Микропроцессорные системы - Александров Е.К.
ISBN 5-7325-0516-4
Скачать (прямая ссылка):
подобных системах нужны как аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для
оцифровки выходных сигналов датчиков, так и средства коммутации
аналоговых сигналов, их предварительной фильтрации, суммирования или
вычитания, нормализации, интегрирования и т. д. Подобные задачи решаются
средствами, для которых иногда используется термин "Front-End Design". На
основе микросхем с программируемыми структурами возможно быстрое
проектирование подсистем аналоговой и аналого-цифровой обработки
сигналов, их отладка, создание промышленных образцов и быстрый выход на
рынок.
Впервые о создании БИС с массивом программируемых пользователем
аналоговых элементов объявила фирма "Motorola" (1997 г.). Эти БИС были
анонсированы под названием МРАА020 (Motorola Field Programmable Analog
Arrays), но не доведены до промышленного выпуска. Тем не менее анализ
организации и возможностей этих БИС представляет интерес, поскольку
проявляется преемственность в вопросах реализации между этими БИС и
последующими разработками. В 1999 г. фирма "Lattice Semiconductor"
выпустила семейство внутрисхемно программируемых (In-System Programmable)
аналоговых схем типа ispPACIO и ispPAC20. j
В микросхемах фирмы "Motorola" для построения операционных звеньев
использу- j ется схемотехника с переключаемыми конденсаторами, в
микросхемах фирмы "Lattice.| Semiconductor" - традиционные решения с
применением точных масштабирующих резисторов.
В цифровой технике сигналы принимают лишь два значения, одно из которых
соответствует логической единице, другое - логическому нулю. Проблема
точного задания этих сигналов отсутствует-требуется лишь надежно отличать
один из этих сигналов от другого. Совершенно иным является положение в
аналоговой технике, где сигнал должен передавать точное значение величины
с погрешностью в десятые или сотые доли процента, т. е. требуется
"дозирование" сигналов с разрешающей способностью в тысячи или даже более
уровней. Традиционно (до конца 1970-х-начала 1980-х гг.) роль дозирующих
параметров играли в первую очередь сопротивления точных резисторов. Так,
например, в известной схеме масштабирующего усилителя, т. е. устройства
умножения сигнала, заданного напряжением постоянного тока, на константу
(рис. 7.35, а) используются два точных резистора, от соотношения
сопротивлений которых зависит функциональная характеристика схемы, в
идеализированном виде имеющая вид (72= (- Я2/Я1)(71. Интегратор (рис.
7.35, б) имеет идеализированную функциональную характеристику вида U2 =
(- MRC)INT U1(t)dt,
820
АНАЛОГОВЫЕ ПРОГРАММИРУЕМЫЕ МИКРОСХЕМЫ
в которой роль масштабирующего коэффициента играет произведение
сопротивления точного резистора на емкость конденсатора цепи обратной
связи.
В схемотехнике с дискретными схемными элементами проблема реализации
точных резисторов нашла удовлетворительное решение. Для технологии
интегральных схем эта проблема намного сложнее, но существует
альтернативное схемное решение, благодаря которому резисторы имитируются
цепями, содержащими коммутируемые (переключаемые) конденсаторы (рис.
7.35, в). В такие цепи входят конденсатор С и ключевые транзисторы Т1 и
Т2, управляемые тактирующими напряжениями UT1 и UT2. Транзисторы Т1 и Т2
под воздействием тактирующих напряжений замыкаются поочередно, и
конденсатор С попеременно заряжается через замкнутый ключевой транзистор
до напряжения U1 или U2. В момент замыкания ключевого транзистора заряд
конденсатора изменяется на величину q = q1 =q2 = C(U1 - С/2/Изменение
заряда осуществляется короткими импульсами тока, протекающими через
конденсатор при замыкании соответствующего ключевого транзистора.
Среднее значение тока в цепи между точками 1 и 2 составляет величину /' =
q/T = - (U1-U2)C/T, где Т - период тактирующих импульсов.
Из полученного выражения видно, что в определенном смысле, для средних
значений сигналов цепь ведет себя как резистор с сопротивлением R=T/C.
На основе схем с переключаемыми конденсаторами можно строить
разнообразные операционные звенья, аналогичные известным из традиционной
аналоговой схемотехники, путем замены резисторов эквивалентными им
цепями. Сопротивления эквивалентных цепочек управляются значениями
тактовой частоты f- 1/7. В схемотехнике с переключаемыми конденсаторами
строятся схемы, масштабные коэффициенты функциональных характеристик
которых зависят от отношения емкостей, которое может задаваться с высокой
точностью. Параметры емкостей мало критичны к изменению температуры и
старению. Резко (в сотни раз) снижается площадь, занимаемая цепями с
переключаемыми конденсаторами в сравнении с цепями, содержащими точные
резисторы.
Схема интегратора с переключаемыми конденсаторами, основного элемента для
многих операционных звеньев, показана на рис. 7.35, г. Ее функциональная
характеристика в терминах теории импульсных цепей с использованием Z-
преобразования имеет вид H(Z) = (- С1/С2)(2^'/1 - Z-1), где H(Z) -
функция передачи интегратора, Z - оператор дискретного преобразования
