Nghiên ứu ứng dụng công nghệ fpaa trong kỹ thuật đo

Việc sử dụng phần mềm trợ giúp thiết kế cùng với các vi mạch logic khả trình đã làm đơn giản hoá quá trình thiết kế mạch điện tử số, rút ngắn thời gian triển khai các thiết kế và có thể

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ

FPAA trong kỹ thuật đo

Ngành : đo lường và hệ thống điều khiển

Lời cảm ơn

Trong thời đại Khoa học và Công nghệ, tri thức luôn là hành trang quí báu đối với mỗi con người Tri thức cho ta sức mạnh, niềm đam mê và những khát khao được khám phá thế giới Trên chặng đường làm chủ khoa học công nghệ ngày càng nhiều các phát minh mới ra đời đem lại những thành tựu to lớn cho nhân loại Để làm chủ ngôi nhà công nghệ, tri thức luôn là chìa khóa

để mở những cánh cửa đó Cùng sự phát triển của xã hội mỗi người luôn cố gắng tìm tòi, học hỏi và nâng cao hiểu biết của mình Để có được sự thành công không thể thiếu sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy cô và những thế hệ đi trước

Tôi xin được gửi lời biết ơn chân thành nhất tới PGS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, Th.s Lê Hải Sâm đã tận tình hướng dẫn và động viên Tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn của mình

Tôi xin cảm ơn tới toàn thể các thầy cô giáo Bộ môn Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp, Trung tâm sau đại học Trường ĐHBK HN đã giúp đỡ Tôi trong quá trình học tập tại trường

Xin cảm ơn gia đình, các bạn đồng nghiệp, khoa Điện- Điện Tử Trường Cao đẳng KT-KT CN I đã tạo mọi điều kiện để Tôi có thể hoàn thành luận văn của mình

Mục lục

Trang

Lời cảm ơn

Mục lục ……….……… …… … ……….…… …… 2

Danh mục từ viết tắt……….……… ……… 5

Phần mở đầu ……… …… ….… 6

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật chuyển mạch ……….… 10

1.1 Nguyên lý chuyển mạch tụ điện ……… ………….……….….… 10

1.2 Sử dụng nguyên lý chuyển mạch tụ điện.……….………. 11

1.2.1 Mạch khuếch đại …….……… …… ….………… 11

1.2.2 Mạch so sánh ………….… ……… ……… … ……… 13

1.2.3 Mạch tích phân………… ……….… ……… … ………….……… 14

1.2.4 Mạch vi phân……… …… ……… ……… … ……….…… …… 15

1.3 Tính ưu việt của kỹ thuật chuyển mạch tụ điện………… … ….……….… 15

1.3.1 Các đặc điểm cơ bản……… ….……… ……….… 16

1.3.2 Tạo điện trở âm……… ….……….……….….… 16

1.3.3 Mạch chỉnh lưu tích cực… ….……… 17

1.4 Lấy mẫu tín hiệu……… ….……….……… 19

1.4.1 Dạng tín hiệu lấy mẫu trong kỹ thuật chuyển mạch tụ điện… 19

1.4.2 Các đặc tính của tín hiệu analog lấy mẫu……… 20

1.4.3 Vấn đề chống trùng phổ và lọc san phẳng tín hiệu……… 21

Chương 2 thế hệ phát triển của FPAA……….……….………….… 22

2.1 Thế hệ thứ nhất - AN10E40……….……… ……… ….…… 22

2.1.1 Cấu trúc tổng thể của AN10E40…….……… ……… ….…… …. 22

2.1.2 Cấu trúc chi tiết của CAB……….……… … …… …….…. 23

2.1.3 Nguån ®iÖn ¸p reference……….……… … ………….… 24

2.1.4 C¸c phÇn tö vµo/ra analog……… ….……… ………….… 25

2.1.5 Sö dông AN10E40……… ……….…….… 27

2.1.6 C¸c −u thÕ cña AN10E40 trong thiÕt kÕ m¹ch……… … 29

2.2 FPAA thÕ hÖ thø hai……… ……….……… ……… ……… 29

2.2.1 §Æc ®iÓm chung……….……….………….……… …… 29

2.2.2 ThÕ hÖ AN120E04 vµ AN220E04……….………….………. 31

2.2.3 ThÕ hÖ AN121E04 vµ AN221E04………….……….………… ……… … 33

2.2.4 AN221E02……… ……… ……… …… ……… … ….…. 36

CH−¬ng 3 cÊu tróc chi tiÕt FPAA ……… ……….……… …….… 37

3.1 M« tả chi tiÕt c¸c bộ phận của FPAA……… … …… ……… … 37

3.1.1 Mạch vào analog……… ……… ………… … … … … 37

3.1.2 M ch ra analog ạ ……… ……… ……… .… … ………… 39

3.1.3 Mạch vào/ra analog……… ………… … .…… … … ……… 40

3.1.4 Mạch xử lý tÝn hiệu analog (CAB) ……….……….…… 41

3.1.5 Bảng tra LUT……… ……… ……… … .……… … … …… 44

3.1.6 Bộ biến đổi tương tự - số ểu xấp xỉ ầ ki d n……… … …. 44

3.1.7 Mạch tạo nguồ đ ện i n ¸p chuẩn (reference) ……… … 45

3.1.8 Clock hệ thống………… ………… ………… ……… … …… …….…… 46

3.2 Hoạt động c a FPAAủ ………… ………… ……… …… …….….……… … … 47

3.2.1 Giao diện thiết lập cấu h×nh ……… …….… …… …… ………… … 47

3.2.2 C¸c mode hoạt động c a FPAAủ ………… … ……… …… ……… . 48

3.2.3 Thiết lập cấu h×nh cho FPAA từ ộ b nhớ ROM nố ếpi ti …… …… 49

3.2.3.1 Nạp cấu h×nh từ ộ b nhớ EPROM cã chuẩn SPI……… 49

3.2.3.2 Nạp cấu h×nh từ ộ b nhớ EPROM kh«ng cã chuẩn SPI……… . 50

3.2.3.3 Nạp c u h×nh t bộ nhớ SxROM cho nhiều FPAA ấ ừ ……… 52

3.2.4 Thiế ật l p c u h×nh cho FPAA t một hệ vi xử lý.ấ ừ ……… . 54

3.3 Thủ ụ t c thiết lập cấu h×nh cho FPAA……… ……… 57

3.3.1 Định d ng dạ ữ liệu cấu h×nh ban đầu……… 57

3.3.2 Định d ng dạ ữ liệu thay đổi cấu h×nh động……….…….……… … 61

3.3.3 C¸c vÝ dụ ậ l p cấu h×nh cho FPAA……… ……… 62

Chư¬ng 4: øng dông fpaa trong phư¬ng ph¸p ®o lưu tèc

m¸u …….……….…… 64

4.1 Giíi thiÖu chung……….……… ………….… 64

4 Ph.2 ư¬ng ph¸p ®o thö….……… ……… 72

4.3 Phư¬ng ph¸p ®o lưu tèc m¸u dïng FPAA……….……… … 79

KÕt luËn vµ Hưíng ph¸t triÓn… ……….……… 83

Phô lôc Tµi liÖu tham Kh¶o

DANH MôC Tõ VIÕT T¾T

FPAA: Field Programable Analog Array

NRE: Non – Recurrent Engineering cost

CAM: Configurable Analog Modul

CAB: Configurable Analog Block

LUT: Look Up Table

SPI: Serial Peripheral Interface

SSI: Synchronous Serial Interface

QFP: Quad Fald Pack

NOL: Non- Overllaping

VMR: Voltage Mid-Rail hoặc Voltage Main Reference

PCA: Programmable Capacitor Array

PRA: Programmable Resistor Array

SAR: Successive Approximation Register

Từ trước tới nay, việc thiết kế và chế tạo mạch điện tử tương tự (analog electronics) chủ yếu là dựa trên các phần tử mạch ở mức thấp Đó là linh kiện rời gồm điện trở, tụ điện, diode, transistor, các vi mạch analog thông dụng kiểu như Op - Amp và gần đây nhất là các vi mạch customer kiểu như ASIC

và phải nắm vững đặc tính của các phần tử dùng cho thiết kế

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin trong những thập niên vừa qua và sự ra đời các phần mềm hỗ trợ thiết kế đã giúp ích rất nhiều cho công việc thiết kế của người kỹ sư Với sự trợ giúp của các phần mềm thiết kế mạch điện tử người kỹ sư hoàn toàn có thể mô tả thiết kế trên máy tính, chạy mô phỏng và đánh giá kết quả của thiết kế trước khi triển khai thực hiện nó

Trong lĩnh vực mạch điện tử số (digital electronics) cùng với các phần mềm hỗ trợ thiết kế, từ lâu người ta đã chế tạo ra các vi mạch logic khả trình PLD, CPLD, FPGA Nhờ đó, công việc thiết kế và chế tạo các mạch điện tử số trở nên đơn giản hơn rất nhiều Người thiết kế thiết bị điện tử số bây giờ chỉ cần mô tả chức năng của nó thông qua ngôn ngữ lập trình bậc cao (ví dụ VHDL), sau đó dùng phần mềm trợ giúp thiết kế biên dịch bản mô tả đó sang dạng chuỗi bít để nạp vào các chip PLD, CPLD, hoặc FPGA Bằng cách đó người thiết kế đã lập trình biến một chíp “trắng” thành một thiết bị điện tử có chức năng tương đương với cả một bảng mạch phức tạp Người thiết kế cũng

có thể kiểm tra hoạt động của mạch trước khi lập trình cho chip bằng cách chạy mô phỏng trên máy tính

Việc sử dụng phần mềm trợ giúp thiết kế cùng với các vi mạch logic khả trình đã làm đơn giản hoá quá trình thiết kế mạch điện tử số, rút ngắn thời gian triển khai các thiết kế và có thể thay đổi các chức năng logic của các thiết

bị ngay cả khi nó đang hoạt động

Trong lĩnh vực thiết kế điện tử tương tự, người ta cũng cố gắng tìm ra các thực thể có tính năng tương đương với FPGA trong lĩnh vực thiết kế điện

tử số nhằm giúp cho quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị analog trở nên đơn giản hơn, đồng thời làm tăng tính linh hoạt mềm dẻo của thiết bị Những cố gắng đó của các nhà chế tạo vi mạch đã tạo ra một dòng sản phẩm đặc biệt gọi

là FPAA (Field Programable Analog Array), tức là mạng lưới các khối mạch

điện tử tương tự có thể lập trình được

Gần đây, Anadigm (là một hãng chế tạo vi mạch điện tử) đã cho ra đời công cụ thiết kế chế tạo mạch điện tử tương tự từ các FPAA, và gọi là Anadigmvortex Công cụ Anadigmvortex là sự tích hợp của bốn bộ phận cấu thành: phần mềm trợ giúp thiết kế AngadigmDesigner, thư viện các module analog CAM, hệ phát triển dùng cho FPAA, và các vi mạch bán dẫn FPAA Với công cụ Anadigmvortex

Sự phát triển và ứng dụng của công nghệ FPAA

Tháng 1 năm 2000, công ty Anadigm được thành lập từ một bộ phận của Motorola hoạt động theo phương thức kinh doanh mạo hiểm Sau khi dành

được quyền sở hữu trí tuệ FPAA, Anadigm tiếp tục cải tiến công nghệ và bắt

đầu một chiến lược toàn diện Đến tháng 9 năm 2000 họ bắt đầu tung ra thị trường các sản phẩm FPAA thế hệ đầu tiên, đó là các vi mạch AN10E40 Tháng 11 năm đó, Andigm tiếp tục giới thiệu thế hệ phát triển dùng cho FPAA đó là bang mạch có tên gọi AN10DS40 cùng với phần mềm giúp thiết

kế Anadigh Designer nhằm giúp các kỹ sư thiết kế đánh giá công nghệ FPAA, phát triển và kiểm tra hoạt động của các hệ thống ứng dụng

thế hệ hai với chủng loại phong phú hơn nhiều Các vi mạch FPAA đang được

sử dụng phổ biến hiện nay như AN120E04, AN121E04, AN220E04, AN221E04 và AN221E02 và FPAA thế hệ thứ hai Cùng với các vi mạch FPAA thế hệ hai, Anadigm tiếp tục đưa ra thị trường công cụ phát triển thế hệ hai Anadigmvortex có thêm hệ phát triển bằng mạch giúp người thiết kế tạo ra các mẫu thử và kiểm tra hoạt động của các mạch trước khi triển khai thực hiện

nó

Công nghệ FPAA của Anadigm đã mở một hướng hoàn toàn mới trong việc thiết kế các hệ thống mạch điện tử tương tự Người kỹ sư thiết kế có thể tích hợp nhiều chức năng của hệ thống trên cùng một chip Đồng thời có thể lập trình thay đổi cấu hình của thiết bị ngay tại hiện trường trong khi nó đang hoạt động Điều này là rất quan trọng, vì nhiều khi người thiết kế cần phải

điều chỉnh chức năng của thiết bị cho phù hợp với sự thay đổi đặc tính của các sensor và các phần tử khác dùng với nó Với Anadigmvortex, người thiết kế cũng không cần phải là những chuyên gia về lý thuyết mạch điện tử

Sử dụng công nghệ FPAA trong việc thiết kế, chế tạo các mạch điện tử cũng mang lại lợi ích kinh tế rất lớn Ngoài ra công nghệ FPAA còn cho phép

những người thiết kế chế tạo ra các mạch điện tử có thể rút ngắn thời gian cần thiết để đưa sản phẩm ra thị trường và giảm được chi phí kỹ thuật đột xuất (NRE - Non Recurrent Engineering cost) các sản phẩm FPAA cũng có thể

được sử dụng lại nhiều lần cho nhiều ứng dụng khác nhau nhờ sự thay đổi cấu hình của chúng Nói tóm lại lợi ích của công nghệ FPAA trong việc thiết kế chế tạo các mạch điện tử tương tự rất rõ ràng, hiệu quả của nó được thể hiện trong mọi dự án cho dù số lượng sản phẩm nhiều hay ít ngay cả với các thiết

kế chỉ dùng cho một sản phẩm

Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA vào việc chế tạo các thiết

bị đo lường và điều khiển là hết sức cần thiết bởi tính đơn giản và thuận tiện trong thiết kế cũng như tính khả thi trong thực hiện là mục đích để tôi thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA trong kỹ thuật đo”

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Công nghệ FPAA và những tính năng vượt trội trong việc thiết kế chế tạo các mạch điện tử tương tự

Mục đích của đề tài

+ Nắm vững công nghệ FPAA

+ ứng dụng công nghệ FPAA trong Đo lường và Điều khiển

Chương 1: Tổng quan về Kỹ thuật chuyển mạch tụ điện 1.1 Nguyên lý chuyển mạch tụ điện:

Chúng ta biết rằng một mạch điện tương tự thường bao gồm các điện trở, các tụ điện và các phần tích cực (Transistor, tầng khuếch đại) Công nghệ chế tạo ra các tụ điện thường dễ dàng hơn và do vậy cũng rẻ hơn so với việc tạo ra các điện trở Phương pháp chuyển mạch tụ điện (Switched capactor) là

kỹ thuật thiết kế mạch điện tử, nhờ đó có thể tạo ra các điện trở từ các tụ điện

Hình 1 - 1 Nguyên lý chuyển mạch tụ điện

1/T thì dòng điện trung bình qua mạch sẽ là

1

V R

 

 (1.2)

Giá trị R của điện trở tương đương này tỷ lệ nghịch với điện dung C của

tụ điện và tần số chuyển mạch f, khi sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện

muốn cho mạch hoạt động tốt cần chú ý một số nguyên tắc sau:

- khi lựa chọn tần số chuyển mạch cần phải chú ý sao cho tụ điện được

1.2 Sử dụng nguyên lý chuyển mạch tụ điện

1.2.1 Mạch khuếch đại

Xét khuếch đại đơn giản mô tả ở hình 1.2 mạch này gồm một Op - Amp

Hình 1 - 2 Mạch khuếch đại đảo dùng tụ điện chuyển mạch

tụ điện có điện thế bằng mức offset vào của Op - Amp mức điện áp offset này

Hình 1 - 3 Mạch khuếch đại đảo ở trạng thái 1 (a), 2(b)

Kết quả ta có mạch hình 1-2 là một tầng khuếch đại đảo với hệ số khuếch đại:

Nếu thay đổi vị trí của các khoá chuyển mạch trong hình 1-2 thành

hệ số khuếch đại:

Hình 1 - 4 Mạch khuếch đại không đảo dùng tụ điện chuyển mạch

F A in

out

u C

C V

V

K   (1.4)

Nh− vậy, mạch khuếch đại đảo và không đảo chỉ khác nhau vị trí của

hai khoá đó thì sẽ có một tầng khuếch đại hỗn hợp

Hình 1- 5 là sơ đồ của một tầng khuếch đại hỗn hợp Trong sơ đồ này

ta có mạch khuếch đại đảo

Hình 1 - 5 Mạch khuếch đại hỗn hợp

1.2.2 Mạch so sánh ( comperator)

mạch so sánh Nói một cách khác đây vẫn là bộ khuếch đại nh−ng có điện

tuỳ thuộc vào tín hiệu sign) Một bộ khuếch đại điện áp có hệ số khuếch đại bằng dương vô cùng chính là một mạch so sánh

in A

out

F F

V C q

out i out

C

C V t

V t



 (  ) )

1.2.4 Mạch vi phân

Hình 1 - 8 Mạch vi phân

8a, ta sẽ có đ−ợc một mạch vi phân điện áp

chức năng của một điện trở R Nh− vậy, mạch này có dạng của một mạch vi phân quen thuộc theo sơ đồ trên hình 1 - 8b

Hình 1-8a

Hình 1-8b

1.3 Tính ưu việt của kỹ thuật chuyển mạch tụ điện

1.3.1 Các đặc điểm cơ bản

Với kỹ thuật chuyển mạch tụ điện, các điện trở trong mạch được thay thế bằng tụ điện Trước hết, kỹ thuật này giúp cho quá trình chế tạo các vi mạch trở nên đơn giản hơn Thay vì phải chế tạo các điện trở kích thước nhỏ

có trị số rất khác nhau, nhà chế tạo bây giờ chỉ phải tạo ra các tụ điện Và thực

tế, việc chế tạo các tụ điện nhỏ bằng công nghệ CMOS thì đơn giản hơn nhiều

so với chế tạo điện trở Khác với các điện trở thông thường, trị số của các điện trở tương đương tạo ra bằng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện không phụ thuộc nhiệt độ mà chỉ phụ thuộc vào điện dung của tụ điện và tần số chuyển mạch,

C

f

R



cách thay đổi tần số chuyển mạch

Trong các mạch điện tử tương tự dùng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện đã xét ở trên, ta thấy hệ số truyền đạt của chúng đều chỉ phụ thuộc vào tỷ số của

F

C

tử Với công nghệ vi điện tử việc chế tạo một phần tử mạch (điện trở, tụ điện)

có độ chính xác cao là rất khó khăn, thông thường trị số tuyệt đối của các phần tử có dung sai cỡ 10  20% Trong khi đó, việc tạo ra các cặp phần tử có

tỷ số giữa các giá trị của chúng chính xác là điều rất dễ dàng Kỹ thuật chế tạo

vi mạch của Anadigm cho phép chế tạo các cặp tụ điện có tỷ số giữa các

điện dung của chúng sai lệch không quá  0.1%

Ngoài ra, với việc sử dụng các tụ điện làm phần tử chính của mạch, kỹ thuật chuyển mạch tụ điện cũng góp phần làm giảm công suất tiêu tán và không làm cho vi mạch bị nóng lên khi thiết bị hoạt động lâu dài

1.3.2 Tạo điện trở âm

Bằng cách thay đổi vị trí các khoá 1 và 2 trong sơ đồ chuyển mạch tụ

điện người ta có thể tạo ra các phần tử có đặc tính điện trở âm Sơ đồ mạch ở hình 1-9 giải thích nguyên lý tạo điện trở dương (a) và điện trở âm (b) Theo

này cũng chính là dòng điện ra có chiều cùng với chiều của nguồn nạp ở

q q 2

R



C f

R





 1

Hình 1 -9 Chuyển mạch tụ điện tạo điện trở dương (a) và âm (b)

Điện trở âm là một đặc tính rất được quan tâm của các phần tử mạch

điện Nó thường được ứng dụng trong việc tạo các mạch có đặc tính gần lý

1.3.3 Mạch chỉnh lưu tích cực

Từ sơ đồ mạch khuếch đại hỗn hợp mô tả ở hình 1 - 5, ta thấy rằng để

đổi dấu hàm của bộ khuếch đại dùng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện ta chỉ cần

thay đổi mức của tín hiệu Sign Điều này thuận lợi hơn rất nhiều so với các mạch khuếch đại dùng các phần tử thuần trở, ở đó để thay đổi dấu của hàm truyền mà vẫn giữ nguyên độ lớn ta buộc phải thay đổi cả cấu trúc của mạch lẫn quan hệ về trị số của các phần tử trong mạch (hình 1 - 10) Với một vài phần tử mạch bổ sung, ta có thể biến đổi mạch khuếch đại hỗn hợp có chuyển mạch tụ điện thành một bộ chỉnh lưu tích cực hai nửa chu kỳ

Hình 1 - 10 Mạch khuếch đại không đảo (a) và đảo (b) dùng điện trở

Hình 1-11 mô tả sơ đồ của một mạch chỉnh lưu tích cực, như vậy trong

hiệu Sign Vẫn dựa trên nguyên tắc của mạch khuếch đại hỗn hợp đã được mô tả ở hình 1 - 5, bây giờ ta dùng thêm một mạch so sánh để tạo tín hiệu Sign

Với nguyên tắc đó điện áp ra của mạch ở hình 1 – 11 được tính như sau:

Do vậy in

F

A out V C

C

Đây chính là biểu thức của một mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

1.4 Lấy mẫu tín hiệu

1.4.1 Dạng tín hiệu lấy mẫu trong kỹ thuật chuyển mạch tụ điện

Trong các sơ đồ mạch sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện, tín hiệu chỉ có thể xuất hiện ở lối ra của mạch tại những trạng thái nhất định Ví dụ

Hình 1 - 12 Các trạng thái của phép chuyển mạch tụ điện

Dạng tín hiệu trong các thiết bị sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện không phải là tín hiệu liên tục theo thời gian như trong các mạch điện tử tương

mẫu (sampled signal) Trong mỗi chip FPAA, ngoài các tụ điện chuyển mạch

thực hiện phép lấy mẫu tín hiệu còn có các khối Sample and hold (S & H) thực hiện vai trò giữ mẫu

là tín hiệu liên tục theo thời gian (analog)

là tín hiệu gián đoạn theo thời gian (sampled data - lấy mẫu) trong đó

1 2 1

      2 1 2 1 2 1 2 1 2 1  2 1 2

Hình 1 - 13 Dạng tín hiệu analog trong FPAA

Nếu như tần số lấy mẫu so với tần số tín hiệu thì dạng tín hiệu lấy mẫu này không khác nhiều so với tín hiệu liên tục theo thời gian

1.4.2 Các đặc tính của tín hiệu analog lấy mẫu

Cũng như các tín hiệu digital, tín hiệu analog lấy mẫu có dạng gián

đoạn theo thời gian, tức là được thể hiện thông qua một tập các giá trị rời rạc, tuy nhiên tín hiệu analog lấy mẫu có thể nhận giá trị bất kỳ, còn tín hiệu digital chỉ nhận các giá trị theo các mức lượng tử

Khi thực hiện phép lấy mẫu tín hiệu thì một trong những vấn đề cần phải lưu ý là quan hệ giữa tần số lấy mẫu và tần số tín hiệu Với phép khôi phục tín hiệu dạng bậc thang như ở hình 1 - 13 (sử dụng S & H), thì quan hệ “ tần số lấy mẫu bằng hai lần tần số tín hiệu” theo như tiêu chuẩn Nyquist là không thoả đáng Nói chung, tần số lấy mẫu càng cao càng tốt nhưng phải thoả mãn các ràng buộc về phần cứng: thời gian xác lập của mạch, điện trở của các switch…

Theo các tài liệu của Anadigm thì tần số lấy mẫu nên chọn tối thiểu bằng 10 lần tần số tín hiệu để đảm bảo khôi phục đầy đủ thông tin ban đầu của tín hiệu

1.4.3 Vấn đề chống trùng phổ và lọc san phẳng tín hiệu

Bất kỳ tín hiệu nào được lấy mẫu với tần số thấp hơn giới hạn Nyquist của nó cũng đều có thể bị trùng phổ với một thành phần tín hiệu có tần số thấp hơn Để ngăn ngừa sự trùng phổ, trong các mạch sử dụng tụ điện chuyển mạch thường có thêm một bộ lọc thông thấp nhằm loại bỏ thành phần tần số cao do

ảnh hưởng của nhiễu

Mặt khác, bản chất của tín hiệu trong các hệ chuyển mạch tụ điện là có dạng ‘bậc thang‘ do quá trình lấy mẫu và duy trì mẫu (Sample-and-Hold) Để cải thiện đặc tính của tín hiệu ra, người ta sử dụng thêm các bộ lọc san phẳng

ở cửa ra của mỗi khối chức năng analog

Hình 1-14 Cấu trục hoàn chỉnh của một bộ khuếch đại trong FPAA

Hình 1-14 mô tả cấu trục hoàn chỉnh của một bộ khuếch đại gồm một mạch khuếch đại dùng tụ điện chuyển mạch và hai bộ lọc thông thấp để chống trùng phổ và san phẳng tín hiệu ra

Chương 2 thế Hệ phát triển của FPAA

2.1 FPAA thế hệ thứ nhất - AN10E40

2.1.1 Cấu trúc tổng thể của AN10E40

Các chíp FPAA thế hệ đầu tiên được hãng Anadigm chế tạo và tung

ra thị trường vào tháng 9 năm 2000, có ký hiệu AN10E40 Chip AN10E40

được đóng vỏ kiểu QFP (Quad Flat Pack), có 80 chân, kích thước 14 x 14mm, làm việc với nguồn cung cấp DC 5V Về mặt cấu trúc, mỗi chip AN10E40 chứa một ma trận gồm 20 khối analog có thể thay đổi được cấu hình, gọi là CAB (Configurable Analog Block)

Bao bọc quanh ma trận CAB này là 13 phần tử vào/ra analog và một mạng lưới các đường liên kết khả trình(có thể thay đổi cấu trúc kết nối) Mỗi chip AN10E40 còn có một bộ tạo nguồn điện áp chuẩn (reference) khả trình 8-bit, người thiết kế có thể lập trình để thay đổi mức điện áp ra của nguồn

reference này Ngoài ra, AN10E40 còn có bộ tạo tín hiệu clock, lấy từ một máy phát chủ có tần số cực đại cỡ 20MHz Tần số của tín hiệu clock dùng cho mạch được lập trình bằng cách thay đổi hệ số chia tần của một bộ chia on-chip Cả nguồn điện áp reference và nguồn tín hiệu clock đều có thể được dùng cho mọi phần tử CAB bất kỳ trong mạng lưới của AN10E40

Trạng thái cấu hình của chip AN10E40 được lập trình và lưu giữ tại một bộ nhớ SRAM on- chip, gọi là bộ nhớ cấu hình Bộ nhớ cấu hình SRAM này được nạp nội dung khi cấp nguồn từ một bộ nhớ PROM nối tiếp ở bên ngoài, hoặc có thể từ cổng giao diện của một hệ vi xử lý kết nối với chip AN10E40 Nội dung của bộ nhớ cấu hình được tạo ra trong quá trình thiết kế nhờ phần mềm thiết kế AnadigmDesigner Khi hoạt động, mạch logic tạo cấu hình và thanh ghi dịch trong chip sẽ quy định chức năng cho các CAB theo nội dung của bộ nhớ

Các khối chức năng xử lý tín hiệu thông thường như khuếch đại, chỉnh lưu, tích phân, so sánh, lọc bậc hai… đều có thể được thực hiện bằng cách dùng chỉ một phần tử CAB Các khối chức năng phức tạp hơn, như các bộ lọc bậc cao, các bộ dao động, các bộ điều chế độ rộng xung và bộ quarlizer… có thể được thực hiện bằng cách dùng hai hay nhiều CAB

2.1.2 Cấu trúc chi tiết của CAB

Mỗi phần tử CAB trong AN10E40 gồm có một Op-Amp và các tụ điện

có chuyển mạch (switch - capacitor) Do vậy, người thiết kế có thể lập trình để tạo ra các khối chức năng analog khác nhau từ các phần tử CAB của AN10E40 Với kỹ thuật chuyển mạch tụ điện, người ta có thể tạo được các phần tử điện trở tương đương với độ chính xác cao, giá thành lại rẻ Thực tế, mặc dù rất khó có thể chế tạo được các tụ điện MOS có trị số chính xác (thông thường sai số điện dung trong các vi mạch cỡ 20%), nhưng người ta lại có thể

dễ dàng tạo ra trong cùng một chip các cặp tụ điện có tỷ lệ giữa các trị số điện dung của chúng rất chính xác (sai lệch không quá 0.1%) Tất cả các khối

chức năng CAB trong AN10E40 đều sử dụng kỹ thuật này, bằng cách điều chỉnh thích hợp các chuyển mạch ta sẽ tạo ra được các khối chức năng analog theo yêu cầu

Theo đó, mỗi CAB có một Op-amp Mỗi cụm sử dụng tám tụ điện có

trình để tạo ra các tụ điện tương đương nhận một trong 256 trị số điện dung khác nhau Chức năng thực sự của mạch được quyết định bởi chế độ hoạt động của các chuyển mạch xung quanh các cụm tụ điện Do vậy, từ mỗi phần tử CAB của AN10E40 người thiết kế có thể lập trình để tạo ra các khối chức năng analog khác nhau

2.1.3 Nguồn điện áp reference

Vi mạch AN10E40 có một bộ tạo nguồn điện áp DC reference on-chip

có thể lập trình được Điều này là rất cần thiết cho các ứng dụng như so sánh

điện áp, biến đổi tín hiệu và các phép đo lường chính xác Tất cả các điện áp analog trong mạng lưới FPAA đều được đo so với một mức nền nhất định gọi

là VMR(Voltage Mid-Rail) Cụ thể, VMR chính là mức giữa của nguồn cung cấp và bằng 2.5V so với điểm đất của nguồn (AVSS) Điện áp VMR được tạo

ra bên trong chip AN10E4, sau đó được lọc bằng một tụ điện bên ngoài và lại

được dùng để cấp cho các phần tử CAB của FPAA (hình 2- 3) Các giá trị lập trình cho nguồn điện áp reference cũng được so với điện áp nền VMR này

Trong cấu trúc mạch tạo VMR trên hình 2-3 gồm bộ tạo điện áp chuẩn reference, mạch op-amp và điện trở 50 nằm ở trong chip Tụ điện 100nF(ở bên ngoài) cùng với điện trở 50 tạo nên một mắt lọc thông thấp RC đơn giản nhưng hiệu quả được dùng để lọc điện áp VMR Tụ điện 10nF (cũng ở bên ngoài) dùng để lọc các nhiễu xung do chuyển mạch Cần lưu ý không nên gây tải bên ngoài cho nguồn VMR, tụ điện lọc 100nF phải là một tụ điện có cách

điện tốt

2.1.4 Các phần tử vào/ra analog

AN10E40 có 13 phần tử vào/ra cho phép người thiết kế nối các tín hiệu trao đổi vào/ra theo kiểu buffer(bộ đệm) với các mạch bên trong của nó Ngoài ra, người thiết kế cũng có thể dùng thêm vài phần tử bên ngoài(tụ điện,

điện trở) kết hợp với một hoặc hai phần tử vào/ra này để tạo nên một bộ lọc

Bộ tạo điện

áp chuẩn (reference)

VMR

VMR

Có lọc

Cext 10nF

100nF Tới CABs

Để làm bộ đệm cho tín hiệu vào cần phải để hở khoá (nối giữa X và Y), không nối các cực X và Z, đưa tín hiệu vào tới cực Y, đầu ra O nối với lối vào của một phần tử CAB(hình 2-4)

Để làm bộ đệm tín hiệu ra thông mạch khoá giữa X và Y, tín hiệu ra từ CAB đưa tới đầu vào 1, nối tải bên ngoài với cực Z, không nối các cực X và Y

Trong một số trường hợp, ta có thể để hở khoá và không cấp nguồn cho mạch buffer Khi đó tín hiệu ra có thể được lấy từ cực X và tín hiệu vào có thể

đưa tới cực Z, tuy nhiên với trường hợp này ta cần chú ý đến ảnh hưởng của tải (vì không có buffer)

Một ứng dụng rất quan trọng của các phần tử vào/ra analog là tạo ra các

bộ lọc thông thấp để khử trùng phổ cho tín hiệu vào hoặc lọc san phẳng cho tín hiệu ra

Để chống hiện tượng trùng phổ có thể xảy ra do việc lấy mẫu tín hiệu,

ta có thể tạo các bộ lọc thông thấp theo sơ đồ nối mạch ở Hình 2 - 5 Hình 2 - 5a là mạch lọc thông thấp bậc hai, Hình 2 - 5b là mạch lọc thông thấp bậc bốn Đặc tính tần của các bộ lọc này được mô tả ở Hình 2 - 7

Cũng với các phần tử vào/ra analog đó, nếu nối mạch theo các sơ

đồ ở Hình 2 - 6 ta sẽ nhận được các bộ lọc thông thấp dùng để khôi phục lại

20 0 -20 -40 -60 dB

TÇn sè [Hz]

L äc bËc 4 -80dB/Decade

H×nh 2 - 7 §Æc tÝnh tÇn cña c¸c bé läc bËc hai (a) vµ bËc bèn

Còn nếu điện áp ở chân 2 có mức cao (logic 1) thì AN10E40 làm việc ở model

1, tức là nội dung của bộ nhớ SRAM đ−ợc nạp từ một bộ nhớ EPROM nối tiếp (Hình 2-9)

Mức điện áp ở chân 3 (MODEL[2]) của AN10E40 quy định việc sử dụng tín hiệu clock trong trao đổi dữ liệu Nếu điện áp ở chân 3 có mức thấp (logic 0) thì tín hiệu clock trong trao đổi dữ liệu Nếu điện áp ở chân 3 có mức

CFG-CLK RESETb MODE 1 RESETb

CLK

D[7:0]

WAIT READb WRITEb Addr[n:0]

CLK RSTb

Hình 2-8 Nạp cấu hình cho FPAA từ một hệ Vi xử lý

EPROM nối tiếp

RESETb

CLK CEb

CFG_CLK

F[0]- BFRb F[3]- PWRUP

RST/OEb Data_Out DATA[0]

Hình 2-9 Nạp cấu hình cho FPAA từ một bộ nhớ EPROM nối

thấp (logic 0) thì tín hiệu clock được lấy từ chip AN10E40 Còn nếu điện áp này có mức cao (logic 1) thì tín hiệu clock được lấy từ nguồn ngoài

2.1.6 Các ưu thế của AN10E40 trong thiết kế mạch

thiết kế có thể tạo ra sản phẩm một cách nhanh chóng Người ta có thể tạo ra một mạch điện tử tương tự thực sự quan trọng trong vòng vài phút, thay vì tối thiểu phải vài tuần nếu như sử dụng kỹ thuật kế thông thường

FPAA cho phép người sử dụng có thể lập trình để thay đổi cấu trúc của thiết bị ngay trên bảng mạch của nó (in-circuit), không cần phải thay đổi kết cấu nối mạch bên ngoài Việc thay đổi này chỉ là thay đổi nội dung của bộ nhớ SPROM, hoặc thay đổi chương trình điều khiển từ một hệ vi xử lý, thời gian thay đổi chỉ kéo dài khoảng 125s

Các mạch điện tử được thiết kế theo công nghệ FPAA rất ổn định với

việc Đặc tính của thiết bị được tạo ra không bị thay đổi do sự già hoá của các linh kiện

Sau khi đã thiết kế mạch, trong quá trình thực hiện sản phẩm người thiết

kế không cần phải có các thao tác hiệu chỉnh số của các linh kiện (kiểu trimming hoặc turning)

Từ cuối năm 2005, Anadigm đã thay thế cac vi mạch AN10E04 bằng nhóm vi mạch thế hệ thứ hai có nhiều tính năng phong phú hơn

Trong số đó, các nhóm mạch AN120E04 và AN121E04 được sản xuất với số lượng rất lớn, có giá thành rẻ phù hợp với các ứng dụng đại trà, yêu cầu tích hợp nhiều chức năng analog trên một chip AN220E04 và AN221E04 là nhứng vi mạch đã được cải tiến cho phép người thiết kế có thể thay đổi cấu hình động, tức là có thể thay đổi chức năng của thiết bị ngay cả khi nó đang vận hành Còn AN221E02 là nhóm vi mạch FPAA có thể thay đổi cấu hình

động, lại vừa có giá rẻ

nhóm vi mạch FPAA mới nhất là AN122E04 và AN222E04 với nhiều tính năng được cải thiện phong phú hơn

Hình 2-10 Hình thức các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai

Đặc điểm chung của các vi mạch FPAA thuộc thế hệ thứ hai là tất cả chúng

điện áp DC 5 V

Về bản chất mạch, các FPAA thế hệ thứ hai này cũng gồm các phần tử cơ bản là CAB Mỗi CAB đều chứa các phần tử op-amp làm việc với các tín hiệu vào/ra analog có dạng vi sai (differential), nhưng khi cần người thiết kế cũng có thể chuyển đổi tín hiệu thành dạng đơn so đất Các vi mạch FPAA

làm việc với khả năng chống nhiễu cao Hệ số tín hiệu/nhiễu (SNR) lớn, 80dB

đối với toàn bộ giải thông và 100dB đối với một giải hẹp (âm tần) Hệ số triệt nhiễu giao thoa giữa các phần tử trong mạch là trên 70dB Sai lệch (offset)

điện áp DC ở lối vào rất nhỏ, dưới 100V Các vi mạch FPAA có thể thực hiện các phép tạo hàm, hoặc hiệu chỉnh tính phi tuyến cho các sensor thông qua việc sử dụng một bảng tra LUT (Look Up Table)

LUT là một cơ chế biến đổi phi tuyến sử dụng bộ nhớ bán dẫn, trong đó

địa chỉ của mỗi ô chính là lượng vào x còn nội dung của nó là lượng ra y

Đây là hai nhóm sản phẩm đầu tiên của thế hệ thứ hai do Anadigm chế tạo Về mặt kiến trúc, chúng hoàn toàn giống nhau Sự sắp xếp của các bộ phận bên trong các vi mạch này được mô tả trên hình 2-11

Mỗi vi mạch AN120E04 (gọi chung là AN x 20E04) gồm có 4 khối CAB ở giữa, sắp xếp theo ma trận vuông 2 x 2 Xung quanh ma trận CAB là mạng lưới các đường kết nối có thể lập trình được Tất cả các phần tử CAB

đều có thể liên kết với bảng tra LUT để có thể thực hiện các phép biến đổi phi tuyến tuỳ ý Có nguồn tạo điện áp reference để tạo ra mức nền VMR và các

điện áp chuẩn dùng cho các CAB

Các tín hiệu vào analog được đưa tới ma trận CAB thông qua bốn phần

tử mạch vào là các Input Cell từ 1 đến 4 Trong đó, phần tử chuyển mạch vào thứ tư (Input Cell 4) có thêm một khâu dồn kênh(MUX) cho phép chọn nối một trong bốn nguồn tín hiệu vào khác nhau Các tín hiệu ra analog được đưa

ra từ ma trận CAB ngoài thông qua hai phần tử chuyển mạch ra là các Output Cell 1 và 2 Tất cả các lối vào và ra analog của FPAA đều sử dụng tín hiệu vi sai

Phần digital của FPAA gồm có một bảng tra LUT dạng bộ nhớ 256 Byte, một giao diện lập trình (Configuration Interface) qua đó có thể thay đổi cấu hình cho FPAA, và một thanh ghi xấp xỉ dần SAR (Successive Approximation Register) 8 bit có thể dùng cho các ứng dụng cần có biến đổi ADC Việc trao

đổi thông tin cấu hình giữa FPAA và bên ngoài được thực hiện thông qua một

bộ chuẩn truyền thông nối tiếp SPI Tín hiệu nhịp clock dùng cho FPAA có thể được đưa vào từ một máy phát clock ngoài qua chân DCLK, cũng có thể

được một máy phát clock on – chip tạo ra bằng cách nối thêm một bộ tinh thể thạch anh có cộng hưởng nối tiếp tại chân DCLK đó

Hoạt động của tất cả các bộ phận trong FPAA gồm CABs, clock, mạng lưới các đường kết nối, các phần tử mạch vào/ra analog đều được điều khiển

VREF+ VMR VREF Nguồn Reference

O O

Output Cell 1

bởi nội dung của bộ nhớ cấu hình SRAM on – chip Bên cạnh mỗi bit SRAM cấu hình luôn có một bit SRAM ẩn(shadow) tương ứng với nó Khi lập trình

việc lập trình kết thúc thì nội dung của bộ nhớ SRAM ẩn đó mới được copy vào bộ nhớ SRAM cấu hình để quy định hoạt động của chip

Sự khác biệt cơ bản giữa AN120E04 và AN220E04 là khả năng thay đổi cấu hình động Trên thực tế, cả hai loại vi mạch FPAA đều có thể được lập trình để thay đổi cấu hình cho AN120E04 người thiết kế cần phải reset lại hệ thống Còn đối với AN220E04 thì không cần phải như vậy, cấu hình của thiết

bị dùng AN220E04 có thể được thay đổi ngay cả khi nó đang hoạt động Điều này có được là nhờ giao diện lập trình của AN22E04 vẫn có thể tiếp nhận thông tin để cập nhật bộ nhớ SRAM ẩn mà không làm ảnh hưởng đến hoạt

động của thiết bị

2.2.3 Thế hệ AN121E04 và AN221E04

Các nhóm sản phẩm tiếp theo của thế hệ FPAA thứ hai do Anadigm chế tạo là AN121E04 và AN22E04 Cũng giống như ở hai nhóm mạch trước, hai nhóm mạch này có kiến trúc bên trong hoàn toàn giống nhau Sự sắp sếp của các bộ phận bên trong các vi mạch này được mô tả trên hình 2 - 12

Sự khác biệt cơ bản giữa AN121E04 và AN221E04 vẫn chỉ là ở khả năng thay

đổi cấu hình động Khi muốn thay đổi cấu hình cho AN121E04 người thiết kế

đổi ngay cả khi thiết bị đang hoạt động So với các vi mạch ANx20E04 thì các

vi mạch ANx21E04 có thêm những thay đổi đáng kể Trước hết, đó là sự thay

đổi ở các phần tử vào ra analog ở ANx20E04, ta đã biết, cấu trúc vào ra analog gồm có hai phần tử mạch ra và bốn phần tử mạch vào Còn ở ANx21E04, tổng cấu trúc vào ra của nó cũng có hai phần tử mạch ra nhưng bốn phần tử mạch vào đã được thay bằng bốn phần tử mạch vào/ra (Input/Output Cell) có thể thay đổi được chiều tín hiệu Điều này giúp làm

tăng thêm tính linh hoạt của FPAA trong việc ghép nối với thế giới xung quanh

Sự khác nhau giữa ANx20E04 và ANx21E04 còn thể hiện ở bộ biến đổi

AD theo kiểu xấp xỉ dần (SAR – ADC) Trong đó ANx20E04, kết quả của SAR – ADC chỉ được dùng làm địa chỉ cho bảng tra LUT nhằm tạo ra các phép biến đổi tín hiệu, các khối chức năng analog có hàm truyền phi tuyến Còn ở ANx21E04 thì ngoài chức năng tạo hàm, kết quả của SAR – ADC còn

có thể được đưa ra bên ngoài để sử dụng như là kết quả của một bộ biến đổi

AD thông thường Kết quả biến đổi của SAR – ADC được đưa ra dưới dạng mã nối tiếp 8 bit, bắt đầu từ bit có trọng số lớn nhất (MSB) Khi cần sử dụng kết quả biến đổi AD, người thiết kế phải lập trình cho một trong hai phần tử

VREF+ VMR VREF Nguồn Reference

2P

Output Cell 1

mạch ra(analog) của ANx21E04 làm việc ở chế độ digital và mã nối tiếp từ

giữa ANx20E04 và ANx21E04 được liệt kê ở Bảng 2-1

B ảng 2-1 Các đ ể i m khác nhau cơ ản giữa ANx20E04 và ANx21E04 b

VREF+ VMR VREF Nguồn Reference

O O

Output Cell 1

O O

Oscillator

& Clocks Analog Lo gic DVDD

2.2.4 Thế ệ h AN221E02

có giá thành rẻ Kiến trúc bên trong của AN221E02 được mô tả trên Hình

2-13

mạch vào/ra analog, còn trong AN221E02 chỉ có hai phần tử mạch vào/ra

khác nhau

AN221E02 giống với AN221E04

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC CHI TIẾT FPAA 3.1 Mô tả chi tiết các bộ phận của FPAA

3.1.1 Mạch vào analog

Tíi m¹ng CAB

+ _ +

H×nh 3-1 PhÇn tö m¹ch vµo analog cña Anx20E04

dụng có tần số tín hiệu thấp (từ 15kHz trở xuống) Nếu tín hiệu vào có tần số

thông thấp, tín hiệu vào qua bộ khuếch đại chopper, tín hiệu vào qua khuếch

khuếch đại để chuyển thành dạng vi sai trước khi đưa tới mạng CAB

Tíi m¹ng CAB

+ _ +

H×nh 3-2 PhÇn tö m¹ch vµo analog cã MUX cña Anx20E04

nối được 8 nguồn tín hiệu vào analog dạng đơn so đất hoặc 4 nguồn tín hiệu

3.1.2 Mạch ra analog

Cũng giống như các mạch vào analog, các phần tử mạch ra analog (Hình

BYPASS-

VOUT+

VOUT-B ộ lọc có thể thay đổi f c