Dengan sistem elektronik modern semakin mengintegrasikan sensor dan beroperasi dalam lingkungan yang semakin dinamis,keterbatasan sirkuit analog tetap menjadi semakin sulit untuk mengabaikanPemrosesan digital mungkin mendominasi arsitektur sistem saat ini, tetapi dunia fisik masih bersifat analog.aktuator dan antarmuka adalah sinyal listrik yang sebenarnyaSebelum proses yang efektif dari sinyal ini, amplifikasi, penyaringan dan pengkondisian harus dilakukan terlebih dahulu.
Dengan respons latensi rendah menjadi indikator utama dan persyaratan aplikasi berkembang, pentingnya front end simulasi sekali lagi disorot.platform elektronik otomotif dan Internet of Things bergantung pada pengkondisian sinyal yang tepat dan adaptifPeningkatan kecil dalam kualitas sinyal analog sering diterjemahkan langsung ke akurasi, keandalan, dan efisiensi sistem yang lebih tinggi.
Secara tradisional, link sinyal analog dibangun dari elemen fungsional tetap seperti amplifier operasional, filter, dan komparator.Pendekatan ini memberikan hasil yang sangat baik ketika persyaratan stabil dan jelasPerubahan pada karakteristik sensor, kondisi operasi, atau tujuan kinerja seringkali membutuhkan revisi skematik, desain ulang tata letak PCB,dan siklus verifikasi tambahan.
Field Programmable Analog Array (FPAA) menyediakan pendekatan yang sangat berbeda. Insinyur dapat mengkonfigurasi fungsi analog melalui perangkat lunak tanpa menggunakan tautan sinyal analog tetap di perangkat keras.OKIKA Perangkat OTC2310K04-PIKA, Chameleon TM Filter low-pass Butterworth 8-order dan Apex Quad4 (Gambar 1) menggambarkan bagaimana arsitektur analog yang dapat diprogram diterapkan pada sistem sinyal campuran yang nyata.Makalah ini membahas bagaimana FPAA bekerja, posisinya dalam arsitektur sistem modern, dan trade-offs insinyur harus mempertimbangkan ketika mengevaluasi solusi simulasi yang dapat diprogram.
Okika PiKa Quad FlexFPAA Development Board (klik untuk memperbesar)
Gambar 1: Papan Pengembangan Okika PiKa Quad FlexFPAA. Sumber gambar: Okika Devices)
Tantangan terstruktur dari desain simulasi
Desain analog menghadapi berbagai tantangan yang jarang dihadapi oleh insinyur digital.efek kopling dan tata letak kebisinganPerubahan kecil dapat memiliki dampak yang signifikan pada gain, bias, bandwidth, atau stabilitas.
Proses verifikasi dan penyesuaian sering memakan waktu dan berulang.dan memverifikasi kepatuhan terhadap persyaratan tingkat sistemUntuk mencapai kinerja yang kuat, papan sirkuit sering dimodifikasi beberapa kali.
Biaya iteratif adalah masalah lama. Mengatur nilai resistensi atau topologi filter biasanya berarti mendesain ulang perangkat keras. Setiap revisi menambahkan biaya, jadwal dan risiko.
Perubahan terakhir sangat merusak. sensor baru, persyaratan kepatuhan diperbarui, atau sumber kebisingan yang tidak terduga dapat memaksa desain ulang yang signifikan.masalah ini tidak dapat diselesaikan dengan upgrade firmwareKurangnya fleksibilitas telah lama menjadi kendala struktural dalam fokus pada sistem simulasi.
Pendahuluan ke Array Analog yang Dapat Diprogram Medan
FPGA adalah sirkuit terpadu dengan fungsi analog yang dapat dikonfigurasi.Blok bangunan ini dapat saling terhubung untuk membentuk jalur sinyal yang disesuaikan.
FPAA berfungsi untuk memperkuat, menyaring, mengintegrasikan, dan membandingkan.atau bahkan sepenuhnya mendefinisikan kembali tujuannya untuk mencapai orientasi fungsional baruKonfigurasi ulang ini adalah fitur penting dari FPAA.
FPAA sering dibandingkan dengan FPGAs, meskipun kesamaan terletak pada konsep daripada teknologi.Perbedaan utama antara keduanya adalah bahwa FPAA beroperasi langsung di domain analog waktu terus menerus, memproses sinyal dunia nyata tanpa mengubahnya ke bentuk digital.
Dalam sistem sinyal hibrida, FPAA sering digunakan sebagai front-end analog adaptif. Perangkat ini terletak antara sensor dan ADC, atau antara DAC dan aktuator,untuk meningkatkan kualitas sinyal sebelum memulai pemrosesan digital.
Arsitektur Inti dan Model Konfigurasi
FPAA dibangun di sekitar blok analog yang dapat dikonfigurasi (CAB) yang membentuk inti dari perangkat.dan perbandinganSetiap modul dapat diprogram sehingga desainer dapat mengatur parameter seperti gain, bandwidth, kondisi offset, dan tingkat ambang untuk menentukan karakteristik sirkuit yang diperlukan.
Interkoneksi modul ini dicapai melalui interkoneksi yang dapat diprogram (struktur perutean).Struktur ini mendefinisikan bagaimana sinyal mengalir melalui perangkat dan memungkinkan penataan ulang atau perluasan rantai sinyal tanpa mendesain ulang perangkat keras eksternal.
Perilaku spesifik perangkat didefinisikan oleh informasi konfigurasi dan biasanya disimpan dalam bentuk daftar switch atau memori konfigurasi.Informasi konfigurasi ini dimuat pada daya dan jalur sinyal analog ditetapkanBanyak platform FPAA juga mendukung konfigurasi ulang yang cepat, memungkinkan pembaruan selama pengembangan atau dalam beberapa kasus selama operasi.
Antarmuka I/O analog menghubungkan FPAA dengan sensor, ADC, DAC dan komponen eksternal lainnya.operasi yang stabil dan integrasi yang mulus dengan sistem sinyal campuran.
Keuntungan dari proses desain dan pengembangan
Pengembangan FPAA mengubah cara sistem simulasi dirancang. daripada menggunakan perangkat diskrit untuk membangun sirkuit fungsional tetap, insinyur menggunakan intuitif,alat konfigurasi berbasis skema untuk menentukan perilaku sinyal.
Perancang menciptakan link sinyal lengkap dengan memilih blok analog yang dapat dikonfigurasi (CAB) dan menghubungkan modul melalui arsitektur kabel yang dapat diprogram (Gambar 2).Parameter kunci seperti keuntungan, karakteristik penyaringan dan ambang dapat diatur langsung di perangkat lunak. kemampuan ini mengubah desain simulasi dari perhitungan manual yang rumit untuk lebih cepat, lebih fleksibel,dan metode yang lebih dapat dikonfigurasi.
Link sinyal lengkap dapat dibuat dengan memilih Blok Analog yang dapat dikonfigurasi (CAB) (klik ZOOM IN)
Gambar 2: Rantai sinyal lengkap dibuat dengan memilih blok analog yang dapat dikonfigurasi (CAB) dan menghubungkan modul melalui arsitektur kabel yang dapat diprogram (sumber: Okika Devices)
Karena desain dapat diperbarui dalam hitungan menit, siklus iterasi secara signifikan lebih cepat.dan terus meningkatkan kinerjaPada kecepatan iteratif ini, optimasi nyata dapat dicapai, yang sering tidak mungkin dengan perangkat keras analog tradisional karena setiap perubahan membutuhkan desain ulang, konfigurasi ulang, dan pengujian ulang.
Sebagian besar platform FPAA memuat konfigurasi saat dihidupkan, sementara beberapa dikonfigurasi ulang saat mendukung operasi terstruktur, seperti beralih antara mode operasi.kemampuan untuk memodifikasi fungsi simulasi tanpa mengubah perangkat keras memperpendek waktu pengembangan, mengurangi biaya, dan memperpanjang siklus hidup produk.- g.
Faktanya, FPAA membawa model yang didefinisikan perangkat lunak ke desain simulasi, membawa fleksibilitas front-end, efisiensi dan kinerja sistem elektronik ke tingkat yang baru.
Aplikasi umum
Kondisi Sinyal Sensor
Antarmuka sensor adalah kasus penggunaan utama untuk FPAA. Banyak sensor menghasilkan sinyal tingkat rendah, kebisingan, atau miring dan membutuhkan amplifikasi, penyaringan, dan kalibrasi sebelum digitalisasi.
FPAA dapat mengintegrasikan fungsi ini ke dalam satu perangkat untuk mengurangi jumlah komponen dan menyederhanakan perubahan desain.Rantai sinyal dapat dikonfigurasi ulang daripada didesain ulang ketika karakteristik sensor berubah atau perlu dikembangkan.
Hal ini sangat penting untuk sistem yang mendukung beberapa jenis sensor atau perubahan persyaratan.
EKG atau pemantauan EKG adalah contoh yang baik. sinyal listrik yang diukur dari tubuh manusia biasanya hanya beberapa milivolt dan mudah terganggu oleh artefak gerak, gangguan kabel listrik,dan pergeseran garis dasarUntuk mencapai pengukuran yang dapat diandalkan, amplifikasi yang akurat, penyaringan dan penghapusan kebisingan mode umum diperlukan sebelum sinyal memasuki ADC.