PLC可编程技术应用

1在系统模拟可编程技术应用实验日期：实验地点：2一、实验目的1.，掌握ispPAC1.0，20的使用。2，学习ispPAC快化电路设计方法。3，掌握硬件电路的下载和测试。4，学习并掌握差分放大器的设计原理5，掌握用可编程模拟器件设计有源滤波器的方法。6，学会滤波器的幅频和相频特性曲线的测试方法。7，掌握用ispPAC20实现数控振荡器。二、实验仪器设备1，微机（装有PAC-Designer软件）2，直流稳压电源3，双踪示波器4，低频信号源5，实验板三、实验原理在系统可编程模拟器件ispPAC(in-systemProgrammableAnalogCircuit)是美国Lattice半导体公司于1999年底推出的系列产品，到目前为止共推出了六种产品：ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30、ispPAC80、ispPAC81、ispPAC-Power1208。它的问世翻开了模拟电路设计的新篇章，为EDA技术的应用开辟了更广阔的应用前景。与数字在系统可编程大规模集及超规模集成电路（ispLSI、ispVLSI等）一样，ispPAC同样具有在系统可编程技术的优势和特点。设计者可通过基于Windows的PAC-Designer开发软件在计算机上快速、方便地进行模拟电路设计、修改，对电路的特性进行仿真，然后将设计方案下载到芯片中。同时还可以对已装配在印制板上的ispPAC进行校验、修改或重新设计。ispPAC把高集成度的精确设计集于一体，取代了传统的分立元件或ASIC所能实现的功能。具有开发速度快、成本低、可靠性高、保密性强等特点。ispPAC芯片包含有可编程模拟宏单元（PAC模块），它可以是仪器放大器、求和放大器或其它功能单元，主要承担模拟信号的处理任务。PAC块的输入、输出通过模拟布线区ARP(AnalogRoutingPool)互相连接，ARP在器件管脚和PAC块的输入、输出间提供了一个可编程的模拟线路网络，无需外部连接就可将PAC块级联使用。芯片中还包含有配置存储器，是电擦除的E2CMOS存储器，可重复使用10000次，且编程时无需专用编程电源，它以数据形式存储PAC块中选择的增益、反馈电容值、与反馈电阻串联的开关状态、PAC块的输入、输出之间的连接和管脚之间的连接等信息。除此之外，ispPAC中还包含有参考电压、自校正电路以及isp接口等电路。目前，在系统可编程模拟器件系列己成功地应用于音响设备、医疗设备、测试设备、计算机外围设备以及数据采集系统、监控系统和机器人、工厂自动化等诸多领域。其中ispPAC10适于信号的调理和滤波，ispPAC20适于信号的转换和监视，ispPAC30适合于做通用的模拟前段，ispPAC80与ispPAC81可以方便地实现多种类型的5阶滤波器电路。ispPAC-POWR1208器件综合了Lattice公司领先业界的ispPAC和CPLD工艺，其可编程的模拟输入能为多个供电节点（最多达12处）提供精确的同步监控，与此同时在CPLD芯片上又能产生最有效的控制信号，它可用于电源定序和监督等方面。ispPAC系列共包括五种器件：ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30、ispPAC80、ispPAC81，3可用于实现信号放大、衰减、叠加、滤波、比较、积分、模/数转换等功能。1111内部结构与基本原理通用型可编程模拟器件主要包括现场可编程模拟阵列（FPAA）和在系统可编程模拟电路（ispPAC）两大类。二者的基本结构与可编程逻辑器件相似，主要包括可编程模拟单元（ConfigurableAnalogBlock，CAB）、可编程互连网络（ProgrammableInterconnectionNetwork）、配置逻辑（接口）、配置数据存储器（ConfigurationDataMemory）、模拟I/O单元（或输入单元、输出单元）等几大部分模拟I/O单元等与器件引脚相连，负责对输入、输出信号进行驱动和偏置、配置逻辑通过串行、并行总线或在系统编程（ISP）方式，接收外部输入的配置数据并存入配置数据存储器；配置数据存储器可以是移位寄存器、SRAM或者非易失的E2PROM、FLASH等，其容量可以数十位至数千位不等；可编程互连网络是多输入、多输出的信号交换网络，受配置数据控制，完成各CAB之间及其与模拟I/O单元之间的电路连接和信号传递；CAB是可编程模拟器件的基本单元，一般由运行放大器或跨导放大器配合外围的可编程电容阵列、电阻阵列、开关阵列等共同构成。各元件取值及相互间连接关系等均受配置数据控制，从而呈现不同的CAB功能组态和元件参数组合，以实现用户所需的电路功能。CAB的性能及其功能组态和参数相合的数目，是决定可编程模拟器件功能强弱和应用范围的主要因素。数模混俣可编程器件可看作是可编程模拟器件的推广形式。以SIDSA公司的FIPSOC系列（数模混合现场可编程片上系统）为例，它既包含有模拟的可编程单元和互连网络，又包含有由逻辑宏单元和开关矩组成的FPGA，还包含有A/D、D/A转换器和用于配置与控制的嵌入式微处理器等要，可用于片上系统（SOC）的开发与实现。但其模拟部分的规模较小，主要面向数据采集、实时监控等特定应用2222基本开发流程可编程模拟器件开发的主要步骤依次为：（1）电路表达，即根据设计任务，结合选用的可编程模拟器件的资源、结构特点，初步确定设计方案；（2）分解与综合，即对各功能模块进行细化，并利用开发工具输入或调用宏函数自动生成电原理图；（3）布局布线，即确定各电路要素与器件资源之间的对应关系以及器件内部的信号连接等。可自动或手动完成；（4）设计验证，即对设计进行仿真（根据器件模型和输入信号等，计算并显示电路响应），以初步确定当前设计是否满足功能和指标要求。如果不满足，应返回上一步骤进行修改；（5）由开发工具自动生成当前设计的编程数据和文件；（6）器件编程，即将编程数据写入器件内部的配置数据存储顺。一般通过在线配置方式完成，也可利用通用编程器脱机编程；（7）电路实测，即利用仪器对配置后的器件及电路进行实际测试，详细验证其各项功能和指标。如果发现问题，还需返回前有关步骤加以修改和完善。可编缉模拟器件设计的基本流程图如图2所示。该流程主要在微机上利用开发工具完成，基本可做到“所见即所得”。以往由于元件超差、接触不良等实际因素造成的延误和返工可基本消除，对设计者的要求也大大降低。四、实验内容（一）小信号放大器1、实验原理4ispPAC10器件的结构由四个基本单元电路，模拟布线池，配置存储器，参考电压，自动校正单元和ISP接口所组成如图1.0。器件用5V单电源供电。5其基本单元电路（PACblock）由一个差分输出的求和放大器(OA)和两个具有差分输入的、增益为±1至±10以整数步长可调的仪用放大器组成。输出求和放大器的反馈回路由一个电阻和一个电容并联组成。其中，电阻回路有一个可编程的开关控制其开断；电容回路中提供了120多个可编程电容值以便根据需要构成不同参数的有源滤波器电路。如图1.2所示ispPAC10内部结构框图如图10.4-1所示。由4个PAC块、配置存储器、模拟布线区、参考电压、自校正和isp接口电路等组成。PAC块处理模拟信号，PAC块由两个仪用放大器IA和一个输出放大器OA组成，如图10.4-2所示。输入仪用放大器的输入阻抗为109Ω，共模抑制比为69db，增益可通过编程设置....主要功能指标::::4个仪表放大器增益/衰减能分级进行、可编程的增益范围（0~80dB）、多达4个输入的信号求和、精确有源滤波（10~100KHz）、器件可重复檫写10000次2、实验内容用ispPAC10设计下列放大器（1）放大增益为185倍，测试条件Vi=5mv；（2）设计一放大器，放大增益为78.5倍，Vi=10mv(直流)；（3）设计一衰减器，衰减比例为2/9。3、实验结果与数据分析（1）放大增益为185倍，测试条件Vi=5mv电路连接原理图6电路仿真的幅频和相频曲线7频率f(Hz)输出电压Uo(V)放大倍数（Au）增益20logAu(dB)5001.0420846.361k1.0420846.363k1.0420846.365k1.0420846.3630k1.0420846.3650k1.0220446.19100k0.9619245.67150k0.8016044.08160k0.7915843.97180k0.7615243.63190k0.7314643.29200k0.7214443.17210k0.6412842.14250k0.6012041.58理论值18545.34理论：fH=370kHz,实际：fH=190.5kHz（2）放大增益为78.5倍，Vi=10mv(直流)电路连接原理图8电路仿真的幅频和相频曲线频率f(Hz)输出电压Uo(V)放大倍数（Au）增益20logAu(dB)500.888838.891000.888838.893000.888838.895000.888838.891k0.888838.893k0.888838.895k0.888838.8950k0.888838.89100k0.848438.49150k0.727237.15200k0.646436.122100.626235.85230k0.606035.56250k0.565634.96300k0.525234.32理论值78.537.89理论：fH=300kHz,实际：fH=210.02kHz(3)衰减比例为2/9,Vi=0..9V9电路连接原理图电路仿真的幅频和相频曲线10频率f(Hz)输出电压Uo(V)放大倍数（Au）增益20logAu(dB)1k0.220.24-12.403k0.220.24-12.405k0.220.24-12.4030k0.220.24-12.4050k0.220.24-12.40100k0.220.24-12.40150k0.230.26-11.70200k0.240.27-11.37250k0.260.29-10.75300k0.280.31-10.17350k0.320.35-9.12400k0.350.38-8.40410k0.360,40-7.96420k0.370.41-7.744300.380.42-7.54450k0.400.44-7.13理论值-13.06理论：fH=1.13MHz,实际：fH=425.74kHz4实验结论：根据数据画出的图见作图纸，（1）实际值与理论值误差的原因是：输出电压是使用示波器测量的，示波器的精准度不够高，再加上读书时眼睛的估测也会有偏差。（2）增益与带宽成反比。(二)有源滤波器的设计1、实验原理112、实验内容（1）一双阶有源滤波器，要求实现低通转折频率f0为30kHz,增益为2电路连接原理图12电路仿真的幅频和相频曲线Vi=0.5V频率f(Hz)输出电压Uo(V)放大倍数（Au）增益20logAu(dB)501.026.021001.026.025001.026.021k1.026.023k1.026.025k1.12.26.8510k1.152.37.2315k1.32.68.3020k1.63.210.1025k1.953.911.8230k2.04.012.0435k1.53.09.5440k1.02.06.0245k0.751.53.5246k0.71.42.9250k0.551.10.83理论值26.02理论：fH=44.4kHz,实际：fH=46.6kHz13(2)一双阶有源滤波器，要求实现带通中心频率f0为30kHz,增益为2电路连接原理图电路仿真的幅频和相频曲线14Vi=0.5V频率f(Hz)输出电压Uo(V)放大倍数（Au）增益20logAu(dB)20k0.531.060.5121k0.61.21.5822.6k0.701.42.9223k0.761.523.6428k1.026.0230k1.022.046.1932i1.012.026.1136k0.841.684.513