張美燕， 蔡文郁(. 浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 3008；. 杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 3008)

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基于ispPAC的模擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)

張美燕1， 蔡文郁2
(1. 浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. 杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于ispPAC20和ispPAC80器件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種模擬電路實(shí)驗(yàn)儀器平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了多種開放性實(shí)驗(yàn)。利用該模擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大/衰減器、信號(hào)濾波器、信號(hào)處理器(實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行求和、求差、積分等運(yùn)算)、DA轉(zhuǎn)換器、電壓監(jiān)控器及溫度測(cè)量器等實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬電路的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方案，為學(xué)生提供一個(gè)學(xué)習(xí)、驗(yàn)證、鞏固模擬電子線路基礎(chǔ)知識(shí)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

ispPAC器件； 在線可編程； 模擬電路實(shí)驗(yàn)； 開放性實(shí)驗(yàn)

0 引 言

在系統(tǒng)可編程(In System Programmability，ISP)[1-3]特性指不需要使用編程器，只需通過計(jì)算機(jī)接口和編程電纜，直接在用戶自己設(shè)計(jì)的目標(biāo)系統(tǒng)中或線路板上，為重新構(gòu)造設(shè)計(jì)邏輯而對(duì)器件進(jìn)行編程或反復(fù)編程的能力。ISP器件包括可編程邏輯器件、可編程模擬器件、可編程數(shù)字開關(guān)及互聯(lián)器件等等，種類多，系列全，選擇余地大。而且，這些器件的性能及特性處于領(lǐng)先地位，使用者能快速、高效地設(shè)計(jì)出新一代的電子系統(tǒng)產(chǎn)品，因此，應(yīng)用前景十分廣闊。大多數(shù)情況下，使用ISP器件，在制造成本、效益、快速實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)樣機(jī)、可靠編程多引腳數(shù)器件能力等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其在產(chǎn)品裝運(yùn)前后，也能立即進(jìn)行系統(tǒng)重新組態(tài)以及遙控升級(jí)，這種能力具有很大的特色。

在系統(tǒng)可編程[4]可以使我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣給最終用戶以后，對(duì)其器件、電路板或整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯和模擬功能隨時(shí)進(jìn)行組態(tài)或重組。簡(jiǎn)言之，ISP技術(shù)使用戶具有在自己設(shè)計(jì)的開發(fā)系統(tǒng)(目標(biāo)系統(tǒng))中或線路板上重構(gòu)電路與系統(tǒng)，并對(duì)可編程器件進(jìn)行編程或反復(fù)改寫的能力。使用Lattice公司的開發(fā)軟件PAC-Designer可以方便地設(shè)計(jì)出各種模擬電路，通過調(diào)整電路的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模擬單元電路的聯(lián)接，從而獲得完整功能的模擬電路。

Lattice公司率先通過創(chuàng)新的在系統(tǒng)可編程模擬器件(Programmable Analog Device)ispPAC[5-8]系列，使模擬電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者享受到ISP技術(shù)的益處。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ispPAC器件的模擬實(shí)驗(yàn)儀器，利用模擬實(shí)驗(yàn)儀器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大器、信號(hào)濾波器、信號(hào)處理器(實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行求和、求差、積分運(yùn)算)、DA轉(zhuǎn)換器、電壓監(jiān)控器及溫度測(cè)量器等實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供一種學(xué)習(xí)、驗(yàn)證、鞏固模擬電子線路基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ispPAC20/80器件的實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，主要包括電源模塊、ispPAC最小系統(tǒng)、輸入輸出模塊、撥碼開關(guān)模塊、擴(kuò)展模塊和并口下載電路模塊等，整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)如圖1所示。只要把編程電纜將計(jì)算機(jī)的并行口和電路板聯(lián)接起來，就可將電路設(shè)計(jì)下載至ispPAC中，模擬電子電路系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)主要通過PC端的PAC-Designer軟件編程實(shí)現(xiàn)。

圖1 ispPAC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件設(shè)計(jì)

ispPAC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件原理圖如圖2所示，主要以ispPAC20和ispPAC80芯片為核心，進(jìn)行接口擴(kuò)展。由于板上的ispPAC20和ispPAC80都使用同一個(gè)下載電路，因此需要根據(jù)具體需求選擇不同的芯片下載。注意S1和S2不能同時(shí)置到ON的位置。當(dāng)要配置ispPAC20芯片時(shí)，就將S2置到ON的位置，將S1置到OFF的位置；如果要配置ispPAC80芯片時(shí)，就將S1置到ON的位置，將S2置到OFF的位置。這樣的話可以保證配置的完整和正確。

ispPAC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖3所示，該ispPAC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以單獨(dú)使用完成模擬電路設(shè)計(jì)，也可以結(jié)合原始模擬電子線路實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)。

由于ispPAC20是單電源供電，只能接收0～Us(芯片的工作電源Us=5 V)的信號(hào)，因此，要加偏置電路使信號(hào)處在芯片可以處理的范圍。模擬信號(hào)輸入ispPAC器件時(shí)，要根據(jù)輸入信號(hào)的性質(zhì)考慮是否需要設(shè)置外部接口電路，因此設(shè)計(jì)了直流耦合偏置電路和具有直流偏置的交流耦合輸入電路。同時(shí)，測(cè)量溫度要制作測(cè)溫電路，因此本文設(shè)計(jì)了基于LM35溫度傳感器的測(cè)溫[7]；電壓監(jiān)控的指示電路，通過比較器輸出端的電平高低來控制紅色與綠色發(fā)光二極管的亮暗；數(shù)模轉(zhuǎn)換的控制電路，采用Atmel 89S52單片機(jī)配合4×4的矩陣鍵盤來控制單片機(jī)的I/O口輸出，按鍵控制CS電平，從而使數(shù)據(jù)可被ispPAC20識(shí)別，同時(shí)利用LCD1602顯示電路實(shí)現(xiàn)數(shù)值輸出。外圍輔助電路的總體原理圖如圖4所示。

圖2 ispPAC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖

圖3 ispPAC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

圖4 外圍輔助電路原理圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)

只要將PAC Block巧妙組合，用PAC-Designer開發(fā)軟件可以設(shè)計(jì)電路、仿真電路特性，將設(shè)計(jì)方案下載至ispPAC器件中。PAC-Designer開發(fā)軟件通過圖形界面與用戶交流，形象直觀、使用方便。PAC-Designer軟件的主要特征：設(shè)計(jì)輸入方式。原理圖輸入；模擬仿真：測(cè)試電路的幅頻和相頻特性。支持器件。ispPAC10、ispPAC20、ispPAC80；內(nèi)含用于低通濾波器設(shè)計(jì)的宏；能將設(shè)計(jì)直接下載。

ispPAC20[9-11]芯片由2個(gè)集成可編程模擬宏單元(PAC Block)組成的，圖5所示的是1個(gè)PAC Block的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)部框圖。ispPAC80[12-13]是一種專門用來實(shí)現(xiàn)高性能連續(xù)時(shí)間低通濾波器的模擬可編程器件，圖6為ispPAC80軟件編程圖形設(shè)計(jì)輸入環(huán)境和內(nèi)部框圖。

圖5 ispPAC20中PAC Block結(jié)構(gòu)示意和內(nèi)部框圖

圖6 ispPAC80軟件編程圖形輸入環(huán)境和內(nèi)部框圖

本文主要采用ispPAC20和ispPAC80兩種器件設(shè)計(jì)模擬電路實(shí)驗(yàn)。主要性能指標(biāo)：①放大器增益G=4；②衰減器增益G=1/2；③濾波器參數(shù)。帶通濾波器中心頻率f0=30 kHz；低通濾波器截止頻率fT=30 kHz，高階低通濾波器截止頻率fT=30 kHz；④數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差不大于50 mV；⑤電壓監(jiān)控監(jiān)控1.5 V電壓，誤差不大于50 mV；⑥溫度測(cè)量0～100 ℃。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用本文設(shè)計(jì)的ispPAC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成運(yùn)放電路設(shè)計(jì)電路和濾波器電路實(shí)驗(yàn)[14-15]的設(shè)計(jì)。作為最為經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)例程，運(yùn)算放大器電路的設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)濾波器電路的設(shè)計(jì)是非常重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。使用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完成諸如ispPAC芯片增益的調(diào)整，ispPAC增益放大與衰減方法，ispPAC二階濾波器的實(shí)現(xiàn)，ispPAC高精度階梯濾波器的設(shè)計(jì)，使用ispPAC完成電壓測(cè)量，使用ispPAC完成溫度監(jiān)測(cè)，ispPAC低通濾波器等實(shí)驗(yàn)，必須根據(jù)一些資料完善相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教程，并制定一些開放性的實(shí)驗(yàn)課題供學(xué)生自主選擇。

本文利用ispPAC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了5種基本功能實(shí)驗(yàn)：①信號(hào)調(diào)整。對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、濾波等；②信號(hào)處理。對(duì)信號(hào)進(jìn)行求和、求差、積分等運(yùn)算；③信號(hào)轉(zhuǎn)換。把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；④二階、高階濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；⑤電壓和溫度等測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 放大器/衰減器實(shí)驗(yàn)

輸入信號(hào)Up-p=150 mV，測(cè)量信號(hào)頻率變化時(shí)，輸出信號(hào)電壓變化情況，測(cè)量結(jié)果見表1。當(dāng)信號(hào)在允許范圍內(nèi)，可以得到增益為4(設(shè)計(jì)值)的放大；當(dāng)信號(hào)頻率到達(dá)截止頻率時(shí)，增益有明顯的下降。

表1 放大器測(cè)量數(shù)據(jù)

輸入信號(hào)f=10 kHz，測(cè)量輸入信號(hào)電壓幅值變化時(shí)，輸出信號(hào)電壓變化情況，測(cè)量結(jié)果見表2。隨著電壓的升高，輸出電壓幅值也不斷上升，當(dāng)輸出電壓幅值超過芯片輸出能力，就會(huì)出現(xiàn)輸出失真，放大1.3 V電壓時(shí)，就不能得到正常輸出。

表2 放大器測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2 信號(hào)求和/求差實(shí)驗(yàn)

對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行求和。輸入信號(hào)f=10.11 kHz，Up-p=496 mV，輸出結(jié)果見圖7。波形數(shù)值結(jié)果證實(shí)求和運(yùn)算的正確性。

2.3 高階濾波器實(shí)驗(yàn)

輸入信號(hào)Upp=500 mV，測(cè)量輸入信號(hào)頻率變化時(shí)，輸出信號(hào)電壓變化情況，測(cè)量結(jié)果見表3。同時(shí)本文還設(shè)計(jì)了基于ispPAC20的二階帶通和低通濾波器，由于篇幅有限故省略。

圖7 求和運(yùn)算輸入輸出波形

f/kHz0．10031．01310．0950．25100．3151．1201．1274．4279．3290．5295．9300．0309．8Uout/mV512512520488464504496504496440392328248Uout/Uin1．021．021．040．970．931．010．991．0080．9920．880．7840．6560．496G/dB0．2060．2060．341-0．21-0．650．069-0．070．0690．070-1．110-2．114-3．662-6．090

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ispPAC器件的模擬實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)了多種開放性實(shí)驗(yàn)。若能結(jié)合目前所用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， ispPAC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，展示一種新的設(shè)計(jì)理念，讓學(xué)生更直觀地掌握電類專業(yè)課程的抽象理論，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。

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要深入實(shí)施“2011計(jì)劃”，不斷促進(jìn)科教融合、協(xié)同創(chuàng)新、合作育人，使國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略在高校落地生根、開花結(jié)果。

深入推進(jìn)人才培養(yǎng)模式改革。促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，我們需要的是手腦并用、知行統(tǒng)一，具有社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的學(xué)生?，F(xiàn)代學(xué)校既要有供學(xué)生讀書的先進(jìn)的圖書館，也要有供學(xué)生動(dòng)手的先進(jìn)的活動(dòng)場(chǎng)。

摘自《教育部袁貴仁部長(zhǎng)在2015年全國(guó)教育工作會(huì)議上的講話》

Design of Analog Circuit Experiments Based on ispPAC Platform

ZHANGMei-yan1,CAIWen-yu2
(12. School of Electric Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China; 2. School of Electronics & Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

The paper designed and realized a kind of analog circuit experiment platform based on ispPAC20 and ispPAC80 devices. Moreover, we have designed a lot of open experiments with innovation based on this instrument. With the instrument designed in this paper, many analog circuit experiments such as signal amplifier/attenuator, signal filter, signal processor including signal sum, difference, integral, DA converter, voltage monitor and temperature measurement etc could be carried out. The simulation and experiment results verified the basic theory and design scheme, therefore, this design provided an integrated experimental platform for students to study, verify and consolidate analog circuit knowledge.

ispPAC Device; ISP; analog circuit experiments; open experiments

2013-07-01

張美燕(1983-)，女，浙江三門人，碩士，講師，主要研究領(lǐng)域無線通信與儀器電路。E-mail：meiyan19831109@163.com

蔡文郁(1979-)，男，浙江慈溪人，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域無線通信與儀器電路。E-mail：dreampp2000@163.com

TP 335.0；G 642

A

1006-7167(2015)02-0071-04