《模拟电子技术》课件第11章

11.1

ispPAC简介

1999年Lattice公司推出了在系统可编程模拟电路(InSystemProgrammabilityProgrammableAnalogCircuits,ispPAC)，翻开了模拟电路设计方法的新篇章。为电子设计自动化(EDA)技术的应用开拓了更广阔的前景。与数字的在系统可编程大规模集成电路(ispLSI)一样，在系统可编程模拟器件允许设计者使用开发软件在计算机中设计、修改模拟电路，进行电路特性模拟，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。在系统可编程模拟器件可实现三种功能：信号调理、信号处理和信号转换。信号调理主要指能够对信号进行放大、衰减、滤波操作。信号处理是指对信号进行求和、求差、积分运算。信号转换是指把数字信号转换成模拟信号。

ispPAC的开发软件为PACDesigner，软件主要特征：设计输入方式为原理图输入，可观测电路的幅频特性和相频特性。支持的器件：ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30、ispPAC80、ispPAC81。开发软件内含用于低通滤波器设计的宏，并能将设计直接下载。

11.2

PACDesigner软件及其使用

11.2.1

PAC＝Designer软件的安装

PACDesigner软件的安装步骤如下：

(1)在PACDesigner软件的根目录下，运行setup.exe，根据提示步骤进行安装。

(2)安装完毕后重新启动计算机。

(3)运行PACDesigner软件必须的许可文件license.dat，并将其拷贝至C:＼PAC－Designer(假定软件安装在C盘的根目录下)目录下。11.2.2

PACDesigner软件的使用方法

1.创建新文件

以下将通过一个简单的例子——用一个PAC块实现直流增益为7的放大器来说明用PACDesigner软件对ispPAC10的基本操作。点击WindowsXP的“开始”/“程序”/“LatticeSemiconductor”/“PACDesigner”，就进入PACDesigner的开发设计环境。点击“File”菜单中的“New...”选项，此时会弹出如图11－1所示的对话框，选择ispPAC10，点击“OK”按钮。图11－1新建文件对话框图11－2图形设计输入环境

2.ispPAC10器件简介

图11－2所示的图形设计输入环境中清晰地展示了ispPAC10的内部结构：两个输入仪用放大器(IA)和一个输出运算放大器(OA)组成一个PACBlock；4个PACBlock模块组成整个ispPAC10器件。

每个PAC块都可以独立地构成电路，也可以采用级联的方式构成电路以实现复杂的模拟电路功能。图11－3表示了两种不同的连接方法。(a)图表示各个PAC块作为独立的电路工作，(b)图为4个PAC块级联构成一个复杂的电路。利用基本单元电路的组合可进行放大、求和、积分、滤波。可以构成低通双二阶有源滤波器和梯型滤波器，且无须在器件外部连接电阻、电容元件。图11－3

ispPAC10中不同的使用形式

3.鼠标的各种状态介绍

在进行设计时所需做的工作仅仅是在该图的基础上添加连线和选择元件的参数。图形设计输入环境提供了良好的用户界面，绘制原理图的大部分操作可用鼠标来完成，因此有必要对设计过程中鼠标所处的各种状态作一简单介绍，参见表11－1。表11－1

PACDesigner软件中鼠标的类型

4.设计操作

我们只需将K1设为7，信号从VIN1输入，VIN2无信号输入即可。具体设置步骤如下：

(1)用鼠标左键双击IA1的连线端，将出现一个连接对话框，如图11－4所示。

(2)选择“IN1”，点击“OK”按钮，即可将IA1连线至IN1，如图11－5所示。图11－4

VIN1内部连线选择图11－5

IA1连线至IN1

(3)再用鼠标左键双击IA1上的“1”，将出现一个增益选择对话框，如图11－6所示。

(4)选定“7”，点击“OK”按钮。到此，直流增益为7的放大器就设计就完成了，选择“File→Save”菜单命令存盘，其效果如图11－7所示。图11－6增益选择对话框图11－7效果图

5.仿真操作

当完成设计输入后，需要对设计作仿真以验证电路的特性是否与设计的初衷相吻合。PACDesigner软件的仿真结果是以幅频和相频曲线的形式给出的，仿真步骤如下：

（1）设置仿真参数：选择“Operations→Simulator”菜单命令，弹出如图11－8所示的仿真参数设置对话框。图11－8仿真参数设置对话框

(2)实施仿真：在完成仿真参数设置后即可选择“Tools→RunSimulator”菜单命令进行仿真操作，其结果如图11－9所示。图11－9仿真结果由于幅频/相频曲线为对数曲线，为了减少观看时的读数误差，PACDesigner软件提供了“十”字型读数标尺的功能：选择“View→CrossHair”菜单命令，将鼠标移至曲线上某一点，单击鼠标左键，即可看见便于读数用的“十”字型标尺。与此同时，在窗口的右下角会显示对应的频率、幅值和相位值。

6.器件编程

完成设计输入和仿真操作后，就要对PAC器件进行编程，需要一个标准的+5V电源和四芯的JTAG串行接口。给含有ispPAC器件和+5V电源的印刷线路板上电，将PC机并行口用JTAG串型接口的编程电缆与ispPAC器件连上。

检查完硬件部分正确连接后，选择“Tools→Download”菜单命令即可完成整个器件编程工作。

7.库文件处理

安装完PACDesigner软件后，会在存放该软件目录的＼libarary子目录下生成一系列.pac的设计源文件作为库文件，用户可在设计中选择“File→BrowseLibarary”菜单命令调用这些文件并在此基础上改进，从而方便地完成自己的设计。用户也可将自己设计的文件(*.pac)放入该目录下作为新的库文件，以备以后的设计调用。

8.器件加密

选择“Edit→Security”菜单命令，可以设定设计下载至ispPAC器件后能否允许被读出，起加密保护作用。 11.3

PAC的接口电路

模拟信号输入至ispPAC器件时，要根据输入信号的性质考虑是否需要设置外部接口电路。这主要分成三种情况。

(1)若输入信号共模电压接近Vs/2，则信号可以直接与ispPAC的输入引脚相连。

(2)倘若信号中未含有这样的直流偏置，那么需要有外部电路，如图11－10所示。图11－10直流耦合偏置

(3)若是交流偶合，外加电路如图11－11所示。此电路构成了一个高通滤波器，其截止频率为1/(2πRC)，电路给信号加了一个直流偏置。电路中的VREFOUT可以用两种方式给出。直接与器件的VREFOUT引脚相连时，电阻最小取值为200kΩ；采用VREFOUT缓冲电路，电阻最小取值为600Ω。

VREFOUT输出为高阻抗，当用作为参考电压输出时，要进行缓冲，如图11－12所示。注意PAC块的输入不连接，反馈连接端要闭合。此时输出放大器的输出为VREFOUT或2.5V，这样每个输出成为VREFOUT电压源，但不能将两个输出端短路。图11－11具有直流偏置的交流耦合输入

(3)若是交流偶合，外加电路如图11－11所示。此电路构成了一个高通滤波器，其截止频率为1/(2πRC)，电路给信号加了一个直流偏置。电路中的VREFOUT可以用两种方式给出。直接与器件的VREFOUT引脚相连时，电阻最小取值为200kΩ；采用VREFOUT缓冲电路，电阻最小取值为600Ω。

VREFOUT输出为高阻抗，当用作为参考电压输出时，要进行缓冲，如图11－12所示。注意PAC块的输入不连接，反馈连接端要闭合。此时输出放大器的输出为VREFOUT或2.5V，这样每个输出成为VREFOUT电压源，但不能将两个输出端短路。图11－12

PAC块用作VREFOUT

11.4

ispPAC设计实例

11.4.1简单增益设计

下例中，4个PAC块相互独立。PAC块1和PAC块2都只用一个仪用放大器分别实现7倍和4倍增益；PAC块3和PAC块4用两个仪用放大器叠加，分别实现13倍和19倍增益。电路连接如图11－13所示。图11－13简单增益设计11.4.2级联增益设计

下例用两个PAC块实现较高增益。PAC块1和PAC块2级联实现74倍增益，PAC3和PAC4实现139倍增益。电路连接如图11－14所示。图11－14级联增益11.4.3分数增益设计

在这个例子中，PAC块1和PAC块2分别实现7/4和3/10倍增益，PAC块3和PAC块4级联实现3/50倍增益。电路连接如图11－15所示。图11－15分数增益11.4.4四路加法器设计

下例用3个PAC块实现四路加法器。此例可以实现Y=K6×（K8×（K3×S2+K4×S1）+K7×S4）+K5×S3，S1、S2、S3、S4为四路输入信号，Y为输出信号，K3、K4、K5、K6、K7、K8为各个仪用放大器的增益，这里都为1，所以可表示为Y=S1+S2+S3+S4。电路连接如图11－16所示。图11－16四路加法器11.4.5积分电路设计

在这个例子中，PAC块1、3、4都作为2.5V参考电压输出，即PAC块的仪用放大器不与输入/输出线连接。PAC块2作为积分电路，将反馈电容设为61.59pF，如图11－17所示。

当IN2输入口输入频率为8kHz左右的方波时，可以用示波器接OUT2进行观察，可看到三角波。图11－17积分电路实验11.4.6切比雪夫滤波器设计

这个例子实现的是四阶低通切比雪夫滤波器，它的通带纹波为0.5dB，截止频率为65kHz。该滤波器是由调用宏产生的。选择“Tools→RunMacro...”菜单命令(如图11－18所示)后,弹出如图11－19所示的“RunMacro”对话框。该对话框中有三种macro可运行:

(1)ispPAC10_Biquad.exe：产生适用于ispPAC10的双二阶滤波器；

(2)ispPAC10_Ladder.exe：产生适用于ispPAC10的巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)等类型的滤波器；

(3)ispPAC20_Biquad.exe：产生适用于ispPAC20的双二阶滤波器。图11－18选择“Tools→RunMacro...”菜单命令图11－19“RunMacro”对话框本例选择第一个选项，单击“OK”按钮，弹出如图11－20所示的“LadderFilterGenerator”对话框，在该对话框的“Ripple”栏选择“Chebyshev_0.5dB”，然后在“CutoffFrequency”栏选择65.01。图11－20“LadderFilterGenerator”对话框点击“GenerateSchematic”按钮，生成的电路如图11－21所示。图11－21滤波器电路图11－22滤波器的仿真曲线11.4.7

ispPAC20的设计

ispPAC20在ispPAC10的基础上增加了通道选择器、极性控制器、两个比较器和一个8位的D/A转换器，如图11－23所示。图11－23

ispPAC20滤波器图形设计环境

1.PCA块

PAC20的两个PAC块和PAC10的PAC块差不多，只是PAC块1的一个仪用放大器的前端有一个两路通道选择器,由外部引脚MSEL来控制。当MSEL接高电平时，选通通道b；当MSEL接低电平时，选通通道a。PAC块2的一个仪用放大器的前端有一个极性控制器，由外部引脚PC来控制。当PC为低电平时，极性不反向；为高电平时，极性反向（这里要把PC的应用方式设置为外部管脚）。PAC块2的增益调节范围为-1～-10，还可以通过改变PC管脚的电平来达到-10～10的增益。DAC的应用方式有4种，其中内部置数和外部并行输入最为常用。当设置为内部置数时，外部引脚DMode接低电平，ENPSI接低电平；当设置为外部并行输入时，外部引脚DMode接高电平，ENPSI接低电平，当输入数据改变时，要给管脚CS发一个脉冲，它的上升沿将新数据锁存，使之有效。

2.比较器

在ispPAC中有两个可编程的双差分比较器。比较器的基本工作原理与常规的比较器相同，当正的输入端电压相对于负的输入端电压为正时，比较器输出为高电平。另外比较器还有一些其他可选择的功能。

3.D/A转换器

这是一个8位电压输出的DAC。接口方式可自由选择为：①8位的并行方式;②串行JTAG寻址方式；③串行SPI寻址方式。在串行方式中，数据总长度为8位，D0处于数据流的首位，D7为最末位。DAC的输出是完全差分方式，可以与器件内部的比较器或放大器相连，也可以直接输出。

例如，电压比较器U>0.5V，则CP1OUT=1；U<0.25V，则CP2OUT=1；而当0.5V<U<0.25V时，不输出信号，当超过上、下限时分别由CP1OUT和CP2OUT输出信号。

ispPAC20的电压比较器电路如图11－24所示。图11－24

ispPAC20的电压比