【導讀】在模擬電路設計過程中，設計、評估、調試混合信號電路，尤其是帶有模擬輸入/輸出（I/O）接口的混合信號，一直都是工程師面臨的最大挑戰。真實世界與模擬信號鏈路的設計需要權衡模擬與混合信號IC的整合，而本文則主要講解可編程模擬IC將FPGA多功能性等優勢帶入混合信號世界。
真實世界與模擬信號鏈路的微妙之處以及惡劣的工作環境，往往使得看起來簡單直接的設計目標成為難以逾越、耗時費力的項目。最終設計需要謹慎權衡模擬與混合信號IC的整合，包括運算放大器、A/D和D/A轉換器、比較器、高壓驅動器、模擬開關，將這些IC硬件連接在一起，構建成模擬通道。
數字領域專業背景的工程師，不熟悉模擬設計，而模擬設計中的元件選擇、物理布局以及成本等問題直接影響基本電路的性能和產品上市時間，使得項目開發舉步維艱。對于這些工程師，尤其是習慣使用可編程邏輯器件或FPGA的工程師，模擬電路的設計理念與其習慣性的設計思維相偏離。
不僅如此， 當今的工程師團隊還面臨另一挑戰：往往需要開發類似但又具有一定差異的基礎電路，以支持不同版本的最終產品。例如，設計一款核心電機控制器，可能需要根據不同系列電機對I/O進行量身定制，在范圍、驅動要求和性能指標方面都有細微不同。
為達到上述目的，項目團隊有兩種選擇，但兩種選擇都不輕松。他們可以構建單一、包羅萬象的電路，內置所有版本，而僅“打開”所需的配置。這種方法需要更多的資源：設計時間、調試工作、元件、功耗以及成本；他們也可以定制開發設計PCB板，針對每一“版本”的最終產品開發一套。但這樣就必須進行獨立的調試和測試程式，處理各種生產問題以及不同的BOM。無論哪種方式，都是一個耗時耗力的過程。
為克服這種設計難題，最直接的想法，也是非常吸引人的方案，即采用內嵌模擬I/O的微控制器，在軟件中實現盡量多的功能。但是，這種方法的效果往往不太好。有太多的設計缺陷和妥協，造成硬件性能的缺陷，軟件方面也有太大負擔和不確定性(例如性能不確定)。
利用可編程模擬方案替代其他方案
Maxim Integrated推出的另一種設計模擬/混合信號電路方案能夠從根本上克服此類設計、調試缺乏靈活性，多版本設計，I/O不足以及軟件不確定性等問題。可編程模擬方案允許設計者在IC內部配置模擬鏈路和拓撲，滿足特定的應用需求。
Maxim Integrated推出了專門針對I/O進行優化的可編程、高壓、混合信號IC，如圖1所示。該IC集成12位、多通道、模/數轉換器(ADC)和12位、多通道、帶緩沖輸出的數/模轉換器(DAC)。這些轉換器連接有20路混合信號、高壓、雙極性端口，每個端口可配置(或“可編程”)為ADC模擬輸入、DAC模擬輸出、通用輸入端口(GPI)、通用輸出端口(GPO)或模擬開關端子。此外，器件具有一個內部和兩個外部溫度傳感器，以分別跟蹤結溫和環境溫度的變化。MAX11300 PIXITM器件非常適合要求模擬和數字混合功能的應用，每個端口可獨立配置為從-10V至+10V四種電壓量程之一。
[page]
可編程模擬設計示例
MAX11300非常適合于要求中等分辨率和速度的混合信號應用，例如基站RF功率器件的偏置控制器，用于光元件、電源監測/排序、工業控制與自動化中的控制器。PWM風扇電機控制器的溫度控制就充分體現了該器件的靈活性和多功能性，如圖2所示。該控制功能的核心是溫度傳感器和電機控制DAC組成的閉環通路，受微控制器的高度監控。如果高端風扇電機控制器需要監測額外的模擬信號(例如冷卻液流量)或其他控制點(例如執行器和閥門)，可配制同一MAX11300監測這些通道。有些大型電機為多個管道供風，需要檢測兩個溫度點，而不僅僅是一個，對于這種情況，同樣可以配置同一MAX11300，支持需求的變化。
當今的項目具有較大開發風險。開發靈活性意味著很容易滿足設計要求的變化，無需電路板改版或重新布局。正像所有模擬電路設計者所了解的，“沒有什么大不了的，只是增加另一路模擬輸入而已”。使用這種可編程I/O器件，降低了設計和開發風險，所以設計者對進度和性能更有信心。單片IC以及材料清單(BOM)將支持多種版本的最終產品，例如小、中或大規模設計，或基礎架構、高級和全功能設計。即使模擬通道配置發生變化，PCB布局也保持不變。同時，微控制器軟件在很大程度上可重復利用。
此外，使用MAX11300不要求較高的模擬電路經驗或元件選型，因而降低設計風險。電路位于IC本身內部，設計者的任務是配置IC，簡單直接。
工具和支持使設計過程變得輕松
如果不能簡單配置，就失去了靈活、多功能混合信號元件的優勢。幸運的是，對于那些熟悉FPGA和可編程邏輯器件，但不熟悉模擬電路的數字電路設計者，也很容易配置MAX11300。開始使用MAX11300的PIXI技術，甚至不需要讀完60頁的數據手冊。只需啟動圖形用戶界面(GUI)，即可看到使用簡單、熟悉、支持拖曳操作的環境，簡單且直觀地設置器件。
為加快應用，器件有多項硬件和支持選項，包括MAX11300評估板(EV)，提供經過驗證的平臺，以評估MAX11300；也包括Windows XP、Windows Vista、Windows 7 和Windows 8.0/8.1兼容GUI，用于熟悉IC的特性。為簡化PIXI原型設計，MAX11300 PMB1外設模塊使MAX11300很容易連接到任意使用Pmod兼容擴展端口(配置為SPI進行通信)的系統。
集可編程和模擬于一身
傳統上，“模擬”和“可編程”是兩種風馬牛不相及的情形。但現在情況發生了變化，兩者支持相互替代。MAX11300等創新、可編程、模擬IC具有I/O和接口功能的靈活性，同時具有與主控制器相媲美的一致性、可預測性和獨立性。
MAX11300解決了模擬集成的兩個難題。一般情況下，集成度提高與設計靈活性是相悖的，而基于軟件的設計使得混合信號硬件功能也變得可靠、確定。MAX11300可完善數字邏輯，采用門陣列，允許用戶對其進行配置，以滿足特定的功能需求；基于軟件的處理器，通過執行代碼提供可編程能力以及重復編程能力。
相關閱讀：
專家解析：如何用混合信號示波器探測模擬和數字信號？
T1高級模擬應用工程師分享混合信號系統接地的秘密
【技術分享】一種基于混合信號技術的汽車電子單芯片設計
