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Diseño de Bloques Funcionales Análogos
Usando FPAAS
Roque Caicedo-Grueso, Jaime Velasco-Medina
Grupo de Bionanoelectrónica, Escuela EIEE,
Universidad del Valle, A.A. 2536. Cali, Colombia
E-mail: [email protected], [email protected]
RESUMEN
Este articulo presenta el diseño de varios bloques
funcionales análogos, los cuales pueden ser usados en el
diseño de sistemas electrónicos; En este caso, los bloques
funcionales diseñados son: doblador de frecuencia, filtro
análogo programable por voltaje, modulador de ancho de
pulso y el valor RMS de una señal senosoidal. Los bloque
funcionales análogos fueron diseñados usando la
herramienta AnadigmDesigner y sintetizados sobre el
dispositivo análogo programable FPAA AN221E04 de
Anadigm. Los resultados de la simulación muestran que
los diseños cumplen muy bien las especificaciones dadas,
sin embargo se deben tener en cuenta algunas
limitaciones de los dispositivos FPAAs para ciertas
aplicaciones.
Palabras
claves:
FPAAs,
funciones
análogas,
procesamiento análogo, multiplicador, integrador.
1. INTRODUCCION
El procesamiento de las señales análogas en el
dominio del tiempo es altamente factible y tiene ventajas
importantes con respecto al procesamiento digital.
Primero, no existe la necesidad de utilizar conversores
análogo a digital y viceversa. Segundo, los diseños
análogos generalmente consumen menos potencia que su
contraparte digital, por ejemplo en comunicaciones
inalámbricas el bajo consumo de potencia es una
consideración de diseño crítica. Tercero, los diseños
análogos ocupan menos área en el chip que los digitales.
Adicionalmente, hoy en día se diseñan novedosos
circuitos integrados análogos y de señal mixta (análogo y
digital), los cuales usan nuevas técnicas de diseño análogo
para alcanzar alta velocidad en el procesamiento análogo.
Los nuevos desarrollos son enfocados para obtener
circuitos con excelentes características tales como: amplio
ancho de banda, alta linealidad, excelente relación
señal/ruido, bajo consumo de potencia, etc. [1].
Entre los nuevos circuitos análogos y las nuevas
metodologías de diseño análogo se encuentran los
circuitos análogos programables FPAAs (Field
Programmable Analog Array), los cuales brindan una
solución eficaz a los problemas de rápido prototipaje y
simplifican la tarea de diseñar circuitos electrónicos
análogos.
De otro lado, la integración de sistemas electrónicos en
un solo chip, conlleva a la integración de funciones
análogas y digitales. Entonces, en el futuro, los circuitos
programables van a integrar FPAAs y FPGAs en un solo
chip debido a la rápida expansión del mercado para
sistemas integrados de señal mixta [2][3].
Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, este
artículo presenta el diseño de varios bloques funcionales
análogos, los cuales pueden ser usados en el diseño de
sistemas electrónicos. En este caso, los bloques
funcionales diseñados son: doblador de frecuencia, filtro
análogo programable por voltaje, modulador de ancho de
pulso, y valor RMS (Root Mean Squared) de una señal
senosoidal.
El artículo esta organizado de la siguiente manera, la
sección 2 presenta una descripción de los circuitos
análogos programables de Anadigm. La sección 3
presenta el diseño de bloques funcionales análogos. La
sección 4 presenta los resultados de simulación. La
sección 5 presenta la implementación de las funciones
análogas y los resultados experimentales. Finalmente, la
sección 6 presenta algunas conclusiones y el trabajo
futuro.
arquitectura switched-capacitor completamente diferencial
[6][7].
2. FPAAS DE ANADIGM
Los FPAAs de Anadigm son dispositivos construidos
en tecnología CMOS y permiten la implementación de
funciones análogas usando la técnica de diseño SC
(Switched-Capacitor). Estos pueden ser usados en
aplicaciones como: filtrado de señales, implementación de
controladores, generadores de señal, etc. La gran ventaja
del dispositivo FPAA es que este es ideal para realizar
diseños muy rápidamente debido a que el software de
diseño permite diseñar, depurar (debuggin) e implementar
funciones análogas de una manera fácil.
Actualmente, la compañía Anadigm ofrece dos familias
de dispositivos FPAAs, AN10E04 (primera generación) y
Anadigmvortex (segunda generación). En la Tabla 1 se
presentan los diferentes FPAAs de Anadigm.
Output
Cell 1
DOUTCLK
DCLK
OUTCLK
ACLK
O1P
O1N
O2P
O2N
Output
Cell 2
Oscilator
& Clocks
Analog Logic
MODE
A
B
CAB 3
CAB 4
Shadaw RAM
Configuration RAM
DVDD
Configuration Interface
Shadaw RAM
DIN
LCC
ERRb
ACTIVATE
EXECUTE
PORb
CFGFLGb
CS1b
CS2b
DVSS
C
Look-Up Table
BVSS
VREF+ VMR
VREFVoltage References
D
VREFNC
I3P
I3N
I4PA
I4NA
I4PB
I4NB
I4PC
I4NC
I4PD
I4ND
CAB 2
Shadaw RAM
I2P
I2N
CAB 1
Configuration RAM
Shadaw RAM
I1P
I1N
Configuration RAM
1234
Configuration RAM
El FPAA AN10E40 de Anadigm [4], es un dispositivo
adecuado para el diseño e implementación de diferentes
circuitos análogos basados en usar la técnica de diseño SC
(switched-capacitor). Este circuito dispone de macros
llamados Ipmodules [5], los cuales implementan las
funciones de amplificación, suma, integración,
diferenciación, comparación y rectificación, fuentes de
DC (voltajes de referencia), filtros, osciladores
senosoidales, y circuitos S/H (Sample and Hold) y T/H
(Track and Hold), es decir, puede ser usado en diversas
aplicaciones tales como: filtrado de señales,
implementación de circuitos de control, generadores de
señal, etc.
El AN10E40 está conformado por una matriz de
bloques CABs de 4x5, una red de interconexión para el
reloj, interruptores, y recursos para interconexión global y
local. Cada bloque CAB del AN10E40 (ver Figura 1) es
programable, lo cual permite una gran flexibilidad para
diseñar diferentes circuitos para procesamiento análogo.
Los FPAAs pertenecientes a la segunda generación de
Anadigm (Anadigmvortex), están basados en una
VMRC
Tabla 1: Circuitos FPAAs de Anadigm
VREFPC
AN221E02
AN221E04
SHIELD
2MHz
AVSS
AN220E04
AVDD
AN121E04
AnadigmVortex
AVDD2
AN120E04
La arquitectura de los FPAAs AN120E04 y
AN220E04 consiste de una matriz de CABs de 2x2, una
red de interconexión programable, una LTU (Look-Up
Table), cuatro celdas análogas de entrada (una de ellas
con un multiplexor para cuatro señales de entrada), y tres
celdas de salida; además las entradas y salidas son fijas
(no existe flexibilidad I/O). En la Figura 2, se muestra el
diagrama de bloques de los FPAAs AN120E04 y
AN220E04.
SVSS
250kHz
Input
Cell 1
AN10E40
Input
Cell 2
AN10E04
Figura 1: Diagrama de bloques del FPAA AN10E40
Input
Cell 3
Ancho de banda
Input
Cell 4
Modelo
AVSS
Familia
Figura 2: Diagrama de bloques de los FPAAs
AN120E40 y AN220E04
La diferencia fundamental entre estos FPAAs es la
programación. El AN120E40 es un dispositivo que puede
ser re-programado si se activa la señal de reinicio (reset)
del chip; el AN220E04 soporta re-configuración dinámica
(re-programación o actualización de una nueva función)
mientras realiza un procesamiento análogo.
3. DISEÑO DE BLOQUES FUNCIONALES
En general, cuando se diseña un circuito análogo usando
un dispositivo FPAA, el diseñador no necesita saber como
el circuito fue implementado a nivel hardware. Este
proceso es controlado directamente por la herramienta de
diseño AnadigmDesigner, en la cual el circuito fue
diseñado usando los bloques funcionales análogos
llamados CAMs (Configurable Analog Modules).
Ejemplos de bloques funcionales análogos CAMs son:
etapa de filtrado, etapa de ganancia, suma/diferencia,
integración, derivada, multiplicadores/divisores de voltaje,
comparadores de voltaje, detectores de pico,
rectificadores, osciladores senosoidales, referencias de
voltaje, etc. Actualmente Anadigm dispone alrededor de
60 funciones análogas, además Anadigm constantemente
adiciona nuevas CAMs a la librería de diseño. El FPAA
también soporta funciones de procesamiento no lineal,
incluyendo moduladores y funciones de transferencia
arbitraria. En la Figura 5, se muestran algunas funcionas
análogas CAMs.
B
DOUTCLK
DCLK
DVDD
DIN
Configuration Interface
CAB 4
CAB 3
MODE
1234
Shadaw RAM
CAB 2
Analog Logic
Configuration RAM
Shadaw RAM
Shadaw RAM
A
Input
Cell 4
Input
Cell 3
I3P
I3N
I4PA
I4NA
I4PB
I4NB
I4PC
I4NC
I4PD
I4ND
CAB 1
Configuration RAM
Bi-direccional analog switch fabric connects
any CAB to any input/output cell
Input
Cell 1
Input
Cell 2
I2P
I2N
Configuration RAM
Output only analog switch fabric connects
any CAB to any output cell
I1P
I1N
OUTCLK
ACLK
Oscilator
& Clocks
Output
Cell 1
Shadaw RAM
Output
Cell 2
Configuration RAM
O1P
O1N
O2P
O2N
SHIELD
AVDD
AVDD2
La arquitectura de los FPAAs AN121E04 y
AN221E04 es similar a los ANx220E04, pero
adicionalmente las entradas y salidas no son fijas (existe
flexibilidad I/O), se dispone de un conversor A/D basado
en un SAR (Successive Approximation Register) de 8
bits. A diferencia del AN121E04, el AN221E04 soporta el
modo de re-configuración dinámica. En la Figura 3, se
muestra el diagrama de bloques de los FPAAs AN121E04
y AN221E04.
LCC
ERRb
ACTIVATE
EXECUTE
PORb
CFGFLGb
CS1b
CS2b
DVSS
C
Look-Up Table
BVSS
VMRC
VREFPC
AVSS
SVSS
AVSS
VREFNC
VREF+ VMR
VREFVoltage References
D
Figura 3: Diagrama de bloques de los FPAAs
AN121E04 y AN221E04
Output
Cell 2
DCLK
OUTCLK
DOUTCLK
ACLK
O1P
O1N
O2N
O2P
SHIELD
AVDD
AVDD2
Las características del FPAA AN221E04 son iguales a
las del AN221E02, pero este ultimo posee una matriz de
bloques CABs de 2x1. En la Figura 4, se muestra el
diagrama de bloques de la matriz para el AN221E02.
Oscilator
& Clocks
Output
Cell 1
Analog Logic
Output only analog switch fabric connects
any CAB to any output cell
MODE
1234
Look-Up Table
BVSS
VMRC
VREFNC
VREFPC
AVSS
SVSS
DIN
LCC
ERRb
ACTIVATE
EXECUTE
PORb
CFGFLGb
CS1b
CS2b
DVSS
VREF+ VMR
VREFVoltage References
AVSS
CAB 2
Configuration Interface
CAB 1
Configuration RAM
D
Shadaw RAM
C
Configuration RAM
B
Shadaw RAM
Input/Output
Cell 1
A
Input/Output
Cell 2
IO3P
IO3N
IO4PA
IO4NA
IO4PB
IO4NB
IO4PC
IO4NC
IO4PD
IO4ND
Bi-direccional analog switch fabric connects
any CAB to any input/output cell
DVDD
Figura 4: Diagrama de bloques del FPAA AN221E02
Figura 5: Funciones análogas CAMs
Las funciones CAMs son accesadas mediante el uso de
una herramienta de diseño, las cuales están disponibles
dentro de una librería de diseño, para luego ser colocadas
e interconectadas entre si en la ventana de captura
esquemática. En este caso, el diseñador fija en una
ventana de dialogo los atributos de las funciones CAMs
(según las necesidades de la aplicación), y la herramienta
de diseño calcula algorítmicamente la asignación de los
valores para los componentes, y estructura el circuito
según los requerimientos, ver Figura 6.
que la amplitud de la señal de entrada al circuito diseñado
sea conservada en la salida del mismo.
3.2. Filtro análogo programable por voltaje
El diagrama de bloques presentado en la Figura 8 muestra
de manera simplificada el procedimiento utilizado para
implementar el filtro análogo programable.
Entrada
+
−
1
∫ Vs dt
Ti
Multiplicador
Vc
Figura 6: Ventana de configuración para la función CAM
integrator
Usando las diferentes funciones análogas CAMs, este
trabajo presenta el diseño de otras funciones análogas
especiales. En este caso las funciones son: doblador de
frecuencia, filtro análogo programable por voltaje,
modulador de ancho de pulso y valor RMS de una señal
senosoidal [8].
3.1. Doblador de frecuencia
Figura 8: Diagrama de bloques del filtro análogo
programable por voltaje utilizando un FPAA
La suma de la señal de entrada Vi y la señal de salida
Vo son integradas, el resultado de la integración es
multiplicado por un voltaje variable de D.C (Vc).
Entonces, el circuito propuesto corresponde a un filtro
paso-bajo de primer orden con frecuencia de corte
controlada por el voltaje Vc.
Expresando en forma matemática lo anterior y
realizando una manipulación algebraica se obtiene la
función de transferencia dada por:
El diagrama de bloques presentado en la Figura 7 muestra
de manera simplificada el procedimiento utilizado para
doblar la frecuencia de una señal desconocida.
H ( jw) = −
Filtro
Entrada
X
Salida
1
jw
+1
wo
Donde Wo =Vc/Ti
2
K
Salida
El diagrama de bloques presentado en la Figura 9 muestra
de manera simplificada el procedimiento utilizado para
obtener un modulador de ancho de pulso.
Figura 7: Diagrama de bloques del doblador de
frecuencia utilizando un FPAA
El procedimiento es desarrollado haciendo uso de la
identidad trigonométrica:
sen 2 wt =
1 − cos 2wt
2
(1)
Por lo tanto, si la señal a doblar en frecuencia está
dada por AmSen(wt+φ), y aplicando respectivamente la
ecuación (1) se obtiene:
[Am sen( wt + φ )]
2
=A
2
[1 − cos 2( wt + φ )]
m
2
3.3. Modulador de ancho de pulso
(2)
En la ecuación (2) se observa que la señal resultante
presenta el doble de la frecuencia original, y contiene un
nivel de D.C, entonces es necesario filtrar el nivel de D.C
y posteriormente amplificar por un factor para garantizar
Oscilador
Comparador
Comparador
−
1
∫ Vs dt
Ti
Salida
Vcontrol
Figura 9: Diagrama de bloques del modulador de ancho
de pulso utilizando un FPAA
A partir de un oscilador senosoidal, se obtiene una señal
triangular usando en cascada una etapa de comparación y
una etapa integradora, posteriormente la salida de esta
última, se compara con la señal de interés (control) para
así generar una señal cuadrada con ancho de pulso
variable.
3.4. Valor RMS de una señal senosoidal
El diagrama de bloques presentado en la Figura 10
muestra de manera simplificada el procedimiento utilizado
para obtener el valor RMS de una señal senosoidal.
Filtro
Entrada
X2
Salida
Figura 10: Diagrama de bloque para obtener el valor
RMS de una señal senosoidal utilizando un FPAA
El valor RMS de una señal senosoidal se obtiene al
calcular la raíz cuadrada del valor medio del cuadrado la
señal de entrada.
Figura 12: Resultados de simulación para el doblador de
frecuencia, Vpp = 2V, f = 3Khz
4.2. Filtro análogo programable por voltaje
En la Figura 13, se muestra la captura esquemática del
filtro análogo programable por voltaje.
4. RESULTADOS DE SIMULACIÓN
Los bloques funcionales análogos descritos en la sección
anterior fueron diseñados y simulados en el FPAA
AN221E04 usando la herramienta AnadigmDesigner.
4.1. Doblador de frecuencia
En la Figura 11 se muestra la captura esquemática del
doblar la frecuencia. En este caso, el filtro paso alto se
configuró para una frecuencia de corte de 1kHz.
Figura 12: Captura esquemática del filtro análogo
programable por voltaje
En las Figuras 13 y 14 se muestran los resultados de
simulación para una señal senosoidal de entrada que tiene
frecuencia 100kHz y amplitud de 2 voltios pico a pico.
Figura 11: Captura esquemática del doblador de
frecuencia
En la Figura 12, se muestran los resultados de
simulación para una senosoidal que tiene frecuencia 3kHz
y amplitud de 2 voltios pico a pico. En este caso, la
frecuencia de la señal de salida es 6kHz.
Figura 13: Resultados de simulación para el filtro
análogo programable por voltaje, Vc = 2V
4.4 Valor RMS de una señal senosoidal
En la Figura 17 se muestra la captura esquemática de la
función para calcular el valor RMS de una señal
senosoidal.
Figura 14: Resultados de simulación para el filtro
análogo programable por voltaje, Vc =200mV
4.3. Modulador de ancho de pulso
En la Figura 15, se muestra la captura esquemática de la
función análoga para modulador de ancho de pulso
Figura 17: Captura esquemática de la función para
calcular el valor RMS
En la Figura 18 se muestran los resultados de simulación
para una señal senosoidal de entrada que tiene frecuencia
60Hz y amplitud de 2 voltio pico a pico.
Figura 15: Captura esquemática del modulador de ancho
de pulso
En la Figura 16 se muestran los resultados de simulación
Figura 18: Resultados de simulación para la función que
calcula el valor RMS, Vpp = 2V y f = 60Hz
5. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
Figura 16: Resultados de simulación para el modulador
de ancho de pulso
Los circuitos análogos programables de Anadigm
permiten diseñar de manera fácil e implementar
directamente en silicio circuitos y/o sistemas para
procesamiento análogo.
Los FPAAs de Anadigm permiten llevar a cabo una
metodología de diseño análogo basada en una
aproximación a nivel computacional, es decir, desarrollar
un diseño a nivel matemático y no a nivel de componente.
Entonces, las tareas de diseño análogo tendrán un poco de
independencia (en orden creciente de acuerdo al avance
tecnológico) al permitir presentar soluciones en términos
matemáticos.
En este artículo presentamos el diseño de funciones
análogas especiales y los resultados de simulación
permiten verificar la buena funcionalidad de los diseños
descritos. El futuro trabajo, será orientado a desarrollar
sistemas análogos para procesamiento de señales
biomédicas y/o bioinstrumentación.
Nota: La versión final de este trabajo presentará los
resultados
experimentales
“observados
en
el
osciloscopio”.
6. BIBLOGRAFÍA
[1] C. Salthose and R. Sarpeshkar, “A Practical Micropower
Programmable Bandpass Filter for Use in Bionic Ears ”,
IEEE J. Solid-State Circuits, Sept. 2003.
[2] R. Caicedo, “Diseño de Circuitos Electrónicos Usando
Circuitos Análogos Programables”, Tesis de pre-grado,
Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad
del Valle, Sept. 2002.
[3] R. Caicedo y J. Velasco, “Diseño de Circuitos Análogos
Usando FPAAs”, IX Workshop Iberchip, PAP-73, Marzo
2003.
[4] Anadigm, Data Manual, Jul. 2001.
[5] Anadigm, “AnadigmDesigner IPmodule Manual”, Jul.
2001.
[6] Anadigm, “AN120E04 Reconfigurable FPAA Datasheet”,
2002.
[7] Anadigm, “AN220E04 Dinamically Reconfigurable FPAA
Datasheet”, 2002
[8] TRAC, Totally Re-configurable Analog Circuit, Issue 2,
Marzo 1999.