混合讯号hdl工具的开发和应用

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1、混合讯号HDL工具的开发和应用

2、第1简介首先让我们先来介绍HDL在数字电路设计上的两大优点，第一个优点是HDL可以大幅提升逻辑合成的效率；第二个优点是HDL提供一种由上而下的设计方式。由于模拟电路设计在特性上的多样性(图1)，因此很难以一般通用的电路合成来完成，虽然可以达到半自动化电路的最佳化，但是却会产生一些问题(后续讨论)。　500)this.style.ouseg(this)">图1混合讯号设计流程　混合讯号由上而下的设计方式提供验证和可重复使用的好处。例如在设计复杂系统时，通常都会将整个系统分成几个不同的模块，并由

3、不同的设计团队设计不同模块。这种设计流程中，确认每个模块规格参数是一个很重要的步骤，如果没有确认每个规格参数往往会造成设计时程及预算大幅超出预期，但是利用HDL的系统仿真可以解决这个问题。HDL-A是一种以VHDL为基础的混合讯号HDL，比较特别的是HDL-A针对混合讯号而不只是单纯针对模拟设计的描述语言，因此很容易建立模拟/数字之间转换的模型。图2中的叙述是模拟讯号的HDL-A描述范例，图3则是数字VHDL流程中模拟Hz振荡器混合之后成为输出频率，然后经由可程序分频器分频，分频器在任何时间都可以在25到65之间的数字间进

4、行切换，分频器的输出频率与相位侦测器的500kHz参考振荡器比较。相位侦测器的输出电压在±2pi的范围内与两个输入讯号的相位差成比例，封闭回路经由低通滤波器传送讯号来抑制输入频率和决定回路特性的回路滤波器，并成为VCO的输入。当分频器的输出频率与参考频率匹配，且相位差为零时回路会达到稳定。输出频率可以表示成：fout=80MHz+N×50kHz而仿真所要的特性参数包括：回路稳定时间和回路的稳定性。　500)this.style.ouseg(this)">图4仿真的PLL区块图　500)this.style.ouseg(th

5、is)">模型化相位侦测器本文所介绍的相位侦测器是常用的dualflip-floptype，例如Motorola的MC4044。这个相位侦测器的特性是±2pi区域的频率敏感度和线性输入相位，相位侦测器的转移特性如图5所示，组件由数字部份加上模拟减法器和低通滤波器所构成。图5的图形特性可以简化成几行的HDL-A程序来建立相位侦测器时域行为的模型。　500)this.style.ouseg(this)">图5相位侦测器的转移特性　■回路滤波器的HDL-A描述其它区块可以归纳成下列关系来表示图6是分频器由N=65切换成N=25，

6、最后为N=50的仿真结果。由这个范例可以了解使用混合讯号的硬件描述语言如何减少仿真时间。使用PLL各个组件的行为模型在SunSPARC20的工作站上，只需要3分钟的CPU仿真时间，同样晶体管层级的SPICE仿真则需要13.5CPU天。　500)this.style.ouseg(this)">图6分频器由N=65切换成N=25，最后为N=50的仿真结果　　500)this.style.ouseg(this)">其它应用虽然大部分的电子组件和系统都是数字系统，然而主要的输入和输出环境却都是模拟，因此混合讯号HDL的优点便显而易

7、见。混合讯号HDL让VHDL的测试环境可以延伸到数字系统，对于自动化产业和目前快速发展的微机电系统产业而言，这种特性更显重要。以MEMS的压力传感器应用为列，HDL-A模型所使用的参数和仿真方程式如下：压力传感器参数：-ROWheatstonebridge电阻-SO压力敏感度-Voff压力电压偏移-TO环境温度-TCS敏感度温度系数-TCO偏移电压温度系数-TCR电阻温度系数HDL-A模型方程式-Vo=S*P*Vin+Voff-S=SO*(1+TCS*(T-TO))-R=RO*(1+TCR*(T-TO))-Voff=Vof

8、f*(1+TCO*(T-TO))自动化产业使用HDL-A的描述范例和模型如图7所示。　500)this.style.ouseg(this)">点选小图标即可以观看大图图7　500)this.style.ouseg(this)">最佳化当系统符合高阶需求之后，接下来便是如何进行细部的实现问题。如之前所介绍的，模拟电路合成并不是一项成熟的技术，因此如何让标准电路拓朴达到所需效能的最佳化便很重要，典型的问题如PLL回路滤波器。虽然教科书提供标准的滤波器拓朴(电路)，但是并没有包含实际制作芯片时所面临的问题，例如制程技术的限制，而

9、电路最佳化功能可以调整滤波器电路的参数达到所需的功能。最佳化的另一个应用是模型化。以操作接口的模型化为例，模型可以使用曲线逼近法来描述复杂的实际行为，因此特殊组件也可以使用通用模型来逼近，包含许多参数的模型通常不容易建立；然而，可以将模型最佳化来逼近测量结果。资料表通常无法提供有关于模型的参数，例如温度