ispPAC器件在滤波器设计中的应用

第17卷第2期四川文理学院学报(自然科学)2007年3月Vol.17　No.2　S i chuan Un i versity of Arts and Sc i ence Journa l(Na tura l Sc i ence Ed iti on)M ar.20073is pP AC器件在滤波器设计中的应用符兴昌(四川文理学院物电系,四川达州635000)【摘　要】介绍了在系统可编程模拟电路(is pP AC)的结构、性能特点和发展前景,阐述了用is pP AC器件实现滤波器的设计思想和方法。

利用is pP AC10、is pP AC80,借助于P AC-Designer开发软件,能够分别实现二阶、四阶、五阶低通滤波器。

这种设计不需外接电阻、电容和运算放大器等元件,方法简单、快捷,修改方便。

通过仿真和下载验证表明设计具有较好的级联、“重构”电路和可编程性能。

【关键词】is pP AC器件;滤波器;设计[中图分类号]T N713 [文献标识码]A [文章编号]1008-4886(2007)02-0027-030　引言在系统可编程(I SP)技术和复杂可编程逻辑器件(CP LD)的出现,彻底改变了传统数字系统的设计思想和实现方法,随着大规模集成电路(VLSI)技术的迅速发展,集成电路朝着系统集成的方向发展,落后的模拟集成电路设计自动化水平已成为系统集成技术发展的一个瓶颈。

[1][2]Lattice公司于1999年推出了在系统可编程模拟电路(is pP AC),将在系统可编程技术引入模拟电路的应用领域,允许用户使用EDA软件在计算机上设计、修改模拟电路,进行电路特性仿真,最后通过编程电缆将设计方案下载到芯片中。

同时还可以对已装配在印制板上的is p2 P AC进行校验、修改或重新设计。

在系统可编程模拟器件有极其广阔的应用前景,广泛应用于信号处理、模拟计算、人工神经网络、电路进化设计(EH W)、数据采集系统和监控系统等领域。

到目前为止,美国Lattice芯片公司已推出的is pP AC器件有六种:is pP AC10、is pP AC20、is pP AC30、is p2 P AC80、is pP AC81和is pP AC-P OWR1208等。

在系统可编程模拟器件可实现三种功能:信号处理、信号调理和信号转换。

信号处理是指对信号进行求和、求差和积分等运算;信号调理是指对信号进行放大、衰减和滤波;信号转换是指把数字信号转换成模拟信号。

[3]以上六种芯片应用的侧重点不同:is pP AC10适合信号的调理和滤波;is pP AC20适合信号的转换和监视;is pP AC30适合做通用的模拟前段;is pP AC80和is pP AC81可以方便地实现多种类型的5阶滤波器;is pP AC-P OWR1208是一种数模混合的可编程器件,专门用于多路电源的管理与监控。

1　is pP AC器件的结构is pP AC芯片包含有可编程模拟宏单元(P AC模块),它可以是仪器放大器、求和放大器或其它功能单元,主要承担模拟信号的处理任务。

P AC块的输入输出通过模拟布线区(ARP)互相连接,ARP在器件管脚和P AC块的输入、输出间提供了一个可编程的模拟线路网络,无需外部连线就可将P AC块级联使用。

芯片中还包含有配置存储器,是电擦除的E2C MOS存储器,可重复使用1000次,且编程时无需专用的编程电源,它以数据形式存储P AC块中选择的增益,反馈电容值,与反馈电阻串联的开关状态, P AC块的输入、输出之间的连接和管脚之间的连接等信息。

除此之外,is pP AC块中还包含有参考电压、自校正电路以及is p接口电路。

尽管各种器件的内部结构与用途不同,但它们具有以下特点:单5V工作电源;自校准输入失调电压;输入、输出均为差分方式(P AC30的输入为单端方式),共模抑制能力强;具有在系统可编程能力,并与JT AG 接口相兼容;设有保密位,确保器件内的编程信息不被读出。

2　用is pPAC10实现双二阶型滤波器双二阶型低通滤波器电路是多种有源滤波器的积木块,可以级联出高阶滤波器。

在系统可编程模拟器件的出723[收稿日期]2006—09—19[基金项目]四川省教育厅自然科学重点项目(2005A186)[作者简介]符兴昌(1969—),男,四川达州人,四川文理学院物理学与电子信息工程系讲师,主要从事电子技术与计算机应用研究。

2007年第2期符兴昌:is pP AC 器件在滤波器设计中的应用现,就可以很方便地实现该电路,而不再需要电阻、电容和运放了。

is pP AC10能够实现方框图中的每一个功能块,is pP AC10器件内部有四个P AC 块,通过组合运用这些P AC 块,可以方便地实现放大器和滤波器等电路。

[4]对照is pP AC10中的P AC 块结构,用两个P AC 块即可构成一个双二阶低通滤波器,如图1所示。

两个P AC 块的输出分别为Vo1和Vo2,运用VCL 定律和叠加原理,可得Vo2的传递函数为:A 2(S )=K 11K 12C F 1R e C F 2R eS 2+SC F 1R F 1-K 12K 21C F 1R e C F 2R e式中,f 0=12π-K 21K 12(C F 1R e )(CF 2R e ),当K 12=-K 21=1时,即为低通滤波器的传递函数。

图1　is pP AC 组态实现双二阶低通滤波器在is pP AC 器件的开发软件P AC -Designer 中,滤波器的设计有三种方法:一是根据可编程器件的内部结构手工计算出放大器的增益和电容容量;二是在设计库中现成的样板电路的基础上修改参数进行设计;三是利用滤波器设计工具自动生成电路。

[5]现采用第一种设计方法设计一个带宽为15KHz,带内增益为2,Q 值为0.7的双二阶低通滤波器。

由1CF 1R F1=ω0Q可得,C F 1=Q2πR F 1f 0=29.7PF由-K 12K 21C F 1R e C F 2R e=ω2,设K 12=-K 21=1可得,C F 2=R F12πf 0QR 2e =60.6PF由K 11K 12C F 1R e C F 2R e=A F ω2可得,K 11=A F =2将计算结果输入到原理图中,使用P AC -Designer 中的模拟器对所设计的滤波器进行仿真,如频率特性与设计要求相符,即可对P AC 器件进行编程。

3　高阶全极点低通滤波器的实现3.1　用is pP AC10实现高阶低通滤波器的步骤3.1.1　传递函数T (S )的逼近。

3.1.2　传递函数T (S )的分解。

3.1.3　用可编程模拟器件is pP AC10实现分解后的一阶和二阶低通传递函数,按一定的顺序级联起来,得到所要求的高阶滤波器。

3.1.4　设计验证,器件编程,电路实测,利用仪器对配置后的器件及电路进行实际测试,详细验证其各项功能和指标是否符合要求。

3.2　四阶全极点低通滤波器的实现根据上述原理,设计一个3d B,截止频率为33.5KHz 的四阶全极点巴特沃斯(Butter worth )滤波器,其归一化传输函数为:T (s )=1s 4+a 3s 3+a 2s 2+a 1s +a 0=1(s 2+0.76536686s +1)(s 2+1.84775907s +1)根据上面的步骤,将传递函数分解为两个二阶低通滤波器的级联,表达式的网络结构如图2所示。

其中电路参数为:C F1=31.63pF,C F2=61.59pF,C F3=25.49pF,C F4=5.92pF,图3是在P AC -Designer 软件中模拟器对设计实例的幅频特性和相频特性的仿真结果。

通过仿真和下载验证,该设计实现具有较好的级联、电路重构和编程性能。

图2　is pP AC 组态实现四阶全极点低通滤波器图3　四阶滤波器的幅频特性和相频特性4　用is pPAC80实现5阶低通滤波器is pP AC80是由一个5阶低通滤波器、两个配置存储器、参考电压源和校准电路、is p 接口电路构成,is pP AC80的滤波范围为50～75KHz,其核心是这个5阶低通滤波器82符兴昌:is pP AC 器件在滤波器设计中的应用2007年第2期电路的“空心”结构,只有通过开发软件“填入”有关内容,才能使is pP AC80实现椭圆(Elli p tical )、切比雪夫(Cheby 2shev )、巴特沃斯(Butter worth )等多种滤波器。

is pP AC80可以完成较复杂的滤波器设计,而设计人员的工作只在1000多种滤波器配置表中选择适合的参数即可,软件会自动选择电阻、电容等的设置。

通过双配置存储器可将两组滤波器参数保存起来按需选用,参数电压源输出2.5V 基准电压,在P AC -Designer 开发软件中共提供了8000多种滤波器参数。

is pP AC80器件的设计输入方式有两种,第一种只需设计者通过图形界面对5阶滤波器电路的电容值,输入仪器放大器的增益等内容进行编程设置;第二种是设计者可根据不同的需要从P AC -Designer 软件中所提供的8000多种不同类型的5阶低通滤波器方案中,选中合适的方案,将其“填入”5阶滤波器这个内核即可。

下面采用第二种方式,实现一个截止频率为99.8KHz 的切比雪夫(Che 2byshev )5阶低通函数滤波器。

[6]图4是上述滤波器的幅频特性和相频特性。

如频率特性与设计要求相符,即可对is pP AC 器件进行编程,也就是将下载电缆一端接PC 机的打印口,另一端接is pP AC 器件的JT AG 并行接口,接通+5V 电源,即可完成整个器件的编程工作,将设计下载到芯片中。

图4　五阶滤波器的幅频特性和相频特性5　结语可以看出,在系统可编程模拟电路is pP AC 器件可实现放大、滤波、信号运算和模数转换等功能,开辟了电路设计的新途径。

当然,目前is pP AC 还处于起步阶段,器件品种少、规模小、带宽窄,所能实现的功能十分有限,主要用于中、低频段的信号调理和模拟计算等方面。

可编程模拟器件可由用户通过编程和配置来改变其内部连接和元件参数,从而获得所需要的电路功能。

配合相应的开发软件,其设计和使用均可与可编程逻辑器件同样方便、灵活、快捷,与数字电路相比,它具有简洁经济、高速低耗等优势;而与普通模拟电路相比,它又具有完全集成化、适应性强、便于开发和维护(升级)等显著优点,并可作为模拟ASI C 开发媒介和低风险过渡途径。

因此它特别适用于小型化、低成本、中低精度电子系统的设计和实现,有着广阔的应用前景。

参考文献:[1]高书莉,罗朝霞.可编程逻辑设计技术及应用[M ].北京:人民邮电出版社,2001:64.[2]阮礻乃忠,林金表,陈　强.综合电子电路应用指南[M ].北京:机械工业出版社,2004:206.[3]储婉琴,朱振华.在系统可编程模拟器件(is pP AC )在电路设计中的应用[J ].电子工程师,2001(1):48-50.[4]孙肖子1模拟电子技术基础[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2001:262-270.[5]臧春华,郑步生,魏小龙.电子设计自动化技术[M ].北京:机械工业出版社,2004:153-154.[6]景　亮,赵不贿.在系统可编程模拟器件is pP AC80及其应用[J ].微电子学,2002(3):238-240.[责任编辑　唐华生]The Appli ca ti on of ispPAC D ev i ce i n to F ilter D esi gn i n gF U Xing -chang(Depart m ent of Physics &Electr onic I nf or mati on Engineering,Sichuan University of A rts and Science,Dazhou Sichuan 635000,China )　A bstract:The article intr oduces the structure,functi on and pers pective of is pP AC,and then exp lains the p rinci p les and methods offilter designing with is pP AC device .A ssisted by P AC -Designer,is pP AC10and is pP AC80can be used t o devel op s oft w are t o bring a 2bout res pectively the second order,f ourth order and fifth order l ow pass filter .The components such as extra resistance,capacitance,operati onal a mp lifier,etc are not required in the designing,which is easy,fast and flexible in revising .Thr ough the validati on of e mu 2lating and downl oading,the designing p r oves t o have much better cascade,reconfigurati on circuit and p r ogra m functi on .　Key w ords:is pP AC;filter;design92。