[基于ispPAC20的调制电路设计]20个基本电路图讲解

　　摘要：介绍了一种基于在系统可编程模拟器件的调制电路设计方法，在单块ispPAC20芯片上实现，具有高集成度和高可靠性的优点。可对目标芯片在系统编程以重新配置电路，缩短了研制周期，降低了设计成本。
　　关键词：调制电路 在系统可编程 模拟电路
　　中图分类号：TM938 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0049-02
　　
　　Abstract:A design method for modulation circuit based on the in-system-programmable analog circuit is introduced and implemented on the chip of ispPAC20, which brings the advantages of high integration and reliability. The function of ISP reduces the developing time and cost.
　　Keywords:Modulation Circuit, In System Programmability, Analog Circuit
　　
　　1、引言
　　调制是指用调制信号去控制载波信号的参数，使载波信号的某一个或几个参数按照调制信号的规律发生变化，在通信系统中有广泛的应用[1]。传统调制电路多由分立模拟元器件构成，占用面积较大且定型后不易产品升级。本文介绍一种基于在系统可编程模拟器件ispPAC20的平衡调制电路设计方法，将各单元电路于单芯片实现，提高了集成度和可靠性；同时可对目标芯片在系统编程以升级电路结构，缩短了研制周期，降低了设计成本。
　　ispPAC20（in-system Programmable Analog Circuit）是美国Lattice半导体公司推出的可编程产品，该芯片具有在系统可编程技术的优势和特点，电路设计人员可通过开发软件PAC Designer在计算机上快速地进行模拟电路设计与修改，对电路的特性可进行仿真分析，然后用编程电缆将设计方案下载到芯片当中[2]。也可对已经装配在印刷线路板上的ispPAC20芯片进行校验、修改或者重新设计。
　　2、ispPAC20器件的内部结构
　　ispPAC20由两个PACblock块、两个比较器、一个8位D/A转换器、配置存储器、参考电压、自校正单元、模拟布线池和ISP接口等单元组成，器件内部结构如图1所示。
　　比较器CP1和CP2的输入端为可编程的差分形式，其工作原理与普通比较器相同。比较器CP1的输出可编程为直接输出或以PC为时钟的寄存器输出两种模式，且CP1和CP2的输出端CP1OUT和CP2OUT可通过窗口控制在WINDOW端输出信号，窗口控制可编程为异或操作（XOR）模式或触发器操作（Flip-Flop）模式。
　　PACblock1由两个仪用放大器IA1和IA2、一个输出放大器OA1、反馈电阻和电容构成差分输入和输出的基本单元电路。其中，IA1的输入端连接一个端口选择器，并通过外部引脚MSEL来控制；当MSEL分别为0和1时，端口a和b分别连接至IA1的输入端。IA1和IA2的整数增益调范围在-10～+10之间，电路输入阻抗为109，共模抑制比为69dB。输出放大器OA1中的反馈电阻RF可以编程为连通或断开状态，电容C有128种值供编程选择。芯片中各基本单元通过模拟布线池实现互联，以组成复杂模拟电路。
　　PACblock2与PACblock1的结构基本相同，但IA4的负整数增益区间为[-10，-1]，设有极性控制端PC并可被编程为四种模式：固定模式、PC外接模式、触发器模式和CP1OUT连接模式。
　　(1)固定模式：IA4增益范围为[-10，-1]；(2)PC外接模式：通过芯片外部引脚PC来控制增益范围，PC=1对应[-10，-1]，PC=0对应[1，10]；(3)触发器模式：需同时编程比较器窗口输出控制端为触发器模式，极性控制端通过内部反馈通道连接至WINDOW端口，以控制IA4增益范围；(4)CP1OUT连接模式：极性控制端通过内部反馈通道连接至CP1OUT端口，以控制IA4增益范围。
　　D/A转换器的输出为差分形式，可编程于比较器或仪用放大器连接，也可以直接输出；输入可选并行方式、JTAG或SPI方式。用户可通过查询芯片说明的编码数据进行编程[3]。
　　另外，配置存储器用于存放编程数据，参考电压和自校正模块完成电压分配和校正功能。
　　3、调制电路的ispPAC20实现
　　基于ispPAC20的调制电路内部编程连接如图1所示。PACblock2与比较器电路构成振荡电路，产生方波信号，作为载波uc，经器件外部连接至MSEL端；PACblock1构成调制电路，实现输入调制信号对载波幅度的控制，调制信号ui连接于IN1和IN2端，已调信号在OUT1端输出。
　　3.1 振荡电路设计
　　振荡电路的内部编程为：IA4的输入、增益和PC端分别编程至参考电压3V、-1和触发器模式，反馈电阻和电容分别编程为开路和61.59pF，构成积分电路；比较器CP1和CP2连接为窗口比较器，阈值控制编程至参考电压1.5V，WINDOW输出端和CP1的输出分别编程为触发器模式和直接输出模式；以此方式编程后，WINDOW输出端将自动地通过内部通道连接至IA4的极性控制端。
　　电路工作时，周期性方波信号在WINDOW端输出，作为载波信号uc，频率为30kHz。其工作原理为：当极性控制端PC=0时，IA4的增益为正值，积分器进行正向积分，OA2的输出电压Vout2开始线性上升，当Vout2的值超过窗口比较器的上限阈值电压1.5V时，CP1输出高电平，CP2输出低电平，使输出端触发器置位操作，WINDOW端输出1；通过内部通道反馈，使得PC=1，从而IA4的增益变为负值，使积分器开始反向积分，OA2的输出电压开始下降，当Vout2的值小于下限阈值电压-1.5V时，使触发器复位操作，WINDOW端输出0，积分器再次开始正向积分。如此反复，在WINDOW端输出方波信号。当IA4的差分输入电压在（0V，+3V]的范围内时，uc的频率在[1kHz，30kHz]范围内与输入保持良好的线性关系。通过减小积分电容或增加放大器增益可缩短积分时间，提高振荡频率；经测试，最高可达300kHz。
　　3.2 调制电路设计
　　调制电路的内部编程为：IA1的a、b端口分别编程至IN1、IN2，增益为1。输入调制信号ui按图1方式连至IN1和IN2端，WINDOW端经外部连线接至端口选择MSEL端。当uc为低电平时，IA1的a端口选通，OA1输出Vout1=-ui；当uc为高电平时，b端口被选通，OA1输出Vout1=ui。于是，ui的极性按载波频率持续转换，在Vout1输出端得到幅度受ui控制的平衡调制信号，电路的工作波形如图3所示。一般地，若编程IA1的增益为k，则可得到下式所示的输出信号。
　　该设计方法中，载波产生电路与和调制电路在同一芯片上完成，具有高集成度、高可靠性的优点，可通过设计工具对电路做灵活修改。若将已调信号Vout1接低通滤波器，则可得到模拟双边带调制信号。
　　4、结语
　　本文介绍了一种基于在系统可编程模拟器件的调制电路设计方法，在ispPAC20芯片上实现，将整个电路集成于单块芯片中，提高了电路的集成度和可靠性。借助于开发工具PAC Designer可随时对芯片进行重新编程以升级电路结构，提高了电路设计的效率，降低了设计成本。
　　参考文献
　　[1]曾兴雯,刘乃安,陈健.高频电路原理与分析[M].西安电子科技大学出版社,2006: 170-175.
　　[2]邓重一.ispPAC10芯片及其应用[J].现代电子技术,2003,7:72-73.
　　[3]Lattice Semiconductor Co. ispPAC handbook[CD].Version 1.1,1999.
　　作者简介
　　时伟（1981-），男，硕士研究生，助教，主要从事电子设计自动化方面的研究和教学工作。
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