基于ispPAC的模擬實驗儀器設計

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

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基于ispPAC的模擬實驗儀器設計

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

基于ispPAC20和ispPAC80器件設計，實現(xiàn)了一種模擬電路實驗儀器平臺，并設計了多種開放性實驗。利用該模擬實驗儀器平臺可以實現(xiàn)信號放大/衰減器、信號濾波器、信號處理器(實現(xiàn)對信號進行求和、求差、積分等運算)、DA轉換器、電壓監(jiān)控器及溫度測量器等實驗。實驗結果驗證了模擬電路的基礎理論和設計方案，為學生提供一個學習、驗證、鞏固模擬電子線路基礎知識的綜合實驗平臺。

ispPAC器件； 在線可編程； 模擬電路實驗； 開放性實驗

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，只需通過計算機接口和編程電纜，直接在用戶自己設計的目標系統(tǒng)中或線路板上，為重新構造設計邏輯而對器件進行編程或反復編程的能力。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先地位，使用者能快速、高效地設計出新一代的電子系統(tǒng)產(chǎn)品，因此，應用前景十分廣闊。大多數(shù)情況下，使用ISP器件，在制造成本、效益、快速實現(xiàn)現(xiàn)代電路與系統(tǒng)設計和試驗樣機、可靠編程多引腳數(shù)器件能力等方面具有明顯的優(yōu)勢，尤其在產(chǎn)品裝運前后，也能立即進行系統(tǒng)重新組態(tài)以及遙控升級，這種能力具有很大的特色。

在系統(tǒng)可編程[4]可以使我們在產(chǎn)品設計、制造過程中的每個環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣給最終用戶以后，對其器件、電路板或整個電子系統(tǒng)的邏輯和模擬功能隨時進行組態(tài)或重組。簡言之，ISP技術使用戶具有在自己設計的開發(fā)系統(tǒng)(目標系統(tǒng))中或線路板上重構電路與系統(tǒng)，并對可編程器件進行編程或反復改寫的能力。使用Lattice公司的開發(fā)軟件PAC-Designer可以方便地設計出各種模擬電路，通過調(diào)整電路的參數(shù)，實現(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)的設計者享受到ISP技術的益處。本文設計并實現(xiàn)了一種基于ispPAC器件的模擬實驗儀器，利用模擬實驗儀器可以實現(xiàn)信號放大器、信號濾波器、信號處理器(實現(xiàn)對信號進行求和、求差、積分運算)、DA轉換器、電壓監(jiān)控器及溫度測量器等實驗，為學生提供一種學習、驗證、鞏固模擬電子線路基礎知識的實驗平臺。

1 設計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)設計

本文設計并實現(xiàn)了一種基于ispPAC20/80器件的實驗硬件平臺，主要包括電源模塊、ispPAC最小系統(tǒng)、輸入輸出模塊、撥碼開關模塊、擴展模塊和并口下載電路模塊等，整體實驗系統(tǒng)平臺如圖1所示。只要把編程電纜將計算機的并行口和電路板聯(lián)接起來，就可將電路設計下載至ispPAC中，模擬電子電路系統(tǒng)的功能設計主要通過PC端的PAC-Designer軟件編程實現(xiàn)。

圖1 ispPAC實驗系統(tǒng)設計結構

1.2 硬件設計

ispPAC實驗平臺的硬件原理圖如圖2所示，主要以ispPAC20和ispPAC80芯片為核心，進行接口擴展。由于板上的ispPAC20和ispPAC80都使用同一個下載電路，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不能同時置到ON的位置。當要配置ispPAC20芯片時，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，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實驗平臺實物如圖3所示，該ispPAC實驗平臺可以單獨使用完成模擬電路設計，也可以結合原始模擬電子線路實驗箱進行綜合實驗。

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，因此，要加偏置電路使信號處在芯片可以處理的范圍。模擬信號輸入ispPAC器件時，要根據(jù)輸入信號的性質(zhì)考慮是否需要設置外部接口電路，因此設計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，測量溫度要制作測溫電路，因此本文設計了基于LM35溫度傳感器的測溫[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)模轉換的控制電路，采用Atmel 89S52單片機配合4×4的矩陣鍵盤來控制單片機的I/O口輸出，按鍵控制CS電平，從而使數(shù)據(jù)可被ispPAC20識別，同時利用LCD1602顯示電路實現(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實驗平臺原理圖

圖3 ispPAC實驗平臺實物圖

圖4 外圍輔助電路原理圖

1.3 軟件設計

只要將PAC Block巧妙組合，用PAC-Designer開發(fā)軟件可以設計電路、仿真電路特性，將設計方案下載至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：設計輸入方式。原理圖輸入；模擬仿真：測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計的宏；能將設計直接下載。

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

圖5 ispPAC20中PAC Block結構示意和內(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ispPAC80兩種器件設計模擬電路實驗。主要性能指標：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溫度測量0～100 ℃。

1.4 實驗設計

利用本文設計的ispPAC實驗平臺，完成運放電路設計電路和濾波器電路實驗[14-15]的設計。作為最為經(jīng)典的實驗例程，運算放大器電路的設計和基礎濾波器電路的設計是非常重要的實驗內(nèi)容。使用該實驗平臺可以完成諸如ispPAC芯片增益的調(diào)整，ispPAC增益放大與衰減方法，ispPAC二階濾波器的實現(xiàn)，ispPAC高精度階梯濾波器的設計，使用ispPAC完成電壓測量，使用ispPAC完成溫度監(jiān)測，ispPAC低通濾波器等實驗，必須根據(jù)一些資料完善相應的實驗教程，并制定一些開放性的實驗課題供學生自主選擇。

本文利用ispPAC實驗平臺實現(xiàn)了5種基本功能實驗：①信號調(diào)整。對信號進行放大、衰減、濾波等；②信號處理。對信號進行求和、求差、積分等運算；③信號轉換。把數(shù)字信號轉換成模擬信號；④二階、高階濾波器的設計與實現(xiàn)；⑤電壓和溫度等測量實驗。

2 實驗結果

2.1 放大器/衰減器實驗

輸入信號Up-p=150 mV，測量信號頻率變化時，輸出信號電壓變化情況，測量結果見表1。當信號在允許范圍內(nèi)，可以得到增益為4(設計值)的放大；當信號頻率到達截止頻率時，增益有明顯的下降。

表1 放大器測量數(shù)據(jù)

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

表2 放大器測量數(shù)據(jù)

2.2 信號求和/求差實驗

對同一信號進行求和。輸入信號f=10.11 kHz，Up-p=496 mV，輸出結果見圖7。波形數(shù)值結果證實求和運算的正確性。

2.3 高階濾波器實驗

輸入信號Upp=500 mV，測量輸入信號頻率變化時，輸出信號電壓變化情況，測量結果見表3。同時本文還設計了基于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 語

本文設計并實現(xiàn)了一種基于ispPAC器件的模擬實驗儀器，設計了多種開放性實驗。若能結合目前所用的實驗平臺， ispPAC實驗平臺可以提高學生的學習興趣，展示一種新的設計理念，讓學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)學生的實踐技能和創(chuàng)新能力。

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要深入實施“2011計劃”，不斷促進科教融合、協(xié)同創(chuàng)新、合作育人，使國家創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略在高校落地生根、開花結果。

深入推進人才培養(yǎng)模式改革。促進學生全面發(fā)展，我們需要的是手腦并用、知行統(tǒng)一，具有社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力的學生。現(xiàn)代學校既要有供學生讀書的先進的圖書館，也要有供學生動手的先進的活動場。

摘自《教育部袁貴仁部長在2015年全國教育工作會議上的講話》

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