Da moderne elektronische Systeme zunehmend Sensoren integrieren und in immer dynamischeren Umgebungen arbeiten, wird es immer schwieriger, die Einschränkungen fester analoger Schaltkreise zu ignorieren. Die digitale Verarbeitung mag die heutigen Systemarchitekturen dominieren, aber die physische Welt ist immer noch analoger Natur. Ausgangspunkt jedes Sensors, Aktors und jeder Schnittstelle ist das reale elektrische Signal. Vor einer effektiven Verarbeitung dieser Signale müssen zunächst Verstärkung, Filterung und Konditionierung durchgeführt werden.
Da die Reaktionszeit mit geringer Latenz zu einem Schlüsselindikator wird und sich die Anwendungsanforderungen weiterentwickeln, wird die Bedeutung von Simulations-Frontends erneut hervorgehoben. Industrielle Überwachung, medizinische Instrumente, Automobilelektronik und Internet-of-Things-Plattformen sind auf präzise und adaptive Signalkonditionierung angewiesen. Kleine Verbesserungen der analogen Signalqualität führen oft direkt zu einer höheren Systemgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz.
Traditionell besteht die analoge Signalverbindung aus festen Funktionselementen wie Operationsverstärkern, Filtern und Komparatoren. Dieser Ansatz liefert hervorragende Ergebnisse, wenn die Anforderungen stabil und klar sind. Es ist jedoch von Natur aus starr. Änderungen der Sensoreigenschaften, Betriebsbedingungen oder Leistungsziele erfordern häufig Schaltplanüberarbeitungen, Neugestaltungen des PCB-Layouts und zusätzliche Verifizierungszyklen.
Das Field Programmable Analog Array (FPAA) bietet einen ganz anderen Ansatz. Ingenieure können analoge Funktionen per Software konfigurieren, ohne eine feste analoge Signalverbindung in der Hardware zu verwenden. OKIKA Devices OTC2310K04-PIKA, Chameleon ™ Das Butterworth-Tiefpassfilter 8. Ordnung und Apex Quad4 (Abbildung 1) veranschaulichen, wie die programmierbare analoge Architektur auf ein echtes Mixed-Signal-System angewendet wird. In diesem Artikel werden die Funktionsweise von FPAA, seine Positionierung in modernen Systemarchitekturen und Kompromisse erörtert, die Ingenieure bei der Bewertung programmierbarer Simulationslösungen berücksichtigen sollten.
Okika PiKa Quad FlexFPAA Entwicklungsboard (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 1: Okika PiKa Quad FlexFPAA-Entwicklungsboard. Bildquelle: Okika Devices)
Strukturierte Herausforderungen des Simulationsdesigns
Analoge Designs stehen vor verschiedenen Herausforderungen, denen Digitalingenieure selten begegnen. Die Schaltungseigenschaften reagieren sehr empfindlich auf Komponententoleranzen, Temperaturdrift, Rauschkopplung und Layouteffekte. Kleine Änderungen können erhebliche Auswirkungen auf Verstärkung, Zeitversatz, Bandbreite oder Stabilität haben.
Der Verifizierungs- und Optimierungsprozess ist oft zeitaufwändig und iterativ. Der Entwickler muss die Leistung innerhalb der Leistungs- und Temperaturgrenzen bewerten, Worst-Case-Toleranzen berücksichtigen und die Einhaltung der Anforderungen auf Systemebene überprüfen. Um eine starke Leistung zu erzielen, werden Leiterplatten oft mehrfach modifiziert.
Iterative Kosten sind ein seit langem bestehendes Problem. Das Anpassen des Widerstandswerts oder der Filtertopologie erfordert normalerweise eine Neukonstruktion der Hardware. Jede Überarbeitung erhöht die Kosten, den Zeitplan und das Risiko.
Die letztgenannten Veränderungen sind besonders destruktiv. Neue Sensoren, aktualisierte Compliance-Anforderungen oder unerwartete Lärmquellen können erhebliche Neukonstruktionen erforderlich machen. Im Gegensatz zu digitalen Systemen können diese Probleme nicht durch Firmware-Upgrades behoben werden. Mangelnde Flexibilität war lange Zeit ein strukturelles Hindernis bei der Fokussierung auf Simulationssysteme.
Einführung in das feldprogrammierbare analoge Array
Der FPGA ist ein integrierter Schaltkreis mit konfigurierbaren analogen Funktionen. FPAA basiert nicht auf einem festen internen Schaltkreis, sondern auf einem eingebauten programmierbaren analogen Baustein. Diese Bausteine können miteinander verbunden werden, um individuelle Signalpfade zu bilden.
Zu den typischen FPAA-Funktionen gehören Verstärkung, Filterung, Integration und Vergleich. Dasselbe Gerät kann in unterschiedlichen Stadien der Produktentwicklung eine differenzierte Konfiguration durchführen oder seinen Zweck sogar völlig neu definieren, um eine neue funktionale Ausrichtung zu erreichen. Diese Rekonfigurierbarkeit ist ein entscheidendes Merkmal von FPAA.
FPAAs werden oft mit FPGAs verglichen, obwohl die Ähnlichkeiten eher im Konzept als in der Technologie liegen. Beide basieren auf wiederverwendbaren Funktionsblöcken und programmierbaren Verbindungen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, dass FPAA direkt im zeitkontinuierlichen Analogbereich arbeitet und reale Signale verarbeitet, ohne sie in digitale Form umzuwandeln.
In Hybridsignalsystemen wird FPAA häufig als adaptives analoges Frontend verwendet. Diese Geräte werden zwischen Sensor und ADC oder zwischen DAC und Aktuator platziert, um die Signalqualität vor Beginn der digitalen Verarbeitung zu verbessern.
Kernarchitektur- und Konfigurationsmodelle
Der FPAA basiert auf einem konfigurierbaren Analogblock (CAB), der den Kern des Geräts bildet. Diese Module werden typischerweise zur Implementierung von Funktionen wie Verstärkern, Filtern, Integratoren und Komparatoren verwendet. Jedes Modul ist programmierbar, sodass der Entwickler Parameter wie Verstärkung, Bandbreite, Offset-Bedingungen und Schwellenwerte einstellen kann, um die erforderlichen Schaltungseigenschaften zu definieren.
Die Verbindung dieser Module untereinander erfolgt über programmierbare Verbindungen (Routing-Strukturen). Diese Struktur definiert, wie das Signal durch das Gerät fließt, und ermöglicht eine Neuanordnung oder Erweiterung der Signalkette, ohne die externe Hardware neu zu gestalten.
Das spezifische Verhalten eines Geräts wird durch Konfigurationsinformationen definiert und üblicherweise in Form einer Schalterliste oder eines Konfigurationsspeichers gespeichert. Diese Konfigurationsinformationen werden beim Einschalten geladen und ein analoger Signalpfad wird eingerichtet. Viele FPAA-Plattformen unterstützen auch eine schnelle Neukonfiguration und ermöglichen so Updates während der Entwicklung oder in manchen Fällen auch während des Betriebs.
Die analoge I/O-Schnittstelle verbindet FPAA mit Sensor, ADC, DAC und anderen externen Komponenten. Diese Schnittstellen wurden speziell entwickelt, um vorhersehbare Signalpegel, einen stabilen Betrieb und eine nahtlose Integration mit Mixed-Signal-Systemen zu gewährleisten.
Designprozess- und Entwicklungsvorteile
Die FPAA-Entwicklung verändert die Art und Weise, wie Simulationssysteme entworfen werden. Anstatt diskrete Geräte zum Aufbau fester Funktionsschaltkreise zu verwenden, verwenden Ingenieure intuitive, schaltplanbasierte Konfigurationstools, um das Signalverhalten zu definieren.
Der Designer erstellt eine vollständige Signalverbindung, indem er einen konfigurierbaren Analogblock (CAB) auswählt und die Module über eine programmierbare Verkabelungsarchitektur miteinander verbindet (Abbildung 2). Wichtige Parameter wie Verstärkung, Filtereigenschaften und Schwellenwert können direkt in der Software eingestellt werden. Diese Funktion verlagert den Simulationsentwurf von umständlichen manuellen Berechnungen hin zu schnelleren, flexibleren und besser konfigurierbaren Methoden.
Die vollständige Signalverbindung kann durch Auswahl des konfigurierbaren Analogblocks (CAB) erstellt werden (klicken Sie auf ZOOM IN).
Abbildung 2: Komplette Signalketten entstehen durch die Auswahl konfigurierbarer Analogblöcke (CABs) und die Verbindung der Module über eine programmierbare Verkabelungsarchitektur (Quelle: Okika Devices)
Da das Design innerhalb weniger Minuten aktualisiert werden kann, ist der Iterationszyklus deutlich schneller. Ingenieure können schnell Alternativen erkunden, Kompromisse bewerten und die Leistung kontinuierlich verbessern. Bei dieser iterativen Geschwindigkeit kann eine echte Optimierung erreicht werden, die mit herkömmlicher analoger Hardware oft nicht möglich ist, da jede Änderung ein Neudesign, eine Neukonfiguration und einen erneuten Test erfordert.
Die meisten FPAA-Plattformen laden die Konfiguration beim Einschalten, während einige neu konfiguriert werden, wenn strukturierte Läufe unterstützt werden, beispielsweise das Umschalten zwischen Betriebsmodi. In beiden Fällen verkürzt die Möglichkeit, Simulationsfunktionen ohne Änderung der Hardware zu ändern, die Entwicklungszeit, senkt die Kosten und verlängert den Produktlebenszyklus.- g.
Tatsächlich bringt FPAA ein softwaredefiniertes Modell in den Simulationsentwurf ein und hebt die Front-End-Flexibilität, Effizienz und Leistung des elektronischen Systems auf ein neues Niveau.
Häufige Anwendungen
Sensorsignalaufbereitung
Die Sensorschnittstelle ist der Hauptanwendungsfall für FPAA. Viele Sensoren erzeugen Signale mit geringem Pegel, Rauschen oder Zeitversatz und erfordern vor der Digitalisierung eine Verstärkung, Filterung und Kalibrierung.
FPAA kann diese Funktionen in ein einziges Gerät integrieren, um die Anzahl der Komponenten zu reduzieren und Designänderungen zu vereinfachen. Signalketten können neu konfiguriert statt neu gestaltet werden, wenn sich Sensoreigenschaften ändern oder weiterentwickelt werden müssen.
Dies ist besonders wichtig für Systeme, die mehrere Sensortypen oder sich ändernde Anforderungen unterstützen.
Ein gutes Beispiel ist die EKG- oder EKG-Überwachung. Die vom menschlichen Körper gemessenen elektrischen Signale betragen normalerweise nur wenige Millivolt und können leicht durch Bewegungsartefakte, Störungen der Stromleitung und Grundliniendrift gestört werden. Um eine zuverlässige Messung zu erreichen, sind genaue Verstärkung, Filterung und Gleichtaktrauschunterdrückung erforderlich, bevor Signale in den ADC gelangen.