摘? 要: 主要介紹了在系統可編程" title="可編程">可編程器件ispPAC80的結構與特點、封裝與管腳及其開發環境,并給出一個ispPAC80應用的例子,最后還對ispPAC系列器件進行了比較。
關鍵詞: 在系統可編程(ISP) 差分" title="差分">差分I/O? 濾波器? 模擬
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1992年美國Lattice半導體公司發明了在系統可編程技術(In-System Programmability)，徹底改變了傳統數字電子系統的設計和實現方法,開創了數字系統設計的里程碑。1999年11月,美國Lattice公司又推出了在系統可編程模擬電路" title="模擬電路">模擬電路(ispPAC：In-System Programmable Analog Circuits),翻開了模擬電路設計方法的新篇章。與數字在系統可編程大規模集成電路一樣,在系統可編程模擬器件" title="模擬器件">模擬器件允許設計者使用開發軟件在計算機中設計、修改模擬電路,進行電路特性模擬,最后通過編程電纜將設計方案下載到芯片中。目前已經推出的在系統可編程模擬器件有三種:ispPAC10、ispPAC20和 ispPAC80。本文主要介紹ispPAC80器件及其應用。
1 ispPAC80結構與特性
ispPAC80器件包括一個增益為1、2、5或10可選的差分輸入儀表放大器IA、一個差分輸出求和放大器OA、5階低通濾波器、兩個非易失性在系統配置存儲器、ISP接口、參考電壓及自校正電路,如圖1所示。
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ispPAC80中所包含的5階連續時間低通濾波器如圖2所示。改變它的電容、電阻值便可得到具有不同幅頻特性和相頻特性的濾波器。這些值的改變有兩種途徑:①設計者自行設定;②設計者對濾波器性能(截止頻率" title="截止頻率">截止頻率、濾波器類型等)提出要求,由應用軟件計算出所需的參數值。通常采取第二種途經。這些值及放大器增益等信息均被直接存儲在芯片上的非易失E2CMOS存儲器,并且設計者可以保存兩種配置,因此在修改模擬電路時無需變動外部元件。
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ispPAC80的主要性能特點如下:
①精密有源濾波(50kHz～750kHz);
②雙配置存儲器使得用戶可以在不對電路板做任何改動的情況下,完成兩個完全不同的濾波器設計;
③所有的配置參數均存儲在非易失E2CMOS存儲器中;
④在系統可編程模擬電路;
⑤電路增益可以通過編程的方法改變,增益范圍為0dB～20dB;
⑥可實現多種形式的濾波器設計:Chebyshev、Butterworth、Gaussian、Bessel等;
⑦真正的差分I/O,輸入阻抗為109Ω,共模抑制比為58dB;
⑧失真低,總諧波失真THD<-74dB;
⑨系統包含大約3000個獨立的電容器,相當于7個分辨率為9~12位的可編程電容器,因此設計精度非常高;
⑩單電源+5V供電,內部可提供2.5V共模參考電壓。
2 ispPAC80的封裝與引腳
ispPAC80采用16腳塑封PDIP或SOIC封裝,如圖3所示。各引腳說明如表1所示。
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ispPAC80的型號說明規則如圖4所示。
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3 ispPAC80的開發環境
Lattice半導體公司提供的基于Windows系統的PAC-Designer軟件設計工具,具有非常友好的設計界面,且易學易用。用戶可在用戶圖形界面GUI的原理圖上或在濾波器表的輸入項里描述屬性或參數,然后在仿真窗口仿真濾波器的特性。在此仿真窗口中,設計者可同時查看至多4個輸入輸出的組合的增益和相位波形,且可用十字光標直接讀取任意的增益和相位。一旦設計屬性被確認,便可通過一條連接在PC機并口與ispPAC80串行編程口之間的下載電纜將其下載到ispPAC80器件中。連接接口符合IEEE 1149.1 JTAG標準。
4 應用舉例
在一個實際的電子系統中,它的輸入信號往往因干擾等而含有一些不必要的成分,應當把它衰減到足夠小的程度;在一些場合,需要的信號卻和別的信號混在一起,應當設法把前者挑選出來。上述問題均可利用ispPAC80來解決。圖5所示電路是ispPAC80器件的一個典型應用,其功能就是先通過ispPAC80濾除有用信號中所含的干擾成分,再對其進行A/D轉換。
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5 ispPAC系列器件比較
Lattice公司推出的三種在系統可編程模擬器件分別是ispPAC10、ispPAC20和ispPAC80。ispPAC10的輸入、輸出全差分結構及高增益性能(0～80dB),使得它非常適合儀器、儀表測量;ispPAC20比ispPAC10少了兩個PAC塊,增加了兩個可編程雙差分比較器和一個8位的D/A轉換器,所以ispPAC20的增益可調范圍比ispPAC10小,只有0～40dB。但它卻可以接受8位的數字信號并將其轉換為模擬信號,此模擬信號的輸出也是完全差分形式,可以與器件內部的比較器或儀用放大器相連,也可以直接輸出;ispPAC80器件則主要集中在濾波器的應用上,它使濾波器可以工作在很小的容差范圍內。雖然使用ispPAC10或ispPAC20也可以進行濾波器的設計,但其精度和工作頻率范圍都不及ispPAC80。例如ispPAC10有4個PAC塊,最多可實現4階濾波器,并且只能是截止頻率在17kHz～100kHz之間的Butterworth或Chebyshev濾波器;而ispPAC80的截止頻率卻可以高達500kHz。
由于isp技術可以在器件被焊接在電路板上的情況下對系統編程或重構,因而當需要改變設計時,無需改動元器件或印制板,只需通過Lattice的開發系統軟件在數分鐘內即可完成。可見利用isp技術設計系統時,雖然設計的是硬件,卻像軟件一樣方便,這就縮短了設計試制的周期,降低了試制成本,省去了編程器等設備和器件插拔的手續,是一種全新的設計方法。因此,IspPAC器件的出現必將使電子系統設計、生產、維護及更新諸環節發生革命性的變化。
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參考文獻
1 黃正瑾.系統編程技術及其應用.東南大學出版社,1999
2 ispPAC Handbook. Lattice Semiconductor Corporation，?2000(3)