Với các hệ thống điện tử hiện đại ngày càng tích hợp cảm biến và hoạt động trong môi trường ngày càng năng động, những hạn chế của mạch tương tự cố định ngày càng khó bỏ qua. Xử lý kỹ thuật số có thể thống trị các kiến trúc hệ thống ngày nay, nhưng thế giới vật lý vẫn có bản chất tương tự. Điểm bắt đầu của mỗi cảm biến, bộ truyền động và giao diện là tín hiệu điện thực. Trước khi xử lý hiệu quả các tín hiệu này, việc khuếch đại, lọc và điều hòa phải được thực hiện trước tiên.
Khi phản hồi có độ trễ thấp trở thành chỉ báo chính và các yêu cầu ứng dụng ngày càng phát triển, tầm quan trọng của giao diện người dùng mô phỏng một lần nữa được nhấn mạnh. Nền tảng giám sát công nghiệp, dụng cụ y tế, thiết bị điện tử ô tô và Internet of Things dựa vào điều hòa tín hiệu chính xác và thích ứng. Những cải tiến nhỏ về chất lượng tín hiệu analog thường mang lại độ chính xác, độ tin cậy và hiệu quả cao hơn cho hệ thống.
Theo truyền thống, liên kết tín hiệu tương tự được xây dựng từ các phần tử chức năng cố định như bộ khuếch đại thuật toán, bộ lọc và bộ so sánh. Cách tiếp cận này mang lại kết quả tuyệt vời khi các yêu cầu ổn định và rõ ràng. Tuy nhiên, nó vốn có tính cứng nhắc. Những thay đổi về đặc tính cảm biến, điều kiện vận hành hoặc mục tiêu hiệu suất thường yêu cầu sửa đổi sơ đồ, thiết kế lại bố cục PCB và các chu trình xác minh bổ sung.
Mảng tương tự lập trình được dạng trường (FPAA) cung cấp một cách tiếp cận rất khác. Các kỹ sư có thể cấu hình các chức năng tương tự thông qua phần mềm mà không cần sử dụng liên kết tín hiệu tương tự cố định trong phần cứng. Thiết bị OKIKA OTC2310K04-PIKA, Chameleon ™ Bộ lọc thông thấp Butterworth 8 bậc và Apex Quad4 (Hình 1) minh họa cách áp dụng kiến trúc analog có thể lập trình cho hệ thống tín hiệu hỗn hợp thực. Bài viết này thảo luận về cách thức hoạt động của FPAA, vị trí của nó trong các kiến trúc hệ thống hiện đại và các kỹ sư cân nhắc sự đánh đổi nên cân nhắc khi đánh giá các giải pháp mô phỏng có thể lập trình.
Ban phát triển Okika PiKa Quad FlexFPAA (bấm vào để phóng to)
Hình 1: Ban phát triển Okika PiKa Quad FlexFPAA. Nguồn hình ảnh: Thiết bị Okika)
Những thách thức có cấu trúc của thiết kế mô phỏng
Thiết kế analog phải đối mặt với nhiều thách thức khác nhau mà các kỹ sư kỹ thuật số hiếm khi gặp phải. Đặc tính của mạch rất nhạy cảm với dung sai thành phần, độ lệch nhiệt độ, khả năng ghép nhiễu và hiệu ứng bố cục. Những thay đổi nhỏ có thể có tác động đáng kể đến mức tăng, độ lệch, băng thông hoặc độ ổn định.
Quá trình xác minh và điều chỉnh thường tốn thời gian và lặp đi lặp lại. Nhà thiết kế phải đánh giá hiệu suất trong giới hạn công suất và nhiệt độ, xem xét dung sai trong trường hợp xấu nhất và xác minh việc tuân thủ các yêu cầu cấp hệ thống. Để đạt được hiệu suất mạnh mẽ, bảng mạch thường được sửa đổi nhiều lần.
Chi phí lặp lại là một vấn đề tồn tại từ lâu. Điều chỉnh giá trị điện trở hoặc cấu trúc liên kết bộ lọc thường có nghĩa là thiết kế lại phần cứng. Mỗi lần sửa đổi sẽ thêm chi phí, tiến độ và rủi ro.
Những thay đổi sau này có sức tàn phá đặc biệt. Cảm biến mới, yêu cầu tuân thủ cập nhật hoặc các nguồn nhiễu không mong muốn có thể buộc phải thiết kế lại đáng kể. Không giống như các hệ thống kỹ thuật số, những vấn đề này không thể được giải quyết bằng cách nâng cấp chương trình cơ sở. Sự thiếu linh hoạt từ lâu đã là một hạn chế về mặt cấu trúc trong việc tập trung vào các hệ thống mô phỏng.
Giới thiệu về mảng tương tự có thể lập trình theo trường
FPGA là một mạch tích hợp với các chức năng tương tự có thể cấu hình được. FPAA không dựa vào mạch bên trong cố định mà dựa vào khối xây dựng tương tự có thể lập trình được tích hợp sẵn. Các khối xây dựng này có thể được kết nối với nhau để tạo thành các đường dẫn tín hiệu tùy chỉnh.
Các chức năng FPAA điển hình bao gồm khuếch đại, lọc, tích hợp và so sánh. Cùng một thiết bị có thể thực hiện một cấu hình khác biệt ở các giai đoạn phát triển sản phẩm khác nhau hoặc thậm chí xác định lại hoàn toàn mục đích của nó để đạt được định hướng chức năng mới. Khả năng cấu hình lại này là một tính năng quyết định của FPAA.
FPAA thường được so sánh với FPGA, mặc dù điểm tương đồng nằm ở khái niệm hơn là công nghệ. Cả hai đều dựa vào các khối chức năng có thể tái sử dụng và các kết nối có thể lập trình được. Sự khác biệt chính giữa hai loại này là FPAA hoạt động trực tiếp trong miền tương tự thời gian liên tục, xử lý tín hiệu trong thế giới thực mà không chuyển đổi chúng sang dạng kỹ thuật số.
Trong các hệ thống tín hiệu lai, FPAA thường được sử dụng làm giao diện người dùng tương tự thích ứng. Các thiết bị này được đặt giữa cảm biến và ADC hoặc giữa DAC và bộ truyền động để cải thiện chất lượng tín hiệu trước khi bắt đầu xử lý kỹ thuật số.
Mô hình cấu hình và kiến trúc cốt lõi
FPAA được xây dựng xung quanh một khối tương tự có thể định cấu hình (CAB) tạo thành lõi của thiết bị. Các mô-đun này thường được sử dụng để thực hiện các chức năng như bộ khuếch đại, bộ lọc, bộ tích hợp và bộ so sánh. Mỗi mô-đun có thể lập trình để người thiết kế có thể đặt các tham số như độ lợi, băng thông, điều kiện bù và mức ngưỡng để xác định các đặc tính mạch cần thiết.
Việc kết nối các mô-đun này đạt được thông qua các kết nối có thể lập trình được (cấu trúc định tuyến). Cấu trúc này xác định cách tín hiệu truyền qua thiết bị và cho phép sắp xếp lại hoặc mở rộng chuỗi tín hiệu mà không cần thiết kế lại phần cứng bên ngoài.
Hoạt động cụ thể của thiết bị được xác định bởi thông tin cấu hình và thường được lưu trữ dưới dạng danh sách chuyển đổi hoặc bộ nhớ cấu hình. Thông tin cấu hình này được tải khi bật nguồn và đường dẫn tín hiệu tương tự được thiết lập. Nhiều nền tảng FPAA còn hỗ trợ cấu hình lại nhanh chóng, cho phép cập nhật trong quá trình phát triển hoặc trong một số trường hợp trong quá trình vận hành.
Giao diện I/O analog kết nối FPAA với cảm biến, ADC, DAC và các thành phần bên ngoài khác. Các giao diện này được thiết kế đặc biệt để đảm bảo mức tín hiệu có thể dự đoán được, hoạt động ổn định và tích hợp liền mạch với các hệ thống tín hiệu hỗn hợp.
Ưu điểm của quá trình thiết kế và phát triển
Sự phát triển của FPAA thay đổi cách thiết kế các hệ thống mô phỏng. Thay vì sử dụng các thiết bị rời rạc để xây dựng các mạch chức năng cố định, các kỹ sư sử dụng các công cụ cấu hình dựa trên sơ đồ, trực quan để xác định hành vi tín hiệu.
Nhà thiết kế tạo ra một liên kết tín hiệu hoàn chỉnh bằng cách chọn khối tương tự có thể định cấu hình (CAB) và kết nối các mô-đun thông qua kiến trúc nối dây có thể lập trình được (Hình 2). Các thông số chính như mức tăng, đặc tính lọc và ngưỡng có thể được đặt trực tiếp trong phần mềm. Khả năng này chuyển thiết kế mô phỏng từ các phép tính thủ công rườm rà sang các phương pháp nhanh hơn, linh hoạt hơn và có thể cấu hình hơn.
Liên kết tín hiệu hoàn chỉnh có thể được tạo bằng cách chọn Khối tương tự có thể định cấu hình (CAB) (nhấp ZOOM IN)
Hình 2: Chuỗi tín hiệu hoàn chỉnh được tạo bằng cách chọn các khối tương tự (CAB) có thể định cấu hình và kết nối các mô-đun thông qua kiến trúc cáp có thể lập trình (nguồn: Thiết bị Okika)
Vì thiết kế có thể được cập nhật trong vài phút nên chu kỳ lặp lại nhanh hơn đáng kể. Các kỹ sư có thể nhanh chóng khám phá các lựa chọn thay thế, đánh giá sự cân bằng và liên tục cải thiện hiệu suất. Ở tốc độ lặp này, có thể đạt được sự tối ưu hóa thực sự, điều này thường không thể thực hiện được với phần cứng analog truyền thống vì mỗi thay đổi đều yêu cầu thiết kế lại, cấu hình lại và kiểm tra lại.
Hầu hết các nền tảng FPAA đều tải cấu hình khi bật nguồn, trong khi một số nền tảng được cấu hình lại khi hỗ trợ các hoạt động có cấu trúc, chẳng hạn như chuyển đổi giữa các chế độ vận hành. Trong cả hai trường hợp, khả năng sửa đổi các chức năng mô phỏng mà không thay đổi phần cứng sẽ rút ngắn thời gian phát triển, giảm chi phí và kéo dài vòng đời sản phẩm.- g.
Trên thực tế, FPAA đưa mô hình được xác định bằng phần mềm vào thiết kế mô phỏng, đưa tính linh hoạt, hiệu quả và hiệu suất của hệ thống điện tử lên một tầm cao mới.
Ứng dụng phổ biến
Điều hòa tín hiệu cảm biến
Giao diện cảm biến là trường hợp sử dụng chính của FPAA. Nhiều cảm biến tạo ra tín hiệu mức thấp, nhiễu hoặc lệch và yêu cầu khuếch đại, lọc và hiệu chuẩn trước khi số hóa.
FPAA có thể tích hợp các chức năng này vào một thiết bị duy nhất để giảm số lượng thành phần và đơn giản hóa các thay đổi thiết kế. Chuỗi tín hiệu có thể được cấu hình lại thay vì thiết kế lại khi đặc tính cảm biến thay đổi hoặc cần phát triển.
Điều này đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống hỗ trợ nhiều loại cảm biến hoặc có yêu cầu thay đổi.
Theo dõi ECG hoặc EKG là một ví dụ điển hình. Các tín hiệu điện đo được từ cơ thể con người thường chỉ có vài milivolt và dễ bị nhiễu bởi các tạo tác chuyển động, nhiễu đường dây điện và độ lệch đường cơ sở. Để đạt được phép đo đáng tin cậy, cần phải khuếch đại, lọc và khử nhiễu chế độ chung chính xác trước khi tín hiệu vào ADC.