Elektronika Praktyczna 3/2000

90

N O W E P O D Z E S P O Ł Y

OA

OA

IA

IA

IA

IA

IA

OA

OA

OA

OA

IA

IA

IA

IA

IA

IA

Autokalib.

Autokalib.

Nap. odnies.

Nap. odnies.

Ster. ISP

Ster. ISP

E CMOS

2

E CMOS

2

ispPAC10

Wzmacniacz

pomiarowy

PACell

Wzmacniacz

wyjœciowy

PACell

Wzmacniacz

sumuj¹cy/filtr

PACblock

Matryca po³¹czeñ analog.

Matryca po³¹czeñ

analogowych

Kilka lat temu na rynku pojawi³y siÍ

programowalne uk³ady analogowe, op-
racowane przez amerykaÒsk¹ firmÍ IMP.
Jak siÍ jednak okaza³o, by³y one rynko-
w¹ efemeryd¹, ktÛra nie znalaz³a szer-
szego oddüwiÍku wúrÛd konstruktorÛw.
Przyczyn¹ tej poraøki by³a z†pewnoúci¹ s³aba
promocja nowych struktur, a†takøe nie naj-
lepsze parametry uk³adÛw, co spowodowa³o
znaczne zawÍøenie moøliwych obszarÛw za-
stosowaÒ. Z†tego teø powodu zapowiadane
od kilku miesiÍcy programowalne uk³ady
analogowe firmy Lattice oczekiwane by³y
przez nas z†ogromnym zainteresowaniem.

Pytanie podstawowe

Podstawowym pytaniem, na jakie musieli

sobie odpowiedzieÊ twÛrcy analogowych
uk³adÛw programowalnych, by³o: ìjaka jest
struktura zadaÒ realizowanych przez analo-
gowe fragmenty wspÛ³czesnych, typowych

systemÛw elektronicznychî? Znalezienie po-
prawnej odpowiedzi na to pytanie dostarcza
doskona³ych wytycznych do realizacji uni-
wersalnego uk³adu analogowego.

Z†duøym prawdopodobieÒstwem moøna

za³oøyÊ, øe przyjÍta przez inøynierÛw Lat-
tice'a†struktura zadaÒ ìanalogowychî by³a
zbliøona do prezentowanej na rys. 1. Jest to
najbardziej typowa architektura toru analo-
gowego wspÛ³pracuj¹cego z†systemem cyfro-
wym. Przetwarzaniem sygna³u przekszta³co-

nego do postaci cyfrowej zajmuje siÍ
mikrokontroler lub procesor sygna³o-
wy, ewentualnie inne uk³ady cyfrowe.
W†zaleønoúci od zadaÒ realizowanych
w†torze analogowym, sygna³ podda-
wany jest obrÛbce (np. filtracji), ktÛra
- obok regulowanego wzmocnienia -
jest jednym z†najwdziÍczniejszych te-
matÛw do realizacji w†analogowych
strukturach programowalnych.

Dwie (na razie)

odpowiedzi - odpowiedü
pierwsza

B e z p o ú r e d n i ¹ o d p o w i e d z i ¹ n a

wczeúniej postawione pytanie jest
uk³ad ispPAC10 (nazwa pochodzi od

ang. in-system-programmable Programmable
Analog Circuit). Jego wewnÍtrzn¹ budowÍ
przedstawiamy na rys. 2.

Podstawowym modu³em tego uk³adu jest

PACblock, ktÛry sk³ada siÍ z†dwÛch wejúcio-
wych, programowanych wzmacniaczy IA oraz
wyjúciowego wzmacniacza spe³niaj¹cego jed-
noczeúnie rolÍ aktywnego elementu filtrÛw,
uk³adÛw ca³kuj¹cych itp. Zakres regulacji
wzmocnienia stopni wejúciowych mieúci siÍ
w†przedziale -10..+10V/V, a†ich wejúciowa
impedancja wynosi ok. 1G

Ω

, dziÍki czemu

nie obci¹øaj¹ one praktycznie ürÛde³ sygna-
³u. Wzmacniacze wejúciowe i†wyjúciowe ope-
ruj¹ na sygna³ach przesy³anych rÛønicowo
(maksymalna amplituda sygna³Ûw wynosi
6V), co zapewnia duø¹ odpornoúÊ na zak³Û-
cenia. Moøliwa jest takøe ich praca w†trybie

Analogowe układy programowane
w systemie firmy Lattice

Uk³ady programowalne

jednoznacznie kojarz¹ siÍ

z†cyfrowymi strukturami

PLD/CPLD lub FPGA. Jeden

z†potentatÛw na tym rynku -

firma Lattice (obecnie po³¹czona

z†Vantisem) - wprowadzi³a do

produkcji uk³ady programowalne

zupe³nie nowej klasy, tworz¹c

tym samym wy³om

w†dotychczasowych

przyzwyczajeniach swoich

odbiorcÛw, a†w†najbliøszym

czasie zapewne takøe

w nawykach wielu ìtradycyjnychî

konstruktorÛw systemÛw

analogowych.

21

15

9

3

-3

-9

-15

-21

-27

-33

-39

1k

10k

100k

1M

10M

Czêstotliwoœæ [Hz]

Wzmocnienie [dB]

G = 1

G = 2

G = 5

G = 10

Rys. 3.

Rys. 1.

Rys. 2.

1k

10k

100k

-40

-50

-60

-70

-80

-90

-100

Ca³kowite zniekszta³cenia harmoniczne (dB)

Rload = 600



Czêstotliwoœæ [Hz]

1k

10k

100k

-40

-50

-60

-70

-80

-90

-100

Rload = 600



Ca³kowite zniekszta³cenia harmoniczne (dB)

Czêstotliwoœæ [Hz]

Rys. 5.

Rys. 4.

asymetrycznym, na co pozwala m.in. wbu-
dowane w†uk³ad ispPAC10 ürÛd³o napiÍcia
referencyjnego. W†uk³adzie ispPAC10 zin-
tegrowano cztery modu³y PACblock.

Kolejn¹ atrakcyjn¹ w³aúciwoúci¹ uk³adÛw

ispPAC10 jest wbudowany w†nie system au-
tokalibracji, ktÛry utrzymuje napiÍcie nie-
zrÛwnowaøenia na poziomie 1mV (wartoúÊ
maksymalna, w†najmniej sprzyjaj¹cych wa-
runkach!). Procedura autokalibracji wyzwa-
lana jest zewnÍtrznym sygna³em cyfrowym.

Tory analogowe uk³adu ispPAC10 zopty-

malizowano pod k¹tem aplikacji niskoczÍs-
totliwoúciowych. Wypadkowe pasmo prze-
n o s z e n i a m i e ú c i s i Í w † p r z e d z i a l e
330..550kHz dla wzmocnieÒ 10..1V/V (rys.
3). Bior¹c pod uwagÍ ma³e zniekszta³cenia
harmoniczne (rys. 4 i†5, odpowiednio dla
wzmocnieÒ 1†i†10V/V), duøy odstÍp sygna³u
od szumu (gwarantowane 103dB), moøliwoúÊ
niezaleønego projektowania szerokoúci pas-
ma i†po³oøenia biegunÛw funkcji przenosze-
nia oraz silne t³umienie sygna³u wspÛlnego
na wejúciach rÛønicowych (70dB) naleøy
stwierdziÊ, øe ispPAC10 jest doskona³ym
uk³adem do realizacji bardzo wymagaj¹cych
zadaÒ w†systemach analogowych.

Architektura uk³adu ispPAC10 predesty-

nuje go do stosowania jako bardzo elastycz-
nego interfejsu wejúcio-
wego toru analogowe-
go, z†moøliwoúci¹ rÛø-
norodnego filtrowania
i†wzmacniania lub t³u-
mienia przetwarzanego
sygna³u.

R e p r o g r a m o w a l n a

pamiÍÊ konfiguracji
EEPROM ma øywot-
noúÊ 10000 cykli, co
powoduje, øe w†prak-
tyce uk³ady ispPAC10
s¹ nieúmiertelne.

Odpowiedü

druga -
ispPAC20

WewnÍtrzna budo-

wa uk³adu ispPAC10
zapewnia jego duø¹
u n i w e r s a l n o ú Ê
i†wszechstronnoúÊ za-
s t o s o w a Ò , l e c z n i e

Tab. 1. Podstawowe parametry elektryczne
układów ispPAC.

Typ układu

ispPAC10

ispPAC20

Napięcie zasilania [V]

5

5

Pobór prądu [mA]

2321

Wydajność prądowa

10

10

wzmacniaczy wyjściowych
[mA]

Szybkość narastania

7,5

7,5

sygnału na wyjściu wzm.
[V/

µ

s]

Szybkość narastania

−

1,3

sygnału na wyjściu
przetwornika C/A [V/

µ

s]

Niestabilność wzmocnienia

20

20

w funkcji temperatury
[ppm/

o

C]

Napięcie wyjściowe

−3..+3

−3..+3

toru wzmacniaczy/filtrów
[V]

Obudowa

SOIC/DIP28

PLCC44

Uwagi:
1. Wejścia i wyjścia cyfrowe pracują

w standardzie TTL.

2. Gwarantowana monotoniczność konwersji

przetwornika C/A w ispPAC20 wynosi ±1LSB.

spe³nia wszystkich wy-
magaÒ, jakie czasami
stawiaj¹ konstruktorzy
wejúciowym obwodom
w†systemach przetwa-
rzania sygna³Ûw†analo-
gowych. WiÍkszoúÊ do-
datkowych funkcji zin-
tegrowano w†drugim
(jak na razie) uk³adzie
rodziny PAC, oznaczo-
nym symbolem isp-
PAC20. Schemat bloko-
wy jego wnÍtrza przed-
stawiamy na rys. 6.

Ma on dwa tory wzmocnienia/flitra-

cji, zbliøone do zastosowanych w†isp-
PAC10, 8-bitowy przetwornik C/A
z†wyjúciem napiÍciowym oraz dwa pro-
gramowalne komparatory analogowe.
Wyjúcie jednego†z†komparatorÛw moø-
na zaprogramowaÊ do pracy synchro-

nizowanej zewnÍtrznym sygna³em zegaro-
wym lub do pracy asynchronicznej. Dodat-
kowe moøliwoúci zapewnia element progra-
mowalny do³¹czony do wyjúÊ obydwu kom-
paratorÛw, ktÛry moøe spe³niaÊ rolÍ bramki
ExOR (steruje asynchroniczne wyjúcie WIN-
DOW) lub przerzutnika RS ustawianego syg-
na³em wyjúciowym jednego z†komparatorÛw
i†kasowanego sygna³em z†wyjúcia drugiego
komparatora.

Wzmacniacze wejúciowe w†PACblockach

s¹ nieco inne od stosowanych w†ispPAC10.
W†jednym z†dwÛch torÛw wzmacniania/fil-
tracji zastosowano wzmacniacz z†multiplek-
serem analogowym sterowany sygna³em
z†zewn¹trz, w†drugim torze obydwa wzmac-
niacze wejúciowe obs³uguj¹ po jednym ka-
nale, ale projektant moøe wybraÊ:
- jeden z†trzech sposobÛw zmiany polary-

zacji wzmacniacza wejúciowego,

- szybkoúÊ narastania sygna³u na wyjúciu

wzmacniacza.
W†interesuj¹cy sposÛb rozwi¹zano stero-

wanie wejúÊ przetwornika C/A. Moøna go
skonfigurowaÊ do pracy w†nastÍpuj¹cych try-
bach:
- jako standardowy przetwornik C/A z†8-

bitowym wejúciowym portem rÛwnoleg-
³ym,

- jako ürÛd³o napiÍcia (pr¹du) odniesienia,

ktÛrego wartoúÊ ustala konstruktor poprzez
odpowiedni wpis do nieulotnej pamiÍci
EEPROM zintegrowanej w†strukturze isp-
PAC20,

- jako przetwornik C/A programowany po-

przez interfejs szeregowy SPI, ktÛry wy-
korzystuje wyprowadzenia interfejsu
JTAG.
åcieøki dostarczania danych do przetwor-

nika C/A w†uk³adzie ispPAC20 przedstawia-
my na rys. 7.

Parametry PAC-Ûw

Poniewaø obydwa obecnie produkowane

uk³ady ispPAC wykonano z†wykorzysta-
niem prawie identycznych modu³Ûw, ich
parametry s¹ bardzo zbliøone. W†tab. 1
znajduje siÍ zestawienie najwaøniejszych
parametrÛw elektrycznych obydwu uk³a-
dÛw.

Programowanie

Obydwa uk³ady ispPAC wyposaøono

w†szeregowy interfejs JTAG. DziÍki niemu
moøliwe jest programowanie uk³adÛw bez-
poúrednio w†systemie, co pozwala m.in. do-
stosowaÊ parametry zaprojektowanego uk³a-
du do zmieniaj¹cych siÍ wymagaÒ aplikacji
bez koniecznoúci jego demontaøu.

Chc¹c umoøliwiÊ projektowanie aplika-

cji z†uk³adami ispPAC, firma Lattice op-

DAC

D7 (MSB)

D0 (LSB)

OUT1-

OUT1+

1

2

3

4

5

6

7
8

9

10

11

12
13

14
15

16

17

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

IA

IA

IA

IA

OA

OA

CP

CP

+

-

+

-

IN3+

IN1-

IN1+

GND

OUT2+

OUT2-

IN2+

IN2-

VS

D6

D5

D4
D3

D2

D1

CPIN+

CPIN-

GND

TDI

TMS

TC

K

PC

CS

TDO

DMODE

VS

WINDOW

CP1OUT

CP2OUT

IN3-

MSEL

ENSPI

TEST

VREFOUT

GND

CAL

CMVin

D

ACOUT+

D

ACOUT

-

VS

Analogowa matryca po³¹czeñ

E CMOS

2

Autokalibracja

Napiêcie odn.

Sterowanie ISP

ispPAC20

4

ispPAC20

lub

ispPAC10

Pozosta³e

uk³ady

PAC-Designer

Rys. 6.

Rys. 7.

Rys. 8.

N O W E P O D Z E S P O Ł Y

Elektronika Praktyczna 3/2000

92

N O W E P O D Z E S P O Ł Y

Symulator

Opis projektu

(schemat)

.TXT

Pliki

z raportem

Pliki dla

programatora

.SVF

ispPAC10

Evaluation Board

PAC

Biblioteki

PAC

Makra

.CSV

.JED

ispPAC10

racowa³a specjalny program narzÍdziowy
PACDesigner. SposÛb tworzenia projektu
za pomoc¹ PACDesignera przedstawiono

Rys. 9.

Rys. 11.

Rys. 10.

na rys. 9. Opis pro-
jektowanego uk³adu
jest prosty w†realiza-
cji, poniewaø rysuje
siÍ schemat po³¹czeÒ
pomiÍdzy wejúciami
i†wyjúciami poszcze-
g Û l n y c h m o d u ³ Û w ,
zawartych w struk -
t u r z e p r o g r a m o w a l -
nej, oraz konfiguruje
s i Í i c h p a r a m e t r y .
Przyk³adowy schemat
p r z e d s t a w i a m y n a
rys. 10. PACDesigner
j e s t w y p o s a ø o n y
w†analogowy symula-
t o r , k t Û r y p o z w a l a
szybko oceniÊ dzia³a-
nie zaprojektowanego

uk³adu (rys. 11). Projekt moøna zapisaÊ
w†postaci ürÛd³owej lub wynikowej (plik
w † f o r m a c i e J E D E C ) d l a p r o g r a m a t o r a .

Moøliwe jest takøe zaprogramowanie uk³a-
du bezpoúrednio z†poziomu PACDesigne-
ra.

Nieco wiÍcej szczegÛ³Ûw dotycz¹cych

PACDesignera przedstawiamy na str. 41.
Piotr Zbysiñski, AVT

[e-mail]

Program PACDesigner jest dostÍpny w†In-

ternecie (szczegÛ³y na str. 41) oraz na p³ycie
CD-EP3/2000 w†katalogu \Programy\PAC-
Designer.

Dokumentacja uk³adÛw ispPAC wraz

z†notami katalogowymi jest dostÍpna w†In-
ternecie na stronie www.latticesemi.com oraz
na p³ycie CD-EP3/2000 w†katalogu \Nowe
Podzespo³y\ispPAC.

Przedstawicielami Lattice'a w†Polsce s¹

firmy: Eurodis (tel. [phone]), WG-Elec-
tronics (tel. [phone]) oraz Setron
(tel. [phone]).