可编程模拟电路设计举例

5.1.3　可编程模拟电路设计举例

图5.1.33　增益为13的PAC连线图

1）增益的设置

图5.1.33所示的PAC块由一个差分输出的求和放大器OA和两个具有差分输入、增益在－10～＋10按整数步长可调的仪表放大器IA组成。OA的反馈回路由一个电阻和一个电容并联构成，其中电阻回路有一个可编程的开关控制其通断，电容回路提供了120多个可编程电容值供选择。

（1）整数增益的设置

图5.1.33是增益为13的放大电路，其中IA1的增益设置为7，IA2的增益设置为6，经OA1求和放大器后，OUT1输出增益为13。很显然，单个PAC块的最大增益为±20。

如果要得到增益大于±20的放大电路，就要将几个PAC级联，如图5.1.34（a）所示为由两个PAC块构成增益为39的级联图。第一个PAC仍然构成增益为13的放大电路，其输出OUT1联到第二PAC的IA3输入，将IA3的增益设置到3，IA4悬空，于是PAC2的增益为3，这样总的增益就是13×3＝39，从OUT2输出。

图5.1.34　增益为39的PAC连线图

当然，级联的方法并不是唯一的，增益为39的放大电路也可以用如图5.1.34（b）的方式级联。总的增益是10×3＋9＝39，从OUT2输出。

图5.1.35　整数比增益技术示意图

（2）整数比增益设置

运用整数比技术，ispPAC器件提供给用户一种无需外接电阻而获得某些整数比增益的电路，如增益为1/10，7/9等等。图5.1.35是整数比增益技术示意图。

在图5.1.35中，输出放大器OA1的电阻反馈回路必须开路。输入放大器IA2的输入端接OA1的输出端OUT1，此时，由输入放大器IA2引入新的反馈通路，并且IA2的增益需设置为负值以保持整个电路工作稳定。在整数比增益电路中，假定IA1的增益为G_IA1，IA2的增益为G_IA2，整个电路的增益为G＝－G_IA1/G_IA2。若如图5.1.35中选取G_IA1＝7，G_IA2＝－8，整个电路增益为G＝7/8＝0.875。表5.1.5列出了所有的整数比增益值。

表5.1.5　IA2作为反馈单元的整数比增益

（3）分数增益的设置

除了各种整数倍及各种整数比增益外，配合适当的外接电阻，ispPAC器件也可以提供任意的分数倍增益的放大电路。

若想得到一个增益在0.1～0.9之间变化的增益，如:4.3倍，可以按图5.1.36电路设计。

图5.1.36　增益为4.3的PAC块电路图

图5.1.36中，通过外接两个50kΩ和11.1kΩ的电阻分压，得到输入电压:

V_IN2＝［11.1/（50＋50＋11.1）］V_in＝0.099 9V_in≈V_in/10

这样就相当于芯片之外接一个1∶10的电阻衰减

V_out1＝4×V_in＋3×V_IN2＝4×V_in＋3×（V_in/10）＝4.3V_in

因此　　　　　　　　　G＝V_out1/V_in＝4.3

若想得到一个增益在0.01～0.09变化的增益，可将外接的电阻衰减接成1∶100，如:要得到0.43倍的增益可按图5.1.37设计。

此时，VIN1≈V_in/10，V_IN2≈V_in/100

所以，G＝0.43

图5.1.37　增益为0.43的PAC块电路图

2）滤波器的设计

在系统可编程模拟器件可以实现各种双二阶滤波器，包括低通、高通、带通、带阻。双二阶滤波器的传递函数的一般表达式如下:

图5.1.38　用PAC块构成的双二阶滤波器的实际电路

T（s）＝K

式中:c＝d＝0为高通滤波器；m＝c＝0为低通滤波器；m＝d＝0为带通滤波器；c＝0、m＝d为带阻滤波器。

改变上式不同的分子，可以得到各种滤波器，事实上，只要用两个PAC块就可以实现各种双二阶滤波器，理论推导参见有关ispPAC芯片使用说明。现给出一个实际使用电路图5.1.38所示。

图5.1.39　Run Macro对话框

适当调节电容的数值和放大器的倍数，可以调整滤波器的有关参数。

在系统可编程模拟电路的开发软件PAC－Designer中含有一个宏，专门用于滤波器的设计，只要输入f₀（截止频率或中心频率），Q（品质因数）等参数，即可通过宏程序自动实现电路的连接以及电路参数的配制。利用开发软件中的一个模拟器，可以模拟滤波器的幅频和相频特性。

具体操作方法如下:

（1）运行File→New→ispPAC10Schematic，进入电路图设计窗口。

（2）运行Tools→Run Macro，得到如图5.1.39所示对话框。

该对话框中有三种Macro可运行:

ispPAC10＿Biquad.exe——产生适用于ispPAC10的双二阶滤波器；

ispPAC10＿Ladder.exe——产生适用于ispPAC10的巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）等类型的滤波器；

ispPAC20＿Biquad.exe——产生适用于ispPAC20的双二阶滤波器。

选择ispPAC10Biquad.exe，点击OK。出现滤波器宏设计输入窗口，在这个窗口下设置参数，如频率f₀＝100kHz，f₀选成优化（Optimize），PAC块选择1＆2或3＆4。如图5.1.40所示。

点击Generate Schematic，这时完成了线路的连接与参数的设置。同时，将所设计的滤波器电路的实际参数返回到输入窗口。如图5.1.41。可以看到频率f₀＝100.95kHz，与设计的频率有微小的差别，这是因为影响频率的电容C_F1与C_F2不连续可调所致。宏设计时，已经尽量将差别降到最小。至此，已完成了电路设计。退出参数设置窗口，只留下设计好的电路图。

图5.1.40　滤波器的宏设计设置

图5.1.41　电路的连接与参数

（3）模拟仿真

图5.1.42　模拟参数设置

设计好的滤波器电路可以直接下载到ispPAC10，也可以先模拟仿真，看看是否与设计的要求相符。

运行Options→Simulator，出现模拟设置参数窗口，选择F start，F stop，Input，Output（如果Output选择Vout1，则得到带通滤波器的特性，如果Output选择Vout2，则得到低通滤波器的特性）等，如图5.1.42所示。

点击Tools→Run Simulator，即启动模拟仿真，得到所设计电路的频率特性。如图5.1.43和图5.1.44所示。

图5.1.43　低通滤波器的幅频和相频特性

图5.1.44　带通滤波器的幅频和相频特性

3）比较器的应用

我们知道在ispPAC20中有两个比较器和一个D/A转换器，利用这两种器件可以构成过压或欠压控制电路，具体方法如下:

图5.1.45　3V过压控制电路

Vin是被监控电压，送入CP_IN＋，参比电压CP_IN－可以是一个直流稳定电压，也可以是VREF_OUT（pin2）2.5V，将CP_IN连接到比较器CP1的正输入端，CP1的负输入端连接DAC的输出，双击DAC方框，可以改变DAC的输出使之接近CP1的正端值，一旦V_in超过监控值，CP1的正端值大于负端值，CP1输出高电位，产生告警信号。

图5.1.45中，给定的被监控电压是3V，即如果监控电压超过3V，则产生告警信号。将V_in＝3V接在CP_IN＋，同时CP_IN－接VREF_OUT（2.5V），这时CP_IN输入为0.5V，将CP_IN连接到比较器CP1的正输入端，CP1的负输入端连接DAC，DAC设定为0.4922V（在DAC中，这个电压最接近0.5V），注意，此时DMODE引脚为0。当V_in超过3V时，CP1的输出为高电平，告警。