현대 전자 시스템은 점점 더 센서를 통합하고 점점 더 역동적인 환경에서 작동합니다.고정된 아날로그 회로의 한계는 무시하기가 점점 더 어려워지고 있습니다.디지털 프로세싱은 오늘날의 시스템 아키텍처를 지배할 수 있지만 물리적 세계는 여전히 자연적으로 아날로그입니다. 각 센서의 출발점은액추에이터와 인터페이스는 실제 전기 신호입니다이 신호의 효과적인 처리 전에 증폭, 필터링 및 컨디셔닝이 먼저 수행되어야합니다.
낮은 지연 반응이 주요 지표가 되고 응용 요구 사항이 진화함에 따라 시뮬레이션 프론트 엔드의 중요성은 다시 강조됩니다.자동차 전자 및 사물 인터넷 플랫폼은 정확하고 적응력 있는 신호 조건화에 의존합니다.아날로그 신호 품질의 작은 개선은 종종 더 높은 시스템 정확성, 신뢰성 및 효율성으로 직접 번역됩니다.
전통적으로, 아날로그 신호 링크는 작동 증폭기, 필터 및 비교 장치와 같은 고정 기능 요소로 구성됩니다.이러한 접근 방식은 요구 사항이 안정적이고 명확할 때 우수한 결과를 제공합니다.그러나, 그것은 본질적으로 딱딱합니다. 센서 특성, 운영 조건, 또는 성능 목표의 변화는 종종 스케마적 개정, PCB 레이아웃 재설계,그리고 추가적인 확인 주기로.
필드 프로그래밍 가능한 아날로그 배열 (FPAA) 은 매우 다른 접근 방식을 제공합니다. 엔지니어들은 하드웨어에 고정된 아날로그 신호 링크를 사용하지 않고 소프트웨어를 통해 아날로그 기능을 구성할 수 있습니다.오키카 기기 OTC2310K04-PIKA, 카멜레온TM 8계급 버터워스 낮은 통과 필터와 Apex Quad4 (그림 1) 는 프로그래밍 가능한 아날로그 아키텍처가 실제 혼합 신호 시스템에 적용되는 방법을 보여줍니다.이 문서에서는 FPAA가 어떻게 작동하는지 논의합니다., 현대 시스템 아키텍처에 대한 위치 및 프로그램 가능한 시뮬레이션 솔루션을 평가 할 때 엔지니어가 고려해야 할 타협 사항.
오키카 피카 쿼드 플렉스 (FlexFPAA) 개발 이사회 (대장하기 위해 클릭)
그림 1: Okika PiKa Quad FlexFPAA 개발 게시판. 이미지 소스: Okika Devices)
시뮬레이션 설계의 구조적 도전
아날로그 설계는 디지털 엔지니어들이 거의 마주하지 않는 다양한 과제에 직면합니다. 회로 특성은 구성 요소의 허용, 온도 변동,소음 결합 및 레이아웃 효과작은 변경 사항은 이득, 편향, 대역폭 또는 안정성에 상당한 영향을 줄 수 있습니다.
검증 및 조정 프로세스는 종종 시간이 많이 걸리고 반복적입니다. 설계자는 전력 및 온도 한계 내에서 성능을 평가해야하며 최악의 경우 허용량을 고려해야합니다.그리고 시스템 수준의 요구 사항에 대한 준수높은 성능을 달성하기 위해 회로 보드는 종종 여러 번 수정됩니다.
반복 비용은 오랜 문제입니다. 저항 값 또는 필터 토폴로지를 조정하는 것은 일반적으로 하드웨어를 재설계하는 것을 의미합니다. 각 개정이 비용, 스케줄 및 위험을 추가합니다.
후자의 변화는 특히 파괴적입니다. 새로운 센서, 업데이트 된 컴플라이언스 요구 사항 또는 예상치 못한 노이즈 소스는 상당한 재설계를 강요 할 수 있습니다.이 문제는 펌웨어 업그레이드로 해결할 수 없습니다.유연성의 부족은 오랫동안 시뮬레이션 시스템에 초점을 맞추는 구조적 제약이었습니다.
필드 프로그래밍 가능한 아날로그 배열에 대한 소개
FPGA는 구성 가능한 아날로그 기능을 가진 통합 회로입니다. FPAA는 고정된 내부 회로에 의존하지 않고, 내장 프로그래밍 가능한 아날로그 빌딩 블록에 의존합니다.이 빌딩 블록은 사용자 정의 신호 경로를 형성하기 위해 상호 연결 될 수 있습니다.
전형적인 FPAA 기능은 증폭, 필터링, 통합 및 비교를 포함한다. 동일한 장치는 제품 개발의 다른 단계에서 차별화된 구성을 수행 할 수 있습니다.또는 완전히 새로운 기능적 방향성을 달성하기 위해 그것의 목적을 재정의이 재구성성은 FPAA의 결정적인 특징입니다.
FPAA는 종종 FPGAs와 비교되지만 유사성은 기술보다는 개념에 있습니다. 둘 다 재사용 가능한 기능 블록과 프로그래밍 가능한 상호 연결에 의존합니다.두 가지의 주요 차이점은 FPAA가 연속 시간 아날로그 영역에서 직접 작동한다는 것입니다., 디지털 형태로 변환하지 않고 실제 세계의 신호를 처리합니다.
하이브리드 신호 시스템에서 FPAA는 종종 적응형 아날로그 프론트 엔드로 사용됩니다. 이러한 장치는 센서와 ADC, 또는 DAC와 액추에이터 사이에 위치합니다.디지털 처리 시작하기 전에 신호 품질을 향상.
핵심 아키텍처 및 구성 모델
FPAA는 장치의 핵심을 형성하는 구성 가능한 아날로그 블록 (CAB) 을 중심으로 구성되어 있습니다. 이러한 모듈은 일반적으로 증폭기, 필터, 통합기,그리고 비교기각 모듈은 프로그래밍이 가능하므로 설계자는 가이드, 대역폭, 오프셋 조건 및 임계 수준과 같은 매개 변수를 설정하여 필요한 회로 특성을 정의 할 수 있습니다.
이러한 모듈의 상호 연결은 프로그래밍 가능한 상호 연결 (루팅 구조) 를 통해 달성됩니다.이 구조는 신호가 장치를 통해 어떻게 흐르는지 정의하고 외부 하드웨어를 재설계하지 않고 신호 사슬의 재배열 또는 확장을 허용합니다..
장치의 특정 행동은 구성 정보에 의해 정의되며 일반적으로 스위치 목록 또는 구성 메모리 형태로 저장됩니다.이 구성 정보는 전원에서 로드되고 아날로그 신호 경로가 설정됩니다많은 FPAA 플랫폼은 또한 빠른 재구성을 지원하여 개발 중 또는 일부 경우 운영 중 업데이트를 허용합니다.
아날로그 I/O 인터페이스는 FPAA를 센서, ADC, DAC 및 기타 외부 구성 요소와 연결합니다. 이러한 인터페이스는 예측 가능한 신호 수준을 보장하도록 특별히 설계되었습니다.안정적인 작동과 혼합 신호 시스템과의 원활한 통합.
설계 과정 및 개발 장점
FPAA 개발은 시뮬레이션 시스템이 설계되는 방식을 변화시킵니다. 고정된 기능 회로를 구축하기 위해 분리된 장치를 사용하는 대신, 엔지니어들은 직관적인,신호 동작을 정의하기 위한 스케마 기반 구성 도구.
설계자는 구성 가능한 아날로그 블록 (CAB) 을 선택하고 프로그래밍 가능한 배선 구조를 통해 모듈을 상호 연결하여 완전한 신호 링크를 만듭니다. (그림 2).이득과 같은 주요 매개 변수, 필터링 특성과 임계값은 소프트웨어에서 직접 설정할 수 있습니다. 이 기능은 시뮬레이션 디자인을 번거로운 수동 계산에서 더 빠르고 유연하게 전환합니다.그리고 더 구성 가능한 방법.
전체 신호 링크는 구성 가능한 아날로그 블록 (CAB) 을 선택하여 생성 할 수 있습니다 (ZOOM IN를 클릭합니다)
그림 2: 구성 가능한 아날로그 블록 (CAB) 을 선택하고 프로그래밍 가능한 케이블 아키텍처를 통해 모듈을 상호 연결하여 완전한 신호 체인을 생성합니다. (원: Okika Devices)
설계가 몇 분 안에 업데이트 될 수 있기 때문에 반복 주기가 훨씬 빨라집니다. 엔지니어들은 대안을 빠르게 탐색하고, 타협을 평가할 수 있습니다.그리고 지속적으로 성능을 향상이 반복 속도에 따라 실제 최적화가 이루어질 수 있는데, 이는 전통적인 아날로그 하드웨어에서는 불가능한 경우가 많기 때문에 각 변경 사항은 재설계, 재구성 및 재테스트가 필요합니다.
대부분의 FPAA 플랫폼은 켜졌을 때 구성을 로드하지만, 일부는 운영 모드 간 전환과 같은 구조화된 실행을 지원할 때 재구성됩니다.하드웨어를 변경하지 않고 시뮬레이션 기능을 수정할 수 있는 기능으로 개발 시간을 단축합니다., 비용을 줄이고 제품 수명 주기를 연장합니다.
실제로 FPAA는 시뮬레이션 설계에 소프트웨어 정의 모델을 도입하여 전자 시스템의 프론트 엔드 유연성, 효율성 및 성능을 새로운 수준으로 끌어 올립니다.
공동 신청
센서 신호 조건화
센서 인터페이스는 FPAA의 주요 사용 사례입니다. 많은 센서는 낮은 수준, 소음 또는 편향 신호를 생성하고 디지털화 전에 증폭, 필터링 및 캘리브레이션을 필요로합니다.
FPAA는 이러한 기능을 하나의 장치에 통합하여 구성 요소의 수를 줄이고 설계 변경을 단순화 할 수 있습니다.신호 체인은 센서 특성이 변하거나 개발해야 할 때 재설계하기보다는 재구성 할 수 있습니다..
이것은 여러 센서 유형 또는 변화하는 요구 사항을 지원하는 시스템에 특히 중요합니다.
ECG 또는 EKG 모니터링은 좋은 예입니다. 인간 몸에서 측정 된 전기 신호는 일반적으로 몇 밀리 볼트 정도이며 움직임의 유물, 전력 라인 간섭,그리고 기준점의 이동신뢰할 수 있는 측정을 달성하기 위해서는 신호가 ADC에 들어가기 전에 정확한 증폭, 필터링 및 공통 모드 소음 억제가 필요합니다.