《模擬電子技術(shù)》課件第11章

11.1

ispPAC簡(jiǎn)介

1999年Lattice公司推出了在系統(tǒng)可編程模擬電路(InSystemProgrammabilityProgrammableAnalogCircuits,ispPAC)，翻開(kāi)了模擬電路設(shè)計(jì)方法的新篇章。為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)拓了更廣闊的前景。與數(shù)字的在系統(tǒng)可編程大規(guī)模集成電路(ispLSI)一樣，在系統(tǒng)可編程模擬器件允許設(shè)計(jì)者使用開(kāi)發(fā)軟件在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)、修改模擬電路，進(jìn)行電路特性模擬，最后通過(guò)編程電纜將設(shè)計(jì)方案下載至芯片中。在系統(tǒng)可編程模擬器件可實(shí)現(xiàn)三種功能：信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理和信號(hào)轉(zhuǎn)換。信號(hào)調(diào)理主要指能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行放大、衰減、濾波操作。信號(hào)處理是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行求和、求差、積分運(yùn)算。信號(hào)轉(zhuǎn)換是指把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。

ispPAC的開(kāi)發(fā)軟件為PACDesigner，軟件主要特征：設(shè)計(jì)輸入方式為原理圖輸入，可觀測(cè)電路的幅頻特性和相頻特性。支持的器件：ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30、ispPAC80、ispPAC81。開(kāi)發(fā)軟件內(nèi)含用于低通濾波器設(shè)計(jì)的宏，并能將設(shè)計(jì)直接下載。

11.2

PACDesigner軟件及其使用

11.2.1

PAC＝Designer軟件的安裝

PACDesigner軟件的安裝步驟如下：

(1)在PACDesigner軟件的根目錄下，運(yùn)行setup.exe，根據(jù)提示步驟進(jìn)行安裝。

(2)安裝完畢后重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。

(3)運(yùn)行PACDesigner軟件必須的許可文件license.dat，并將其拷貝至C:＼PAC－Designer(假定軟件安裝在C盤(pán)的根目錄下)目錄下。11.2.2

PACDesigner軟件的使用方法

1.創(chuàng)建新文件

以下將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子——用一個(gè)PAC塊實(shí)現(xiàn)直流增益為7的放大器來(lái)說(shuō)明用PACDesigner軟件對(duì)ispPAC10的基本操作。點(diǎn)擊WindowsXP的“開(kāi)始”/“程序”/“LatticeSemiconductor”/“PACDesigner”，就進(jìn)入PACDesigner的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境。點(diǎn)擊“File”菜單中的“New...”選項(xiàng)，此時(shí)會(huì)彈出如圖11－1所示的對(duì)話框，選擇ispPAC10，點(diǎn)擊“OK”按鈕。圖11－1新建文件對(duì)話框圖11－2圖形設(shè)計(jì)輸入環(huán)境

2.ispPAC10器件簡(jiǎn)介

圖11－2所示的圖形設(shè)計(jì)輸入環(huán)境中清晰地展示了ispPAC10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：兩個(gè)輸入儀用放大器(IA)和一個(gè)輸出運(yùn)算放大器(OA)組成一個(gè)PACBlock；4個(gè)PACBlock模塊組成整個(gè)ispPAC10器件。

每個(gè)PAC塊都可以獨(dú)立地構(gòu)成電路，也可以采用級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成電路以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬電路功能。圖11－3表示了兩種不同的連接方法。(a)圖表示各個(gè)PAC塊作為獨(dú)立的電路工作，(b)圖為4個(gè)PAC塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的電路。利用基本單元電路的組合可進(jìn)行放大、求和、積分、濾波?？梢詷?gòu)成低通雙二階有源濾波器和梯型濾波器，且無(wú)須在器件外部連接電阻、電容元件。圖11－3

ispPAC10中不同的使用形式

3.鼠標(biāo)的各種狀態(tài)介紹

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所需做的工作僅僅是在該圖的基礎(chǔ)上添加連線和選擇元件的參數(shù)。圖形設(shè)計(jì)輸入環(huán)境提供了良好的用戶界面，繪制原理圖的大部分操作可用鼠標(biāo)來(lái)完成，因此有必要對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中鼠標(biāo)所處的各種狀態(tài)作一簡(jiǎn)單介紹，參見(jiàn)表11－1。表11－1

PACDesigner軟件中鼠標(biāo)的類(lèi)型

4.設(shè)計(jì)操作

我們只需將K1設(shè)為7，信號(hào)從VIN1輸入，VIN2無(wú)信號(hào)輸入即可。具體設(shè)置步驟如下：

(1)用鼠標(biāo)左鍵雙擊IA1的連線端，將出現(xiàn)一個(gè)連接對(duì)話框，如圖11－4所示。

(2)選擇“IN1”，點(diǎn)擊“OK”按鈕，即可將IA1連線至IN1，如圖11－5所示。圖11－4

VIN1內(nèi)部連線選擇圖11－5

IA1連線至IN1

(3)再用鼠標(biāo)左鍵雙擊IA1上的“1”，將出現(xiàn)一個(gè)增益選擇對(duì)話框，如圖11－6所示。

(4)選定“7”，點(diǎn)擊“OK”按鈕。到此，直流增益為7的放大器就設(shè)計(jì)就完成了，選擇“File→Save”菜單命令存盤(pán)，其效果如圖11－7所示。圖11－6增益選擇對(duì)話框圖11－7效果圖

5.仿真操作

當(dāng)完成設(shè)計(jì)輸入后，需要對(duì)設(shè)計(jì)作仿真以驗(yàn)證電路的特性是否與設(shè)計(jì)的初衷相吻合。PACDesigner軟件的仿真結(jié)果是以幅頻和相頻曲線的形式給出的，仿真步驟如下：

（1）設(shè)置仿真參數(shù)：選擇“Operations→Simulator”菜單命令，彈出如圖11－8所示的仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。圖11－8仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

(2)實(shí)施仿真：在完成仿真參數(shù)設(shè)置后即可選擇“Tools→RunSimulator”菜單命令進(jìn)行仿真操作，其結(jié)果如圖11－9所示。圖11－9仿真結(jié)果由于幅頻/相頻曲線為對(duì)數(shù)曲線，為了減少觀看時(shí)的讀數(shù)誤差，PACDesigner軟件提供了“十”字型讀數(shù)標(biāo)尺的功能：選擇“View→CrossHair”菜單命令，將鼠標(biāo)移至曲線上某一點(diǎn)，單擊鼠標(biāo)左鍵，即可看見(jiàn)便于讀數(shù)用的“十”字型標(biāo)尺。與此同時(shí)，在窗口的右下角會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的頻率、幅值和相位值。

6.器件編程

完成設(shè)計(jì)輸入和仿真操作后，就要對(duì)PAC器件進(jìn)行編程，需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的+5V電源和四芯的JTAG串行接口。給含有ispPAC器件和+5V電源的印刷線路板上電，將PC機(jī)并行口用JTAG串型接口的編程電纜與ispPAC器件連上。

檢查完硬件部分正確連接后，選擇“Tools→Download”菜單命令即可完成整個(gè)器件編程工作。

7.庫(kù)文件處理

安裝完P(guān)ACDesigner軟件后，會(huì)在存放該軟件目錄的＼libarary子目錄下生成一系列.pac的設(shè)計(jì)源文件作為庫(kù)文件，用戶可在設(shè)計(jì)中選擇“File→BrowseLibarary”菜單命令調(diào)用這些文件并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)，從而方便地完成自己的設(shè)計(jì)。用戶也可將自己設(shè)計(jì)的文件(*.pac)放入該目錄下作為新的庫(kù)文件，以備以后的設(shè)計(jì)調(diào)用。

8.器件加密

選擇“Edit→Security”菜單命令，可以設(shè)定設(shè)計(jì)下載至ispPAC器件后能否允許被讀出，起加密保護(hù)作用。 11.3

PAC的接口電路

模擬信號(hào)輸入至ispPAC器件時(shí)，要根據(jù)輸入信號(hào)的性質(zhì)考慮是否需要設(shè)置外部接口電路。這主要分成三種情況。

(1)若輸入信號(hào)共模電壓接近Vs/2，則信號(hào)可以直接與ispPAC的輸入引腳相連。

(2)倘若信號(hào)中未含有這樣的直流偏置，那么需要有外部電路，如圖11－10所示。圖11－10直流耦合偏置

(3)若是交流偶合，外加電路如圖11－11所示。此電路構(gòu)成了一個(gè)高通濾波器，其截止頻率為1/(2πRC)，電路給信號(hào)加了一個(gè)直流偏置。電路中的VREFOUT可以用兩種方式給出。直接與器件的VREFOUT引腳相連時(shí)，電阻最小取值為200kΩ；采用VREFOUT緩沖電路，電阻最小取值為600Ω。

VREFOUT輸出為高阻抗，當(dāng)用作為參考電壓輸出時(shí)，要進(jìn)行緩沖，如圖11－12所示。注意PAC塊的輸入不連接，反饋連接端要閉合。此時(shí)輸出放大器的輸出為VREFOUT或2.5V，這樣每個(gè)輸出成為VREFOUT電壓源，但不能將兩個(gè)輸出端短路。圖11－11具有直流偏置的交流耦合輸入

(3)若是交流偶合，外加電路如圖11－11所示。此電路構(gòu)成了一個(gè)高通濾波器，其截止頻率為1/(2πRC)，電路給信號(hào)加了一個(gè)直流偏置。電路中的VREFOUT可以用兩種方式給出。直接與器件的VREFOUT引腳相連時(shí)，電阻最小取值為200kΩ；采用VREFOUT緩沖電路，電阻最小取值為600Ω。

VREFOUT輸出為高阻抗，當(dāng)用作為參考電壓輸出時(shí)，要進(jìn)行緩沖，如圖11－12所示。注意PAC塊的輸入不連接，反饋連接端要閉合。此時(shí)輸出放大器的輸出為VREFOUT或2.5V，這樣每個(gè)輸出成為VREFOUT電壓源，但不能將兩個(gè)輸出端短路。圖11－12

PAC塊用作VREFOUT

11.4

ispPAC設(shè)計(jì)實(shí)例

11.4.1簡(jiǎn)單增益設(shè)計(jì)

下例中，4個(gè)PAC塊相互獨(dú)立。PAC塊1和PAC塊2都只用一個(gè)儀用放大器分別實(shí)現(xiàn)7倍和4倍增益；PAC塊3和PAC塊4用兩個(gè)儀用放大器疊加，分別實(shí)現(xiàn)13倍和19倍增益。電路連接如圖11－13所示。圖11－13簡(jiǎn)單增益設(shè)計(jì)11.4.2級(jí)聯(lián)增益設(shè)計(jì)

下例用兩個(gè)PAC塊實(shí)現(xiàn)較高增益。PAC塊1和PAC塊2級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)74倍增益，PAC3和PAC4實(shí)現(xiàn)139倍增益。電路連接如圖11－14所示。圖11－14級(jí)聯(lián)增益11.4.3分?jǐn)?shù)增益設(shè)計(jì)

在這個(gè)例子中，PAC塊1和PAC塊2分別實(shí)現(xiàn)7/4和3/10倍增益，PAC塊3和PAC塊4級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)3/50倍增益。電路連接如圖11－15所示。圖11－15分?jǐn)?shù)增益11.4.4四路加法器設(shè)計(jì)

下例用3個(gè)PAC塊實(shí)現(xiàn)四路加法器。此例可以實(shí)現(xiàn)Y=K6×（K8×（K3×S2+K4×S1）+K7×S4）+K5×S3，S1、S2、S3、S4為四路輸入信號(hào)，Y為輸出信號(hào)，K3、K4、K5、K6、K7、K8為各個(gè)儀用放大器的增益，這里都為1，所以可表示為Y=S1+S2+S3+S4。電路連接如圖11－16所示。圖11－16四路加法器11.4.5積分電路設(shè)計(jì)

在這個(gè)例子中，PAC塊1、3、4都作為2.5V參考電壓輸出，即PAC塊的儀用放大器不與輸入/輸出線連接。PAC塊2作為積分電路，將反饋電容設(shè)為61.59pF，如圖11－17所示。

當(dāng)IN2輸入口輸入頻率為8kHz左右的方波時(shí)，可以用示波器接OUT2進(jìn)行觀察，可看到三角波。圖11－17積分電路實(shí)驗(yàn)11.4.6切比雪夫?yàn)V波器設(shè)計(jì)

這個(gè)例子實(shí)現(xiàn)的是四階低通切比雪夫?yàn)V波器，它的通帶紋波為0.5dB，截止頻率為65kHz。該濾波器是由調(diào)用宏產(chǎn)生的。選擇“Tools→RunMacro...”菜單命令(如圖11－18所示)后,彈出如圖11－19所示的“RunMacro”對(duì)話框。該對(duì)話框中有三種macro可運(yùn)行:

(1)ispPAC10_Biquad.exe：產(chǎn)生適用于ispPAC10的雙二階濾波器；

(2)ispPAC10_Ladder.exe：產(chǎn)生適用于ispPAC10的巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)等類(lèi)型的濾波器；

(3)ispPAC20_Biquad.exe：產(chǎn)生適用于ispPAC20的雙二階濾波器。圖11－18選擇“Tools→RunMacro...”菜單命令圖11－19“RunMacro”對(duì)話框本例選擇第一個(gè)選項(xiàng)，單擊“OK”按鈕，彈出如圖11－20所示的“LadderFilterGenerator”對(duì)話框，在該對(duì)話框的“Ripple”欄選擇“Chebyshev_0.5dB”，然后在“CutoffFrequency”欄選擇65.01。圖11－20“LadderFilterGenerator”對(duì)話框點(diǎn)擊“GenerateSchematic”按鈕，生成的電路如圖11－21所示。圖11－21濾波器電路圖11－22濾波器的仿真曲線11.4.7

ispPAC20的設(shè)計(jì)

ispPAC20在ispPAC10的基礎(chǔ)上增加了通道選擇器、極性控制器、兩個(gè)比較器和一個(gè)8位的D/A轉(zhuǎn)換器，如圖11－23所示。圖11－23

ispPAC20濾波器圖形設(shè)計(jì)環(huán)境

1.PCA塊

PAC20的兩個(gè)PAC塊和PAC10的PAC塊差不多，只是PAC塊1的一個(gè)儀用放大器的前端有一個(gè)兩路通道選擇器,由外部引腳MSEL來(lái)控制。當(dāng)MSEL接高電平時(shí)，選通通道b；當(dāng)MSEL接低電平時(shí)，選通通道a。PAC塊2的一個(gè)儀用放大器的前端有一個(gè)極性控制器，由外部引腳PC來(lái)控制。當(dāng)PC為低電平時(shí)，極性不反向；為高電平時(shí)，極性反向（這里要把PC的應(yīng)用方式設(shè)置為外部管腳）。PAC塊2的增益調(diào)節(jié)范圍為-1～-10，還可以通過(guò)改變PC管腳的電平來(lái)達(dá)到-10～10的增益。DAC的應(yīng)用方式有4種，其中內(nèi)部置數(shù)和外部并行輸入最為常用。當(dāng)設(shè)置為內(nèi)部置數(shù)時(shí)，外部引腳DMode接低電平，ENPSI接低電平；當(dāng)設(shè)置為外部并行輸入時(shí)，外部引腳DMode接高電平，ENPSI接低電平，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)改變時(shí)，要給管腳CS發(fā)一個(gè)脈沖，它的上升沿將新數(shù)據(jù)鎖存，使之有效。

2.比較器

在ispPAC中有兩個(gè)可編程的雙差分比較器。比較器的基本工作原理與常規(guī)的比較器相同，當(dāng)正的輸入端電壓相對(duì)于負(fù)的輸入端電壓為正時(shí)，比較器輸出為高電平。另外比較器還有一些其他可選擇的功能。

3.D/A轉(zhuǎn)換器

這是一個(gè)8位電壓輸出的DAC。接口方式可自由選擇為：①8位的并行方式;②串行JTAG尋址方式；③串行SPI尋址方式。在串行方式中，數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為8位，D0處于數(shù)據(jù)流的首位，D7為最末位。DAC的輸出是完全差分方式，可以與器件內(nèi)部的比較器或放大器相連，也可以直接輸出。

例如，電壓比較器U>0.5V，則CP1OUT=1；U<0.25V，則CP2OUT=1；而當(dāng)0.5V<U<0.25V時(shí)，不輸出信號(hào)，當(dāng)超過(guò)上、下限時(shí)分別由CP1OUT和CP2OUT輸出信號(hào)。

ispPAC20的電壓比較器電路如圖11－24所示。圖11－24

ispPAC20的電壓比