N O W E P O D Z E S P O A
Y
Analogowe układy programowane
w systemie firmy Lattice
Kilka lat temu na rynku pojawiÅ‚y siÍ
Układy programowalne
programowalne układy analogowe, op-
jednoznacznie kojarzÄ… siÍ
racowane przezamerykaÒskÄ…firmÍIMP.
z cyfrowymi strukturami
Jak siÍ jednak okazaÅ‚o, byÅ‚y one rynko-
PLD/CPLD lub FPGA. Jeden
wÄ… efemerydÄ…, ktÛra nie znalazÅ‚a szer-
z potentatÛw na tym rynku -
szego oddüwiÍku wÅ›rÛd konstruktorÛw.
firma Lattice (obecnie połączona
PrzyczynÄ…tej poraÅ‚ki byÅ‚az pewnoÅ›ciÄ…sÅ‚aba nie obciÄ…Å‚ajÄ… one praktycznie ürÛdeÅ‚ sygna-
z Vantisem) - wprowadziła do promocja nowych struktur, a takłe nie naj- łu. Wzmacniacze wejściowei wyjścioweope-
lepsze parametry ukÅ‚adÛw, co spowodowaÅ‚o rujÄ… na sygnaÅ‚ach przesyÅ‚anych rÛÅ‚nicowo
produkcji układy programowalne
znaczne zawÍÅ‚enie moÅ‚liwych obszarÛw za- (maksymalna amplituda sygnaÅ‚Ûw wynosi
zupełnie nowej klasy, tworząc
stosowaÒ. Z tego teÅ‚ powodu zapowiadane 6V), co zapewnia duÅ‚Ä… odpornośĘ na zakÅ‚Û-
tym samym wyłom
od kilku miesiÍcy programowalne ukÅ‚ady cenia. MoÅ‚liwa jest takÅ‚e ich praca w trybie
w dotychczasowych
analogowe firmy Lattice oczekiwane były
21
przyzwyczajeniach swoich
przez nas z ogromnym zainteresowaniem.
G = 10
odbiorcÛw, a w najbliÅ‚szym 15
G = 5
czasie zapewne takłe Pytanie podstawowe
9
Podstawowym pytaniem, na jakie musieli
w nawykach wielu ìtradycyjnychî
sobie odpowiedzieĘ twÛrcy analogowych 3 G = 2
konstruktorÛw systemÛw
ukÅ‚adÛw programowalnych, byÅ‚o: ìjaka jest
analogowych.
-3
struktura zadaÒ realizowanych przez analo-
G = 1
gowe fragmenty wspÛÅ‚czesnych, typowych
-9
-15
-21
-27
-33
-39
Rys. 1.
1k 10k 100k 1M 10M
systemÛw elektronicznychî? Znalezienie po-
Rys. 3.
CzęstotliwoS
ć [Hz]
prawnej odpowiedzi na to pytanie dostarcza
doskonałych wytycznych do realizacji uni-
-40
wersalnego układu analogowego.
Z duÅ‚ym prawdopodobieÒstwem moÅ‚na
zaÅ‚oÅ‚yĘ, Å‚e przyjÍta przez inÅ‚ynierÛw Lat- -50
tice'a struktura zadaÒ ìanalogowychî byÅ‚a
zbliłona do prezentowanej na rys. 1. Jest to
-60
najbardziej typowa architektura toru analo-
gowego wspÛÅ‚pracujÄ…cego z systemem cyfro-
wym. Przetwarzaniem sygnału przekształco- -70
nego do postaci cyfrowej zajmuje siÍ
Rload = 600
mikrokontroler lub procesor sygnało-
IA
-80
wy, ewentualnie inne układy cyfrowe.
IA
OA OA
IA W zaleÅ‚noÅ›ci od zadaÒ realizowanych
w torze analogowym, sygnał podda-
Wzmacniacz Wzmacniacz Wzmacniacz -90
wany jest obrÛbce (np. filtracji), ktÛra
pomiarowy wyjS
ciowy sumujÄ…cy/filtr
PACell PACell PACblock
- obok regulowanego wzmocnienia -
jest jednym z najwdziÍczniejszych te- -100
1k 10k 100k
matÛw do realizacji w analogowych
IA
Rys. 4. CzęstotliwoS
ć [Hz]
strukturach programowalnych.
OA
IA
-40
Dwie (na razie)
IA
odpowiedzi - odpowiedü
OA
IA
pierwsza
-50
Matryca połączeń analog.
Bezpośrednią odpowiedzią na
wcześniej postawione pytanie jest
IA
układ ispPAC10 (nazwa pochodzi od -60
OA
IA
ang. in-system-programmable Programmable
Rload = 600
Analog Circuit). Jego wewnÍtrznÄ… budowÍ
IA
-70
przedstawiamy na rys. 2.
OA
IA
Podstawowym modułem tego układu jest
2
Autokalib. E CMOS PACblock, ktÛry skÅ‚ada siÍ z dwÛch wejÅ›cio- -80
Nap. odnies. Ster. ISP wych, programowanych wzmacniaczyIA oraz
wyjściowego wzmacniacza spełniającegojed-
-90
ispPAC10
noczeÅ›nie rolÍ aktywnego elementu filtrÛw,
ukÅ‚adÛw caÅ‚kujÄ…cych itp. Zakres regulacji
Autokalib. Nap. odnies.
wzmocnienia stopni wejÅ›ciowych mieÅ›ci siÍ
Matryca połączeń
-100
analogowych
1k 10k 100k
w przedziale -10..+10V/V, a ich wejściowa
Ster. ISP
E2CMOS
CzęstotliwoS
ć [Hz]
impedancja wynosi ok. 1G&!, dziÍki czemu
Rys. 2. Rys. 5.
Elektronika Praktyczna 3/2000
90
Wzmocnienie [dB]
Całkowite zniekształcenia harmoniczne (dB)
Całkowite zniekształcenia harmoniczne (dB)
N O W E P O D Z E S P O A
Y
spełnia wszystkich wy-
magaÒ, jakie czasami
stawiajÄ… konstruktorzy
PAC-Designer
wejściowym obwodom
6 5 4 3 2 1 44 43 42 41 40
w systemach przetwa-
Pozostałe
IN3+ 7 39 D7 (MSB)
rzania sygnaÅ‚Ûw analo-
układy
IA
IN1- 8 38 D6
+ gowych. WiÍkszośĘ do-
OA CP
- 37 D5
IN1+ 9
datkowych funkcji zin-
IA
OUT1- 10 36 D4 tegrowano w drugim
ispPAC20
(jak na razie) układzie
OUT1+ 11 35 D3 4 ispPAC20
IA
lub
rodziny PAC, oznaczo-
GND 12 34 D2
+
ispPAC10
OA CP
nym symbolem isp-
-
OUT2+ 13 33 D1
IA
PAC20. Schematbloko-
OUT2- 14 32 D0 (LSB)
Analogowa matryca połączeń
wyjego wnÍtrza przed-
IN2+ 15 31 CPIN+ Rys. 8.
2
E CMOS Napięcie odn.
stawiamy na rys. 6.
IN2- 16 30 CPIN-
DAC
Ma on dwa tory wzmocnienia/flitra- - jako ürÛdÅ‚o napiÍcia (prÄ…du) odniesienia,
Autokalibracja Sterowanie ISP
VS 17 29 GND
cji, zbliÅ‚one do zastosowanych w isp- ktÛrego wartośĘ ustalakonstruktor poprzez
PAC10, 8-bitowy przetwornik C/A odpowiedni wpis do nieulotnej pamiÍci
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
z wyjÅ›ciem napiÍciowym oraz dwa pro- EEPROM zintegrowanej w strukturze isp-
gramowalne komparatory analogowe. PAC20,
WyjÅ›cie jednego z komparatorÛw moÅ‚- - jako przetwornik C/A programowany po-
Rys. 6.
na zaprogramowaĘ do pracy synchro- przez interfejs szeregowy SPI, ktÛry wy-
asymetrycznym, na co pozwala m.in. wbu- nizowanej zewnÍtrznym sygnaÅ‚em zegaro- korzystuje wyprowadzenia interfejsu
dowane w ukÅ‚ad ispPAC10 ürÛdÅ‚o napiÍcia wym lub do pracy asynchronicznej. Dodat- JTAG.
referencyjnego. W ukÅ‚adzie ispPAC10 zin- kowe moÅ‚liwoÅ›ci zapewnia element progra- åcieÅ‚ki dostarczania danych do przetwor-
tegrowano cztery moduły PACblock. mowalny dołączony do wyjśĘ obydwu kom- nika C/A w układzie ispPAC20 przedstawia-
KolejnÄ… atrakcyjnÄ… wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciÄ… ukÅ‚adÛw paratorÛw, ktÛry moÅ‚e speÅ‚niaĘ rolÍ bramki my na rys. 7.
ispPAC10 jest wbudowany w nie system au- ExOR (steruje asynchroniczne wyjście WIN-
tokalibracji, ktÛry utrzymuje napiÍcie nie- DOW) lub przerzutnika RS ustawianego syg- Parametry PAC-Ûw
zrÛwnowaÅ‚enia na poziomie 1mV (wartośĘ naÅ‚em wyjÅ›ciowym jednego z komparatorÛw PoniewaÅ‚ obydwa obecnie produkowane
maksymalna, w najmniej sprzyjających wa- i kasowanego sygnałem z wyjścia drugiego układy ispPAC wykonano z wykorzysta-
runkach!). Procedura autokalibracji wyzwa- komparatora. niem prawie identycznych moduÅ‚Ûw, ich
lana jest zewnÍtrznym sygnaÅ‚em cyfrowym. Wzmacniacze wejÅ›ciowe w PACblockach parametry sÄ… bardzo zbliÅ‚one. W tab. 1
Tory analogowe ukÅ‚adu ispPAC10 zopty- sÄ… nieco inne od stosowanych w ispPAC10. znajduje siÍ zestawienie najwaÅ‚niejszych
malizowano pod kÄ…tem aplikacji niskoczÍs- W jednym z dwÛch torÛw wzmacniania/fil- parametrÛw elektrycznych obydwu ukÅ‚a-
totliwoÅ›ciowych. Wypadkowe pasmo prze- tracji zastosowano wzmacniacz z multiplek- dÛw.
noszenia mieÅ›ci siÍ w przedziale serem analogowym sterowany sygnaÅ‚em
330..550kHz dla wzmocnieÒ 10..1V/V (rys. z zewnÄ…trz, w drugim torze obydwa wzmac- Programowanie
3). BiorÄ…c pod uwagÍ maÅ‚e znieksztaÅ‚cenia niacze wejÅ›ciowe obsÅ‚ugujÄ… po jednym ka- Obydwa ukÅ‚ady ispPAC wyposaÅ‚ono
harmoniczne (rys. 4 i 5, odpowiednio dla nale, ale projektant moÅ‚e wybraĘ: w szeregowy interfejs JTAG. DziÍki niemu
wzmocnieÒ 1 i 10V/V), duÅ‚y odstÍp sygnaÅ‚u - jeden z trzech sposobÛw zmiany polary- moÅ‚liwe jest programowanie ukÅ‚adÛw bez-
odszumu(gwarantowane 103dB), mołliwośĘ zacji wzmacniacza wejściowego, pośrednio w systemie, co pozwala m.in. do-
niezalełnego projektowania szerokości pas- - szybkośĘ narastania sygnału na wyjściu stosowaĘ parametry zaprojektowanego ukła-
ma i poÅ‚oÅ‚enia biegunÛw funkcji przenosze- wzmacniacza. du do zmieniajÄ…cych siÍ wymagaÒ aplikacji
nia oraz silne tÅ‚umienie sygnaÅ‚u wspÛlnego W interesujÄ…cy sposÛb rozwiÄ…zano stero- bez koniecznoÅ›ci jego demontaÅ‚u.
na wejÅ›ciach rÛÅ‚nicowych (70dB) naleÅ‚y wanie wejśĘ przetwornika C/A. MoÅ‚na go ChcÄ…c umoÅ‚liwiĘ projektowanie aplika-
stwierdziĘ, Å‚e ispPAC10 jest doskonaÅ‚ym skonfigurowaĘ do pracy w nastÍpujÄ…cychtry- cji z ukÅ‚adami ispPAC, firma Lattice op-
układem do realizacji bardzo wymagających bach:
zadaÒ w systemach analogowych. - jako standardowy przetwornik C/A z 8-
Architektura ukÅ‚adu ispPAC10 predesty- bitowym wejÅ›ciowym portem rÛwnoleg- Tab. 1. Podstawowe parametry elektryczne
nuje go do stosowania jako bardzo elastycz- łym, układów ispPAC.
negointerfejsu wejścio-
Typ układu ispPAC10 ispPAC20
wego toru analogowe-
Napięcie zasilania [V] 5 5
go, z moÅ‚liwoÅ›ciÄ… rÛÅ‚-
Pobór prądu [mA] 23 21
norodnego filtrowania
Wydajność prądowa 10 10
i wzmacniania lub tłu-
wzmacniaczy wyjściowych
mienia przetwarzanego
[mA]
sygnału.
Szybkość narastania 7,5 7,5
Reprogramowalna
sygnału na wyjściu wzm.
pamiÍĘ konfiguracji
[V/µs]
EEPROM ma Å‚ywot-
Szybkość narastania - 1,3
nośĘ 10000 cykli, co
sygnału na wyjściu
powoduje, Å‚e w prak-
przetwornika C/A [V/µs]
tyce układy ispPAC10
Niestabilność wzmocnienia 20 20
są nieśmiertelne.
w funkcji temperatury
[ppm/oC]
Odpowiedü
Napięcie wyjściowe -3..+3 -3..+3
druga -
toru wzmacniaczy/filtrów
ispPAC20 [V]
WewnÍtrzna budo-
Obudowa SOIC/DIP28 PLCC44
wa układu ispPAC10
Uwagi:
zapewnia jego dułą
1. Wejścia i wyjścia cyfrowe pracują
u n i we r s a l n o ś Ę w standardzie TTL.
2. Gwarantowana monotoniczność konwersji
i wszechstronnośĘ za-
przetwornika C/A w ispPAC20 wynosi Ä…1LSB.
stosowaÒ, lecz nie
Rys. 7.
TDI
TMS
TCK
PC
CS
TDO
DMODE
VS
WINDOW
CP1OUT
CP2OUT
IN3-
MSEL
ENSPI
TEST
VREFOUT
GND
CAL
CMVin
DACOUT+
DACOUT-
VS
N O W E P O D Z E S P O A
Y
ispPAC10
Evaluation Board
Opis projektu
Symulator ispPAC10
(schemat)
.TXT
.CSV Pliki
PAC PAC
z raportem
Biblioteki Makra
Pliki dla
.SVF programatora
.JED
Rys. 9.
Rys. 11.
na rys. 9. Opis pro- Mołliwe jest takłe zaprogramowanie ukła-
jektowanego układu du bezpośrednio z poziomu PACDesigne-
jest prosty w realiza- ra.
cji, poniewaÅ‚ rysuje Nieco wiÍcej szczegÛÅ‚Ûw dotyczÄ…cych
siÍ schemat poÅ‚Ä…czeÒ PACDesignera przedstawiamy na str. 41.
pomiÍdzy wejÅ›ciami Piotr ZbysiÅ„ski, AVT
i wyjściami poszcze- [e-mail]
gÛlnych moduÅ‚Ûw,
zawartych w struk- Program PACDesigner jest dostÍpny w In-
turze programowal- ternecie (szczegÛÅ‚y na str. 41) oraz na pÅ‚ycie
nej, oraz konfiguruje CD-EP3/2000 w katalogu \Programy\PAC-
siÍ ich parametry. Designer.
Przykładowy schemat
przedstawiamy na Dokumentacja ukÅ‚adÛw ispPAC wraz
rys. 10. PACDesigner z notami katalogowymi jest dostÍpna w In-
jest wyposałony ternecie nastronie www.latticesemi.comoraz
w analogowy symula- na płycie CD-EP3/2000 w katalogu \Nowe
tor, ktÛry pozwala PodzespoÅ‚y\ispPAC.
Rys. 10.
szybko oceniĘ działa-
nie zaprojektowanego Przedstawicielami Lattice'a w Polsce sÄ…
racowaÅ‚a specjalny program narzÍdziowy ukÅ‚adu (rys. 11). Projekt moÅ‚na zapisaĘ firmy: Eurodis(tel.[phone]), WG-Elec-
PACDesigner. SposÛb tworzenia projektu w postaci ürÛdÅ‚owej lub wynikowej (plik tronics (tel. [phone]) oraz Setron
za pomocÄ… PACDesignera przedstawiono w formacie JEDEC) dla programatora. (tel. [phone]).
Elektronika Praktyczna 3/2000
92