Sensörleri giderek daha fazla entegre eden ve giderek daha dinamik ortamlarda çalışan modern elektronik sistemlerle, sabit analog devrelerin sınırlamalarının göz ardı edilmesi giderek daha zor hale geliyor. Dijital işleme günümüzün sistem mimarilerine hakim olabilir ancak fiziksel dünya doğası gereği hâlâ analogdur. Her sensörün, aktüatörün ve arayüzün başlangıç noktası gerçek elektrik sinyalidir. Bu sinyallerin etkili bir şekilde işlenmesinden önce, ilk olarak amplifikasyon, filtreleme ve koşullandırma gerçekleştirilmelidir.
Düşük gecikmeli yanıtın temel bir gösterge haline gelmesi ve uygulama gereksinimlerinin gelişmesiyle birlikte simülasyon ön uçlarının önemi bir kez daha vurgulanıyor. Endüstriyel izleme, tıbbi cihazlar, otomotiv elektroniği ve Nesnelerin İnterneti platformları hassas ve uyarlanabilir sinyal koşullandırmaya dayanır. Analog sinyal kalitesindeki küçük iyileştirmeler genellikle doğrudan daha yüksek sistem doğruluğuna, güvenilirliğine ve verimliliğine dönüşür.
Geleneksel olarak analog sinyal bağlantısı, işlemsel yükselteçler, filtreler ve karşılaştırıcılar gibi sabit işlevsel öğelerden oluşturulur. Bu yaklaşım, gereksinimler istikrarlı ve net olduğunda mükemmel sonuçlar sağlar. Ancak doğası gereği katıdır. Sensör özelliklerinde, çalışma koşullarında veya performans hedeflerinde meydana gelen değişiklikler genellikle şematik revizyonları, PCB düzeninin yeniden tasarımlarını ve ek doğrulama döngülerini gerektirir.
Sahada Programlanabilir Analog Dizi (FPAA) çok farklı bir yaklaşım sağlar. Mühendisler, donanımda sabit bir analog sinyal bağlantısı kullanmadan analog fonksiyonları yazılım aracılığıyla yapılandırabilirler. OKIKA Cihazları OTC2310K04-PIKA, Chameleon ™ 8 sıralı Butterworth alçak geçiş filtresi ve Apex Quad4 (Şekil 1), programlanabilir analog mimarinin gerçek bir karma sinyal sistemine nasıl uygulandığını gösterir. Bu makale FPAA'nın nasıl çalıştığını, modern sistem mimarilerindeki konumunu ve programlanabilir simülasyon çözümlerini değerlendirirken mühendislerin dikkate alması gereken ödünleşimleri tartışmaktadır.
Okika PiKa Quad FlexFPAA Geliştirme Kurulu (büyütmek için tıklayın)
Şekil 1: Okika PiKa Quad FlexFPAA Geliştirme Kartı. Resim kaynağı: Okika Cihazları)
Simülasyon tasarımının yapısal zorlukları
Analog tasarımlar, dijital mühendislerin nadiren karşılaştığı çeşitli zorluklarla karşı karşıyadır. Devre özellikleri bileşen toleranslarına, sıcaklık sapmasına, gürültü bağlantısına ve yerleşim etkilerine karşı çok hassastır. Küçük değişikliklerin kazanç, çarpıklık, bant genişliği veya kararlılık üzerinde önemli bir etkisi olabilir.
Doğrulama ve ayarlama süreci genellikle zaman alıcıdır ve tekrarlanır. Tasarımcı, performansı güç ve sıcaklık sınırları dahilinde değerlendirmeli, en kötü durum toleranslarını dikkate almalı ve sistem düzeyindeki gereksinimlere uygunluğu doğrulamalıdır. Güçlü performans elde etmek için devre kartları sıklıkla birkaç kez değiştirilir.
Yinelemeli maliyetler uzun süredir devam eden bir sorundur. Direnç değerini veya filtre topolojisini ayarlamak genellikle donanımın yeniden tasarlanması anlamına gelir. Her revizyon maliyet, zamanlama ve risk ekler.
Son değişiklikler özellikle yıkıcıdır. Yeni sensörler, güncellenen uyumluluk gereksinimleri veya beklenmeyen gürültü kaynakları, önemli ölçüde yeniden tasarım yapılmasına neden olabilir. Dijital sistemlerden farklı olarak bu sorunlar ürün yazılımı yükseltmeleriyle çözülemez. Esneklik eksikliği, simülasyon sistemlerine odaklanmada uzun süredir yapısal bir kısıtlama olmuştur.
Sahada Programlanabilir Analog Diziye Giriş
FPGA, yapılandırılabilir analog işlevlere sahip entegre bir devredir. FPAA sabit bir dahili devreye değil, yerleşik, programlanabilir bir analog yapı bloğuna dayanır. Bu yapı taşları özelleştirilmiş sinyal yolları oluşturmak için birbirine bağlanabilir.
Tipik FPAA işlevleri arasında amplifikasyon, filtreleme, entegrasyon ve karşılaştırma bulunur. Aynı cihaz, ürün geliştirmenin farklı aşamalarında farklılaştırılmış bir konfigürasyon gerçekleştirebilir, hatta yeni bir işlevsel yönelime ulaşmak için amacını tamamen yeniden tanımlayabilir. Bu yeniden yapılandırılabilirlik FPAA'nın belirleyici bir özelliğidir.
FPAA'lar genellikle FPGA'larla karşılaştırılır, ancak benzerlikler teknolojiden ziyade konseptte yatmaktadır. Her ikisi de yeniden kullanılabilir fonksiyon bloklarına ve programlanabilir ara bağlantılara dayanır. İkisi arasındaki temel fark, FPAA'nın doğrudan sürekli zamanlı analog alanda çalışması ve gerçek dünya sinyallerini dijital forma dönüştürmeden işlemesidir.
Hibrit sinyal sistemlerinde FPAA genellikle uyarlanabilir analog ön uç olarak kullanılır. Bu cihazlar, dijital işleme başlamadan önce sinyal kalitesini iyileştirmek için sensör ile ADC arasına veya DAC ile aktüatör arasına yerleştirilir.
Çekirdek Mimari ve Konfigürasyon Modelleri
FPAA, cihazın çekirdeğini oluşturan yapılandırılabilir bir analog blok (CAB) etrafında inşa edilmiştir. Bu modüller tipik olarak amplifikatörler, filtreler, entegratörler ve karşılaştırıcılar gibi fonksiyonları uygulamak için kullanılır. Her modül programlanabilir, böylece tasarımcı gerekli devre özelliklerini tanımlamak için kazanç, bant genişliği, ofset koşulları ve eşik seviyeleri gibi parametreleri ayarlayabilir.
Bu modüllerin ara bağlantısı, programlanabilir ara bağlantılar (yönlendirme yapıları) aracılığıyla sağlanır. Bu yapı, sinyalin cihaz boyunca nasıl aktığını tanımlar ve harici donanımı yeniden tasarlamadan sinyal zincirinin yeniden düzenlenmesine veya genişletilmesine olanak tanır.
Bir cihazın spesifik davranışı, konfigürasyon bilgileriyle tanımlanır ve genellikle bir anahtar listesi veya konfigürasyon belleği biçiminde saklanır. Bu konfigürasyon bilgisi açılışta yüklenir ve bir analog sinyal yolu oluşturulur. Birçok FPAA platformu aynı zamanda hızlı yeniden yapılandırmayı da destekleyerek geliştirme sırasında veya bazı durumlarda çalışma sırasında güncellemelere izin verir.
Analog I/O arayüzü FPAA'yı sensör, ADC, DAC ve diğer harici bileşenlere bağlar. Bu arayüzler, öngörülebilir sinyal seviyelerini, istikrarlı çalışmayı ve karışık sinyal sistemleriyle kusursuz entegrasyonu sağlamak için özel olarak tasarlanmıştır.
Tasarım süreci ve geliştirme avantajları
FPAA'nın geliştirilmesi simülasyon sistemlerinin tasarlanma şeklini değiştiriyor. Mühendisler, sabit fonksiyonel devreler oluşturmak için ayrı cihazlar kullanmak yerine, sinyal davranışını tanımlamak için sezgisel, şematik tabanlı konfigürasyon araçlarını kullanır.
Tasarımcı, yapılandırılabilir bir analog blok (CAB) seçip modülleri programlanabilir bir kablolama mimarisi aracılığıyla birbirine bağlayarak eksiksiz bir sinyal bağlantısı oluşturur (Şekil 2). Kazanç, filtreleme özellikleri ve eşik gibi temel parametreler doğrudan yazılımdan ayarlanabilir. Bu yetenek, simülasyon tasarımını hantal manuel hesaplamalardan daha hızlı, daha esnek ve daha yapılandırılabilir yöntemlere dönüştürür.
Tüm sinyal bağlantısı, Yapılandırılabilir Analog Blok (CAB) seçilerek oluşturulabilir (Yakınlaştır'a tıklayın)
Şekil 2: Yapılandırılabilir analog blokların (CAB'ler) seçilmesi ve modüllerin programlanabilir bir kablolama mimarisi aracılığıyla birbirine bağlanmasıyla eksiksiz sinyal zincirleri oluşturulur (kaynak: Okika Devices)
Tasarım birkaç dakika içinde güncellenebildiğinden yineleme döngüsü önemli ölçüde daha hızlıdır. Mühendisler hızla alternatifleri keşfedebilir, ödünleri değerlendirebilir ve performansı sürekli olarak geliştirebilir. Bu yinelemeli hızda, her değişiklik yeniden tasarım, yeniden yapılandırma ve yeniden test gerektirdiğinden geleneksel analog donanımlarla çoğu zaman mümkün olmayan gerçek optimizasyon elde edilebilir.
Çoğu FPAA platformu, açıldığında yapılandırmayı yüklerken bazıları, işletim modları arasında geçiş yapmak gibi yapılandırılmış çalıştırmaları desteklerken yeniden yapılandırılır. Her iki durumda da, donanımı değiştirmeden simülasyon fonksiyonlarını değiştirebilme yeteneği, geliştirme süresini kısaltır, maliyetleri düşürür ve ürün yaşam döngüsünü uzatır.- g.
Aslında FPAA, simülasyon tasarımına yazılım tanımlı bir model getirerek elektronik sistemin ön uç esnekliğini, verimliliğini ve performansını yeni bir seviyeye taşıyor.
Ortak uygulamalar
Sensör Sinyali Koşullandırma
Sensör arayüzü FPAA'nın birincil kullanım durumudur. Birçok sensör düşük seviyeli, gürültülü veya çarpık sinyaller üretir ve dijitalleştirme öncesinde amplifikasyon, filtreleme ve kalibrasyon gerektirir.
FPAA, bileşen sayısını azaltmak ve tasarım değişikliklerini basitleştirmek için bu işlevleri tek bir cihaza entegre edebilir. Sensör özellikleri değiştiğinde veya geliştirilmesi gerektiğinde sinyal zincirleri yeniden tasarlanmak yerine yeniden yapılandırılabilir.
Bu, özellikle birden fazla sensör tipini veya değişen gereksinimleri destekleyen sistemler için önemlidir.
EKG veya EKG izleme iyi bir örnektir. İnsan vücudundan ölçülen elektrik sinyalleri genellikle yalnızca birkaç milivolttur ve hareket bozuklukları, güç hattı paraziti ve taban çizgisi kayması nedeniyle kolayca bozulur. Güvenilir ölçüm elde etmek için, sinyaller ADC'ye girmeden önce doğru amplifikasyon, filtreleme ve ortak mod gürültü bastırma gerekir.