Avec des systèmes électroniques modernes intégrant de plus en plus de capteurs et fonctionnant dans des environnements de plus en plus dynamiques, les limites des circuits analogiques fixes deviennent de plus en plus difficiles à ignorer. Le traitement numérique domine peut-être les architectures système actuelles, mais le monde physique reste de nature analogique. Le point de départ de chaque capteur, actionneur et interface est le véritable signal électrique. Avant tout traitement efficace de ces signaux, une amplification, un filtrage et un conditionnement doivent être effectués au préalable.
Alors que la faible latence de réponse devient un indicateur clé et que les exigences des applications évoluent, l’importance des frontaux de simulation est à nouveau soulignée. La surveillance industrielle, les instruments médicaux, l'électronique automobile et les plateformes Internet des objets s'appuient sur un conditionnement de signaux précis et adaptatif. De petites améliorations de la qualité du signal analogique se traduisent souvent directement par une précision, une fiabilité et une efficacité accrues du système.
Traditionnellement, la liaison de signaux analogiques est constituée d'éléments fonctionnels fixes tels que des amplificateurs opérationnels, des filtres et des comparateurs. Cette approche donne d’excellents résultats lorsque les exigences sont stables et claires. Cependant, il est intrinsèquement rigide. Les modifications des caractéristiques des capteurs, des conditions de fonctionnement ou des objectifs de performances nécessitent souvent des révisions de schémas, une refonte de la configuration des circuits imprimés et des cycles de vérification supplémentaires.
Le réseau analogique programmable sur site (FPAA) propose une approche très différente. Les ingénieurs peuvent configurer des fonctions analogiques via un logiciel sans utiliser de liaison de signal analogique fixe dans le matériel. OKIKA Devices OTC2310K04-PIKA, Chameleon ™ Le filtre passe-bas Butterworth d'ordre 8 et Apex Quad4 (Figure 1) illustrent comment l'architecture analogique programmable est appliquée à un véritable système de signaux mixtes. Cet article explique le fonctionnement du FPAA, son positionnement dans les architectures de systèmes modernes et les compromis que les ingénieurs devraient prendre en compte lors de l'évaluation des solutions de simulation programmables.
Carte de développement Okika PiKa Quad FlexFPAA (cliquez pour agrandir)
Figure 1 : Carte de développement Okika PiKa Quad FlexFPAA. Source de l'image : appareils Okika)
Défis structurés de la conception de simulation
Les conceptions analogiques sont confrontées à divers défis que les ingénieurs numériques rencontrent rarement. Les caractéristiques des circuits sont très sensibles aux tolérances des composants, à la dérive de température, au couplage sonore et aux effets de configuration. De petits changements peuvent avoir un impact significatif sur le gain, l’asymétrie, la bande passante ou la stabilité.
Le processus de vérification et de réglage est souvent long et itératif. Le concepteur doit évaluer les performances dans les limites de puissance et de température, prendre en compte les tolérances les plus défavorables et vérifier la conformité aux exigences au niveau du système. Pour obtenir de bonnes performances, les circuits imprimés sont souvent modifiés plusieurs fois.
Les coûts itératifs sont un problème de longue date. L'ajustement de la valeur de résistance ou de la topologie du filtre signifie généralement une refonte du matériel. Chaque révision ajoute des coûts, des délais et des risques.
Ces derniers changements sont particulièrement destructeurs. De nouveaux capteurs, des exigences de conformité mises à jour ou des sources de bruit inattendues peuvent nécessiter des refontes importantes. Contrairement aux systèmes numériques, ces problèmes ne peuvent pas être résolus par des mises à niveau du micrologiciel. Le manque de flexibilité a longtemps été une contrainte structurelle pour se concentrer sur les systèmes de simulation.
Introduction au réseau analogique programmable sur site
Le FPGA est un circuit intégré doté de fonctions analogiques configurables. Le FPAA ne repose pas sur un circuit interne fixe, mais sur un bloc de construction analogique programmable intégré. Ces éléments de base peuvent être interconnectés pour former des chemins de signaux personnalisés.
Les fonctions typiques du FPAA incluent l'amplification, le filtrage, l'intégration et la comparaison. Le même appareil peut réaliser une configuration différenciée à différentes étapes de développement du produit, voire redéfinir complètement sa finalité pour atteindre une nouvelle orientation fonctionnelle. Cette reconfigurabilité est une caractéristique décisive du FPAA.
Les FPAA sont souvent comparés aux FPGA, bien que les similitudes résident dans le concept plutôt que dans la technologie. Les deux s’appuient sur des blocs fonctionnels réutilisables et des interconnexions programmables. La principale différence entre les deux réside dans le fait que le FPAA fonctionne directement dans le domaine analogique en temps continu, traitant les signaux du monde réel sans les convertir sous forme numérique.
Dans les systèmes de signaux hybrides, le FPAA est souvent utilisé comme frontal analogique adaptatif. Ces dispositifs sont situés entre le capteur et l'ADC, ou entre le DAC et l'actionneur, pour améliorer la qualité du signal avant de démarrer le traitement numérique.
Modèles d'architecture et de configuration de base
Le FPAA est construit autour d'un bloc analogique configurable (CAB) qui constitue le cœur du dispositif. Ces modules sont généralement utilisés pour implémenter des fonctions telles que des amplificateurs, des filtres, des intégrateurs et des comparateurs. Chaque module est programmable afin que le concepteur puisse définir des paramètres tels que le gain, la bande passante, les conditions de décalage et les niveaux de seuil pour définir les caractéristiques requises du circuit.
L'interconnexion de ces modules est réalisée via des interconnexions programmables (structures de routage). Cette structure définit la manière dont le signal circule à travers l'appareil et permet un réarrangement ou une extension de la chaîne de signaux sans reconcevoir le matériel externe.
Le comportement spécifique d'un appareil est défini par les informations de configuration et est généralement stocké sous la forme d'une liste de commutateurs ou d'une mémoire de configuration. Ces informations de configuration sont chargées à la mise sous tension et un chemin de signal analogique est établi. De nombreuses plates-formes FPAA prennent également en charge une reconfiguration rapide, permettant des mises à jour pendant le développement ou, dans certains cas, pendant l'exploitation.
L'interface d'E/S analogique connecte le FPAA au capteur, à l'ADC, au DAC et à d'autres composants externes. Ces interfaces sont spécialement conçues pour garantir des niveaux de signal prévisibles, un fonctionnement stable et une intégration transparente avec les systèmes de signaux mixtes.
Processus de conception et avantages du développement
Le développement du FPAA change la façon dont les systèmes de simulation sont conçus. Au lieu d'utiliser des dispositifs discrets pour construire des circuits fonctionnels fixes, les ingénieurs utilisent des outils de configuration intuitifs basés sur des schémas pour définir le comportement du signal.
Le concepteur crée une liaison de signal complète en sélectionnant un bloc analogique configurable (CAB) et en interconnectant les modules via une architecture de câblage programmable (Figure 2). Les paramètres clés tels que le gain, les caractéristiques de filtrage et le seuil peuvent être définis directement dans le logiciel. Cette fonctionnalité fait passer la conception de simulation des calculs manuels fastidieux à des méthodes plus rapides, plus flexibles et plus configurables.
La liaison de signal complète peut être créée en sélectionnant le bloc analogique configurable (CAB) (cliquez sur ZOOM IN)
Figure 2 : Des chaînes de signaux complètes sont créées en sélectionnant des blocs analogiques configurables (CAB) et en interconnectant les modules via une architecture de câblage programmable (source : Okika Devices)
Étant donné que la conception peut être mise à jour en quelques minutes, le cycle d’itération est nettement plus rapide. Les ingénieurs peuvent rapidement explorer des alternatives, évaluer les compromis et améliorer continuellement les performances. À cette vitesse itérative, une véritable optimisation peut être réalisée, ce qui est souvent impossible avec le matériel analogique traditionnel, car chaque changement nécessite une refonte, une reconfiguration et un nouveau test.
La plupart des plates-formes FPAA chargent la configuration à la mise sous tension, tandis que certaines sont reconfigurées lorsqu'elles prennent en charge des exécutions structurées, telles que la commutation entre les modes de fonctionnement. Dans les deux cas, la possibilité de modifier les fonctions de simulation sans changer de matériel réduit le temps de développement, diminue les coûts et prolonge le cycle de vie du produit. g.
En fait, FPAA apporte un modèle défini par logiciel à la conception de simulation, portant la flexibilité frontale, l'efficacité et les performances du système électronique à un nouveau niveau.
Applications courantes
Conditionnement du signal du capteur
L’interface du capteur est le principal cas d’utilisation du FPAA. De nombreux capteurs génèrent des signaux de faible niveau, de bruit ou de biais et nécessitent une amplification, un filtrage et un étalonnage avant la numérisation.
FPAA peut intégrer ces fonctions dans un seul appareil pour réduire le nombre de composants et simplifier les modifications de conception. Les chaînes de signaux peuvent être reconfigurées plutôt que repensées lorsque les caractéristiques des capteurs changent ou doivent se développer.
Ceci est particulièrement important pour les systèmes prenant en charge plusieurs types de capteurs ou des exigences changeantes.
La surveillance ECG ou ECG en est un bon exemple. Les signaux électriques mesurés à partir du corps humain ne mesurent généralement que quelques millivolts et sont facilement perturbés par les artefacts de mouvement, les interférences des lignes électriques et la dérive de la ligne de base. Pour obtenir une mesure fiable, une amplification, un filtrage et une suppression du bruit en mode commun précis sont nécessaires avant que les signaux n'entrent dans l'ADC.