Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

несимметричные. Эти ячейки можно использовать и для вывода цифровых сигналов с выходов компараторов.

Синхронизация в ПАИС может осуществляться при помощи внешнего источника или от встроенного тактового генератора с внешним кварцевым резонатором. Частота внутреннего генератора может быть поделена четырьмя синхронными программируемыми делителями; каждая из частот может быть выведена на внешний выход.

Режимы работы CAB, значения тактовых частот, направления передачи сигналов, назначения и конфигурация I/O_Cell, Output_Cell хранятся в так называемой конфигурационной памяти (Configuration SRAM). Копия содержимого конфигурационной памяти хранится в теневом ОЗУ (Shadow SRAM), которое может перезаписываться без нарушения процесса обработки сигнала. Это позволяет динамически изменять конфигурацию ПАИС в работающем устройстве во время работы предыдущей версии. После загрузки в теневое ОЗУ новых данных конфигурация устройства изменяется за один цикл тактовой синхронизации.

Все аналоговые блоки (CAB) имеют доступ к общей конфигурационной памяти (Look-Up Table), в которой хранится информация о передаточных характеристиках устройств, необходимых для реализации таких функций, как сжатие динамического диапазона, линеаризация сигналов датчиков, формирование сигналов произвольной формы, управляемая фильтрация.

Генератор опорного напряжения (Voltage Reference Generator) формирует сигналы для каждого из блоков и имеет внешние выходы для подключения фильтрующих конденсаторов.

Архитектура ПАИС имеет простой и гибкий конфигурационный интерфейс. Он предназначен для работы как в автономном режиме, так и для связи с внешними SPIили FPGA EPROM-интерфейсами. В режиме FPGA EPROM после включения питания конфигурация из EPROM будет автоматически загружена в FPAA, и устройство сразу же начнет работать.

Конфигурационный интерфейс также выполняет функцию связи FPAA с внешним контроллером через SPI-порт в режиме ведомого устройства. С его помощью возможно наращивание количества ПАИС для создания больших систем аналоговой обработки.

Для разработки проектов на базе ПАИС компания Anadigm предоставляет специализированную программную среду Anadigm

221

Designer2. Основу среды составляет библиотека конфигурируемых аналоговых модулей (Configurable Analog Modules – CAM), каждый из которых может использоваться для выполнения широкого круга аналоговых функций путем задания соответствующих параметров. Библиотека содержит большое количество базовых модулей (CAM) по функциональному назначению: дифференциальный компаратор, делитель, биквадратный фильтр, источник постоянного напряжения, усилитель с коммутацией входов, интегратор, усилитель выборки/хранения, каскад с передаточной характеристикой, задаваемой пользователем, усилитель с управляемым напряжением коэффициентом усиления, АЦП последовательного приближения, вычислитель квадратного корня и т.д.

На основе этих базовых модулей возможно создание достаточно сложных аналоговых вычислительных или управляющих систем. Поэтому некоторые из ПАИС третьего поколения, например AN231E04, носят теперь у производителя название Dynamically Reconfigurable ASP – Аналоговые сигнальные процессоры с динамической реконфигурацией.

Кроме этого компания Anadigm выпускает специальную линейку перепрограммируемых аналоговых процессоров для построения универсальных считывателей меток радиочастотной идентифика-

ции (RFID).

Сейчас эта отрасль (ПАИС) развивается, и в ближайшем будущем ожидается появление еще более мощных и, что весьма важно для отраслей, использующих ядерно-физические методики, более быстродействующих ПАИС.

5.5. Комбинированные (аналого-цифровые) программируемые интегральные схемы

Следующим шагом в развитии программируемых микросхем является появление первых в мире ПЛИС с разнородными сигналами. Они были разработаны несколько лет назад фирмой Actel, США (в настоящее время MicroSemi).

Actel Fusion объединяет конфигурируемые аналоговые блоки, флэш-память большого объема, комплексные схемы генерации тактовых сигналов и высокопроизводительную программируемую логику на основе флэш технологии в одной микросхеме. Инновационная архитектура Fusion компании Actel может быть использована с программным ядром MCU 8051 компании Actel (имеющим

222

структуру и систему команд популярного микроконтроллера Intel 8051), а также с 32-разрядными ядром ARM Cortex-M1.

Отличительные черты этого семейства:

•встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с 8-, 10- и 12-битовым разрешением и 30 масштабируемыми аналоговыми входными каналами;

•точность аналого-цифрового преобразования не хуже 1 %;

•блоки контроля тока и напряжения;

•встроенное в систему конфигурируемое аналоговое устройство поддерживает различные применения;

•до 8 Мбит пользовательской флэш-памяти;

•обширные ресурсы синхронизации;

•аналоговые PLL;

•RC-генератор с точностью 1 %;

•кварцевый генератор;

•счетчик реального времени;

•возможность перепрограммирования неограниченное число раз;

•работает сразу при включении питания;

•сверхмалое энергопотребление;

•иммунитет к сбоям под воздействием тяжелых частиц (firm error immune);

•управление синхронизацией;

•расширенные стандарты ввода/вывода;

•пользовательское энергонезависимое флэш-ПЗУ. Следующим шагом фирмы Actel стало создание комбинирован-

ной аналого-цифровой ПЛИС с интегрированным аппаратным процессором ARM® Cortex-M3. Комбинированная аналогоцифровая ПЛИС SmartFusion содержит в одной микросхеме программируемую логическую матрицу, аппаратный процессор ARM Cortex-M3 и программируемый аналоговый блок. Обеспечивает полностью настраиваемую конфигурацию и легкость в использовании. ПЛИС SmartFusion, выполненная полностью по FLASH технологии, является идеальным решением для построения “систем на кристалле” (СнК), обеспечивая значительно большую гибкость по сравнению с традиционными решениями на аппаратных микроконтроллерах с фиксированным набором функций и имеет значительно меньшую стоимость по сравнению с решениями с использованием дорогостоящих софт-процессоров в ПЛИС.

Структура ПЛИС приведена на рис. 5.11.

223

Основные отличительные черты этого семейства ПЛИС (ха-

рактеристики ПЛИС семейства приведены в табл. 5.6):

•аппаратный 100 МГц 32-битный процессор ARM Cortex-M3;

•АНВ шина, выполненная в виде многоуровневой матрицы соединений с пропускной способностью до 16 Гбит/с;

•10/100 Мбит/с контроллер Ethernet MAC;

•по два контроллера стандартов обмена информацией SPI, I2C и UART;

•два каскадируемых 32-разрядных таймера;

•до 512 кбайт Flash ПЗУ и до 64 кбайт СОЗУ;

•контроллер внешней памяти;

•8-канальный контроллер прямого доступа к памяти (ПДП);

•интегрированные ЦАП и АЦП;

•интегрированные каналы измерения напряжения, тока и температуры;

•до 10 высокоскоростных, с быстродействием 50 нс компараторов;

•аналоговый вычислительный блок, который разгружает процессор от предварительной обработки аналоговых сигналов;

•до 47 аналоговых и до 169 цифровых портов ввода/вывода;

•системная производительность до 350 МГц.

225

Микросхемы, выпускаемые фирмой Gamma Medica, могут быть сгруппированы в несколько семейств: VA, TA, VATA, XA, CA и VAI. Все микросхемы ASIC имеют многоканальные входы, обычно 32, 64, 128. Все входные и выходные выводы микросхем располагаются в соответствии с конфигурацией подключаемых детекторов, например, линейное или двумерное расположение детекторов. Все микросхемы сконструированы так, чтобы обеспечить тестирование и получение различных характеристик. Большинство ASIC имеют характеристики или функции, которые могут быть запрограммированы пользователем. Эти функции управления реализуются непосредственно на кристалле использованием ключей, токов или напряжений. Обычно установка этих характеристик в ASIC осуществляется при помощи передач данных через специализированный последовательный порт.

Рассмотрим общие основные характеристики семейств.

• VA-семейство: ASIC с одним или большим числом входных каналов, обычно 32, 64 или 128 входов. Каждый канал содержит зарядо-чувствительный усилитель, формирователь сигнала по форме для фильтрации шумов и устройство выборки и хранения аналогового сигнала (S/H) (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Структура канала VA-семейства

Характерные времена формирования лежат в диапазоне от 25 нс до 15 мкс. Усилители в канале рассчитаны на работу в специфических условиях: входная емкость от единиц до 100 пФ, входные токи от нескольких до 100 нА с компенсацией входных токов и входной заряд более 50 пК. Каналы оптимизированы под низкие шумы (эквивалентный шумовой заряд менее 30 электронов) и имеют малую

227

потребляемую мощность (менее 200 мкВт/канал). Всем ASIC семейства необходим внешний управляющий сигнал для сохранения величины аналогового сигнала в устройстве выборки и хранения. Устройства позволяют выводить информацию либо по параллельному каналу, либо последовательно. Как правило, предусматривается “быстрый” выход непосредственно с выхода входного усилителя.

• TA-семейство: ASIC с большим числом входных каналов, обычно 32, 64 или 128 входов. Каждый канал содержит формирователь сигнала по форме для фильтрации шумов, амплитудный дискриминатор и формирователь выходного сигнала по длительности. Микросхемы этого семейства на выходе генерируют “триггерный” сигнал на своих выходах. Микросхемы семейства TA обычно подключаются к выходам микросхем семейства VA. Микросхемы семейства TA могут быть использованы для выработки “быстрого триггера”, который может быть использован для управления схемой выборки и хранения микросхем семейства VA и обеспечивает временную отметку для регистрируемого события (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Структура канала ТA-семейства

• VATA-семейство: ASIC этого семейства являются комбинацией микросхемы семейства VA с микросхемой семейства TA, т.е. являются по своей сути устройством отбора и предварительной обработки информации. Микросхемы этого семейства имеют большое число входных каналов, обычно 32, 64 или 128 входов. Аналоговая информация с этих микросхем может выводиться для последующей обработки двумя методами: последовательно, когда по внешней синхронизирующей частоте последовательно выводит-

228

ся информация со всех каналов микросхемы, или по специализированному “sparse readout” протоколу, когда выводится информация только из канала, где произошло срабатывание дискриминатора, и с соседних каналов, что позволяет значительно ускорить считывание информации в системе.

•CA-семейство: в ASIC этого семейства реализуются функции семейства VATA с добавлением функции счетчиков событий. Микросхемы этого семейства имеют большое число входных каналов 32 или 64. Аналоговая информация с этих микросхем не выводится. В каждом канале может быть несколько счетчиков, производящих подсчет событий в дифференциальных “окнах”. Например, в микросхеме CA3 реализована возможность использования до шести счетчиков в каждом канале.

•XA-семейство: ASIC с большим числом входных каналов, обычно 128. Каждый канал содержит зарядо-чувствительный усилитель, формирователь сигнала по форме для фильтрации шумов, пиковый детектор и дискриминатор для инициализации считывания амплитудных данных (протокол “самозапуска”). На выходе микросхемы получаем аналоговые данные (амплитуду сигнала) и цифровые (номер сработавшего канала).

Внастоящее время фирмой Gamma Medica разработаны и “экзотические” ASIC, например VA32TA6, структура которой приведена рис. 5.14.

Рис. 5.14. Структура микросхемы VA32ТA6

229

В этой микросхеме ASIC, помимо стандартных компонентов, таких, как зарядо-чувствительный усилитель, формирователь сигнала по форме для фильтрации шумов, устройство выборки и хранения (УВХ) аналогового сигнала, дискриминатор для амплитудного отбора информации и формирования триггерного сигнала, в каждом канале реализован 10 разрядный АЦП, работающий по методу Вилкинсона. Для сохранения данных в УВХ используется внешний управляющий сигнал. Данные со всех 32-х каналов представляются в цифровом виде.

Таким образом компания Gamma Medica предоставляет широкий выбор многофункциональных ASIC, предназначенных для применения в приборах, которые используют ядерно-физические методики.

Некоторые устройства тестировались на радиационную стойкость в целях использования в космических экспериментах. Так ASIC VA64TA1, выполненная по технологическим нормам 0,35 мкм, обеспечивает следующие параметры по стойкости: пороговая величина LETTH для появления «сбоев» (SEU) составила более 70 (МэВ·см2)/мг, а максимальная накопленная доза радиации при которой сохраняется работоспособность микросхемы по оценкам составляет до 20 Мрад (Si).

Поэтому ASIC фирмы Gamma Medica нашли широкое распространение в различной электронной аппаратуре: в томографах производства компаний Siemens, General Electric и др., в экспериментальных установках на ускорителях, например ALICE на большом адронном коллайдере (ЦЕРН), в различных космических приборах, в том числе разрабатываемых в России (проект СРГ – Спектр рент- ген-гамма).

Выводы

Применение ПЛИС, в том числе и комбинированных (цифроаналоговых), разнообразных ASIC, стремительно развивается и имеет очень хорошие перспективы. Уже сейчас СНК, ПЛИС и высокоинтегрированные компоненты класса ASIC позволяют создавать сложные экспериментальные и мелкосерийные установки, обладающие высоким быстродействием, малым энергопотреблением и небольшими габаритно-массовыми характеристиками для тех областей научных исследований и техники, где используются ядерно-физические методики для проведения исследований.

230