Bezpłatna biblioteka techniczna ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Uniwersalne analogowe programowalne układy scalone: wybór elementarnych jednostek funkcjonalnych. Dane referencyjne Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Zastosowanie mikroukładów Trudno przecenić znaczenie reprogramowalnych układów logicznych (FPGA) w syntezie układów logicznych. Kompleksowa rozbudowa bazy elementów i systemów komputerowego wspomagania projektowania umożliwia realizację złożonych systemów logicznych w niespotykanie krótkim czasie i przy minimalnych kosztach materiałowych. Dlatego chęć osiągnięcia podobnych wyników w projektowaniu i produkcji systemów analogowych jest całkiem zrozumiała. Jednak wiele prób podejmowanych w tym kierunku nie przyniosło jeszcze oczekiwanych rezultatów, a programowalne analogowe układy scalone (PAIS) i macierzowe analogowe LSI (MABIS) nie stały się jeszcze uniwersalne. Problemy projektowania programowalnego analogowego LSI Gwałtowny postęp w dziedzinie projektowania układów logicznych na układach FPGA był uwarunkowany tym, że wszystkie układy logiczne oparte są na dobrze rozwiniętym aparacie matematycznym algebry Boole'a. Teoria ta pozwala udowodnić, że zbudowanie dowolnej funkcji logicznej jest możliwe przez uporządkowane złożenie tylko jednego operatora elementarnego - logicznego AND-NOT (lub OR-NOT). Oznacza to, że każdy ściśle logiczny system można zaprojektować z elementów tylko jednego typu, na przykład NAND. Zupełnie inaczej przedstawia się sytuacja w zakresie projektowania (syntezy) i analizy (dekompozycji) schematów układów analogowych. W elektronice analogowej wciąż nie ma jednego powszechnie uznanego aparatu matematycznego, który pozwalałby rozwiązywać problemy analizy i syntezy z jednolitego stanowiska metodologicznego. Przyczyn tego zjawiska należy szukać w historii rozwoju elektroniki analogowej. We wczesnych etapach obwody urządzeń analogowych opracowano zgodnie z koncepcjami metody funkcjonalno-węzłowej, której główną ideą był podział złożonych schematów obwodów na węzły. Węzeł składa się z grupy elementów i pełni określoną funkcję. Po połączeniu węzły tworzą bloki, tablice, szafki, mechanizmy – czyli m.in. niektóre zunifikowane konstrukcje, które nazywane są urządzeniami. Połączenie urządzeń tworzy system. Metoda funkcjonalno-węzłowa zakładała, że elementarnymi składnikami systemów powinny być węzły, których głównym zadaniem jest pełnienie dobrze zdefiniowanej funkcji. Dlatego za kryterium klasyfikacji węzłów przyjęto funkcjonalność, czyli fakt, że węzeł pełni jakąś funkcję. Jednak wraz z rozwojem elektroniki istniała niezwykle duża liczba izolowanych i izolowanych funkcji (a w konsekwencji węzłów). Zniknęła jakakolwiek możliwość ich minimalizacji i unifikacji, która jest niezbędna do syntezy złożonych systemów. Dlatego rozwój macierzy analogowego LSI (MABIS) i reprogramowalnych analogowych układów scalonych (PAIS) został spowolniony i nadal jest spowalniany. Stan rzeczy w dziedzinie programowalnych obwodów analogowych można prześledzić, analizując rozwój wiodących rosyjskich i zagranicznych firm. W ten sposób specjaliści OAO NIITT i fabrykę Angstrem skoncentrowali swoje wysiłki na opracowaniu i produkcji analogowo-cyfrowych BMC (podstawowych kryształów matrycowych) typu Rul H5515KhT1, N5515KhT101, przeznaczonych do akwizycji danych, systemów monitorowania i sterowania, dla sprzętu medycznego i kontrolny sprzęt pomiarowy [1]. Konstrukcja tych BMC obejmuje matrycę analogową i cyfrową. Matryca cyfrowa zawiera 115 cyfrowych komórek bazowych (230 bramek 2I-NOT), które są ułożone w pięciu rzędach po 23 komórki w rzędzie. Matryca analogowa składa się z 18 analogowych komórek bazowych ułożonych w dwa rzędy po 9 komórek. Pomiędzy rzędami ogniw analogowych znajdują się dwa rzędy kondensatorów (nominalnie 17,8 pF) i dwa rzędy rezystorów dyfuzyjnych (24,8 kOhm każdy). Pomiędzy częścią analogową i cyfrową znajduje się rząd rezystorów 3,2 kΩ. BMC zapewnia dwa rodzaje ogniw analogowych (A i B). Ogniwa typu A składają się z 12 izolowanych tranzystorów kolektorowych npn i 38 pnp oraz XNUMX wieloodczepowych rezystorów dyfuzyjnych. W ogniwach typu B cztery tranzystory NPN zostały zastąpione dwoma tranzystorami pMOS. Ogniwa peryferyjne typu A i B zawierają cztery potężne tranzystory npn (w ogniwach typu B - z izolowanym kolektorem) oraz dwa tranzystory bipolarne. Cyfrowe komórki bazowe są reprezentowane przez trzy typy - cztery tranzystory n-MOS, cztery tranzystory p-MOS i komplementarną parę tranzystorów bipolarnych. Ponadto na obrzeżach kryształu znajdują się potężne ogniwa cyfrowe, które zawierają cztery potężne tranzystory n-MOS i p-MOS, a także dwa tranzystory npn połączone zgodnie z obwodem Darlingtona. Dla BMC opracowano biblioteki standardowych elementów analogowych i cyfrowych, które znacznie ułatwiają i przyspieszają proces projektowania urządzeń opartych na BMC. Te i podobne BMC zawierają niepołączone zestawy elektrycznych elementów radiowych (ERE), z których można uzyskać określoną w bibliotece liczbę jednostek funkcjonalnych. Główną wadą takich mikroukładów jest bardzo wąski zakres, ograniczony konkretnymi wartościami wartości znamionowych i innymi cechami ERE w tym zestawie. Możliwości jednostek funkcjonalnych opracowanych i zalecanych dla tego zestawu są podane w bibliotece dołączonej do mikroukładu.
Od 2000 roku firma Lattice Semiconductor produkuje programowalne analogowe układy scalone (PAIS) z rodziny ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit) z programowaniem w systemie, tj. bez wyciągania z płytki drukowanej [2, 3]. Do połowy 2000 roku wyprodukowano trzech przedstawicieli tej rodziny: ispPAC-Yu (ryc. 1), ispPAC-20 (ryc. 2) i ispPAC-80. Integrują do 60 aktywnych i pasywnych elementów, które są konfigurowane, modelowane i programowane za pomocą pakietu PAC-Designer. ISpPAC PAIS zawiera: • obwody interfejsu szeregowego, rejestry i elementy elektrycznie reprogramowalnej pamięci nieulotnej (EEPROM) zapewniające konfigurację macierzy;
Architektura tej serii oparta jest na podstawowych ogniwach zawierających: wzmacniacz instrumentacyjny (IU); wzmacniacz wyjściowy (VU) zaimplementowany zgodnie ze schematem sumatora/integratora; źródło napięcia odniesienia 2,5 V (ION); 8-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy z wyjściem napięciowym i podwójnym komparatorem (CP). Wejścia i wyjścia analogowe komórek (oprócz ION) w celu zwiększenia zakresu dynamicznego przetwarzanych sygnałów są wykonane według schematu różnicowego. Dwa DUT i jeden VU tworzą makrokomórkę, zwaną blokiem PAC, w której wyjścia testowanego urządzenia są połączone z wejściami sumującymi VU. ispPAC-10 zawiera cztery PAC, a ispPAC-20 ma dwa. ispPAC-20 zawiera również DAC i ogniwa porównawcze. W komórce wzmocnienie DUT jest programowane w zakresie od -10 do +10 z krokiem 1, a w obwodzie sprzężenia zwrotnego VU wartość pojemności kondensatora (128 możliwych wartości) i załączenia/ od oporu. Wielu producentów układów scalonych używa technologii „przełączanych kondensatorów” do programowania funkcji analogowych, która polega na zmianie pojemności obwodów ustawiania częstotliwości za pomocą przełącznika elektronicznego, który przełącza się w zależności od warunków.
Podejście Lattice opiera się na wykorzystaniu obwodów o stałych charakterystykach w czasie, które można zmieniać podczas procesu rekonfiguracji systemu bez wyłączania zasilania. To ulepszenie jest znaczące, ponieważ eliminuje dodatkowe przetwarzanie sygnału wymagane w pierwszej metodzie. Wewnętrzne urządzenia okablowania (Analog Routing Pool) umożliwiają połączenie ze sobą styków wejściowych mikroukładu, wejść i wyjść makrokomórek, wyjścia DAC i wejść komparatorów. Łącząc kilka makrokomórek, można budować obwody przestrajalnych filtrów aktywnych w zakresie częstotliwości od 10 do 100 kHz, w oparciu o wykorzystanie łącza integratora. Należy zauważyć, że sieci ispPAC firmy Lattice są najbliższe PAIS. Jedyną ich wadą jest to, że nie ma systemu uniwersalnych elementów podstawowych, które pozwoliłyby zaprojektować nie tylko przestrajalne filtry aktywne, ale dość szeroką gamę systemów analogowych. To właśnie ta okoliczność uniemożliwia ispPAC firmy Lattice Semiconductor stanie się analogiem układów FPGA takich firm jak Altera i Xilinx. Ogólnie rzecz biorąc, analizując sytuację w zakresie rozwoju i praktycznej realizacji mikroukładów analogowych, możemy dokonać szeregu uogólnień: • większość wdrożonych przemysłowo mikroukładów analogowych nie może być sklasyfikowana jako LSI pod względem stopnia integracji;
Jedna podstawa do projektowania układów FPGA i MABIS Jednak zadanie opracowania zunifikowanej podstawy projektowania układów do projektowania układów analogowych wciąż ma rozwiązanie, które postaramy się uzasadnić teoretycznie i wskazać możliwe kierunki praktycznej realizacji nakreślonych pomysłów. Przede wszystkim należy wybrać model matematyczny dużego analogowego układu elektronicznego, który pozwoli wyodrębnić niewielką grupę podstawowych elementów. W dziedzinie analizy i syntezy układów elektronicznych praktycznie nie ma alternatyw dla aparatu matematycznego układów liniowych równań różniczkowych, który został rozpoznany już w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku [4, 5]. Należy jednak pamiętać, że idea praktycznego masowego wykorzystania tej metodologii nie opanowała jeszcze umysłów wszystkich specjalistów. Układ równań różniczkowych składa się z elementów, ich połączeń i charakteryzuje się pewną strukturą. Elementarną podstawę równań różniczkowych badano w pierwszej połowie ubiegłego wieku w ramach dyscypliny naukowej „automatyka”. W tym obszarze ujawniła się taka przewaga równań różniczkowych, jak unifikacja: ich forma nie zależy od opisywanego modelu procesu. Jednak w standardowej formie zapisywania równania różniczkowego brak jest wizualnej informacji o charakterze zależności w badanym układzie. Dlatego w trakcie rozwoju teorii sterowania automatycznego rozwijano metody wizualizacji struktury układów równań różniczkowych w postaci różnego rodzaju schematów. Pod koniec lat 60. XX wieku ukształtował się w pełni współczesny pogląd na organizację strukturalną modeli układów dynamicznych [6]. Tworzenie modelu matematycznego systemu rozpoczyna się od jego podziału na ogniwa i ich późniejszego opisu - albo analitycznie w postaci równań odnoszących się do wartości wejściowych i wyjściowych ogniwa; lub graficznie w postaci mnemonicznych diagramów z charakterystykami. Zgodnie z równaniami lub cechami poszczególnych ogniw zestawiane są równania lub cechy systemu jako całości. Powiązania systemów dynamicznych zidentyfikowane jako typowe
Należy zauważyć, że jeśli dla schematu funkcjonalnego system jest podzielony na łącza na podstawie funkcji, które pełnią, to w przypadku opisu matematycznego system jest podzielony na części ze względu na wygodę uzyskania opisu. Dlatego linki powinny być jak najprostsze (małe). Z drugiej strony, przy podziale systemu na łącza, opis matematyczny każdego łącza musi być skompilowany bez uwzględniania jego połączeń z innymi łączami. Jest to możliwe, jeśli linki mają kierunek działania - tj. przekazywać akcję tylko w jednym kierunku, od wejścia do wyjścia. Wówczas zmiana stanu dowolnego łącza nie wpływa na stan poprzedniego łącza. Jeżeli warunek kierunku działania ogniw jest spełniony, matematyczny opis całego układu można otrzymać w postaci układu niezależnych równań poszczególnych ogniw, uzupełnionych o równania połączenia między nimi. Najczęściej spotykane (typowe) są łącza aperiodyczne, oscylacyjne, całkujące, różniczkujące, o stałym opóźnieniu [6]. Problem ogniw elementarnych w modelach postaci układu równań różniczkowych był badany przez wielu autorów [7-9]. Z analizy wynika [10], że ich stanowiska sprowadzają się głównie do stwierdzenia faktu istnienia typowych ogniw i zbadania ich roli w tworzeniu bardziej złożonych struktur. Wybór do grupy typowych linków dokonywany jest arbitralnie, bez żadnych kryteriów. Różne linki znajdują się na listach typowych linków bez wyjaśnienia i uzasadnienia, a terminy "proste" i "elementarne" są również używane w równym stopniu do oznaczenia typowych linków (patrz tabela). Tymczasem badanie licznych „typowych” ogniw układów dynamicznych metodami macierzy strukturalnych [10-12] pokazuje, że tylko trzy ogniwa – proporcjonalne, całkujące i różniczkujące – nie zawierają w swoich macierzach strukturalnych cykli macierzowych. Dlatego tylko one można nazwać elementarnymi. Wszystkie inne linki są budowane poprzez łączenie linków elementarnych. Tak więc, jeśli łącze proporcjonalne z funkcją przenoszenia WB(s) = kB i różniczkujące łącze z transmitancją WA(s) = kAs połączyć zgodnie ze schematem ujemnego sprzężenia zwrotnego (rys. 3), to równoważna funkcja przenoszenia Zatem wynik, aż do wartości stałych czasowych, pokrywa się z funkcją przenoszenia łącznika aperiodycznego pierwszego rzędu. Oznacza to, że powiązanie to można uzyskać łącząc ogniwa proporcjonalne i różniczkujące według schematu z ujemnym sprzężeniem zwrotnym i dlatego nie można go uznać za elementarne.
W ten sam sposób możesz zbudować resztę linków zawartych w tabeli. Szczególną uwagę należy zwrócić na transmitancję łącza oscylacyjnego (T2p2 + 2ξTp + 1)y = ku. Jeśli więc połączymy szeregowo dwa łącza aperiodyczne o transmitancjach, które różnią się tylko stałymi czasowymi, to równoważna transmitancja przyjmie postać Tak więc wynik, aż do wartości stałych czasowych, pokrywa się z funkcją przenoszenia badanego łącza. Dlatego łącza oscylacyjne, konserwatywne i aperiodyczne drugiego rzędu można uzyskać, łącząc szeregowo łącza pierwszego rzędu. Oznacza to, że nie można ich uznać za elementarne, choć w zasadzie dopuszczalne jest nazywanie ich typowymi. Analiza wyników podanych w ostatniej kolumnie tabeli pozwala stwierdzić, że takie ogniwa jak aperiodyczne, izodromiczne, wymuszające, różniczkujące bezwładnościowe i całkujące bezwładnościowe można uzyskać łącząc ogniwa elementarne. Aby udowodnić, że funkcje przesyłania innych typowych łączy można uzyskać przez połączenie łączy elementarnych, należałoby przeanalizować połączenia trzech, czterech itd. łączy według typowych schematów połączeń. Ten sam wynik można uzyskać, jeśli weźmiemy pod uwagę połączenia ogniw elementarnych z typowymi ogniwami pierwszego rzędu. Część takich badań została już wykonana, jej wyniki przedstawiono w [10]. Udowodniono zatem, że łącząc łącza elementarne dość łatwo można uzyskać wszystkie funkcje przenoszenia tzw. typowych łączy dynamicznych. W konsekwencji dowolne układy dynamiczne można syntetyzować za pomocą operatorów mnożenia i łączenia tylko trzech ogniw elementarnych: proporcjonalnego, różniczkującego i całkującego. Wniosek ten ma fundamentalne znaczenie, ponieważ określa elementarną podstawę niezbędną do budowy liniowych układów dynamicznych dowolnego rzędu, w tym obwodów radioelektronicznych. A jeśli systemy dynamiczne mają być budowane z ograniczonego zakresu powiązań dynamicznych, jak w przypadku MABIS i PAIS, to wyciągnięty wniosek jest szczególnie ważny.
Możliwa staje się synteza dowolnych urządzeń analogowych z zaledwie pięciu jednostek funkcjonalnych - multipleksera, sumatora, multiplikatora, integratora i różniczkującego (rys. 4)! Zauważ, że te pokazane na ryc. 4 obwodów nie należy traktować jako faktycznie opracowanych rozwiązań obwodów, a jedynie jako uzasadnienie możliwości zastąpienia ogniw elementarnych w obwodzie funkcjonalnym podstawowymi elementami radioelektronicznymi. Zastępując elementarne łącza obwodów funkcjonalnych ich sprzętowymi odpowiednikami, możliwe jest projektowanie urządzeń analogowych o określonych parametrach. Przykład syntezy urządzeń analogowych Rozważ bardzo prosty przykład syntezy schematu obwodu urządzenia analogowego zgodnie z modelem podanym przez układ równań różniczkowych w postaci przekształceń Laplace'a postaci: x0 = g, x1 =x0 - 2x2/s,x2 = 10x1/s,x3 =x2 - 10x4/s,x4 = 500x3/ S
Skonstruujmy macierz strukturalną tego układu równań różniczkowych i zaznaczmy strzałkami cykle macierzy:
Z wyników symulacji (rys. 6) zsyntetyzowanego obwodu widać, że przy zadanych parametrach reprezentuje on dwa generatory połączone szeregowo. Oznacza to, że bardzo proste urządzenie, składające się tylko z czterech łączy integrujących, wykonuje stosunkowo złożoną funkcję modulowania oscylacji niskiej częstotliwości oscylacją wysokiej częstotliwości. Należy zauważyć, że przy projektowaniu i produkcji MABIS i PA-IS absolutnie nie jest konieczne stosowanie sprzętowych analogów łączy elementarnych wykonanych na wzmacniaczach operacyjnych, jak na rys. 4, choć na tej podstawie najlepiej je opracować [13–16]. Najbardziej obiecująca jest implementacja sprzętowych analogów ogniw elementarnych na elementach optoelektronicznych, chociaż możliwe są wszelkie inne opcje.
Uniwersalny MABIS i PAIS - to możliwe W ten sposób można wyróżnić pięć elementarnych (najprostszych) składowych dowolnego CEA, odpowiadających głównym operatorom układów równań różniczkowych: mnożenie, różniczkowanie, całkowanie, dodawanie i mnożenie (multipleksowanie). Metodologia projektowania analogowych urządzeń elektronicznych zakłada [10]: • wykorzystać jako dane wyjściowe do zaprojektowania modelu matematycznego w postaci układu n równań różniczkowych pierwszego rzędu (lub równania różniczkowego l-go rzędu);
Zaproponowane podejście ma szereg zdecydowanych zalet. W ten sposób schemat funkcjonalny zaprojektowanego urządzenia syntetyzuje się z oryginalnego układu równań różniczkowych za pomocą standardowych przekształceń macierzowych, które można uporządkować i przekształcić w algorytm do automatycznych obliczeń. Schemat obwodu elektrycznego syntetyzuje się z obwodu funkcjonalnego poprzez prostą wymianę elementarnych połączeń dynamicznych na równoważne elementy podstawowe. Również modelowanie urządzenia za pomocą narzędzi CAD można znacznie uprościć. Ponieważ zbiór ogniw elementarnych jest nieliczny, istnieje realna możliwość zaprojektowania uniwersalnych MABIS i PAIS. Co z kolei znacznie upraszcza projektowanie urządzeń analogowych i cyfrowo-analogowych i otwiera kuszące perspektywy dalszego rozwoju elektroniki w ogóle. literatura 1. Alenin S., Ivanov V., Polevikov V., Trudnovskaya E. Implementacja specjalizowanych urządzeń analogowo-cyfrowych w oparciu o kartę NIC MOS BMK typu H5515KhT1. - ChipNews, 2000, nr 2.
Autor: G. Mishin; Publikacja: cxem.net Zobacz inne artykuły Sekcja Zastosowanie mikroukładów. Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu. Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika: Sztuczna skóra do emulacji dotyku
15.04.2024 Żwirek dla kota Petgugu Global
15.04.2024 Atrakcyjność troskliwych mężczyzn
14.04.2024
Inne ciekawe wiadomości: ▪ Smartfon ZTE Grand S3 ze skanerem tęczówki ▪ Nowy rekord prędkości światłowodu ▪ Nazwany optymalną dawką kawy Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika
Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej: ▪ sekcja serwisu Jednostki Sprzętu Krótkofalowego. Wybór artykułów ▪ artykuł Kochubey jest bogaty i sławny. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Jak Bernard Shaw zareagował na nagrodę Nobla? Szczegółowa odpowiedź ▪ Artykuł Ząbkowanie. Opieka zdrowotna ▪ artykuł Najprostszy model turbiny wiatrowej. eksperyment fizyczny
Zostaw swój komentarz do tego artykułu: Wszystkie języki tej strony Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn www.diagram.com.ua |