینگ ECG یا EKG مثال خوبی است. سیگنال های الکتریکی اندازه گیری شده از بدن انسان معمولاً تنها چند میلی ولت هستند و به راحتی توسط مصنوعات حرکتی، تداخل خط برق و رانش خط پایه مختل می شوند. برای دستیابی به اندازه گیری قابل اعتماد، تقویت دقیق، فیلتر کردن و سرکوب نویز حالت رایج قبل از ورود سیگنال ها به ADC مورد نیاز است.