FPAA在物理电子学中的应用

简要介绍了FPAA的发展现状、工作原理和特点。并结合具体芯片AN221E04分别给出了它的两种配置方式,还分析了它的模拟信号输出、输入接口电路在物理电子学中的应用。最后完成了在AnadigmDesigner2中的仿真。

Aplicação das FPAA na realização de sistemas de ordem fraccionária

Esta tese de dissertação tem como principal objetivo a implementação de controladores fracionários utilizando diapositivos analógicos FPAA (Field Programable Analog Array). Embora estes dispositivos já não sejam um tecnologia recente, não tiveram grande aceitação comercial, daí não ter sido grande a sua evolução nesta última década. Mas para a elaboração de alguns circuitos analógicos, nomeadamente filtros, amplificadores e mesmo controladores PID (Proporcional-Integrativo-Derivativo) analógicos torna-se numa ferramenta que pode facilitar o projeto e implementação. Para a realização deste estudo, utilizou-se a placa de desenvolvimento da Anadigm AN231K04-DVLP3 juntamente com o software disponibilizado pela mesma empresa, o AnadigmDesigner2. Para a simulação e observação dos resultados foi utilizada a DAQ (Data Acquisition) Hilink da Zelton juntamente com o software Matlab. De forma a testar a implementação dos controladores fracionários nas FPAA foram realizados alguns circuitos no software e enviados para a FPAA comparando os resultados obtidos na simulação com os visualizados no osciloscópio. Por último foi projetado um controlador PIlDm recorrendo aos métodos de aproximação inteira descritos neste documento implementados na FPAA recorrendo ao uso de filtros de primeira e segunda ordem.

Controller implementation using analog reconfigurable hardware (FPAA)

This Thesis has the main target to make a research about FPAA/dpASPs devices and technologies applied to control systems. These devices provide easy way to emulate analog circuits that can be reconfigurable by programming tools from manufactures and in case of dpASPs are able to be dynamically reconfigurable on the fly. It is described different kinds of technologies commercially available and also academic projects from researcher groups. These technologies are very recent and are in ramp up development to achieve a level of flexibility and integration to penetrate more easily the market. As occurs with CPLD/FPGAs, the FPAA/dpASPs technologies have the target to increase the productivity, reducing the development time and make easier future hardware reconfigurations reducing the costs. FPAA/dpAsps still have some limitations comparing with the classic analog circuits due to lower working frequencies and emulation of complex circuits that require more components inside the integrated circuit. However, they have great advantages in sensor signal condition, filter circuits and control systems. This thesis focuses practical implementations of these technologies to control system PID controllers. The result of the experiments confirms the efficacy of FPAA/dpASPs on signal condition and control systems.

Sistema de adquisición de datos basado en FPAA

Las FPAA´s son dispositivos analógicos programables. Estos dispositivos se basan en el uso de condensadores conmutados junto con amplificadores operacionales. Este tipo de tecnología presenta una serie de ventajas, ya que combinan las ventajas de dispositivos digitales, como la reprogramación en función de las variables del entorno que los rodean, con la diferencia de ser dispositivos analógicos, permitiendo la realización de una amplia gama de diseños analógicos en un solo chip. En este proyecto se ha realizado un estudio sobre el funcionamiento de los condensadores conmutados y su uso en el dispositivo AN221E04 del fabricante Anadigm. Una vez descrita la arquitectura del AN221E04 y explicadas las bases del funcionamiento de los condensadores conmutados, utilizando como ejemplo los modelos facilitados por Anadigm, se desarrolla un modelo de amplificador de instrumentación teórico y se describe la metodología para su implementación en un AN221E04 con el software Anadigm Designer 2. Una vez implementado este modelo de amplificador de instrumentación se han efectuado una serie de pruebas con el objetivo de estudiar la capacidad de estos dispositivos. Dichas pruebas ponen de manifiesto que las FPAA´s tienen una serie de ventajas a tener en cuenta a la hora de realizar diseños analógicos. La precisión obtenida por el modelo de amplificador de instrumentación realizado es más que aceptable, llegando a obtener errores de ganancia inferiores al 1% con ganancias de 200V/V sin tener la necesidad de realizar grandes ajustes. En las conclusiones de este estudio se exponen tanto ventajas como inconvenientes de la utilización de FPAA´s en diseños analógicos. La principal ventaja de este uso es el ahorro de costes, ya que una vez desarrollada una plataforma de diseño, la capacidad de reconfiguración permite utilizar dicha plataforma para un amplio abanico de aplicaciones, reduciendo el número de componentes y simplificando las etapas de diseño. Como desventaja, las FPAA´s tienen una serie de limitaciones qué hay que tener en cuenta en ciertos casos pudiendo hacer irrealizable un diseño concreto; como puede ser el valor máximo o mínimo de ganancia. The FPAA's are programmable analog devices. These devices rely on the use of switched capacitors together with operational amplifiers. This type of technology has a number of advantages, because they combine the advantages of digital devices such as the reprogramming function of the variables of the surrounding environment, with the difference being analog devices, allowing the realization of a wide range of designs analog on a single chip. This project has conducted a study on the operation of the switched capacitor and its use in the device AN221E04 from Anadigm. Having described the architecture of AN221E04 and explained the basis for the operation of the switched capacitor, using the example models provided by Anadigm is developing an instrumentation amplifier theory model and describes the methodology for implementation in a AN221E04 with the Anadigm Designer 2 software. Once implemented this instrumentation amplifier model, have made a series of tests in order to study the ability of these devices. These tests show that the FPAA's have a number of advantages to take into account when making analog designs. The accuracy obtained by the instrumentation amplifier model is made more than acceptable, earning gain errors of less than 1% with gains of 200V / V without the need for major adjustments. The conclusions of this study are presented both advantages and disadvantages of using FPAA's in analog designs. The main advantage of this application is the cost savings, because once developed a platform for design, reconfiguration capability allows you to use this platform for a wide range of applications, reducing component count and simplifying design stages. As a disadvantage, the FPAA's have a number of limitations which must be taken into account in certain cases may make impossible a specific design, such as the maximum or minimum gain, or the magnitude of the possible settings.

A Modular and digitally programmable interface based on band-pass sigma-delta modulator for mixed-signal systems-on-chip

The focus of this thesis is to discuss the development and modeling of an interface architecture to be employed for interfacing analog signals in mixed-signal SOC. We claim that the approach that is going to be presented is able to achieve wide frequency range, and covers a large range of applications with constant performance, allied to digital configuration compatibility. Our primary assumptions are to use a fixed analog block and to promote application configurability in the digital domain, which leads to a mixed-signal interface. The use of a fixed analog block avoids the performance loss common to configurable analog blocks. The usage of configurability on the digital domain makes possible the use of all existing tools for high level design, simulation and synthesis to implement the target application, with very good performance prediction. The proposed approach utilizes the concept of frequency translation (mixing) of the input signal followed by its conversion to the ΣΔ domain, which makes possible the use of a fairly constant analog block, and also, a uniform treatment of input signal from DC to high frequencies. The programmability is performed in the ΣΔ digital domain where performance can be closely achieved according to application specification. The interface performance theoretical and simulation model are developed for design space exploration and for physical design support. Two prototypes are built and characterized to validate the proposed model and to implement some application examples. The usage of this interface as a multi-band parametric ADC and as a two channels analog multiplier and adder are shown. The multi-channel analog interface architecture is also presented. The characterization measurements support the main advantages of the approach proposed.

Uma interface para o aumento da faixa de freqüências de operação de FPAAS

O crescente avanço nas mais diversas áreas da eletrônica, desde instrumentação em baixa freqüência até telecomunicações operando em freqüências muito elevadas, e a necessidade de soluções baratas em curto espaço de tempo que acompanhem a demanda de mercado, torna a procura por circuitos programáveis, tanto digitais como analógicos, um ponto comum em diversas pesquisas. Os dispositivos digitais programáveis, que têm como grande representante os Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), vêm apresentando um elevado e contínuo crescimento em termos de complexidade, desempenho e número de transistores integrados, já há várias décadas. O desenvolvimento de dispositivos analógicos programáveis (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), entretanto, esbarra em dois pontos fundamentais que tornam sua evolução um tanto latente: a estreita largura de banda alcançada, conseqüência da necessidade de um grande número de chaves de programação e reconfiguração, e a elevada área consumida por componentes analógicos como resistores e capacitores, quando integrados em processos VLSI Este trabalho apresenta uma proposta para aumentar a faixa de freqüências das aplicações passíveis de serem utilizadas tanto em FPAAs comerciais quanto em outros FPAAs, através da utilização de uma interface de translação e seleção de sinais, mantendo características de programabilidade do FPAA em questão, sem aumentar em muito sua potência consumida. A proposta, a simulação e a implementação da interface são apresentadas ao longo desta dissertação. Resultados de simulação e resultados práticos obtidos comprovam a eficácia da proposta.

A current-mode based Field-Programmable Analog Array for signal processing applications

This paper presents a new approach to develop Field Programmable Analog Arrays (FPAAs),(1) which avoids excessive number of programming elements in the signal path, thus enhancing the performance. The paper also introduces a novel FPAA architecture, devoid of the conventional switching and connection modules. The proposed FPAA is based on simple current mode sub-circuits. An uncompounded methodology has been employed for the programming of the Configurable Analog Cell (CAC). Current mode approach has enabled the operation of the FPAA presented here, over almost three decades of frequency range. We have demonstrated the feasibility of the FPAA by implementing some signal processing functions.