可编程模拟IC将FPGA多功能性等优势带入混合信号世界

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对于工程师而言，设计、评估和调试带有模拟输入/输出（I/O）接口的混合信号电路始终面临巨大挑战。真实世界与模拟信号链路的微妙之处以及恶劣的工作环境，往往使得看起来简单直接的设计目标成为难以逾越、耗时费力的项目。最终设计需要谨慎权衡模拟与混合信号IC的整合，包括运算放大器、A/D和D/A转换器、比较器、高压驱动器、模拟开关，将这些IC硬件连接在一起，构建成模拟通道。
       
        数字领域专业背景的工程师，不熟悉模拟设计，而模拟设计中的元件选择、物理布局以及成本等问题直接影响基本电路的性能和产品上市时间，使得项目开发举步维艰。对于这些工程师，尤其是习惯使用可编程逻辑器件或FPGA的工程师，模拟电路的设计理念与其习惯性的设计思维相偏离。
       
        不仅如此，当今的工程师团队还面临另一挑战：往往需要开发类似但又具有一定差异的基础电路，以支持不同版本的最终产品。例如，设计一款核心电机控制器，可能需要根据不同系列电机对I/O进行量身定制，在范围、驱动要求和性能指标方面都有细微不同。
       
        为达到上述目的，项目团队有两种选择，但两种选择都不轻松。他们可以构建单一、包罗万象的电路，内置所有版本，而仅“打开”所需的配置。这种方法需要更多的资源：设计时间、调试工作、元件、功耗以及成本；他们也可以定制开发设计PCB板，针对每一“版本”的最终产品开发一套。但这样就必须进行独立的调试和测试程式，处理各种生产问题以及不同的BOM.无论哪种方式，都是一个耗时耗力的过程。
       
        为克服这种设计难题，最直接的想法，也是非常吸引人的方案，即采用内嵌模拟I/O的微控制器，在软件中实现尽量多的功能。但是，这种方法的效果往往不太好。有太多的设计缺陷和妥协，造成硬件性能的缺陷，软件方面也有太大负担和不确定性（例如性能不确定）。
       
        利用可编程模拟方案替代其他方案
       
        Maxim Integrated推出的另一种设计模拟/混合信号电路方案能够从根本上克服此类设计、调试缺乏灵活性，多版本设计，I/O不足以及软件不确定性等问题。可编程模拟方案允许设计者在IC内部配置模拟链路和拓扑，满足特定的应用需求。
       
        Maxim Integrated推出了专门针对I/O进行优化的可编程、高压、混合信号IC，如图1所示。该IC集成12位、多通道、模/数转换器（ADC）和12位、多通道、带缓冲输出的数/模转换器（DAC）。这些转换器连接有20路混合信号、高压、双极性端口，每个端口可配置（或“可编程”）为ADC模拟输入、DAC模拟输出、通用输入端口（GPI）、通用输出端口（GPO）或模拟开关端子。此外，器件具有一个内部和两个外部温度传感器，以分别跟踪结温和环境温度的变化。MAX11300 PIXITM器件非常适合要求模拟和数字混合功能的应用，每个端口可独立配置为从-10V至+10V四种电压量程之一。

       
       
        图1 PIXI可编程、混合信号IO可提供20种用户定义的可编程ADC、DAC功能

         
        工作中，MAX11300由其主微控制器在上电时配置，然后独立运行；这不仅可减轻处理器及其软件负担，也保证了I/O的确定性，不受其他处理器优先权或中断的影响。可配置性与自主性相结合，使得该方案远远优于微控制器模拟I/O器件。
       
        可编程模拟设计示例
       
        MAX11300非常适合于要求中等分辨率和速度的混合信号应用，例如基站RF功率器件的偏置控制器，用于光元件、电源监测/排序、工业控制与自动化中的控制器。PWM风扇电机控制器的温度控制就充分体现了该器件的灵活性和多功能性，如图2所示。该控制功能的核心是温度传感器和电机控制DAC组成的闭环通路，受微控制器的高度监控。如果高端风扇电机控制器需要监测额外的模拟信号（例如冷却液流量）或其他控制点（例如执行器和阀门），可配制同一MAX11300监测这些通道。有些大型电机为多个管道供风，需要检测两个温度点，而不仅仅是一个，对于这种情况，同样可以配置同一MAX11300，支持需求的变化。

       
       
        图2 利用MAX11300进行控制和监测

        可编程模拟IC的优势不仅限于灵活性和可配置性。基于硬件的方案意味着，一旦确立了模拟功能，即可固定地执行任务，与系统微控制器并行工作。与基于软件的模拟前端（AFE）设计不同，处理器可以按照自身的特性（例如速度、存储器、I/O、电源和成本）要求选择适当器件。从而在整体设计中折中考虑极少，并可将产品快速推向市场。
         
        当今的项目具有较大开发风险。开发灵活性意味着很容易满足设计要求的变化，无需电路板改版或重新布局。正像所有模拟电路设计者所了解的，“没有什么大不了的，只是增加另一路模拟输入而已”。使用这种可编程I/O器件，降低了设计和开发风险，所以设计者对进度和性能更有信心。单片IC以及材料清单（BOM）将支持多种版本的最终产品，例如小、中或大规模设计，或基础架构、高级和全功能设计。即使模拟通道配置发生变化，PCB布局也保持不变。同时，微控制器软件在很大程度上可重复利用。
       
        此外，使用MAX11300不要求较高的模拟电路经验或元件选型，因而降低设计风险。电路位于IC本身内部，设计者的任务是配置IC，简单直接。
       
        工具和支持使设计过程变得轻松
       
        如果不能简单配置，就失去了灵活、多功能混合信号元件的优势。幸运的是，对于那些熟悉FPGA和可编程逻辑器件，但不熟悉模拟电路的数字电路设计者，也很容易配置MAX11300.开始使用MAX11300的PIXI技术，甚至不需要读完60页的数据手册。只需启动图形用户界面（GUI），即可看到使用简单、熟悉、支持拖曳操作的环境，简单且直观地设置器件。
       
        为加快应用，器件有多项硬件和支持选项，包括MAX11300评估板（EV），提供经过验证的平台，以评估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。为简化PIXI原型设计，MAX11300 PMB1外设模块使MAX11300很容易连接到任意使用Pmod兼容扩展端口（配置为SPI进行通信）的系统。
       
        集可编程和模拟于一身
       
        传统上，“模拟”和“可编程”是两种风马牛不相及的情形。但现在情况发生了变化，两者支持相互替代。MAX11300等创新、可编程、模拟IC具有I/O和接口功能的灵活性，同时具有与主控制器相媲美的一致性、可预测性和独立性。
       
        MAX11300解决了模拟集成的两个难题。一般情况下，集成度提高与设计灵活性是相悖的，而基于软件的设计使得混合信号硬件功能也变得可靠、确定。MAX11300可完善数字逻辑，采用门阵列，允许用户对其进行配置，以满足特定的功能需求；基于软件的处理器，通过执行代码提供可编程能力以及重复编程能力。