הבנת מערכים אנלוגיים ניתנים לתכנות בשטח בתכנים מודרניים של אותות מעורבים

ככל שמערכות אלקטרוניות מודרניות משלבות יותר חיישנים ופועלות בסביבות דינמיות יותר ויותר, קשה יותר להתעלם ממגבלות המעגלים האנלוגיים הקבועים. עיבוד דיגיטלי אולי שולט בארכיטקטורות המערכות של ימינו, אך העולם הפיזי נותר אנלוגי. כל חיישן, מפעיל וממשק עדיין מתחילים עם אות חשמלי אמיתי שיש להגביר, לסנן ולאכשר לפני שניתן לעשות איתו משהו מועיל.

ככל שתגובה בעלת שיהוי-קצר הופכת קריטית, וככל שדרישות היישומים ממשיכות להתפתח, קצה-קדמי אנלוגי מקבל חשיבות מחודשת. ניטור תעשייתי, מכשור רפואי, אלקטרוניקה לרכב ופלטפורמות IoT תלויים כולם באכשור אותות מדויק וסתגלני. שיפורים קטנים באיכות האות האנלוגי מתורגמים לרוב ישירות לדיוק, אמינות ויעילות טובים יותר של המערכת.

באופן מסורתי, שרשרות אותות אנלוגיים בנויות מרכיבים בעלי פונקציה קבועה כגון מגברי שרת, מסננים ומשוונים. כאשר הדרישות יציבות ומובנות היטב, גישה זו יכולה להניב תוצאות מצוינות. עם זאת, היא קשיחה אינהרנטית. שינויים במאפייני החיישנים, בתנאי הפעולה או ביעדי הביצועים דורשים לעתים קרובות שינויים סכמטיים, פרישות חדשות של לוחות PCB ומחזורי תיקוף נוספים.

מערכים אנלוגיים ניתנים לתכנות בשטח (FPAAs) מציעים גישה שונה. במקום להתחייב לשרשרת אותות אנלוגית קבועה בחומרה, המהנדסים יכולים להגדיר פונקציונליות אנלוגית באמצעות תוכנה. ה-OTC2310K04-PIKA‏ של Okika Devices‏, מסנן מעביר נמוכים Butterworth מסדר שמיני ™Chameleon‏, וה-Apex Quad4‏ (איור 1) מדגימים כיצד ניתן להשתמש במארגים אנלוגיים ניתנים לתכנות במערכות אותות מעורבים אמיתיות. מאמר זה בוחן כיצד FPAAs פועלים, היכן הם משתלבים בארכיטקטורות מערכת מודרניות, ואת הפשרות שמהנדסים צריכים לקחת בחשבון בעת הערכת פתרונות אנלוגיים ניתנים לתכנות.

איור 1: לוח הפיתוח Quad FlexAnalog FPAA של Okika PiKa. (מקור התמונה: Okika Devices)

אתגרים מבניים בתכנים אנלוגיים

תכנים אנלוגיים מציבים אתגרים שמהנדסי תכנים דיגיטליים נתקלים בהם לעתים רחוקות. התנהגות המעגל רגישה לטולרנס הרכיבים, סחיפת הטמפרטורה, צימוד הרעש והאפקטים של הפרישה. שינויים קטנים יכולים להשפיע באופן משמעותי על ההגבר, אופסט, רוחב-פס או יציבות.

תיקוף וכוונון הם לרוב איטיים ואיטרטיביים. על המתכננים להעריך ביצועים בכל הנוגע לטמפרטורות קיצוניות והספקה, להתחשב בטולרנס המקרה-הגרוע-ביותר ולאמת תאימות לדרישות ברמת-המערכת. השגת ביצועים חסונים דורשת לרוב מספר רב של מהדורות לוח.

עלות איטרציה היא בעיה מתמשכת. התאמת ערך נגד או טופולוגיית מסנן בדרך כלל פירושה תכנון-מחדש של החומרה. כל תיקון מגדיל את העלות, מאריך את לוחות הזמנים ומציג סיכונים.

שינויים בשלבים מאוחרים הם משבשים במיוחד. חיישן חדש, דרישת תאימות מעודכנת או מקור רעש בלתי צפוי יכולים לאלץ תכנון-מחדש משמעותי. בניגוד למערכות דיגיטליות, לא ניתן לפתור בעיות אלו באמצעות עדכון קושחה. היעדר גמישות זה היווה זה מכבר אילוץ מבני במערכות עתירות רכיבים אנלוגיים.

הצגת מערכים אנלוגיים ניתנים לתכנות בשטח

מערך אנלוגי ניתן לתכנות בשטח הוא מעגל משולב המעניק פונקציונליות אנלוגית ניתנת-להגדרה. במקום להסתמך על מעגלים פנימיים קבועים, ה-FPAA מכיל אבני בניין אנלוגיות הניתנות לתכנות שניתן לחבר אותן יחד כדי ליצור נתיבי אותות מותאמים-במיוחד.

פונקציות אופייניות של FPAA כוללות הגברה, סינון, אינטגרציה והשוואה. ניתן להגדיר את אותו ההתקן בצורה שונה בשלבי פיתוח שונים או אפילו להשתמש בו מחדש לחלוטין עבור תפקיד חדש. יכולת תצורה-מחדש זו היא המאפיין המגדיר של FPAAs.

FPAAs מושווים לעתים קרובות ל-FPGAs, אם כי הדמיון הוא רעיוני ולא טכני. שניהם מסתמכים על בלוקים פונקציונליים לשימוש חוזר וחיברורים ניתנים-לתכנות. ההבדל העיקרי הוא ש-FPAAs פועלים ישירות בתחום האנלוגי זמן-רציף. הם מעבדים אותות מהעולם האמיתי מבלי להמיר אותם לצורה דיגיטלית.

במערכות אותות מעורבים, FPAA משמשים בדרך כלל כקצה-קדמי אנלוגי אדפטיבי. ממוקמים בין חיישנים ל-ADCs, או בין DACs למפעילים (Actuators‏), הם משפרים את איכות האותות לפני תחילת העיבוד הדיגיטלי.

ארכיטקטורת הליבה ומודל התצורה

FPAAs בנויים סביב בלוקים אנלוגיים ניתנים-להגדרה (CABs‏) המהווים את ליבת ההתקן. בלוקים אלה מממשים בדרך כלל פונקציות כגון מגברים, מסננים, אינטגרטורים ומשוונים. כל בלוק ניתן לתכנות, מה שמאפשר למתכננים להגדיר פרמטרים כמו הגבר, רוחב-פס, תנאי ממתח ורמות סף כדי להגדיר את התנהגות המעגל הרצויה.

חיברור ניתן-לתכנות (מארג ניתוב) מקשר את הבלוקים הללו יחד. מארג זה מגדיר כיצד אותות זורמים דרך ההתקן ומאפשר לסדר מחדש או להרחיב שרשרות אותות ללא תכנון-מחדש של חומרה חיצונית.

התנהגות ההתקן מוגדרת על ידי התצורה, המאוחסנת בדרך כלל כרשימת מתגים או זיכרון תצורה. תצורה זו נטענת בעת ההפעלה ויוצרת את נתיב האות האנלוגי. פלטפורמות FPAA רבות תומכות גם בהגדרה-מחדש מהירה, המאפשרת עדכונים במהלך הפיתוח או, במקרים מסוימים, במהלך הפעולה.

ממשקי I/O‏ אנלוגיים מחברים את ה-FPAA לחיישנים, ADCs, DACs ורכיבים חיצוניים אחרים.  ממשקים אלה מתוכננים לתמוך ברמות אות צפויות, פעולה יציבה ואינטגרציה חלקה במערכות אותות מעורבים.

יתרונות תהליך העבודה והפיתוח של תכנים

פיתוח FPAA משנה את האופן שבו מתוכננות מערכות אנלוגיות. במקום לבנות מעגלים בעלי פונקציה קבועה עם רכיבים בדידים, המהנדסים מגדירים את התנהגות האות באמצעות כלי תצורה אינטואיטיביים מבוססי-סכמה.

המתכננים יוצרים שרשרות אותות שלמות על ידי בחירת בלוקים אנלוגיים ניתנים-להגדרה (CABs) וחיבורם באמצעות מארג ניתוב ניתן-לתכנות (איור 2). פרמטרים קריטיים, כגון הגבר, מאפייני סינון וספים, מוגדרים ישירות בתוכנה. זה משנה את התכנון האנלוגי מתהליך ידני ועתיר-חישובים לגישה מהירה וגמישה יותר המונעת על ידי תצורה.

איור 2: ניתן ליצור שרשרות אותות שלמות על ידי בחירת בלוקים אנלוגיים ניתנים-להגדרה (CABs) וחיבורם באמצעות מארג ניתוב ניתן-לתכנות. (מקור התמונה: Okika Devices)

מכיוון שניתן לעדכן תכנים בתוך דקות, מחזורי האיטרציות מואצים באופן דרמטי. המהנדסים יכולים לבחון חלופות במהירות, להעריך פשרות ולשפר ביצועים באופן רצוף. מהירות זו מאפשרת אופטימיזציה אמיתית - דבר שלעתים קרובות אינו מעשי בחומרה אנלוגית מסורתית, שבה כל שינוי דורש תכנון-מחדש, בנייה-מחדש ובדיקה-מחדש.

רוב פלטפורמות ה-FPAA טוענות את התצורה בעת ההפעלה, בעוד שחלקן תומכות בהגדרה-מחדש מובנית בזמן ריצה, כגון מעבר בין אופני פעולה. בשני המקרים, היכולת לשנות פונקציונליות אנלוגית מבלי לשנות חומרה מקצרת את זמן הפיתוח, מורידה עלויות ומאריכה את מחזורי חיי המוצר.

למעשה, ה-FPAAs מביאים מודל מוגדר-תוכנה לתכנון אנלוגי, ומשחררים רמה חדשה של גמישות, יעילות וביצועים בקצה הקדמי של מערכות אלקטרוניות.

יישומים נפוצים

אכשור אותות חיישנים

ממשקי חיישנים הם מקרה שימוש עיקרי עבור FPAAs. חיישנים רבים מייצרים אותות חלשים, רועשים או עם אופסט הדורשים הגברה, סינון וכיול לפני הדיגיטציה.

FPAAs יכולים לשלב פונקציות אלו בהתקן יחיד, להפחית את מספר הרכיבים ולפשט שינויי תכן. כאשר מאפייני החיישן משתנים או מתפתחים, ניתן להגדיר-מחדש את שרשרת האותות במקום לתכנן-מחדש.

יש לכך ערך רב במיוחד במערכות התומכות במספר סוגי חיישנים או בדרישות משתנות.

דוגמה טובה היא ניטור אלקטרוקרדיוגרם (אק"ג). אותות חשמליים הנמדדים מגוף האדם הם בדרך כלל רק כמה מילי-וולטים ונפגעים בקלות על ידי ארטיפקטים של תנועה, הפרעות בקווי הספקת-הכוח וסחיפת קו-הבסיס. מדידה אמינה דורשת הגברה, סינון ודחיית רעש אופן-משותף זהירים לפני שהאות מגיע ל-ADC.

בניית אב-טיפוס אנלוגי מהירה

פלטפורמות FPAA הן שימושיות במיוחד במהלך הפיתוח המוקדם.

המהנדסים יכולים להעריך תגובות שונות של מסננים, דרגות הגבר או אסטרטגיות ממתח מבלי להתחייב לטופולוגיית מעגל סופית. מכיוון שהשינויים הם מהירים והפיכים, פשרות תכנון הופכות לגלויות הרבה יותר מוקדם בתהליך הפיתוח.

נדרשים פחות תיקוני PCB, והצוותים יכולים להתכנס לארכיטקטורה יציבה מהר יותר.

מערכות אדפטיביות ורבות-אופנים

מערכות רבות פועלות במספר אופנים, כגון כיול, פעולה בהספק נמוך או תחומי כניסה משתנים.

FPAAs תומכים בכך על ידי מתן אפשרות להגדרה-מחדש של פרמטרים אנלוגיים או נתיבי אותות. ניתן להתאים את ההגבר, רוחב הפס והסינון בין האופנים, באמצעות תצורות מוגדרות-מראש או עדכונים מבוקרים.

השגת יכולת הסתגלות דומה עם רכיבים בדידים דורשת בדרך כלל מעגלים ומורכבות נוספים.

עיבוד קצה אנלוגי

FPAAs משמשים בדרך כלל בקצה-קדמי אנלוגי (AFE) כדי לאכשר אותות לפני שהם מגיעים ל-ADC.

הפונקציות כוללות:

• הפחתת רעשים וסינון
• שינוי קנה מידה של אותות ותיקון אופסט
• חילוץ תכונות (למשל, גילוי מעטפת, קביעת סף)

שיפור איכות האות לפני דיגיטציה יכול להפחית את דרישות הרזולוציה של ADC, להפחית את עומס העיבוד הדיגיטלי ולהפחית את הספק המערכת.

ביישומי זמן-אמת ובקרה, עיבוד מקדים אנלוגי יכול גם להפחית את זמן השיהוי (Latency‏), ולשפר את תגובת המערכת.

השוואה עם גישות עיבוד אותות אחרות

תכן אנלוגי בדיד מעניק את רמות הביצועים והדיוק הגבוהות ביותר כאשר דרישות המערכת קבועות. עם זאת, ביצועים אלה מגיעים במחיר של גמישות, שכן אפילו שינויים קלים דורשים בדרך כלל תכנון-מחדש של החומרה.

כדי להציג יכולת הסתגלות, מערכות רבות מסתמכות על עיבוד מבוסס DSP או MCU, הפועל בתחום הדיגיטלי לאחר ה-ADC. גישה זו מאפשרת עיבוד אותות גמיש, אך היא נשארת תלויה באיכות אות הכניסה ויכולה להכניס שיהוי ותקורת הספק נוספים.

ה-FPGAs מרחיבים עוד יותר את יכולות העיבוד הדיגיטלי על ידי מתן אפשרות לחישוב מקבילי בעל תפוקה גבוהה. עם זאת, הם פועלים אך ורק על נתונים דיגיטליים ואינם יכולים לעבד אותות בזמן רציף ישירות. כתוצאה מכך, עדיין נדרש אכשור אותות אנלוגיים לפני דיגיטציה.

ה-FPAAs מטפלים בפער זה על ידי פעולה לפני ה-ADC, בממשק החיישן. על ידי שיפור איכות האות במקור, הם מפחיתים את עומס העיבוד על מערכות דיגיטליות במורד-הזרם. בדרך זו, FPAAs משלימים DSPs ו-FPGAs, ותורמים לארכיטקטורת אותות-מעורבים יעילה ומאוזנת יותר.

פשרות ומגבלות

FPAAs אינם תחליף אוניברסלי לתכנון אנלוגי בדיד. במקום זאת, הם מציגים מערכת של פשרות שיש להעריך על סמך דרישות המערכת.

מבחינת ביצועים, פרמטרים כגון רוחב פס, רעש ודיוק עשויים שלא להתאים לאלה של מעגלים בדידים בעלי אופטימיזציה גבוהה, בהתאם לארכיטקטורה ולתצורה.

צריכת ההספק היא שיקול חשוב נוסף. בלוקים אנלוגיים פעילים בתוך FPAA צורכים הספק, ובמקרים מסוימים, פתרונות בדידים או פסיביים המותאמים בקפידה יכולים להשיג נצילות גבוהה יותר עבור פונקציות ייעודיות.

גם לעלות יש תפקיד בבחירת הטכנולוגיה. ביישומים בנפח גבוה עם דרישות יציבות, פתרונות בדידים עשויים להיות חסכוניים יותר. ה-FPAAs‏ מעניקים את הערך הרב ביותר במערכות שבהן גמישות, יכולת הגדרת תצורה מחדש ומחזורי פיתוח קצרים הם קריטיים.

הבנת הפשרות הללו היא חיונית בעת הקביעה האם FPAA הוא המתאים ביותר עבור יישום נתון.

האקוסיסטם והפחתת סיכונים

התקני FPAA ופלטפורמות פיתוח הופכים לקלים יותר להערכה באמצעות מפיצי רכיבים אלקטרוניים גדולים. אקוסיסטם תומך כולל לרוב כלי הגדרת תצורה, תכני ייחוס, ותיעוד יישומים.

משאבים אלה עוזרים לצוותי הנדסה לתקף הנחות ביצועים בשלב מוקדם של תהליך התכנון. הנחיות ארכיטקטוניות ברורות ודוגמאות עבודה מפחיתות את סיכוני האינטגרציה ומקלות על הקביעה האם אנלוגי ניתן-לתכנות מתאים עבור יישום נתון.

סיכום

מערכים אנלוגיים ניתנים-לתכנות בשטח מביאים את הגמישות הנחוצה זה מכבר לתכנון מערכות אנלוגיות. על ידי מתן אפשרות להגדרת-תצורה שוב ושוב של שרשרות אותות בתוכנה, הם מקצרים את הזמן ומפחיתים את העלות והסיכון הכרוכים באיטרציות חומרה מסורתיות.

הם לא נועדו להחליף מעגלים אנלוגיים בדידים עם ביצועים עיליים, והם אינם מבטלים את הצורך בעיבוד דיגיטלי. במקום זאת, FPAAs‏ משלימים ADCs, DSPs ו-FPGAs על ידי שיפור איכות האות בקצה-הקדמי ומאפשרים התנהגות אנלוגית סתגלנית ככל שדרישות המערכת משתנות.

ה-FPAAs‏ של Okika Devices מדגימים כיצד אנלוגי ניתן-לתכנות יכול להתקדם מעבר לתיאוריה לתכן מעשי של אותות-מעורבים. עבור צוותים העובדים עם ממשקי חיישנים מתפתחים, פעולה רבת-אופנים או מפרטים לא-ודאיים, גמישות זו יכולה להיות יתרון משמעותי. ככל שמערכות אותות-מעורבים ממשיכות להיות מורכבות יותר, היכולת לעצב ולשפר את ההתנהגות האנלוגית מבלי לגעת במעגל המודפס הופכת אנלוגי הניתן לתכנות לכלי בעל ערך הולך וגדל בפיתוח אלקטרוניקה מודרנית.