การเข้าใจแอนาล็อกอาร์เรย์ที่สามารถเขียนโปรแกรมได้ในสนาม ในการออกแบบสัญญาณผสมสมสมัยใหม่

ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ที่บูรณาการเซ็นเซอร์มากขึ้นและการทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีไดนามิกมากขึ้น ข้อจำกัดของวงจรแอนะล็อกคงที่จึงกลายเป็นเรื่องยากที่จะเพิกเฉย การประมวลผลแบบดิจิทัลอาจครอบงำสถาปัตยกรรมระบบในปัจจุบัน แต่โลกทางกายภาพยังคงเป็นแบบอะนาล็อก จุดเริ่มต้นของเซ็นเซอร์ แอคชูเอเตอร์ และอินเทอร์เฟซแต่ละตัวคือสัญญาณไฟฟ้าจริง ก่อนที่จะประมวลผลสัญญาณเหล่านี้อย่างมีประสิทธิผล จะต้องดำเนินการขยาย การกรอง และการปรับสภาพก่อน

เนื่องจากการตอบสนองเวลาแฝงต่ำกลายเป็นตัวบ่งชี้หลักและข้อกำหนดการใช้งานที่กำลังพัฒนา ความสำคัญของการจำลองส่วนหน้าจึงถูกเน้นย้ำอีกครั้ง การตรวจสอบทางอุตสาหกรรม เครื่องมือทางการแพทย์ อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์ และแพลตฟอร์ม Internet of Things อาศัยการปรับสภาพสัญญาณที่แม่นยำและปรับเปลี่ยนได้ การปรับปรุงคุณภาพสัญญาณอะนาล็อกเล็กน้อยมักจะแปลโดยตรงถึงความแม่นยำ ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพของระบบที่สูงขึ้น

โดยทั่วไปแล้ว การเชื่อมต่อสัญญาณอะนาล็อกถูกสร้างขึ้นจากองค์ประกอบการทำงานคงที่ เช่น เครื่องขยายสัญญาณในการดำเนินงาน ตัวกรอง และเครื่องเปรียบเทียบ แนวทางนี้ให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมเมื่อข้อกำหนดมีเสถียรภาพและชัดเจน อย่างไรก็ตาม มันมีความแข็งแกร่งโดยเนื้อแท้ การเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะเซ็นเซอร์ สภาพการทำงาน หรือเป้าหมายด้านประสิทธิภาพมักต้องมีการแก้ไขแผนผัง การออกแบบเค้าโครง PCB ใหม่ และรอบการตรวจสอบเพิ่มเติม

Field Programmable Analog Array (FPAA) มีแนวทางที่แตกต่างออกไปมาก วิศวกรสามารถกำหนดค่าฟังก์ชันแอนะล็อกผ่านซอฟต์แวร์โดยไม่ต้องใช้ลิงก์สัญญาณแอนะล็อกคงที่ในฮาร์ดแวร์ อุปกรณ์ OKIKA OTC2310K04-PIKA, Chameleon ™ ตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน Butterworth 8 ลำดับ และ Apex Quad4 (รูปที่ 1) แสดงให้เห็นว่าสถาปัตยกรรมอะนาล็อกที่ตั้งโปรแกรมได้ถูกนำไปใช้กับระบบสัญญาณผสมจริงได้อย่างไร เอกสารนี้จะกล่าวถึงวิธีการทำงานของ FPAA ตำแหน่งในสถาปัตยกรรมระบบสมัยใหม่ และข้อดีข้อเสียที่วิศวกรควรพิจารณาเมื่อประเมินโซลูชันการจำลองแบบตั้งโปรแกรมได้

บอร์ดพัฒนา Okika PiKa Quad FlexFPAA (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 1: บอร์ดพัฒนา Okika PiKa Quad FlexFPAA แหล่งที่มาของภาพ: อุปกรณ์ Okika)

ความท้าทายเชิงโครงสร้างของการออกแบบแบบจำลอง
การออกแบบอนาล็อกเผชิญกับความท้าทายต่างๆ ที่วิศวกรดิจิทัลไม่ค่อยพบเจอ คุณลักษณะของวงจรมีความอ่อนไหวอย่างมากต่อความคลาดเคลื่อนของส่วนประกอบ การเบี่ยงเบนของอุณหภูมิ การเชื่อมต่อสัญญาณรบกวน และผลกระทบจากโครงร่าง การเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่ออัตราขยาย การบิดเบือน แบนด์วิดท์ หรือความเสถียร

กระบวนการตรวจสอบและปรับแต่งมักใช้เวลานานและต้องทำซ้ำๆ ผู้ออกแบบจะต้องประเมินประสิทธิภาพภายในขีดจำกัดพลังงานและอุณหภูมิ พิจารณาความทนทานในกรณีที่แย่ที่สุด และตรวจสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนดระดับระบบ เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพที่แข็งแกร่ง แผงวงจรมักจะถูกดัดแปลงหลายครั้ง

ต้นทุนซ้ำเป็นปัญหาที่มีมายาวนาน การปรับค่าความต้านทานหรือโทโพโลยีตัวกรองมักจะหมายถึงการออกแบบฮาร์ดแวร์ใหม่ การแก้ไขแต่ละครั้งจะเพิ่มต้นทุน กำหนดการ และความเสี่ยง

การเปลี่ยนแปลงหลังนี้ถือเป็นการทำลายล้างอย่างยิ่ง เซ็นเซอร์ใหม่ ข้อกำหนดการปฏิบัติตามที่ได้รับการปรับปรุง หรือแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนที่ไม่คาดคิดสามารถบังคับให้มีการออกแบบใหม่ที่สำคัญได้ ไม่เหมือนกับระบบดิจิทัล ปัญหาเหล่านี้ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยการอัพเกรดเฟิร์มแวร์ การขาดความยืดหยุ่นเป็นข้อจำกัดทางโครงสร้างในการมุ่งเน้นไปที่ระบบการจำลองมานานแล้ว

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับอาร์เรย์อะนาล็อกที่ตั้งโปรแกรมภาคสนามได้
FPGA เป็นวงจรรวมที่มีฟังก์ชันอะนาล็อกที่กำหนดค่าได้ FPAA ไม่ได้อาศัยวงจรภายในแบบตายตัว แต่เป็นแบบอะนาล็อกแบบตั้งโปรแกรมได้ในตัว Building Block เหล่านี้สามารถเชื่อมต่อถึงกันเพื่อสร้างเส้นทางสัญญาณที่กำหนดเองได้

ฟังก์ชัน FPAA ทั่วไปประกอบด้วยการขยาย การกรอง การรวม และการเปรียบเทียบ อุปกรณ์เดียวกันสามารถทำการกำหนดค่าที่แตกต่างกันในขั้นตอนต่างๆ ของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ หรือแม้แต่กำหนดวัตถุประสงค์ใหม่ทั้งหมดเพื่อให้บรรลุแนวทางการทำงานใหม่ ความสามารถในการกำหนดค่าใหม่นี้เป็นคุณสมบัติที่สำคัญของ FPAA

FPAA มักจะถูกเปรียบเทียบกับ FPGA แม้ว่าความคล้ายคลึงจะอยู่ในแนวคิดมากกว่าเทคโนโลยีก็ตาม ทั้งสองแบบอาศัยบล็อกฟังก์ชันที่ใช้ซ้ำได้และการเชื่อมต่อระหว่างกันที่ตั้งโปรแกรมได้ ข้อแตกต่างหลักระหว่างทั้งสองคือ FPAA ทำงานโดยตรงในโดเมนแอนะล็อกเวลาต่อเนื่อง โดยประมวลผลสัญญาณโลกแห่งความเป็นจริงโดยไม่ต้องแปลงเป็นรูปแบบดิจิทัล

ในระบบสัญญาณไฮบริด FPAA มักใช้เป็นฟรอนต์เอนด์แอนะล็อกแบบปรับเปลี่ยนได้ อุปกรณ์เหล่านี้อยู่ระหว่างเซ็นเซอร์และ ADC หรือระหว่าง DAC และแอคชูเอเตอร์ เพื่อปรับปรุงคุณภาพสัญญาณก่อนเริ่มการประมวลผลดิจิทัล

สถาปัตยกรรมหลักและโมเดลการกำหนดค่า
FPAA สร้างขึ้นโดยมีบล็อกแอนะล็อก (CAB) ที่กำหนดค่าได้ซึ่งเป็นแกนหลักของอุปกรณ์ โดยทั่วไปโมดูลเหล่านี้จะใช้ในการใช้งานฟังก์ชันต่างๆ เช่น แอมพลิฟายเออร์ ตัวกรอง ผู้รวมระบบ และเครื่องเปรียบเทียบ แต่ละโมดูลสามารถตั้งโปรแกรมได้ ดังนั้นผู้ออกแบบจึงสามารถตั้งค่าพารามิเตอร์ เช่น อัตราขยาย แบนด์วิธ เงื่อนไขออฟเซ็ต และระดับขีดจำกัดเพื่อกำหนดคุณลักษณะของวงจรที่ต้องการ

การเชื่อมต่อระหว่างกันของโมดูลเหล่านี้ทำได้ผ่านการเชื่อมต่อระหว่างกันที่ตั้งโปรแกรมได้ (โครงสร้างเส้นทาง) โครงสร้างนี้กำหนดวิธีที่สัญญาณไหลผ่านอุปกรณ์ และช่วยให้สามารถจัดเรียงใหม่หรือขยายสายโซ่สัญญาณได้โดยไม่ต้องออกแบบฮาร์ดแวร์ภายนอกใหม่

ลักษณะการทำงานเฉพาะของอุปกรณ์ถูกกำหนดโดยข้อมูลการกำหนดค่า และโดยปกติจะถูกจัดเก็บในรูปแบบของรายการสวิตช์หรือหน่วยความจำการกำหนดค่า ข้อมูลการกำหนดค่านี้จะถูกโหลดเมื่อเปิดเครื่องและมีการสร้างเส้นทางสัญญาณอะนาล็อก แพลตฟอร์ม FPAA จำนวนมากยังรองรับการกำหนดค่าใหม่อย่างรวดเร็ว ทำให้สามารถอัปเดตระหว่างการพัฒนาหรือในบางกรณีระหว่างการดำเนินการ

อินเทอร์เฟซ I/O แบบอะนาล็อกเชื่อมต่อ FPAA กับเซ็นเซอร์, ADC, DAC และส่วนประกอบภายนอกอื่นๆ อินเทอร์เฟซเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อให้แน่ใจว่าระดับสัญญาณที่คาดการณ์ได้ การทำงานที่เสถียร และการผสานรวมกับระบบสัญญาณผสมได้อย่างราบรื่น

ข้อดีของกระบวนการออกแบบและการพัฒนา
การพัฒนา FPAA เปลี่ยนแปลงวิธีการออกแบบระบบการจำลอง แทนที่จะใช้อุปกรณ์แยกเพื่อสร้างวงจรการทำงานแบบคงที่ วิศวกรใช้เครื่องมือกำหนดค่าตามแผนผังที่ใช้งานง่ายเพื่อกำหนดพฤติกรรมของสัญญาณ

ผู้ออกแบบสร้างลิงก์สัญญาณที่สมบูรณ์โดยการเลือกบล็อกแอนะล็อกที่กำหนดค่าได้ (CAB) และเชื่อมต่อโมดูลผ่านสถาปัตยกรรมการเดินสายที่ตั้งโปรแกรมได้ (รูปที่ 2) สามารถตั้งค่าพารามิเตอร์หลัก เช่น อัตราขยาย ลักษณะการกรอง และเกณฑ์ในซอฟต์แวร์ได้โดยตรง ความสามารถนี้เปลี่ยนการออกแบบการจำลองจากการคำนวณด้วยตนเองที่ยุ่งยากไปเป็นวิธีที่รวดเร็ว ยืดหยุ่นมากขึ้น และกำหนดค่าได้มากขึ้น

สามารถสร้างลิงค์สัญญาณที่สมบูรณ์ได้โดยเลือก Configurable Analog Block (CAB) (คลิก ZOOM IN)
รูปที่ 2: สายโซ่สัญญาณที่สมบูรณ์ถูกสร้างขึ้นโดยการเลือกบล็อกอะนาล็อก (CAB) ที่กำหนดค่าได้ และเชื่อมต่อโมดูลผ่านสถาปัตยกรรมสายเคเบิลที่ตั้งโปรแกรมได้ (ที่มา: อุปกรณ์ Okika)

เนื่องจากการออกแบบสามารถอัปเดตได้ภายในไม่กี่นาที วงจรการวนซ้ำจึงเร็วขึ้นอย่างมาก วิศวกรสามารถสำรวจทางเลือกอื่นได้อย่างรวดเร็ว ประเมินข้อด้อย และปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง ด้วยความเร็วซ้ำๆ นี้ การปรับให้เหมาะสมอย่างแท้จริงสามารถทำได้ ซึ่งมักไม่สามารถทำได้ด้วยฮาร์ดแวร์อะนาล็อกแบบดั้งเดิม เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงแต่ละครั้งจำเป็นต้องมีการออกแบบใหม่ การกำหนดค่าใหม่ และการทดสอบซ้ำ

แพลตฟอร์ม FPAA ส่วนใหญ่โหลดการกำหนดค่าเมื่อเปิดเครื่อง ในขณะที่บางแพลตฟอร์มได้รับการกำหนดค่าใหม่เมื่อรองรับการทำงานที่มีโครงสร้าง เช่น การสลับระหว่างโหมดการทำงาน ในทั้งสองกรณี ความสามารถในการปรับเปลี่ยนฟังก์ชันการจำลองโดยไม่ต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์ จะทำให้เวลาในการพัฒนาสั้นลง ลดต้นทุน และยืดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์

ในความเป็นจริง FPAA นำแบบจำลองที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์มาสู่การออกแบบการจำลอง โดยนำความยืดหยุ่นส่วนหน้า ประสิทธิภาพ และประสิทธิภาพของระบบอิเล็กทรอนิกส์ไปสู่อีกระดับหนึ่ง

การใช้งานทั่วไป
การปรับสภาพสัญญาณเซ็นเซอร์
อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์เป็นกรณีการใช้งานหลักสำหรับ FPAA เซ็นเซอร์จำนวนมากสร้างสัญญาณระดับต่ำ สัญญาณรบกวน หรือสัญญาณเอียง และต้องมีการขยาย การกรอง และการสอบเทียบก่อนการแปลงเป็นดิจิทัล

FPAA สามารถรวมฟังก์ชันเหล่านี้ไว้ในอุปกรณ์เดียวเพื่อลดจำนวนส่วนประกอบและทำให้การเปลี่ยนแปลงการออกแบบง่ายขึ้น สายโซ่สัญญาณสามารถกำหนดค่าใหม่ได้ แทนที่จะออกแบบใหม่เมื่อคุณลักษณะของเซ็นเซอร์เปลี่ยนแปลงหรือจำเป็นต้องพัฒนา

นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับระบบที่รองรับเซ็นเซอร์หลายประเภทหรือข้อกำหนดที่เปลี่ยนแปลง

การตรวจติดตามคลื่นไฟฟ้าหัวใจหรือ EKG เป็นตัวอย่างที่ดี สัญญาณไฟฟ้าที่วัดจากร่างกายมนุษย์มักจะมีเพียงไม่กี่มิลลิโวลต์ และถูกรบกวนได้ง่ายจากสิ่งแปลกปลอมในการเคลื่อนไหว การรบกวนของสายไฟ และการเคลื่อนตัวของเส้นพื้นฐาน เพื่อให้ได้การวัดที่เชื่อถือได้ จำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณ การกรอง และการลดสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปอย่างแม่นยำ ก่อนที่สัญญาณจะเข้าสู่ ADC