Использование программируемых аналоговых интегральных схем (ПАИС) в составе устройства для измерения проводимости кондуктометрического датчика Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Кулапин В.И., Князьков А.В., Маньков А.М.

Пензенский государственный университет

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММИРУЕМЫХ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (ПАИС)

В СОСТАВЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Традиционно схемы аналоговой обработки сигналов выполняются на дискретных компонентах -как правило, на операционных усилителях, компараторах, мультиплексорах и т.п. При этом аналоговая часть занимает большой объем печатной платы и имеет достаточно высокую стоимость.

Решить проблему создания разнообразных аналоговых устройств, кардинально снизив стоимость и габариты, при этом значительно расширив функциональные возможности, позволяет использование программируемых аналоговых интегральных схем - ПАИС (FPAA), лидером в производстве которых на мировом рынке является компания Anadigm.

Главная особенность ПАИС состоит в том, что обработка сигнала внутри микросхемы осуществляется схемами на переключаемых конденсаторах. В отличие от цифровых систем, где сигнал дискретен по времени и квантован по уровню, в дискретно-аналоговых системах сигнал дискретен только по времени (рисунок 1), в силу этого выходной аналоговый сигнал можно восстановить, согласно теореме Котельникова, без искажений по его выборкам. Так, при входном сигнале 1 мВ точность преобразования будет не хуже ±0,1%.

Компания Anadigm производит два типа ПАИС - динамически и статически конфигурируемые FPAA. Отличие их заключается в том, что динамически конфигурируемая схема позволяет изменять полностью или частично функциональную структуру в реальном времени в работающем устройстве, что дает возможность создавать уникальные схемы аналоговой обработки сигналов [2].

Синтез устройств с использованием ПАИС невозможен без ознакомления с составом, функциональными возможностями и параметрами блоков, входящих в состав ПАИС. Основу ПАИС составляют конфигурируемые аналоговые блоки (КАБ) (рисунок 2), которые содержат наборы элементов для реализации набора стандартных устройств - операционных усилителей, компараторов, источников образцового напряжения, АЦП, а также конфигурационную память (Look-Up Table) и специальный интерфейс. Anadigm выпускает два варианта ПАИС: с двумя и четырьмя КАБ.

Рисунок 1 - Представление процесса аналоговой и цифровой дискретизации

1Q1N

о» ^

Ю2Р □**- |я

icm[>*

юзрсн* § „

I03ND** ё

1СШРАО-

I04NAD*»

I04P&O*!-

kmn&o*

I04PCD*-C

IQ4NCO+*

ICMPDOw-d

l04NDO**j

га

г

.

S'0

1*4 g.

z

СЧ

О

Z

О

11 Л1

OcHput Cell 2

Outpirt

Cell 1

П

Конфигурируемый ресурс межсоединений

о

ft £

о I

I 31 1 КАЫ

ж. -в- j

ft 1

8 X

вг 8 КА53

1 £

£ 4

£

УКЕГ*| VMR |VREF-

Опорное нопряс&нна

□ □

i i i i i

8 id U 4 %

> a s £ a

“ >> i

OsdIlatorS: Qocki

Analog | Logic Рсжн»

ТКП

Ш

о s $

4 Id

КАБ2 Щ

si,!

-0-| з|

>

8

§ й

X 3

КАБ4 3- а) S

§. ¥

5 и

т £

C1DVDD ODIN S* ~**Q LCOs | «OERRb 1 pO ACTIVATE О EXECUTE OPORb | [**□ CFGFLGb - OCSlb K-OCSSb ODVSS

n a S

a a “

A2_P

Рисунок 2 - Конфигурируемые аналоговые блоки (КАБ)

Все функции, доступные в библиотеке конфигурируемых аналоговых модулей (КАМ), отображаются в КАБ в виде программируемых аналоговых схем. Каждый КАБ содержит статические и динамические клю-

чидля выполнения подключений стандартных устройств. Динамические ключи управляются входными и тактовыми сигналами, а так же логикой регистра последовательного приближения. Статические ключи определяют общие схемы коммутации блоков, значения емкости конденсаторов, подключение входов. Все ключи управляются с помощью конфигурационной памяти (SRAM). При включении питания микросхемы SRAM очищается, после этого с помощью конфигурационной логики данные загружаются из внешнего EPROM в теневое ОЗУ, а из него копируются в конфигурационное ОЗУ[3].

Конфигурируемый аналоговый блок (рисунок 3), содержит также группу из 8 программируемых конденсаторов, каждый из которых может иметь относительное значение емкости от 0 до 255 единиц. Для элементов КАМ важно не абсолютное значение емкости, а соотношение между ними, которое выдерживается с точностью не хуже 0,1% [2] .

Обработка сигнала внутри КАБ осуществляется схемами на переключаемых конденсаторах. Входные аналоговые сигналы подаются в КАБ через конфигурируемые двунаправленные ячейки. Каждая конфигурируемая ячейка позволяет подключать внешние приемники и источники сигналов без дополнительных внешних компонентов: буферный усилитель, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, программируемый фильтр НЧ, прецизионный усилитель со стабилизацией прерыванием.

Вход/выход каждой ячейки так же является дифференциальным. При необходимости ячейка может быть сконфигурирована в режиме несимметричного входа.Выходные сигналы могут быть выведены напрямую через специальные выходные ячейки, которые также как и входные ячейки, разработаны с учетом обеспечения максимальной точности обработки и позволяют выводить из ПАИС как дифференциальные аналоговые сигналы, так и логические уровни. Каждая выходная ячейка содержит программируемый ФНЧ и буферный усилитель.

Несколько элементов из стандартной библиотеки конфигурируемых аналоговых модулей требуют вывода сигнала в цифровой форме (логическими уровнями), например выходы данных и синхронизации АЦП или компараторов. В этом случае выходная ячейка может быть сконфигурирована в режиме цифрового выхода.

Синхронизация в ПАИС может осуществляться с помощью внешнего источника с частотой до 40МГц или от собственного тактового генератора с внешним кварцевым резонатором.

Для создания схем аналоговой обработки сигналов на основе ПАИС используют программное обеспечение Anadigm Designer 2.

AnadigmDesigner2 является системой автоматизированного проектирования (САПР) второго поколения средств разработки Anadigm, которая позволяет создавать новые или вносить изменения в уже имеющиеся программируемые аналоговые схемы буквально в считанные минуты. Разработчик может создавать схемы, используя уже имеющиеся конфигурируемые аналоговые модули (КАМ), каждый из которых может выполнять целый ряд аналоговых функций в зависимости от передаваемых параметров.

Anadigm Designer 2 включает программу функционального моделирования по времени - удобный инструмент для оценки схем без необходимости проведения физических измерений и макетирования. Интерфейс функциональной модели интуитивно понятный и легкий для использования. Большинство этапов моделирования аналогичны этапам обычного макетирования. Независимо от того, является ли пользователь специалистом или нет, он сможет быстро разрабатывать сложные аналоговые схемы, сразу же моделировать их работу, а затем, выбрав нужную, загрузить ее в ПАИС для дальнейшего проведения

испытаний и проверки достоверности.

В качестве иллюстрации использования ПАИС рассмотрим подробно ее применение в составе схемы измерительного преобразователя параметров с аналоговым вычислением на примере преобразователя для кондуктометрического датчика[1]. В указанной статье подробно рассказывается о способе измерения проводимости кондуметрического датчика, приводится блок схема и необходимые расчеты, что позволяет воплотить устройство на базе ПАИС. Блок схема устройства из указанной статьисодержит в своем составе следующие блоки: усилитель входного сигнала, дифференциатор, интегратор, двойной интегратор, два сумматора, генератор сигнала треугольной формы и выходной усилитель.

На базе ПАИС можно достаточно просто реализовать всю представленную схему, но мы реализуем лишь ту часть схемы, которая выделена пунктирной линией (рисунок 4) . Остальная часть схемы будет собрана на операционных усилителях (ОУ) и пассивных компонентах, так как вопрос обеспечения нужных значений коэффициентов суммирования для получения необходимой информации с использованием ПАИС пока не решен. Кроме того, такое ограничение дает возможность более подробно рассмотреть вопрос согласования входов-выходов ПАИС с внешними устройствами. С точки зрения построения измерительного преобразователя это оправдано.

На рисунке 5 представлена схема устройства с применением ПАИС второго поколения AN121E04^ отличие от ранее выпускавшихся AN120E04, эти ПАИС имеют 4 конфигурируемые универсальные ячейки

ввода-вывода, позволяющие реализовать до 6 выходов аналоговых сигналов. Одна из ячеек имеет на входе 4-х канальный дифференциальный мультиплексор, позволяющий подключать одновременно до 4-х дифференциальных или синфазных сигналов.

В представленной схеме ПАИС содержит в себе несколько КАМ: генератор сигнала треугольной формы, дифференциатор и 3 интегратора. При помощи двух последовательно-соединенных интеграторов реализуется операция двойного интегрирования.

Контроль формы сигналов внутри ПАИС выполняется осциллографом, встроенным в программную среду Anadigm Designer 2. Разместив четыре щупа осциллографа в точках, где необходимо посмотреть форму сигнала, и запустив процесс моделирования, в открывшемся окне осциллографа мы получим результаты измерений (рисунок 6).

Так как обработка сигнала внутри ПАИС осуществляется с использованием однополярных дифференциальных сигналов, с постоянной составляющей +2,0 В, то для работы с недифференциальным униполярным аналоговым сигналом требуется преобразовать выходной сигнал [4].

В схеме на рисунке 5 выходной сигнал треугольной формы с выхода ПАИС подается на соответствующий выходной каскад, который осуществляет преобразование сигнала в биполярный недифференциальный.

С выхода каскада на ОУ2 сигнал сначала поступает на кондуктометрический датчик, а затем на входной усилитель, реализованный на базе ОУ1. Данный каскад усиливает сигнал после датчика и осуществляет преобразование сигнала в однополярный дифференциальный с постоянную составляющей +2,0В, который поступает на положительный вход ячейки ввода/вывода. Напряжение +2В подается от встроенного стабилизатора через резистор Rc, который предотвращает возможность перегрузки стабилизатора по выходу.

Использование ОУ позволяет задать коэффициент усиления путем изменения отношений резисторов R1 и Rос в цепи обратной связи. Коэффициент усиления можно рассчитать по формуле КУ =R1/Rос. Для предотвращения перегрузки по выходу внутреннего стабилизатора сумму сопротивления резисторов R1 и Rос необходимо выбирать более 100 кОм.

После преобразований внутри ПАИС выходные сигналы поступают на соответствующие входа сумматоров реализованных на базе операционных усилителей ОУ3 и ОУ4. Первый сумматор на ОУ3 является инвертирующим. Инвертирование сигнала используется с целью избавления от постоянной составляющей +2,0В, присутствующей в выходном сигнале ПАИС.

С выхода второго сумматора сигнал подается либо непосредственно на измерительный прибор, либо на вход АЦП с целью дальнейших преобразований.

Рисунок 4 - Блок схема устройства

Таким образом, использование программируемых аналоговых интегральных схем позволяет решить проблему создания разнообразных аналоговых устройств, снизив их стоимость и габариты, а также отказаться от значительной части внешних навесных элементов, что в значительной степени повышает надежность готового продукта.

Представленные в статье вопросы и схемотехнические решения затрагивали общие положения работы статически конфигурируемой ПАИС AN121E04 в составе устройства для измерения проводимости конду-метрического датчика. В дальнейшем предполагается рассмотрение вопросов реализации различных измерительных устройств на динамически конфигурируемой ПАИС, с применением микроконтроллера, который позволит изменять функциональную структуру микросхемы в режиме реального времени.

На сегодняшний день эти микросхемы открывают большие возможности для создания как аналоговых, так и комбинированных аналого-цифровых систем обработки сигналов, и на наш взгляд, в будущем программируемые аналоговые микросхемы могут стать незаменимым инструментом при создании различных устройств и составят достойную конкуренцию цифровым микросхемам.

Рисунок 5 - Схема устройства с использованием ПАИС AN121E04

Рисунок 6 - Осциллограммы сигналов

ЛИТЕРАТУРА

1. Кулапин В.И, Кулапин Н.В. Синтез измерительного преобразователя для измерения проводимости кондуктометрического датчика. Измерительные преобразователи и информационные технологии. Уфа. 1999 .

2. Полищук А. Программируемые аналоговые ИС Anadigm структура и принцип построения. - Современная электроника, 2005, №1.

3. Щерба А. Программируемые аналоговые ИС Anadigm подключение и загрузка конфигурационных

данных с внешней микросхемы памяти при статическом конфигурировании (Часть 1) . - Современная

электроника, 2008, №8.

4. Щерба А. Построение входных и выходных цепей программируемых аналоговых схем Anadigm. -Компоненты и технологии, 2008, № 12.