Dado que los sistemas electrónicos modernos integran cada vez más sensores y funcionan en entornos cada vez más dinámicos, las limitaciones de los circuitos analógicos fijos son cada vez más difíciles de ignorar. El procesamiento digital puede dominar las arquitecturas de sistemas actuales, pero el mundo físico sigue siendo de naturaleza analógica. El punto de partida de cada sensor, actuador e interfaz es la señal eléctrica real. Antes de cualquier procesamiento eficaz de estas señales, primero se debe realizar la amplificación, el filtrado y el acondicionamiento.
Dado que la respuesta de baja latencia se está convirtiendo en un indicador clave y los requisitos de las aplicaciones evolucionan, se destaca nuevamente la importancia de las interfaces de simulación. La monitorización industrial, los instrumentos médicos, la electrónica automotriz y las plataformas de Internet de las cosas dependen de un acondicionamiento de señales preciso y adaptable. Pequeñas mejoras en la calidad de la señal analógica a menudo se traducen directamente en una mayor precisión, confiabilidad y eficiencia del sistema.
Tradicionalmente, el enlace de señal analógica se construye a partir de elementos funcionales fijos como amplificadores operacionales, filtros y comparadores. Este enfoque proporciona excelentes resultados cuando los requisitos son estables y claros. Sin embargo, es inherentemente rígido. Los cambios en las características de los sensores, las condiciones operativas o los objetivos de rendimiento a menudo requieren revisiones esquemáticas, rediseños del diseño de PCB y ciclos de verificación adicionales.
La matriz analógica programable en campo (FPAA) proporciona un enfoque muy diferente. Los ingenieros pueden configurar funciones analógicas mediante software sin utilizar un enlace de señal analógica fijo en el hardware. Dispositivos OKIKA OTC2310K04-PIKA, Chameleon ™ El filtro de paso bajo Butterworth de 8 órdenes y Apex Quad4 (Figura 1) ilustran cómo se aplica la arquitectura analógica programable a un sistema de señal mixta real. Este artículo analiza cómo funciona FPAA, su posicionamiento en las arquitecturas de sistemas modernos y las compensaciones que los ingenieros deben considerar al evaluar soluciones de simulación programables.
Placa de desarrollo Okika PiKa Quad FlexFPAA (haga clic para ampliar)
Figura 1: Placa de desarrollo Okika PiKa Quad FlexFPAA. Fuente de la imagen: Dispositivos Okika)
Desafíos estructurados del diseño de simulación.
Los diseños analógicos enfrentan varios desafíos que los ingenieros digitales rara vez enfrentan. Las características del circuito son muy sensibles a las tolerancias de los componentes, la deriva de temperatura, el acoplamiento de ruido y los efectos de diseño. Pequeños cambios pueden tener un impacto significativo en la ganancia, la desviación, el ancho de banda o la estabilidad.
El proceso de verificación y ajuste suele ser iterativo y requiere mucho tiempo. El diseñador debe evaluar el rendimiento dentro de los límites de potencia y temperatura, considerar las tolerancias del peor de los casos y verificar el cumplimiento de los requisitos a nivel del sistema. Para lograr un rendimiento sólido, las placas de circuito suelen modificarse varias veces.
Los costos iterativos son un problema de larga data. Ajustar el valor de resistencia o la topología del filtro generalmente significa rediseñar el hardware. Cada revisión agrega costo, cronograma y riesgo.
Estos últimos cambios son particularmente destructivos. Los nuevos sensores, los requisitos de cumplimiento actualizados o las fuentes de ruido inesperadas pueden obligar a realizar rediseños importantes. A diferencia de los sistemas digitales, estos problemas no se pueden resolver mediante actualizaciones de firmware. La falta de flexibilidad ha sido durante mucho tiempo una limitación estructural a la hora de centrarse en los sistemas de simulación.
Introducción a la matriz analógica programable en campo
El FPGA es un circuito integrado con funciones analógicas configurables. FPAA no depende de un circuito interno fijo, sino de un bloque de construcción analógico programable incorporado. Estos bloques de construcción se pueden interconectar para formar rutas de señal personalizadas.
Las funciones típicas de FPAA incluyen amplificación, filtrado, integración y comparación. Un mismo dispositivo puede realizar una configuración diferenciada en diferentes etapas del desarrollo del producto, o incluso redefinir completamente su propósito para lograr una nueva orientación funcional. Esta reconfigurabilidad es una característica decisiva de la FPAA.
Los FPAA a menudo se comparan con los FPGA, aunque las similitudes radican más en el concepto que en la tecnología. Ambos se basan en bloques de funciones reutilizables e interconexiones programables. La principal diferencia entre los dos es que FPAA opera directamente en el dominio analógico de tiempo continuo, procesando señales del mundo real sin convertirlas a formato digital.
En los sistemas de señales híbridas, la FPAA se utiliza a menudo como una interfaz analógica adaptativa. Estos dispositivos están ubicados entre el sensor y el ADC, o entre el DAC y el actuador, para mejorar la calidad de la señal antes de iniciar el procesamiento digital.
Modelos de configuración y arquitectura central
La FPAA está construida alrededor de un bloque analógico configurable (CAB) que forma el núcleo del dispositivo. Estos módulos se utilizan normalmente para implementar funciones como amplificadores, filtros, integradores y comparadores. Cada módulo es programable para que el diseñador pueda establecer parámetros como ganancia, ancho de banda, condiciones de compensación y niveles de umbral para definir las características requeridas del circuito.
La interconexión de estos módulos se logra mediante interconexiones programables (estructuras de enrutamiento). Esta estructura define cómo fluye la señal a través del dispositivo y permite la reorganización o extensión de la cadena de señal sin rediseñar el hardware externo.
El comportamiento específico de un dispositivo está definido por la información de configuración y generalmente se almacena en forma de lista de conmutadores o memoria de configuración. Esta información de configuración se carga al encender y se establece una ruta de señal analógica. Muchas plataformas FPAA también admiten una reconfiguración rápida, lo que permite actualizaciones durante el desarrollo o, en algunos casos, durante la operación.
La interfaz de E/S analógica conecta FPAA con sensor, ADC, DAC y otros componentes externos. Estas interfaces están diseñadas específicamente para garantizar niveles de señal predecibles, funcionamiento estable y una integración perfecta con sistemas de señal mixta.
Proceso de diseño y ventajas de desarrollo.
El desarrollo de FPAA cambia la forma en que se diseñan los sistemas de simulación. En lugar de utilizar dispositivos discretos para construir circuitos funcionales fijos, los ingenieros utilizan herramientas de configuración intuitivas basadas en esquemas para definir el comportamiento de la señal.
El diseñador crea un enlace de señal completo seleccionando un bloque analógico configurable (CAB) e interconectando los módulos a través de una arquitectura de cableado programable (Figura 2). Los parámetros clave como la ganancia, las características de filtrado y el umbral se pueden configurar directamente en el software. Esta capacidad hace que el diseño de la simulación pase de engorrosos cálculos manuales a métodos más rápidos, más flexibles y más configurables.
El enlace de señal completo se puede crear seleccionando el bloque analógico configurable (CAB) (haga clic en ZOOM IN)
Figura 2: Se crean cadenas de señales completas seleccionando bloques analógicos configurables (CAB) e interconectando los módulos a través de una arquitectura de cableado programable (fuente: Okika Devices)
Dado que el diseño se puede actualizar en cuestión de minutos, el ciclo de iteración es significativamente más rápido. Los ingenieros pueden explorar rápidamente alternativas, evaluar compensaciones y mejorar continuamente el rendimiento. A esta velocidad iterativa, se puede lograr una optimización real, lo que a menudo no es posible con el hardware analógico tradicional porque cada cambio requiere rediseño, reconfiguración y nuevas pruebas.
La mayoría de las plataformas FPAA cargan la configuración cuando se encienden, mientras que algunas se reconfiguran cuando admiten ejecuciones estructuradas, como el cambio entre modos operativos. En ambos casos, la capacidad de modificar las funciones de simulación sin cambiar el hardware acorta el tiempo de desarrollo, reduce los costos y prolonga el ciclo de vida del producto.- g.
De hecho, FPAA aporta un modelo definido por software al diseño de simulación, llevando la flexibilidad, la eficiencia y el rendimiento del sistema electrónico a un nuevo nivel.
Aplicaciones comunes
Acondicionamiento de la señal del sensor
La interfaz del sensor es el caso de uso principal de FPAA. Muchos sensores generan señales de bajo nivel, ruido o sesgadas y requieren amplificación, filtrado y calibración antes de la digitalización.
FPAA puede integrar estas funciones en un solo dispositivo para reducir la cantidad de componentes y simplificar los cambios de diseño. Las cadenas de señales se pueden reconfigurar en lugar de rediseñar cuando las características del sensor cambian o es necesario desarrollarlas.
Esto es particularmente importante para sistemas que admiten múltiples tipos de sensores o requisitos cambiantes.
La monitorización de ECG o EKG es un buen ejemplo. Las señales eléctricas medidas desde el cuerpo humano suelen ser de sólo unos pocos milivoltios y se ven fácilmente alteradas por artefactos de movimiento, interferencias de líneas eléctricas y derivas de la línea base. Para lograr una medición confiable, se requieren amplificación, filtrado y supresión de ruido de modo común precisos antes de que las señales ingresen al ADC.