УДК 621.372.54:621.3.008
О ПОГРЕШНОСТЯХ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ
В. П. Морозов
Рассмотрены погрешности воспроизведения сигналов в структурах аналоговых фильтров, реализуемых с помощью программируемых аналоговых интегральных схем.
Ключевые слова: ФНЧ и ФВЧ первого порядка, постоянная времени, аналого-цифровая программируемая микросхема, реконфигурация, нелинейные искажения.
ВВЕДЕНИЕ
Зашумленные сигналы от датчиков и других устройств, характеризующие некоторые параметры технологических процессов, перед дальнейшей обработкой, обычно цифровой, приходится подвергать сглаживанию и усилению. Чаще всего такая первичная обработка производится аналоговым способом. Аналоговые звенья во входных узлах (front-end) измерительно-информационных систем, выполняющие первичную обработку, в ряде случаев могут требовать реконфигурации по ходу измерительного процесса. Так, простые аналоговые фильтры первого порядка — ФНЧ и ФВЧ с наклонами частотной характеристики (ЧХ) —6 и +6 дБ/дек, начинающимися с частоты среза fCp, в ряде приложений могут требовать быстрого изменения fCp по ходу технологического процесса в соответствии с некоторым задаваемым извне критерием. Подобная ситуация характерна, например, для обработки сигналов от акустических датчиков стадии размола в шаровых мельницах, где по мере измельчения загруженного сырья спектр информационного сигнала сдвигается в область повышенных частот. При этом соответствующее изменение частоты среза ФНЧ способствует лучшему подавлению высокочастотных составляющих, которые затрудняют дальнейшую обработку и анализ спектра. При первичной обработке сигналов датчиков могут оказаться полезными изменения по ходу процесса и других параметров входных узлов, например, коэффициентов передачи нормализующих усилителей.
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ЗВЕНЬЯ
Для выполнения аналоговым способом ряда операций, в том числе, подобных упомянутым, могут быть применены реконфигурируемые звенья, реализованные с помощью программируемых аналоговых интегральных схем (ПАИС) [1]. По структуре ПАИС представляет собой конфи-
гурируемый аналоговый блок (КАБ), состоящий из нескольких конфигурируемых модулей (КАМ) — набора компонентов, которые позволяют формировать из них по задаваемой извне программе различные аналоговые операционные звенья. Важнейший аспект реконфигурации ПАИС — возможность программным путем изменять вид и параметры реализуемых звеньев без прерывания процесса обработки сигналов.
Реконфигурация ПАИС осуществляется в одном из двух вариантов — с использованием динамического или статического программирования. При динамическом программировании первоначальные и новые конфигурационные данные, то есть описание структуры, связей и характеристик аналоговых звеньев создаются как набор конфигураций с заранее заданными параметрами и загружаются из связанного с ПАИС управляющего микроконтроллера (МК). Такой метод управления состояниями ПАИС (State-Driven Method) требует наличия в системе обработки сигналов МК, по крайней мере, невысокого ценового класса [2].
При статическом конфигурировании первоначальные (основные) конфигурационные данные, определяющие вид реализуемой аналоговой структуры, удобно подготавливать с помощью бесплатно распространяемой системы автоматизированного проектирования (САПР) AnadigmDesigner2, функциональный симулятор которой позволяет вначале отладить структуру без программирования микросхемы ПАИС. Подготовленные таким образом данные загружаются в микросхему внешней памяти EPROM АТ2580 и уже оттуда в ПАИС через интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) [2]. Возможна также загрузка непосредственно из персонального компьютера, на котором установлена САПР AnadigmDesigner2, откуда соответствующая информация через интерфейс RS-232 и UART поступает в микроконтроллер тестовой платы AN221D04 в виде последовательного кода.
70
Sensors & Systems • № 9.2013
EPROM
AN221E04
MISO SCLK
MOSi CSb
16МГц
DIN AKTIVATE
ERPb
PORb CFGFLGb
CS2b
EXECUTE
CS1b LCCb
ACLK DOUTCLK
DCLK OUTCLK
MODE
1 II
Рис. 1
Рекомендуемая изготовителем общая структура системы обработки аналоговых сигналов, содержащей ПАИ С AN221E04 в качестве набора аналоговых модулей и память EPROM для задания вида операции, выполняемой над входным сигналом, показана на рис. 1.
В этой структуре реализуется статическое программирование. Инициализация загрузки конфигурационной программы в ПАИС начинается автоматически в момент включения питания. ПАИС формирует сигнал сброса, очищает внутреннюю конфигурационную и теневую память, последовательно считывает конфигурационные данные с внешней микросхемы EPROM и инициализирует конфигурационную логику ПАИС.
Загрузка конфигурационных данных начинается установкой на выводе CFGFLGb "лог. 0" (активный уровень), поступающего на вход выбора сигнала CSb микросхемы EPROM. Затем с вывода OUTCLK поступает команда чтения EPROM, тактированная сигналом на выводе ACLK, после чего данные от EPROM поступают на вход DIN ПАИС, в которой создается соответствующая конфигурация. После окончания загрузки конфигурационных данных на выводе CFGFLGb ПАИС устанавливается "лог. 1". В этом варианте любые новые данные могут быть загружены только после выключения и последующего включения питания. Все перечисленные связи аналогичны четы-рехпроводной шине SPI.
ПОГРЕШНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
Для целей эксперимента по тестированию характеристик аналоговых фильтров, сконфигурированных в ПАИС, использовался рассмотренный выше вариант статического программирования конфигурации с помощью вспомогательной платы AN221D04, поставляемой фирмой Anadigm.
Для загрузки требуемой статической конфигурации из таблицы реализуемых звеньев с помощью окна программы AnadigmDesigner2 вначале был выбран ярлык низкочастотного ФНЧ (low frequency bilinear). Параметры фильтра (частота среза и коэффициент усиления) задавались путем заполнения соответствующих строк в окне. Полученная конфигурация (сгенерированная САПР структурная схема фильтра с дополнительным конденсатором) показана на рис. 2. При этом, конечно, учитывались ограничения на параметры фильтров. Так, значения частоты среза ФНЧ, реализуемых в ПАИС согласно версии v.2.6.08 программы AnadigmDesigner2, могут быть выбраны в пределах fcp = 4,4...70 кГц (то же относится и к ФВЧ). Для получения меньших значений необходимо подключать внешние конденсаторы обратной связи, емкость которых ориентировочно может быть рассчитана как С = 398 нФ//Ср, Гц. Более точные значения выдает программа AnadigmDesigner2 после задания частоты /Ср. Возможен и обратный вариант — определение частоты /Ср после задания емкости дополнительного конденсатора. Так, для /Ср = 700 Гц программа дала С = 560 пФ. Один дополнительный конденсатор требуемой емкости был включен между выводами 03 и 10, второй — между выводами 04 и 11 микросхемы AN221E04.
Для измерений погрешности воспроизведения ФНЧ первого порядка выходной сигнал ПАИС, моделирующей испытуемый фильтр, сравнивался с сигналом от эталонной пассивной цепи с такой же передаточной функцией. Эталонная RC-цепь (интегрирующая цепочка) состояла из прецизион-
Рис. 2
Рис. 3
ных аналоговых компонентов — резистора С2-29 с допуском ± 0,1 % и конденсатора К10-17 с допуском ±1 %. Измерения проводились на частоте 833 Гц.
В схеме измерений (рис. 3) для преобразования сигналов и развязки применена микросхема AD8032, содержащая в одном корпусе два операционных усилителя (ОУ) с общим питанием. Можно применить и другие ОУ, обеспечивающие устойчивость при охвате 100-процентной отрицательной обратной связью.
Усилитель ОУ1.1 с цепью обратной связи преобразует два смещенных относительно нуля дифференциальных выходных сигнала с выводов 03 и 04 ПАИС в синфазный сигнал, лишенный постоянной составляющей. Вторая половина микросхемы — ОУ1.2 участвует в качестве повторителя в подсхеме выделения сигнала ошибки, которое осуществляется путем вычитания на двух прецизионных резисторах входного сигнала, преобразованного пассивным аналогом сконфигурированного в ПАИС фильтра, из противофазного выходного сигнала ПАИС.
В ходе экспериментов было установлено, что ПАИС в широком диапазоне частот столь же точно воспроизводит частотную характеристику ФНЧ, как и пассивная цепь с аналогичной постоянной времени. Но дополнительно были проведены измерения, позволившие обнаружить и количественно оценить нелинейные искажения, которые, как можно ожидать, внесет ПАИС при конфигурировании ФНЧ с частотой среза ниже оговоренного в руководстве пользователя. Искажения могли быть вызваны тем, что при_/Ср < 4,4 кГц для обработки двуполярного сигнала в конфигурации рис. 2 требуется подключение уже упоминавшихся внешних конденсаторов не в одном, а в обоих
каналах ПАИС, каждый из которых участвует в обработке сигналов только определенной полярности. Поскольку эти конденсаторы в пределах допуска имеют различную емкость, может возникнуть несимметрия воспроизведения полуволн входного сигнала и проникновение появившихся гармоник в последующие цепи. Однако искажений, обусловленных специально введенной несимметрией конденсаторов в цепи обратной связи, обнаружено не было. Измеренная на частоте 833 Гц погрешность нелинейности для ФНЧ с дополнительными конденсаторами 560 пФ ±5 % при воспроизведении входного сигнала амплитудой 1,25 В (кривая 1 на рис. 4, масштаб 500 мВ/см) составила не более 2 мВ ампл. (кривая 2, масштаб 5 мВ/см) и не зависела от разбаланса емкостей. Но при небольшом увеличении амплитуды входного сигнала нелинейность сильно возрастала, а при понижении уменьшалась. Это позволяет считать причиной обнаруженной нелинейности свойства усилителей, участвующих в формировании выходного сигнала ПАИС и питающихся от однополярных источников. Обращают на себя внимание помехи в виде импульсов длительностью на уровне 0,5 около 10 мкс, обусловленные наводками от цифровой части системы. Амплитуда помехи, как видно из рис. 3, не превышает 3 мВ — значения, близкого к амплитуде импульсных помех во многих типовых аналого-цифровых системах. Тем не менее, в случае работы ПАИС на прецизионный компаратор или АЦП может потребо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.