ALAN PROGRAMLANABİLİR ANALOG DİZİLER (FPAA). İÇİNDEKİLER  Giriş  Alan Programlanabilir Analog Diziler  FPAA’lerin Programlanması  Kaos Kuramı Ve FPAA.

... konulu sunumlar: "ALAN PROGRAMLANABİLİR ANALOG DİZİLER (FPAA). İÇİNDEKİLER  Giriş  Alan Programlanabilir Analog Diziler  FPAA’lerin Programlanması  Kaos Kuramı Ve FPAA."— Sunum transkripti:

1 ALAN PROGRAMLANABİLİR ANALOG DİZİLER (FPAA)

2 İÇİNDEKİLER  Giriş  Alan Programlanabilir Analog Diziler  FPAA’lerin Programlanması  Kaos Kuramı Ve FPAA Tabanlı Kaotik Uygulamalar  Sonuç  Kaynaklar

3 GİRİŞ Elektronik sistemlerde dijital devrelerin yetersiz kaldığı uygulamalarda analog devreler önemli bir rol oynamaktadır. Dijital devreler, analog eşdeğerleriyle karşılaştırıldığında:  Daha esnektirler,.  Daha kolay tasarlanabilirler.  Diğer dijital sistemlerle daha uyumludurlar.  Ayrıca doğruluk ve hassasiyet bakımından da kullanılan bit sayısıyla orantılı olarak önemli bir avantaja sahiptirler.

4 Fakat; Birçok uygulamada sensör ve uyarıcı ara bağlaşım devrelerine veya dönüşümü sağlayan A/D dönüştürücü veya D/A dönüştürücülere ihtiyaç duyarlar. Dijital sistemler daha karmaşık bir devre yapısı ve daha büyük alanına ihtiyaç duyarlar. Daha büyük alan ise analog eşdeğerlerine göre, haliyle daha yavaş bir çalışma ve daha fazla güç tüketimini de beraberinde getirmektedir.

5 Öte yandan analog sistemlerde; Tasarım esnekliğinin az olması Gerekli olan eleman çeşitliliği, analog sinyallerin değişik seviyelerde ve sürekli zamanda olması Yüksek doğrulukta devre modellemesinin gerekliliği, analog sistemler için dezavantajdır. FPAA’de esnek mimari, yüksek hata toleransları, sıcaklığa karşı kararlılık, devre karmaşasının ortadan kaldırılması ve en önemlisi yeniden programlanabilir olması bu donanımın tercih edilmesinde önemli etkenlerdir.

6 ALAN PROGRAMLANABİLİR ANALOG DİZİLER Tasarım süreçlerinin kısa olması, doğruluk, düşük fiyat, hızlı prototip teknikleri ve en önemlisi programlanabilir olması gibi avantajlara sahiptir. FPAA’in yararları aşağıdaki şekilde özetlenebilir: Tasarlanan yöntemleri basitleştirir. Çoklu tasarımlar için bir malzeme ile çözüm sağlar. Envanter yönetimini büyük ölçüde basitleştirir. Tasarlanan çözümleri toparlamaya olanak sağlar. Tasarım maddeleri ısıya karşı dayanıklıdır. İşlemlerdeki kesinlik sayesinde sistem güvenirliliği artar.

7 Tipik bir FPAA programlanabilir eleman matrisi olan ve genelde CAB (Configurable Analog Blocks) diye bilinen yapıları içerir. CAB’ler; programlanan dahili ağları düzenleyen birimdir. FPAA iki veya daha fazla CAB, clock kaynağı, yapılandırılabilir lojik, hafıza ve shift register içerir. Yazılımda özel tasarımlar yürütmek için yapılandırılabilir lojik kullanılır. Genel blok diyagramı Şekil- 1’de gösterilmiştir. Şekil 1: Dört CAB’li FPAA Blok Diyagramı

8 CAB, dahili bağlantılı ağı ve I/O blokları içerir. Çoğu FPAA CAB’deki değişken analog işlemleri yürütmek için “Anahtarlamalı Kapasitör” teknolojisi diye bilinen düzeneği kullanır. Tipik bir CAB Şekil-2’de örneklendiği gibi; 1 veya daha fazla opamp, kapasitör kümesi ve bir anahtar dizisi içerir. Dahili bağlantı ağı, CAB’leri birbirine bağlayan lokal yollardır. Diğer CAB’leri dış dünyaya bağlayan yollar global yollardır. Bu özellikleri kullanarak, çoğu analog işlem (yükseltme, integral alma, türev alma, filtreleme) opamplarla ve geleneksel pasif malzemelerle (direnç, kapasite) daha ucuz fiyata, daha küçük boyutlarda, daha güvenilirlikli ve daha kararlı bir şekilde yapılabilir. Ek olarak, programlanabilirlik verilen devre veya sistemin değerlerini ve tasarımını değiştirmeyi kolaylaştırır. Şekil 2:Basit Bir CAB Blok Diyagramı

9 Şekil 3’te gösterildiği gibi anahtarlamalı kapasitör devresi, bir adet kapasitörden, iki adet V1 ve V2 gerilim kaynağından ve iki kutuplu anahtardan oluşmaktadır. Şekil 3: Temel Anahtarlamalı Kapasitör Devresi.

10 Periyodun ilk yarısı boyunca anahtar Şekil-3’te gösterildiği gibi 1 pozisyonundadır. Kapasitör oldukça hızlı bir şekilde voltaj kaynağı V1’e şarj olur. Böylece, t=0’dan t=T/2’ye kadar kapasitörün V1’e şarj olmasıyla ortalama akım I1 elde edilir. Periyodun ikinci yarısında, şekilde gösterildiği gibi anahtar 2 pozisyonuna getirilir. Çünkü V1>V2’dir ve kapasitör hızla V2 voltajına deşarj olur.

11 Ortalama akım, V1 kaynağı ve periyot üzerinden aşağıdaki gibi hesaplanır: Q1(0) t=0 anındaki yük, Q1(T/2) ise t=T/2 anındaki yüktür. Sonuç olarak Q1(T/2)-Q1(0) anahtar 1 durumundayken ki net yük transferidir. T/2’deki kapasitör voltajı V1’e eşittir ve 0 veya T’deki kapasitör voltajı da V2’ye eşittir. Sonuçta C.V=Q eşitliğinden; elde edilir.

12 Yapılandırılabilir Analog Bloklar (CAB): Şekil-4’te blok diyagramı gösterilen tipik bir AN221E04 elemanı, 2x2 matris şeklinde düzenlenmiş başlangıç programı ve yeniden yapılandırma için lojik ve diğer kaynakların birleşimini içeren dört adet CAB’den oluşur. Devre tasarımında CAB’ler; integratör, fark kuvvetlendiricisi, filtreler, karşılaştırıcılar ve diğer devre türleri gibi analog işlemlerin kütüphaneleriyle yazılım geliştirmede kullanılır.

13 CAB’in blok diyagramı Şekil-5’te gösterilmiştir. İki opampın ve bir karşılaştırıcının mevcut olduğuna bununla birlikte kapasitör yığınlarının ve anahtar matrislerin bulunduğuna dikkat ediniz. Şekil 5

14  Kontrol Lojik Birimi: CAB’lerdeki kontrol lojik birimi dış dünyadan gelen verileri verileri gölge (shadow)SRAM’e gönderir ve yapılandırılmış SRAM’e kopyalar. Herhangi bir veri güncelenmek istendiğinde SRAM verileri shodow SRAM’e kopyalar. Gölge SRAM’deki veri yeniden programlanmak veya belirtilen parametreleri değiştirilmek için yapılandırılmış SRAM’e taşınabilir. Bu işlem on-the-fly olarak programlanabilir.  Anahtar Matrisleri: SRAM tarafından kontrol edilen iki anahtar dizisi vardır. Bu diziler devre bağlantılarını seçmede, kapasitör değerlerinin belirlenmesinde, anahtarlamalı kapasitör işlemlerinde ve giriş seçilmesinde kullanılırlar.  Kapasitör Blokları: Kapasitörler daha küçük kapasitör değerleri için seri; daha yüksek değerler için paralel bağlanırlar. Ayrica sabit değerler için de bağlanabilir veya direnç gibi de kullanılabilirler. Bu mimaride dirençlerin üzerinden akım geçirmek yerine, elektriksel yükün kapasitörler arası geçişini, hassas anahtarlama zamanları ile kontrol etmek esastır.  LUT Arayüzü: Adres kodlarının, analog giriş işaretlerinin ve diğer işlemlerin değiştirilmesi için kullanılır.

15 FPAA tasarımının konuları nedir?  FPAA’ler hem sürekli zaman hem de ayrık zaman domenlerinde tasarlanır.  Ayrık zamanlı FPAA; anahtarlamalı kapasitör ya da akım anahtarlama teknolojisiyle tasarlanır;fakat işaret frekansları anlamlı olanlar clock frekansından daha düşük olanlarla sınırlıdır.  Sürekli zamanlı FPAA; genellikle band genişliği avantajı sağlayan transkondüktanslar kullanılarak tasarlanır fakat bu parametreler için programlanma oranı daha kısıtlıdır ve performansları devre parazitlerine daha eğilimlidir. FPAA için verilen frekans cevabı limiti nedir?  FPAAlerin frekans performanslarının limit faktörleri: - FPAA içinde kullanılan opampların bant genişliği ve - Kaskad yapılardaki CABlerin sayılarına bağlıdır.  Ayrık zamanlı tasarımlarda(anahtarlamalı kapasitör ve akım anahtarlaması) en yüksek clock frekansı ile sınırlandırılır.

16 FPAA’LERİN PROGRAMLANMASI FPAA’le programlanan bir devre tasarlamak, genel kurulum yazılım geliştirmek için bir bilgisayara, standart arayüzlü bir bilgisayar porta, bir PC borda ihtiyaç vardır. FPAA elemanı PC bord üzerine yerleştirilmiştir. Yazılım geliştirme; bir devrenin tasarımını bilgisayara aktarmamızı, simülasyonlarla tasarlananların beklendiği gibi işlediğinden emin olmamızı sağlar. FPAA için ANADIGM DESIGNER 2 simülasyon programı kullanılmaktadır.Programda Yapılandırılabilir Analog Bloklar(CAMs)’lar bulunmaktadır. Bunlardan bazıları;  Analog-digital çeviriciler  Lineer olmayan filtre  Kuadratik filtre  DC voltaj kaynağı  Diferansiyel karşılaştırıcı  Bölücü  Yarım dalga doğrultucu  İntegratör  Terslendiren toplayıcı  Periyodik dalga üreteci  Örnekleme ve tutma  Osilatör vs…’dir.

17 Şekil 6: FPAA Arayüzü

18 Şekil 7: Modül Seçim Ekranı

19 UYGULAMALAR A. Temel PID Blok Yapısı

20 B.Toplanan İki İşaretten İstenilen İşaretin Yeniden Elde Edilmesi

21 C.Çift Yan Band Genlik Modülasyonu Taşıyıcı işaretin genliğinin bilgi işaretinin genliğine bağlı olarak değiştirilmesiyle elde edilen modülasyon türlerinin genel adı Genlik Modülasyonudur.(AM). Taşıyıcılı genlik modülasyonunun genel formülü şu şekildedir: s (t) AM =(1+ m a m(t))c(t) (1) Burada c(t)= Ac cos(w c t + ϕ ) taşıyıcı, m(t) bilgi işareti, ma ise bilgi işaretinin genliğini sınırlamaya yarayan bir modülasyon indeksidir. Yukarıdaki denklemde c(t) yerine konarak denklem düzenlenirse: s (t) AM = (1+ ma m(t))A c cos(wc t + ϕ ) = Ac cos(wc t + ϕ ) + Ac ma m(t) cos(w c t + ϕ ) (2) Elde edilir.

22

23 SONUÇ Analog devrelerin programlanması konusunda FPAA kullanılması tasarımlarda kolaylık sağlar, ayrık elemanların temini ve maliyetinden kurtarır. Ayrıca tekrar programlanabilir yapı bize tek bir entegreyle birden fazla tasarımın gerçekleştirilmesi imkanını verir. Karışık fonksiyonları çözmenin yanı sıra FPAA’in yararları aşağıdaki şekilde özetlenebilir:  Tasarlanan yöntemleri basitleştirir.  Çoklu tasarımlar için bir malzeme ile çözüm sağlar.  Envanter yönetimini büyük ölçüde basitleştirir.  Tasarlanan çözümleri toparlamaya olanak sağlar.  Tasarım maddeleri ısıya karşı dayanıklıdır.  İşlemlerdeki kesinlik sayesinde sistem güvenirliliği artar. Yapılan çalışmalarda gerçekleştirilen lineer ve nonlineer uygulamalarda FPAA tasarımlarının nümerik çözümlerle uyuştuğu görülmüştür. Yapılan ölçümlerde tasarımların nümerik çözümlere yakın sonuçlar verdiği, oluşan bu farkın da ayrık elemanlarla gerçekleştirilen tasarımlardan fazla olmadığı gözlenmiştir.

24 KAYNAKLAR [1] Mohd Redzuan bin Ahmad, “Programmable Analog Array” [2] www.anadigm.comwww.anadigm.com [3] Hall, Tyson S., “Field-Programmable Analog Arrays: A Floating-Gate Approach”, In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy, 2004 [4] Gaudet, Vincent C., Gulak, Glenn P., Implementation Issues for High-Bandwidth Field-Programmable Analog Arrays