ispPAC簡介

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自1992年美國LatTIce公司推出了系統可編程（In-System Programmabliity）技術，增加了一種與傳統數字電子系統不同的設計和實現方法。在1999年底，Lattice公司又推出了系統內可編程模擬電路，又開辟了一種模擬電路設計方法的新思維，為電子設計自動化（EDA）技術開拓了更為廣闊的前景。

同數字系統內可編程大規模集成電路（ispLSI）一樣，它使設計者用開發軟件在計算機中設計、修改，并能進行電路特性模擬，最后通過下載電纜將設計下載至芯片中。

系統內可編程器件可以實現三種基本功能：（1）信號調整；（2）信號處理（3）信號轉換。信號調整主要是對信號進行放大、衰減、濾波。信號處理是人才濟濟對信號進行求和、求差、積分運算。信號轉換是把數字信號轉換成模擬信號。目前已推出了三種器件：ispPAC10、ispPAC20和ispPAC80。它的開發軟件為Lattice公司的PAC-Designer。

系統內可編程模擬電路具有可模擬信號進行放大、轉換、濾波的功能，是通過器件內的多個功能塊的互聯并能對電路進行重構以達到能調整電路的增益、帶寬和閾值。編程次數可達1萬次。其內部結構及電路如圖1、2所示。

IspPAC10器件的結構由四個基本單元電路（PAC）、模擬布線池、配置存儲器、參考電壓，自動校正單元和ISP接口所組成。器件用5V單電源供電。基本單元電路稱用5V單電源供電。基本單元電路稱為PAC塊（PAC block），它由兩個儀用放大器和一個輸出放大器所組成，配以電阻、電容構成一個真正的差分輸入/差分輸出的基本單元電路，如圖2所示。所謂真正的差分輸入/差分輸出是指每個儀用放大器有兩個輸入端，輸出放大器的輸出也有兩個輸出端。電路的輸入阻抗為10 9，共模抑制比為69dB，增益調整范圍不-10～+10倍。PAC塊中電路的增益和特性都可以用可編程的方法來改變，器件可配置成1～1萬倍的各種增益。輸出放大器中的電容CF有128種值可供選擇。反饋電阻RF可以斷開或連通。器件中的基本單元可以通過模擬布線池（Analog Routing Pool）實現互聯，以便實現各 種電路的組合。

每個PAC塊都可以獨立地構成電路，也可以采用級聯的方式構成電路，以實現復雜的模擬電路功能。例如，各個PAC塊作為獨立的電路工作，圖4（b）為四個PAC塊級聯構成一個復雜的電路。利用基本單元電路的組合可進行放大、求二階有源濾波器和和梯型濾波器，且無需在器件外部連接電阻、電容元件。

濾波器的實現

在一個實際應用的電路系統中，它的輸入信號往往受干擾等因素，會含有一些不必要的噪聲成分，應當把它衰減到足夠小的程度，從而達到把我們需要的信號從輸入信號源中分離出來。而為了解決上述問題，我們可以采用有源濾波器來實現。

下面介紹一下如何用在系統可編程模擬器件實現濾波器的設計方法。通常我們可以用三個運算放大器來實現雙二階型函數的電路。雙二階型函數能實現各種濾波器函數，如低通、高通、帶通、帶阻等。雙二階函數T(s)的表達式如下，式中m=1或n=1或0：

由于這種電路的靈敏度相當低，所以電路容易調整，而且這種電路的另一個顯著特點是只需要附加少量的元件就能實現各種濾波器函數。這里我們以低通函數濾波器的實現為例，說明設計的整個過程。例如，低通濾波器的轉移函數Tlp(s)如下：

整理后獲得：

取b=k1k2，式（3）可以改寫成如下形式：

其等效的方框圖如圖3：

從方框圖中的函數中不難看出，系統可以分別用反向器電路、積分電路、有損積分電路來實現。把各個運算放大器電路代入圖3的方框圖中即可得到以下的實現電路，如圖4所示。

現在我們已不再需要利用電阻、電容、運放搭電路，然后才調試電路。現在完全可以利用系統內可編程器件方便地實現此電路。ispPAC10就能夠實現方框圖中的每一個功能塊，PAC塊可以對兩個信號進行求和或求差，k為可編程增益，電路中把k11、k12、k22設置成+1，把k21設置成-1。因此一個三運放的雙二階型函數電路可以用兩個PAC塊就能實現。在開發軟件PAC-Designer中使用原理圖輸入方式，把兩個PAC塊連接起來，電路如圖5所示。

電路中的CF是反饋電容值，Re是輸入運放的等待電阻，其值為250KΩ。兩個PAC塊的輸出分別為V01和V02。可以分別得到兩個表達式，即帶通函數表達式和低通函數表達式。

系統內可編程模擬電路的開發軟件PAC-Designer中含有一個宏單元，專門用于濾波器的設計，根據我們的設計要求算出對反饋電容，電阻和電路增益等參數，然后在電路圖編程環境下進行電路布線、修改其相應的參數值，系統的設計工作就基本完成。為了檢驗設計能否達到理想要求，開發軟件中還有一個模擬器仿真工具，用于濾波器的幅頻和相頻特性的仿真。如仿真的結果達到要求，則就可以通過下載電纜直接下載到ispPAC10器件中，整個設計工作完成。否則修改其參數，到仿真結果滿意為止。

結論

用ispPAC-Designer設計模擬濾波器極其方便，用一臺PC機就可以代替通常的示波器，掃頻儀和面包板，便工作效率得到很大提高，并且可以根據用戶的需要對系統作出調整而無須對PCB板作出任何改動，只須通過軟件在PC機中進行重新設計和性能仿真，然后下載到芯片中即可。整個工作在數小時內就能完成。