Con i moderni sistemi elettronici che integrano sempre più sensori e operano in ambienti sempre più dinamici, le limitazioni dei circuiti analogici fissi stanno diventando sempre più difficili da ignorare. L'elaborazione digitale può dominare le architetture dei sistemi odierni, ma il mondo fisico è ancora di natura analogica. Il punto di partenza di ogni sensore, attuatore e interfaccia è il segnale elettrico reale. Prima di qualsiasi elaborazione efficace di questi segnali, è necessario eseguire innanzitutto l'amplificazione, il filtraggio e il condizionamento.
Con la risposta a bassa latenza che diventa un indicatore chiave e l’evoluzione dei requisiti applicativi, l’importanza dei front-end di simulazione viene nuovamente evidenziata. Il monitoraggio industriale, gli strumenti medici, l'elettronica automobilistica e le piattaforme Internet of Things si basano su un condizionamento del segnale preciso e adattivo. Piccoli miglioramenti nella qualità del segnale analogico spesso si traducono direttamente in una maggiore precisione, affidabilità ed efficienza del sistema.
Tradizionalmente, il collegamento del segnale analogico è costituito da elementi funzionali fissi quali amplificatori operazionali, filtri e comparatori. Questo approccio fornisce ottimi risultati quando i requisiti sono stabili e chiari. Tuttavia, è intrinsecamente rigido. I cambiamenti nelle caratteristiche del sensore, nelle condizioni operative o negli obiettivi prestazionali spesso richiedono revisioni degli schemi, riprogettazione del layout del PCB e cicli di verifica aggiuntivi.
L'FPAA (Field Programmable Analog Array) fornisce un approccio molto diverso. Gli ingegneri possono configurare le funzioni analogiche tramite software senza utilizzare un collegamento di segnale analogico fisso nell'hardware. Dispositivi OKIKA OTC2310K04-PIKA, Chameleon ™ Il filtro passa-basso Butterworth a 8 ordini e Apex Quad4 (Figura 1) illustrano come l'architettura analogica programmabile viene applicata a un vero sistema di segnali misti. Questo documento discute il funzionamento dell'FPAA, il suo posizionamento nelle moderne architetture di sistema e i compromessi che gli ingegneri dovrebbero considerare quando valutano soluzioni di simulazione programmabili.
Scheda di sviluppo Okika PiKa Quad FlexFPAA (clicca per ingrandire)
Figura 1: Scheda di sviluppo Okika PiKa Quad FlexFPAA. Fonte immagine: Okika Devices)
Sfide strutturate della progettazione della simulazione
I progetti analogici devono affrontare varie sfide che gli ingegneri digitali incontrano raramente. Le caratteristiche del circuito sono molto sensibili alle tolleranze dei componenti, alla deriva termica, all'accoppiamento del rumore e agli effetti del layout. Piccole modifiche possono avere un impatto significativo su guadagno, distorsione, larghezza di banda o stabilità.
Il processo di verifica e ottimizzazione è spesso lungo e iterativo. Il progettista deve valutare le prestazioni entro i limiti di potenza e temperatura, considerare le tolleranze del caso peggiore e verificare la conformità ai requisiti a livello di sistema. Per ottenere prestazioni elevate, i circuiti stampati vengono spesso modificati più volte.
I costi iterativi sono un problema di lunga data. La regolazione del valore di resistenza o della topologia del filtro di solito significa riprogettare l'hardware. Ogni revisione aggiunge costi, tempi e rischi.
Questi ultimi cambiamenti sono particolarmente distruttivi. Nuovi sensori, requisiti di conformità aggiornati o fonti di rumore impreviste possono imporre riprogettazioni significative. A differenza dei sistemi digitali, questi problemi non possono essere risolti mediante aggiornamenti del firmware. La mancanza di flessibilità è stata a lungo un vincolo strutturale nel concentrarsi sui sistemi di simulazione.
Introduzione all'array analogico programmabile sul campo
L'FPGA è un circuito integrato con funzioni analogiche configurabili. L'FPAA non si basa su un circuito interno fisso, ma su un blocco analogico programmabile integrato. Questi elementi costitutivi possono essere interconnessi per formare percorsi di segnale personalizzati.
Le funzioni tipiche dell'FPAA includono amplificazione, filtraggio, integrazione e confronto. Lo stesso dispositivo può eseguire una configurazione differenziata in diverse fasi di sviluppo del prodotto, o addirittura ridefinire completamente il suo scopo per raggiungere un nuovo orientamento funzionale. Questa riconfigurabilità è una caratteristica decisiva dell'FPAA.
Gli FPAA vengono spesso paragonati agli FPGA, sebbene le somiglianze risiedano nel concetto piuttosto che nella tecnologia. Entrambi si basano su blocchi funzione riutilizzabili e interconnessioni programmabili. La differenza principale tra i due è che l'FPAA opera direttamente nel dominio analogico del tempo continuo, elaborando i segnali del mondo reale senza convertirli in forma digitale.
Nei sistemi di segnali ibridi, l'FPAA viene spesso utilizzato come front-end analogico adattivo. Questi dispositivi sono posizionati tra il sensore e l'ADC, o tra il DAC e l'attuatore, per migliorare la qualità del segnale prima di iniziare l'elaborazione digitale.
Architettura di base e modelli di configurazione
L'FPAA è costruito attorno a un blocco analogico configurabile (CAB) che costituisce il nucleo del dispositivo. Questi moduli vengono generalmente utilizzati per implementare funzioni quali amplificatori, filtri, integratori e comparatori. Ciascun modulo è programmabile in modo che il progettista possa impostare parametri quali guadagno, larghezza di banda, condizioni di offset e livelli di soglia per definire le caratteristiche del circuito richieste.
L'interconnessione di questi moduli avviene tramite interconnessioni programmabili (strutture di routing). Questa struttura definisce il modo in cui il segnale scorre attraverso il dispositivo e consente la riorganizzazione o l'estensione della catena del segnale senza riprogettare l'hardware esterno.
Il comportamento specifico di un dispositivo è definito dalle informazioni di configurazione e solitamente viene memorizzato sotto forma di elenco di interruttori o memoria di configurazione. Queste informazioni di configurazione vengono caricate all'accensione e viene stabilito un percorso del segnale analogico. Molte piattaforme FPAA supportano anche la riconfigurazione rapida, consentendo aggiornamenti durante lo sviluppo o in alcuni casi durante il funzionamento.
L'interfaccia I/O analogica collega l'FPAA con sensore, ADC, DAC e altri componenti esterni. Queste interfacce sono progettate specificamente per garantire livelli di segnale prevedibili, funzionamento stabile e integrazione perfetta con sistemi di segnali misti.
Processo di progettazione e vantaggi di sviluppo
Lo sviluppo dell'FPAA cambia il modo in cui vengono progettati i sistemi di simulazione. Invece di utilizzare dispositivi discreti per costruire circuiti funzionali fissi, gli ingegneri utilizzano strumenti di configurazione intuitivi e basati su schemi per definire il comportamento del segnale.
Il progettista crea un collegamento di segnale completo selezionando un blocco analogico configurabile (CAB) e interconnettendo i moduli tramite un'architettura di cablaggio programmabile (Figura 2). Parametri chiave come guadagno, caratteristiche di filtraggio e soglia possono essere impostati direttamente nel software. Questa funzionalità sposta la progettazione della simulazione da ingombranti calcoli manuali a metodi più veloci, più flessibili e più configurabili.
Il collegamento completo del segnale può essere creato selezionando il blocco analogico configurabile (CAB) (fare clic su ZOOM IN)
Figura 2: Le catene di segnali complete vengono create selezionando blocchi analogici configurabili (CAB) e interconnettendo i moduli tramite un'architettura di cablaggio programmabile (fonte: Okika Devices)
Poiché il progetto può essere aggiornato in pochi minuti, il ciclo di iterazione è notevolmente più veloce. Gli ingegneri possono esplorare rapidamente le alternative, valutare i compromessi e migliorare continuamente le prestazioni. A questa velocità iterativa è possibile ottenere un'ottimizzazione reale, cosa spesso non possibile con l'hardware analogico tradizionale poiché ogni modifica richiede riprogettazione, riconfigurazione e nuovo test.
La maggior parte delle piattaforme FPAA carica la configurazione all'accensione, mentre alcune vengono riconfigurate quando supportano esecuzioni strutturate, come il passaggio da una modalità operativa all'altra. In entrambi i casi, la possibilità di modificare le funzioni di simulazione senza cambiare l'hardware riduce i tempi di sviluppo, abbassa i costi e prolunga il ciclo di vita del prodotto.- g.
Infatti, l’FPAA introduce un modello definito dal software nella progettazione della simulazione, portando la flessibilità, l’efficienza e le prestazioni del front-end del sistema elettronico a un nuovo livello.
Applicazioni comuni
Condizionamento del segnale del sensore
L'interfaccia del sensore è il caso d'uso principale per l'FPAA. Molti sensori generano segnali di basso livello, rumore o distorsione e richiedono amplificazione, filtraggio e calibrazione prima della digitalizzazione.
L'FPAA può integrare queste funzioni in un unico dispositivo per ridurre il numero di componenti e semplificare le modifiche alla progettazione. Le catene di segnali possono essere riconfigurate anziché riprogettate quando le caratteristiche del sensore cambiano o devono essere sviluppate.
Ciò è particolarmente importante per i sistemi che supportano più tipi di sensori o requisiti variabili.
Il monitoraggio ECG o EKG è un buon esempio. I segnali elettrici misurati dal corpo umano sono solitamente solo pochi millivolt e sono facilmente disturbati da artefatti di movimento, interferenze della linea elettrica e deriva della linea di base. Per ottenere misurazioni affidabili, sono necessari un'amplificazione accurata, un filtraggio e una soppressione del rumore di modo comune prima che i segnali entrino nell'ADC.