基于ispPAC的模拟实验仪器设计

张美燕， 蔡文郁(. 浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 3008；. 杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 3008)



基于ispPAC的模拟实验仪器设计

张美燕1， 蔡文郁2
(1. 浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310018；2. 杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

基于ispPAC20和ispPAC80器件设计，实现了一种模拟电路实验仪器平台，并设计了多种开放性实验。利用该模拟实验仪器平台可以实现信号放大/衰减器、信号滤波器、信号处理器(实现对信号进行求和、求差、积分等运算)、DA转换器、电压监控器及温度测量器等实验。实验结果验证了模拟电路的基础理论和设计方案，为学生提供一个学习、验证、巩固模拟电子线路基础知识的综合实验平台。

ispPAC器件； 在线可编程； 模拟电路实验； 开放性实验

0 引 言

在系统可编程(In System Programmability，ISP)[1-3]特性指不需要使用编程器，只需通过计算机接口和编程电缆，直接在用户自己设计的目标系统中或线路板上，为重新构造设计逻辑而对器件进行编程或反复编程的能力。ISP器件包括可编程逻辑器件、可编程模拟器件、可编程数字开关及互联器件等等，种类多，系列全，选择余地大。而且，这些器件的性能及特性处于领先地位，使用者能快速、高效地设计出新一代的电子系统产品，因此，应用前景十分广阔。大多数情况下，使用ISP器件，在制造成本、效益、快速实现现代电路与系统设计和试验样机、可靠编程多引脚数器件能力等方面具有明显的优势，尤其在产品装运前后，也能立即进行系统重新组态以及遥控升级，这种能力具有很大的特色。

在系统可编程[4]可以使我们在产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在产品卖给最终用户以后，对其器件、电路板或整个电子系统的逻辑和模拟功能随时进行组态或重组。简言之，ISP技术使用户具有在自己设计的开发系统(目标系统)中或线路板上重构电路与系统，并对可编程器件进行编程或反复改写的能力。使用Lattice公司的开发软件PAC-Designer可以方便地设计出各种模拟电路，通过调整电路的参数，实现模拟单元电路的联接，从而获得完整功能的模拟电路。

Lattice公司率先通过创新的在系统可编程模拟器件(Programmable Analog Device)ispPAC[5-8]系列，使模拟电路和系统的设计者享受到ISP技术的益处。本文设计并实现了一种基于ispPAC器件的模拟实验仪器，利用模拟实验仪器可以实现信号放大器、信号滤波器、信号处理器(实现对信号进行求和、求差、积分运算)、DA转换器、电压监控器及温度测量器等实验，为学生提供一种学习、验证、巩固模拟电子线路基础知识的实验平台。

1 设计与实现

1.1 系统设计

本文设计并实现了一种基于ispPAC20/80器件的实验硬件平台，主要包括电源模块、ispPAC最小系统、输入输出模块、拨码开关模块、扩展模块和并口下载电路模块等，整体实验系统平台如图1所示。只要把编程电缆将计算机的并行口和电路板联接起来，就可将电路设计下载至ispPAC中，模拟电子电路系统的功能设计主要通过PC端的PAC-Designer软件编程实现。

图1 ispPAC实验系统设计结构

1.2 硬件设计

ispPAC实验平台的硬件原理图如图2所示，主要以ispPAC20和ispPAC80芯片为核心，进行接口扩展。由于板上的ispPAC20和ispPAC80都使用同一个下载电路，因此需要根据具体需求选择不同的芯片下载。注意S1和S2不能同时置到ON的位置。当要配置ispPAC20芯片时，就将S2置到ON的位置，将S1置到OFF的位置；如果要配置ispPAC80芯片时，就将S1置到ON的位置，将S2置到OFF的位置。这样的话可以保证配置的完整和正确。

ispPAC实验平台实物如图3所示，该ispPAC实验平台可以单独使用完成模拟电路设计，也可以结合原始模拟电子线路实验箱进行综合实验。

由于ispPAC20是单电源供电，只能接收0～Us(芯片的工作电源Us=5 V)的信号，因此，要加偏置电路使信号处在芯片可以处理的范围。模拟信号输入ispPAC器件时，要根据输入信号的性质考虑是否需要设置外部接口电路，因此设计了直流耦合偏置电路和具有直流偏置的交流耦合输入电路。同时，测量温度要制作测温电路，因此本文设计了基于LM35温度传感器的测温[7]；电压监控的指示电路，通过比较器输出端的电平高低来控制红色与绿色发光二极管的亮暗；数模转换的控制电路，采用Atmel 89S52单片机配合4×4的矩阵键盘来控制单片机的I/O口输出，按键控制CS电平，从而使数据可被ispPAC20识别，同时利用LCD1602显示电路实现数值输出。外围辅助电路的总体原理图如图4所示。

图2 ispPAC实验平台原理图

图3 ispPAC实验平台实物图

图4 外围辅助电路原理图

1.3 软件设计

只要将PAC Block巧妙组合，用PAC-Designer开发软件可以设计电路、仿真电路特性，将设计方案下载至ispPAC器件中。PAC-Designer开发软件通过图形界面与用户交流，形象直观、使用方便。PAC-Designer软件的主要特征：设计输入方式。原理图输入；模拟仿真：测试电路的幅频和相频特性。支持器件。ispPAC10、ispPAC20、ispPAC80；内含用于低通滤波器设计的宏；能将设计直接下载。

ispPAC20[9-11]芯片由2个集成可编程模拟宏单元(PAC Block)组成的，图5所示的是1个PAC Block的基本结构和内部框图。ispPAC80[12-13]是一种专门用来实现高性能连续时间低通滤波器的模拟可编程器件，图6为ispPAC80软件编程图形设计输入环境和内部框图。

图5 ispPAC20中PAC Block结构示意和内部框图

图6 ispPAC80软件编程图形输入环境和内部框图

本文主要采用ispPAC20和ispPAC80两种器件设计模拟电路实验。主要性能指标：①放大器增益G=4；②衰减器增益G=1/2；③滤波器参数。带通滤波器中心频率f0=30 kHz；低通滤波器截止频率fT=30 kHz，高阶低通滤波器截止频率fT=30 kHz；④数模转换误差不大于50 mV；⑤电压监控监控1.5 V电压，误差不大于50 mV；⑥温度测量0～100 ℃。

1.4 实验设计

利用本文设计的ispPAC实验平台，完成运放电路设计电路和滤波器电路实验[14-15]的设计。作为最为经典的实验例程，运算放大器电路的设计和基础滤波器电路的设计是非常重要的实验内容。使用该实验平台可以完成诸如ispPAC芯片增益的调整，ispPAC增益放大与衰减方法，ispPAC二阶滤波器的实现，ispPAC高精度阶梯滤波器的设计，使用ispPAC完成电压测量，使用ispPAC完成温度监测，ispPAC低通滤波器等实验，必须根据一些资料完善相应的实验教程，并制定一些开放性的实验课题供学生自主选择。

本文利用ispPAC实验平台实现了5种基本功能实验：①信号调整。对信号进行放大、衰减、滤波等；②信号处理。对信号进行求和、求差、积分等运算；③信号转换。把数字信号转换成模拟信号；④二阶、高阶滤波器的设计与实现；⑤电压和温度等测量实验。

2 实验结果

2.1 放大器/衰减器实验

输入信号Up-p=150 mV，测量信号频率变化时，输出信号电压变化情况，测量结果见表1。当信号在允许范围内，可以得到增益为4(设计值)的放大；当信号频率到达截止频率时，增益有明显的下降。

表1 放大器测量数据

输入信号f=10 kHz，测量输入信号电压幅值变化时，输出信号电压变化情况，测量结果见表2。随着电压的升高，输出电压幅值也不断上升，当输出电压幅值超过芯片输出能力，就会出现输出失真，放大1.3 V电压时，就不能得到正常输出。

表2 放大器测量数据

2.2 信号求和/求差实验

对同一信号进行求和。输入信号f=10.11 kHz，Up-p=496 mV，输出结果见图7。波形数值结果证实求和运算的正确性。

2.3 高阶滤波器实验

输入信号Upp=500 mV，测量输入信号频率变化时，输出信号电压变化情况，测量结果见表3。同时本文还设计了基于ispPAC20的二阶带通和低通滤波器，由于篇幅有限故省略。

图7 求和运算输入输出波形

f/kHz0．10031．01310．0950．25100．3151．1201．1274．4279．3290．5295．9300．0309．8Uout/mV512512520488464504496504496440392328248Uout/Uin1．021．021．040．970．931．010．991．0080．9920．880．7840．6560．496G/dB0．2060．2060．341-0．21-0．650．069-0．070．0690．070-1．110-2．114-3．662-6．090

3 结 语

本文设计并实现了一种基于ispPAC器件的模拟实验仪器，设计了多种开放性实验。若能结合目前所用的实验平台， ispPAC实验平台可以提高学生的学习兴趣，展示一种新的设计理念，让学生更直观地掌握电类专业课程的抽象理论，更有利于培养学生的实践技能和创新能力。

[1] 赵不贿. 在系统可编程器件与开发技术 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2001: 47-52.

[2] 王书志. 在系统可编程器件isppac及其应用[J]. 西北民族大学学报(自然科学版)，2010, 31(4):64-67

[3] 周 皓. 基于isp技术的软硬件设计[J].中国新技术新产品，2009(13): 36.

[4] Lattice. isp EXPERT Compiler and Synplicity Design Manual 2001.

[5] 刘玉洁,冯 宵. 基于ISP技术的接口实验设备的设计与开发[J].实验室科学，2009(13):36.

[6] 刘笃仁. 用ISP器件设计现代电路与系统 [M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2002: 83-99, 100-105, 216-229.

[7] 伍咏晖. 在系统可编程模拟器件在教学实验中的设计和应用[J]. 实验技术与管理， 2009,26(8):120-122.

[8] 郑道明, 张云松. 在系统可编程技术实验的开发[J]. 实验室科学， 2008(5):87-88.

[9] 邹 彦．EDA技术与数字系统设计[M]．北京: 电子工业出版社, 2007: 1-2．

[10] 景 亮，王国余，汪 洋，等. 在系统可编程模拟器件ispPAC20及其应用 [J]. 电子元件与材料，2002, 21(8): 29-31.

[11] 任旭虎, 刘润华, 王心刚. 可编程模拟器件ispPAC20在电路设计中的应用[J]. 电子技术杂志， 2002(10): 49-51.

[12] 邓重一. isppac80芯片及应用[J]. 微计算机信息(测控仪表自动化)，2003(6): 62-63.

[13] 伍咏晖, 冯道宁. 在系统可编程模拟器件在教学实验中的设计和应用[J]. 实验技术与管理，2009,26(8):120-122

[14] 苗红霞, 辛 宇, 柳旭英. 基于ispPAC系列芯片的高效温度测量与监控系统 [J]. 工矿自动化，2006(1): 32-35.

[15] 远坂俊昭. 测量电子电路设计滤波器篇 [M]. 北京:科学出版社,2006.

要深入实施“2011计划”，不断促进科教融合、协同创新、合作育人，使国家创新驱动战略在高校落地生根、开花结果。

深入推进人才培养模式改革。促进学生全面发展，我们需要的是手脑并用、知行统一，具有社会责任感、创新精神和实践能力的学生。现代学校既要有供学生读书的先进的图书馆，也要有供学生动手的先进的活动场。

摘自《教育部袁贵仁部长在2015年全国教育工作会议上的讲话》

Design of Analog Circuit Experiments Based on ispPAC Platform

ZHANGMei-yan1,CAIWen-yu2
(12. School of Electric Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China; 2. School of Electronics & Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

The paper designed and realized a kind of analog circuit experiment platform based on ispPAC20 and ispPAC80 devices. Moreover, we have designed a lot of open experiments with innovation based on this instrument. With the instrument designed in this paper, many analog circuit experiments such as signal amplifier/attenuator, signal filter, signal processor including signal sum, difference, integral, DA converter, voltage monitor and temperature measurement etc could be carried out. The simulation and experiment results verified the basic theory and design scheme, therefore, this design provided an integrated experimental platform for students to study, verify and consolidate analog circuit knowledge.

ispPAC Device; ISP; analog circuit experiments; open experiments

2013-07-01

张美燕(1983-)，女，浙江三门人，硕士，讲师，主要研究领域无线通信与仪器电路。E-mail：meiyan19831109@163.com

蔡文郁(1979-)，男，浙江慈溪人，博士，副教授，主要研究领域无线通信与仪器电路。E-mail：dreampp2000@163.com

TP 335.0；G 642

A

1006-7167(2015)02-0071-04