ispPAC芯片增益的调整

ispPAC芯片增益的调整

实验十一、ispPAC芯片增益的调整
一  实验目的
1掌握可编程模拟器件及其开发软件PAC-Designer基本使用，包括进行电路特性的模拟。
2  掌握Lattice公司器件ispPAC10的设计方法。
二  实验设备与仪器
1  计算机
2 Lattice公司开发软件PAC-Designer
3  EDA–V型实验箱
三  实验内容
用ispPAC10作为差分模拟信号增益放大。ispPAC10包含有四个可编程的模拟单元块称之为PACBlock，每一个PACBlock的结构图如图12-1所示。每一个PACBlock含有一个带差分输出的求和放大器（OA）和两个差分输入仪器用放大器（IA），两个IA的增益范围在±1~±10之间。OA的反馈路径包括一个有固定增益的能够转变成输入或输出的部件，又有一可编程的电容阵列，当这个PAC芯片作为一个可变的滤波器时，这个阵列一共有120多种不同的值。每个PACBlock把两个拥有各自独立的增益调节和反向设置的差分信号进行求和来得到一个放大器（当反馈网络闭合时）或一个积分器（当反馈网络打开时）。
增益的设定、反馈、电容值和内部不同PACBlock之间的电气连接都是通过ispPAC10内部的E2CMOS单元配置的，芯片的配置是通过软件和通过JTAG下载电缆下载的，更多的信息请查阅ispPAC10芯片手册。

图12-1   一个PACBlock

四  实验原理
在一般的操作中，PACBlock的增益以整数方式更换。如果需要更小级的改变或电路上需要有小于1的增益调整，那么我们可以利用图12-2所示的电路进行调整，在这种连接方式中，允许用户对每一个输入的增益进行调整，但需在芯片外部接一个分压网络，从输入信号中引出一部分来维持其稳定，这个电压被放大后送到求和运放，产生比较小的增益或衰减，输送到另一个PACBlock的输入。
在这个实验中，IA2和IA3用于量级很小的增益设置，因为它们每一个都能在±10的范围内改变增益值，将产100级的调整，步值或增量是随着IA2和IA3的增益与外部衰减网络的衰减系数的乘积而变化的。例如，如果需要一个0.1%的增量，衰减网络的衰减系数为1/1000，增益范围变为±10%，或者；如果要得到1%步值，分配衰减网络的衰减系数为1/100 ，同时范围为±100%。采样电路元件的参数值已标记在  图21中，在这个参数内，其采样比率为1/1000，可以把参数值增加至100K或更大来获得更小采样值。采样出来的信号通过两个放大器，每一个放大器都有±10的增益因素（IA3和IA2），输出结果将于IA1的输出相加。在这个例子中，如果在Vin输入1V的电压，分压网络中将有1mV的电压流过100Ω的电阻，因此，如果IA2和IA3的值设为10，在相加的结点上所得到的值为±100mV。检验这个传递的DC增益效率：Vout=(Vin*IA1)+(Vin*IA3*IA2*K)，其中K的值为取样网络的取样比率（如1/1000，可随时改变），如果这个比率足够小，这样增益调节范围就会小于1。
值得注意的是，如果需要更大范围的增益，则这个100Ω的电阻的值可以增加，最大值为1.01KΩ（整个调节范围变为±100%），把电阻的值改变为1.01KΩ，则每一步的增量变为1%。
同样，我们也可以只用一个PACBlock，采用上面所用到的方法，而得到一个±10%的范围。电路如图12-3所示，在这个电路中，100Ω的电阻给出±1%的调整范围，当阻值为1.01KΩ是，其范围为±10%，计算公式为：
        Vout=(Vin*IA1)+(Vin* IA2*K)
这样，我们就可以得出一个PACBlock用作其他用途。

图12-2    PACBlock的小数级增益调整连接图

图12-3   用单个PACBlock的增益调整方法
五  实验步骤
1  运行PAC Designer，新建一个原理图，按照原理图20连接电路，将IA1的增益设置为2；从实验箱上可变电位器输出模块提取直流信号，接到PAC适配器模块的IN1-，IN1+接VREFOUT。将可变电位器输出调节至2.3V，测量PAC适配器模块OUT区域IN1+和IN1-的差分输出电压值，检验输出与理论值是否相符。注意差分输入电压值和增益值的设定不要使输出饱和。
2  在原理图中连接出如图12-2或图12-3所示的电路，利用上面所列的公式计算出所要的IA的值，并在原理图中设置好，最后开启实验系统电源，进行仿真下载至芯片中。
完成图示12-2或12-3所示电路，接线如下：
3  关闭电源。用实验导线将SIN-OUT 312KHz的输出接到Diff  IN，将差分信号输出端口（Diff out-、Diff out+）分别经过电容隔直（电容可取0.1uf），再与PAC芯片的输入端口IN区域的1+和1-连接，再用导线将输入端口IN区域的1+和1-分别经过两个电阻（可取为20K）接到VREFOUT。
4  从左边的电阻电容扩展区中搭接出如图21或图22所示的取样电路。
输出观测点在OUT 区域的1+和1-。如果取样电路产生的小数增益太小，输出不便观测，可适当增大取样值，可将100Ω改为10KΩ。

六  记录实验结果并完成实验报告
在实验过程中，设定一个增益值可多次修改输入，记录输出值，计算衰减度，与用计算机仿真所测的对应该频率和增益值时的衰减度相比较，有无误差，分析误差的来源。
修改增益值，重新仿真和下载，继续测量，分析误差的来源。填写下表：
 

输入信号频率（KHz）	输入信号幅值（mV）	输出信号幅值（mV）	增益设定	理论衰减度DB	双端输入（√）	单端输入（√）	实测衰减度DB

在这个实验中所探讨的是一个不需要外部原件的简单的增益调整方法。利用这各种方法，我们可以在第二个运放的输入口得到不同的增益比率（如：1/4、2/3、3/2等）。