【導(dǎo)讀】在模擬電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)、評(píng)估、調(diào)試混合信號(hào)電路，尤其是帶有模擬輸入/輸出（I/O）接口的混合信號(hào)，一直都是工程師面臨的最大挑戰(zhàn)。真實(shí)世界與模擬信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)需要權(quán)衡模擬與混合信號(hào)IC的整合，而本文則主要講解可編程模擬IC將FPGA多功能性等優(yōu)勢(shì)帶入混合信號(hào)世界。
真實(shí)世界與模擬信號(hào)鏈路的微妙之處以及惡劣的工作環(huán)境，往往使得看起來(lái)簡(jiǎn)單直接的設(shè)計(jì)目標(biāo)成為難以逾越、耗時(shí)費(fèi)力的項(xiàng)目。最終設(shè)計(jì)需要謹(jǐn)慎權(quán)衡模擬與混合信號(hào)IC的整合，包括運(yùn)算放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、高壓驅(qū)動(dòng)器、模擬開關(guān)，將這些IC硬件連接在一起，構(gòu)建成模擬通道。
數(shù)字領(lǐng)域?qū)I(yè)背景的工程師，不熟悉模擬設(shè)計(jì)，而模擬設(shè)計(jì)中的元件選擇、物理布局以及成本等問(wèn)題直接影響基本電路的性能和產(chǎn)品上市時(shí)間，使得項(xiàng)目開發(fā)舉步維艱。對(duì)于這些工程師，尤其是習(xí)慣使用可編程邏輯器件或FPGA的工程師，模擬電路的設(shè)計(jì)理念與其習(xí)慣性的設(shè)計(jì)思維相偏離。
不僅如此， 當(dāng)今的工程師團(tuán)隊(duì)還面臨另一挑戰(zhàn)：往往需要開發(fā)類似但又具有一定差異的基礎(chǔ)電路，以支持不同版本的最終產(chǎn)品。例如，設(shè)計(jì)一款核心電機(jī)控制器，可能需要根據(jù)不同系列電機(jī)對(duì)I/O進(jìn)行量身定制，在范圍、驅(qū)動(dòng)要求和性能指標(biāo)方面都有細(xì)微不同。
為達(dá)到上述目的，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)有兩種選擇，但兩種選擇都不輕松。他們可以構(gòu)建單一、包羅萬(wàn)象的電路，內(nèi)置所有版本，而僅“打開”所需的配置。這種方法需要更多的資源：設(shè)計(jì)時(shí)間、調(diào)試工作、元件、功耗以及成本；他們也可以定制開發(fā)設(shè)計(jì)PCB板，針對(duì)每一“版本”的最終產(chǎn)品開發(fā)一套。但這樣就必須進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)試和測(cè)試程式，處理各種生產(chǎn)問(wèn)題以及不同的BOM。無(wú)論哪種方式，都是一個(gè)耗時(shí)耗力的過(guò)程。
為克服這種設(shè)計(jì)難題，最直接的想法，也是非常吸引人的方案，即采用內(nèi)嵌模擬I/O的微控制器，在軟件中實(shí)現(xiàn)盡量多的功能。但是，這種方法的效果往往不太好。有太多的設(shè)計(jì)缺陷和妥協(xié)，造成硬件性能的缺陷，軟件方面也有太大負(fù)擔(dān)和不確定性(例如性能不確定)。
利用可編程模擬方案替代其他方案
Maxim Integrated推出的另一種設(shè)計(jì)模擬/混合信號(hào)電路方案能夠從根本上克服此類設(shè)計(jì)、調(diào)試缺乏靈活性，多版本設(shè)計(jì)，I/O不足以及軟件不確定性等問(wèn)題?？删幊棠M方案允許設(shè)計(jì)者在IC內(nèi)部配置模擬鏈路和拓?fù)洌瑵M足特定的應(yīng)用需求。
Maxim Integrated推出了專門針對(duì)I/O進(jìn)行優(yōu)化的可編程、高壓、混合信號(hào)IC，如圖1所示。該IC集成12位、多通道、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和12位、多通道、帶緩沖輸出的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)。這些轉(zhuǎn)換器連接有20路混合信號(hào)、高壓、雙極性端口，每個(gè)端口可配置(或“可編程”)為ADC模擬輸入、DAC模擬輸出、通用輸入端口(GPI)、通用輸出端口(GPO)或模擬開關(guān)端子。此外，器件具有一個(gè)內(nèi)部和兩個(gè)外部溫度傳感器，以分別跟蹤結(jié)溫和環(huán)境溫度的變化。MAX11300 PIXITM器件非常適合要求模擬和數(shù)字混合功能的應(yīng)用，每個(gè)端口可獨(dú)立配置為從-10V至+10V四種電壓量程之一。
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可編程模擬設(shè)計(jì)示例
MAX11300非常適合于要求中等分辨率和速度的混合信號(hào)應(yīng)用，例如基站RF功率器件的偏置控制器，用于光元件、電源監(jiān)測(cè)/排序、工業(yè)控制與自動(dòng)化中的控制器。PWM風(fēng)扇電機(jī)控制器的溫度控制就充分體現(xiàn)了該器件的靈活性和多功能性，如圖2所示。該控制功能的核心是溫度傳感器和電機(jī)控制DAC組成的閉環(huán)通路，受微控制器的高度監(jiān)控。如果高端風(fēng)扇電機(jī)控制器需要監(jiān)測(cè)額外的模擬信號(hào)(例如冷卻液流量)或其他控制點(diǎn)(例如執(zhí)行器和閥門)，可配制同一MAX11300監(jiān)測(cè)這些通道。有些大型電機(jī)為多個(gè)管道供風(fēng)，需要檢測(cè)兩個(gè)溫度點(diǎn)，而不僅僅是一個(gè)，對(duì)于這種情況，同樣可以配置同一MAX11300，支持需求的變化。
當(dāng)今的項(xiàng)目具有較大開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。開發(fā)靈活性意味著很容易滿足設(shè)計(jì)要求的變化，無(wú)需電路板改版或重新布局。正像所有模擬電路設(shè)計(jì)者所了解的，“沒(méi)有什么大不了的，只是增加另一路模擬輸入而已”。使用這種可編程I/O器件，降低了設(shè)計(jì)和開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，所以設(shè)計(jì)者對(duì)進(jìn)度和性能更有信心。單片IC以及材料清單(BOM)將支持多種版本的最終產(chǎn)品，例如小、中或大規(guī)模設(shè)計(jì)，或基礎(chǔ)架構(gòu)、高級(jí)和全功能設(shè)計(jì)。即使模擬通道配置發(fā)生變化，PCB布局也保持不變。同時(shí)，微控制器軟件在很大程度上可重復(fù)利用。
此外，使用MAX11300不要求較高的模擬電路經(jīng)驗(yàn)或元件選型，因而降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。電路位于IC本身內(nèi)部，設(shè)計(jì)者的任務(wù)是配置IC，簡(jiǎn)單直接。
工具和支持使設(shè)計(jì)過(guò)程變得輕松
如果不能簡(jiǎn)單配置，就失去了靈活、多功能混合信號(hào)元件的優(yōu)勢(shì)。幸運(yùn)的是，對(duì)于那些熟悉FPGA和可編程邏輯器件，但不熟悉模擬電路的數(shù)字電路設(shè)計(jì)者，也很容易配置MAX11300。開始使用MAX11300的PIXI技術(shù)，甚至不需要讀完60頁(yè)的數(shù)據(jù)手冊(cè)。只需啟動(dòng)圖形用戶界面(GUI)，即可看到使用簡(jiǎn)單、熟悉、支持拖曳操作的環(huán)境，簡(jiǎn)單且直觀地設(shè)置器件。
為加快應(yīng)用，器件有多項(xiàng)硬件和支持選項(xiàng)，包括MAX11300評(píng)估板(EV)，提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的平臺(tái)，以評(píng)估MAX11300；也包括Windows XP、Windows Vista、Windows 7 和Windows 8.0/8.1兼容GUI，用于熟悉IC的特性。為簡(jiǎn)化PIXI原型設(shè)計(jì)，MAX11300 PMB1外設(shè)模塊使MAX11300很容易連接到任意使用Pmod兼容擴(kuò)展端口(配置為SPI進(jìn)行通信)的系統(tǒng)。
集可編程和模擬于一身
傳統(tǒng)上，“模擬”和“可編程”是兩種風(fēng)馬牛不相及的情形。但現(xiàn)在情況發(fā)生了變化，兩者支持相互替代。MAX11300等創(chuàng)新、可編程、模擬IC具有I/O和接口功能的靈活性，同時(shí)具有與主控制器相媲美的一致性、可預(yù)測(cè)性和獨(dú)立性。
MAX11300解決了模擬集成的兩個(gè)難題。一般情況下，集成度提高與設(shè)計(jì)靈活性是相悖的，而基于軟件的設(shè)計(jì)使得混合信號(hào)硬件功能也變得可靠、確定。MAX11300可完善數(shù)字邏輯，采用門陣列，允許用戶對(duì)其進(jìn)行配置，以滿足特定的功能需求；基于軟件的處理器，通過(guò)執(zhí)行代碼提供可編程能力以及重復(fù)編程能力。
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