如何輸入自己的可編程模擬電路

通過接口輸入模擬電路的描述聽起來是構(gòu)成功能塊的一種通用方法。但是，在你收起烙鐵之前，應(yīng)該更多地了解功能塊在實際應(yīng)用中的性能究竟有多好。
　　大多數(shù)行業(yè)都有其哲學(xué)上的激烈爭論，如果僅從純粹的娛樂價值出發(fā)，我們的行業(yè)具有更多這樣的爭論也許是一件好事。在我們行業(yè)的發(fā)展史上，在幾乎每次轉(zhuǎn)折之際，具有堅定信念的工程師和技術(shù)專家們一直在兩中選一地宣揚以下技術(shù)的優(yōu)越性：電子管或晶體管、分立元件或集成電路、精簡處理器指令集或復(fù)雜處理器指令集、哈佛處理器體系結(jié)構(gòu)或馮·諾伊曼處理器體系結(jié)構(gòu)、CMOS電路或雙極電路、單片系統(tǒng)或功能分置，以及模擬電路或數(shù)字電路。當(dāng)然，盡管模擬或數(shù)字電路也許非常廣泛，但它們部分地屬于這些話題。雖然這樣的激烈論戰(zhàn)促使人們發(fā)起了一次又一次熱烈的小組討論會，但是這些小小的爭論經(jīng)常存在相同的概念上的缺陷：在爭論目標(biāo)之前先爭論實現(xiàn)技術(shù)。
　　不過，這樣的爭論并非僅僅顯示相互對立的、毫無價值的沙文主義。它們有助于指出技術(shù)重疊的、工程師們必須在互相競爭的方法中作出選擇的領(lǐng)域。作出這樣的選擇時，經(jīng)常要在互相競爭的準(zhǔn)則和具有互不相關(guān)的優(yōu)勢的技術(shù)之間進行權(quán)衡。為了始終避免將最熟悉的方法與最優(yōu)方法

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混為一談，要適當(dāng)?shù)匕汛_定選擇準(zhǔn)則的優(yōu)先次序、評估各種設(shè)計選擇的相對優(yōu)勢、平衡折衷方案、為一組目標(biāo)而優(yōu)化設(shè)計作為每位設(shè)計師在每個單獨項目環(huán)境中必須完成的練習(xí)科目。
　　好像這樣還不夠似的，設(shè)計界極少存在雷同；設(shè)計界經(jīng)常是一個"與"另一個的問題，而不是一個"或"另一個的問題。例如，從事模擬設(shè)計的OEM通常至少以廉價微控制器的形式使用控制邏輯芯片，或者--多虧混合信號集成技術(shù)--使用小型芯核或自制的狀態(tài)機。更典型的是，模擬電路可用作數(shù)字系統(tǒng)的物理接口（參考文獻1）。
　　幾十年來模擬設(shè)計界和數(shù)字設(shè)計界協(xié)同發(fā)展，而不是像它們常常被誤認為的那樣，代表對立的學(xué)科。它們共同見證了混合信號ASSP（專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品）的巨大成功。當(dāng)然，盡管混合信號設(shè)計取得了巨大進展，模擬學(xué)科大體上還沒有演進到具有像數(shù)字信號器件那樣的器件，其功能可以不是通過布線，而是通過編程靜態(tài)地或順序地確定。
　　模擬IC制造商以各種方式使用"可編程"這一術(shù)語時，多數(shù)情況下是用來代替"可調(diào)整"一詞的。在這種情況下，該術(shù)語經(jīng)常緊挨著一個限定詞，如"引腳"或"電阻器"。因此，可編程增益放大器允許人們用固定電阻器、連續(xù)可變電阻器或一個由固定電阻器和開關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)來設(shè)定閉環(huán)增益。許多模擬IC制造商銷售可在增益帶寬乘積、轉(zhuǎn)換速率和功耗方面進行偏置電流編程的運算放大器。其他一些制造商提供可數(shù)字編程的電位器以及其它基于R-DAC的單元，這些單元的行為狀態(tài)是隨一個最常作用于某一參數(shù)的數(shù)碼字而變化的。盡管這些固定不變的功能確實很有用，卻仍不能提供人們在考慮比簡單組合邏輯更為先進的數(shù)字結(jié)構(gòu)時所想到的那種功能可編程性。
　　只有為數(shù)不多的公司在模擬IC中提供拓撲可編程性，其中最著名的公司有Zetex公司、Lattice半導(dǎo)體公司和Anadigm公司（參考文獻2和3）。這些IC提供可編程連接性以及對模擬信號處理資源的參數(shù)控制，而且其制造商經(jīng)常將其與FPGA相提并論；事實上，Anadigm公司將其器件稱為FPAA（現(xiàn)場可編程模擬陣列）。
　　跨接連接
　　盡管從市場接受程度的角度來看，拓撲可編程模擬IC還相對不夠成熟，但其制造商正在顯示對市場需求的理解日益加深。筆者最近試用的Anadigm公司提供的評估/開發(fā)軟件包就是一個恰當(dāng)?shù)睦印Ｔ撥浖С諥nadigm 公司的AN220E04型FPAA。它附帶有一塊評估板、AnadigmDesigner2軟件、一根串行電纜和文檔。文檔中有一份24頁AN220D04評估板用戶手冊硬拷貝版本，這份必讀材料還附有以電子形式存入CD-ROM中的一份AN220E04用戶手冊和一份AnadigmDesigner2用戶手冊。AnadigmDesigner2軟件本身包含許多有關(guān)其所支持部件的信息，并且通過對上下文敏感的求助功能和類似大家所熟悉的Windows應(yīng)用程序所提供的求助索引提供這種信息。值得注意的是，可以通過Anadigm公司的各種基于軟件的求助功能，獲得絕大部分問題的答案。所花時間要比直接使用面向"辦公室"的軟件包所花的時間要少。也許人們會說Anadigm公司的應(yīng)用集中于更狹窄的范圍，因而更易于支持，但是，筆者認為這一經(jīng)歷居然有新鮮感，而且，從生產(chǎn)力的角度來看，竟然也非常重要。
　　AN220D04評估板布滿了跳線、連接器和引腳端子--這說明它具有通用性（圖1）。評估板可使用戶方便地對大量的信號、配置控制、時鐘和功率選項進行選擇。它包含一塊子電路板連接器，供需要兩三塊FPAA的設(shè)備使用。具有兩塊芯片的設(shè)備僅僅通過子電路板傳送其模擬信號，繞過主電路板上的FPAA位置。評估板還有一個擴展連接器，用以級聯(lián)多塊AN220D04電路板。

圖1? 尺寸為4.5×5.375英寸的AN220D04，內(nèi)含一個1.9平方英寸的實驗電路板區(qū)和許多跨接線、連接器和引腳端子，形成一個靈活的開發(fā)環(huán)境。你只要花幾分鐘了解線路圖，就可以方便地使用這一開發(fā)環(huán)境。
　　你可以為平衡的信號或不平衡的信號單獨設(shè)置評估板的模擬輸入和輸出。差分輸入可以通過一對SMA連接器或一組直接連接AN220E04引腳的引腳端子接入評估板。兩個單端信號可以通過這些SMA或一個常見于聲卡、膝上型電腦及許多消費類音頻產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)1/8英寸TRS插座接入評估板。AN220E04型FPAA的輸入采用差分結(jié)構(gòu)，所以評估板具有模擬器件公司生產(chǎn)的兩個AD8132型差分放大器，用以轉(zhuǎn)換單端輸入信號。輸入路徑還包括可以使用配線J23和J25連接或斷開的50Ω終端負載。請務(wù)必把這些跨接線作為初始設(shè)置的一部分進行檢查。
　　同樣，F(xiàn)PAA不是通過引腳端子或SMA連接器就是通過模擬器件公司的兩個AD8130差分接收器來提供你可以直接使用的差分輸出。兩個差分接收器可為SMA連接器或另一個1/8英寸TRS插座提供單端信號。SMA連接器還為級聯(lián)的電路板提供信號路徑。
　

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　AN220D04的通用性也擴展到了評估板的控制邏輯選項。在其缺省模式下，評估板通過從你的PC到評估板上的DB-9連接器的RS-232串行鏈路獲取配置數(shù)據(jù)。評估板上的16MHz振蕩器提供FPAA的模擬時鐘。獨立式模式不是使用一個SPI EEPROM，如Atmel公司的AT25080型8kb EEPROM，就是使用一個FPGA EEPROM，如Atmel公司的AT17C65型65kb EEPROM。在這種模式下，評估板上的時鐘在導(dǎo)通序列期間驅(qū)動配置過程，并且為模擬時鐘提供定時基準(zhǔn)。如果你的工作是嵌入式設(shè)備開發(fā)，則你可以通過DIO(數(shù)字I/O)帶狀連接器直接驅(qū)動數(shù)字信號。雖然當(dāng)前的軟件版本不支持USB，但評估板的具有USB能力的微控制器（一塊由Microchip 公司生產(chǎn)的PIC16C745電路），則可連接到一個未使用的連接器位置。如果Anadigm公司決定在未來的軟件版本中包含USB支持，那你只需要焊接一個連接器并將它插入即可。
　　雖然大多數(shù)人都習(xí)慣于在文檔仍在收縮包裝時就連接新設(shè)備，但是，該評估板提供了非常多的選項，以致筆者建議在給產(chǎn)品加電之前仔細研讀用戶手冊并使自己熟悉跨接線的功能、位置和初始狀態(tài)。Anadigm公司在手冊末尾提供評估板的全套原理圖，幫助我們確認對評估板體系結(jié)構(gòu)的理解。遺憾的是，那些原理圖很小，往往要求助于放大鏡或低倍顯微鏡才能看清。多虧Adobe Acrobat公司的變焦距功能和圖像旋轉(zhuǎn)功能，存入CD-ROM中的用戶手冊PDF版本解決了這個問題。因此，將評估板放在實驗臺上，把示意圖顯示在個人膝上型電腦屏幕上，再把手頭的硬拷貝手冊翻到介紹性敘述章節(jié)，就能在幾分鐘內(nèi)使自己熟悉評估板的功能和設(shè)置了。
　　對審查至關(guān)重要的是電源設(shè)置和通電行為。你可以用5V穩(wěn)壓電源供電，也可以用9V非穩(wěn)壓電源供電。9V電源端口是一個與通用墻面電源配對的2.1mm插孔。只要其輸出電壓限制在評估板的最小8V絕對額定值和最大12V絕對額定值之間，就可以使用非穩(wěn)壓電源。9V電源端口為一個5V線性穩(wěn)壓器供電，而該穩(wěn)壓器通過一根跨接線J28驅(qū)動評估板的其余部分。你如果打算直接為香蕉型插座或者螺旋型接線端子提供5V穩(wěn)壓電源，就必須拆除這根跨接線。因為螺旋型接線端子和香蕉型插座都不提供機械極化連接，所以這些電源輸入要通過一個肖特基二極管連接評估板的其余部分，以防止極性接反引起的損壞。如果你的設(shè)備無法適應(yīng)200mV的二極管壓降，可以增加一根跨接線，用以旁路肖特基二極管。
　　三條供電路徑--線性穩(wěn)壓器輸出端、香蕉型插座和螺旋型接線端子--在肖特基二極管的陰極連接在一起。因此，每次連接不超過一個端口是很重要的。還要注意的是，盡管文檔說明5V穩(wěn)壓輸入端是缺省配置，但筆者收到的評估板已經(jīng)接好了跨接線J28。要是只是接上5V電源并按動開關(guān)，本可以把電源加到線性穩(wěn)壓器的輸出端（而其輸入端是接地）的。然而，正如Anadigm公司的一位現(xiàn)場應(yīng)用工程師所確認的那樣，這種情況會損壞5V穩(wěn)壓器，所以務(wù)必要根據(jù)你電源連接來設(shè)置跨接線。
　　當(dāng)AN220D04不帶子電路板工作時，其最大電源電流是350 mA。在接通電源時除外，這時典型的峰值電流為1.2A。正如評估板數(shù)據(jù)表所表明的，該接通浪涌電流并非起始電流。手冊的敘述部分警告說，如果電源電流極限能在滿足接通電流要求的同時防止電源輸出達到5V，評估板就可在"大電流狀態(tài)"下加電。在具有一個穩(wěn)壓實驗臺電源的情況下，在筆者每次接通電源時，評估板都達到了這種"大電流狀態(tài)"，電源電流監(jiān)視器上持續(xù)的1.1A電流以及檢測欠壓條件并驅(qū)動安裝在電路板上的紅色LED指示器的比較器說明這種情況。對于這種拙劣啟動，推薦的方法是在開啟電源之前拔出模擬電源跨接線(J5)而在電源達到穩(wěn)壓之后再將跨接線插回。
　　這種變通辦法雖然可以在實驗臺上解決問題，但卻會給你設(shè)備帶來電源管理問題。不幸的是，當(dāng)前版本的FPAA數(shù)據(jù)表是缺乏規(guī)格表的初稿，所以你期望都要等到Anadigm公司發(fā)布了完整的數(shù)據(jù)表才能在評估板語境之外對IC啟動行為有所了解。同時，你還需要管理你設(shè)備內(nèi)的數(shù)字電路供電和模擬電路供電的順序。此外，盡管軟件不斷修改，但是在Anadigm公司找出比使用戶拔出和插回跨接線更好的解決方法之前，鑒于USB的負載電流極限為500mA，我們對見到USB版本的評估板表示懷疑。
　　現(xiàn)在可行
　　盡管在第一次設(shè)置評估板時需要考慮大量的跨接線和連接器，但這種變通辦法所花的時間或所做的瑣事還是少得多。裝載軟件，通讀評估板手冊，定位并設(shè)置實驗臺裝置跨接線，連接控制引線、電源引線和信號引線，裝載基本配置以及確認信號路徑，所有這些工作所花的時間總共還不到1小時。雖然從概念上說，這些工作都無需花費多少腦力，但當(dāng)一個復(fù)雜的產(chǎn)品首次順利工作時，總是非常令人滿足的。
　　開發(fā)環(huán)境提供你電路的方框圖。只

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要將光標(biāo)移到任一個功能塊上，你就可以確認其身份及參數(shù)設(shè)置（圖2）。雙擊功能塊就可以打開一個對話框，并可在對話框中交互地修改功能塊的參數(shù)狀態(tài)。除了為FPAA提供了一個圖形化編程環(huán)境之外，開發(fā)軟件允許你連接虛擬信號源和探頭來驅(qū)動內(nèi)置的仿真工具（圖3）。繪圖工具和仿真工具操作起來都很簡單，并且對于用過原理圖捕獲和Spice軟件的人來說安排得很直觀。但要切記：以一二百美元的最低價格買到的只是一個基本工具，而不可能是附帶有的許多響鈴、鳴哨和功能等一整套EDA套件。所以，舉例來說，Anadigm公司的仿真程序能使你在時域內(nèi)洞察部件的行為，但是對于幾乎所有其它方面來說，需要通過檢查在評估板上運行的實際信號來了解部件行為。目前還沒有現(xiàn)成的試驗線路將仿真或行為模型輸出到自己的Spice環(huán)境，也不存在本機工具采用外部元件的工具。這種局限性類似于你使用功率IC和ASSP時發(fā)現(xiàn)的局限性，因為功率IC和ASSP的制造商只提供有限的支持軟件，但不提供與EDA環(huán)境其余部分連接的工具。

圖2? AnadigmDesigner2的圖形化開發(fā)環(huán)境可為評估板FPAA的配置提供基本的繪圖工具，此外還可利用仿真程序以及關(guān)于各一個模擬陣列的可編程功能塊的支持信息。

圖3? 正如圖2中基本D類調(diào)制器的這種仿真所表明的那樣，該開發(fā)環(huán)境的仿真程序可提供虛擬信號源和探頭，并可顯示FPAA的時域狀態(tài)。
　　積木式部件
　　FPAA需要模擬電路設(shè)計師花一些時間來習(xí)慣。FPAA環(huán)境不是將二極管、晶體管和無源元件與諸如運算放大器和比較器等功能塊組合在一起，而是完全被Anadigm公司稱之為CAM（可配置模擬模塊）的更加高度抽象的功能塊組成?，F(xiàn)在考慮一個比較器：你熟知的這種現(xiàn)成部件是一個其拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)狀態(tài)適合于非線性比較響應(yīng)而不是線性放大的放大器。但是，你的應(yīng)用電路必須提供附加元件來設(shè)置參考電位和環(huán)路行為，其中包括遲滯。
　　FPAA的比較器CAM包含這些元件。CAM為倒相輸入提供三個可編程選項：你可以使比較器的倒相輸入由FPAA內(nèi)的任何模擬信號來表示，或者，你可以給CAM編程，使倒相輸入由地電位來表示，或由一個其幅度被指定為CAM參數(shù)的直流電位來表示。對于你要將閾值電壓加到比較器非倒相輸入端的幾種情況來說，你可以將輸出倒相來代替輸入的反接。可編程遲滯級別有0mV、10 mV、20 mV和40mV四級。遲滯功能在你驅(qū)動倒相輸入或者將其接地時才可使用，而你給閾值電壓時不可使用。
　　與多數(shù)FPAA CAM一樣，比較器是一個同步的離散時間塊。你可以給比較器編程，以便在第一個或第二個時鐘階段對其輸入進行采樣--這一原理不適用于連續(xù)時間比較器。比較器可對以后的時鐘相位做出抉擇，不過這種抉擇不會立即引起比較器輸出狀態(tài)的改變。你可以經(jīng)輸出編程，以便一有輸出就按抉擇行事，或者強制其輸出使其狀態(tài)轉(zhuǎn)變與第一個時鐘相位或第二個時鐘相位同步。
　　與分立IC領(lǐng)域極其類似，比較器和放大器是最簡單的CAM。CAM列表中還有一些常用的功能，它們具有更高抽象級別，使你更加遠離實現(xiàn)細節(jié)。例如，雙二階濾波器可在500 Hz~400 kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，這一頻率范圍又分為三段，對應(yīng)于你選用的3個時鐘頻率。正如你對雙二階濾波器期望的那樣，你可以選擇低通、高通、帶通和帶阻傳遞函數(shù)濾波器。不過與你自己用幾個運算放大器和許多電阻器制成的雙二階濾波器不同的是，雙二階CAM每次只能提供上述四個傳遞函數(shù)之一。調(diào)諧和Q值控制都是非交互的，但是，你選用0.15~70 (!)的Q值確實會限制增益范圍（圖4），這并不令人感到意外。

圖4? 雙二階濾波器

CAM允許你對轉(zhuǎn)角頻率、增益和Q值進行編程。帶通濾波器曲線對應(yīng)于8kHz轉(zhuǎn)角頻率，而對應(yīng)的Q值分別為0.2（綠色）、1（青色）、5（藍色）和20（深紅色）。
　　用圖形來加深理解
　　一些不太常用的功能可能體現(xiàn)了FPAA的真正能力，例如乘法器或任意周期波形發(fā)生器CAM。但是，為了了解作為信號鏈元件的這種器件性能優(yōu)劣，我們調(diào)查了一些不太特別的CAM，例如倒相放大器、雙二階濾波器功能塊和基本I/O單元。這類調(diào)查大多采用一臺Audio Precision System Two Cascade雙域分析儀來繪制頻率響應(yīng)曲線、噪聲曲線和THD曲線。
　　該評估板顯然可使你最大限度地利用其提供的各種功能。但它并沒有對最小化時鐘噪聲進行優(yōu)化。雖然用戶在開發(fā)那些充分利用FPAA可擴展到約8 MHz帶寬的設(shè)備時需要謹慎一些，但該評估板對于帶寬較小的電路而言，應(yīng)該是一個良好的開發(fā)環(huán)境，因為來自時鐘噪聲的實際干擾很小。
　　FPAA數(shù)據(jù)表中有關(guān)差分輸入信號擺動的極限值是3.8V。但是，如果你將使你的信號達到或接近擺動閾值，就得小心謹慎。例如，輸入單元提供一個可編程轉(zhuǎn)角頻率為34~470 kHz的抗混迭濾波器。THD

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+N測量顯示當(dāng)抗混迭濾波器不用時的1kHz曲線和20kHz曲線是疊合的（圖5中的藍色曲線和綠色曲線）。在1kHz頻率下，THD+N惡化對于34kHz輸入濾波器很小(深紅色)，但是，隨著信號分量接近轉(zhuǎn)角頻率，失真分量隨著小至-20dBV的信號幅度的增大而增大(紅色)。固定幅度頻譜掃描填入圖5的信息（圖6）。與不用抗混迭技術(shù)的0dBV基準(zhǔn)測量值（藍色）相比，THD+N惡化在輸入端增加一個400kHz濾波器時大約為10 dB(紅色)。把輸入降到-6 dB可將采用400kHz濾波器的THD+N降低到0dBV無濾波情況給出的同樣的相對電平(深紅色)。注意垂直刻度是相對于輸入電平的dB值。在輸入保持在-6 dBV和濾波器轉(zhuǎn)角頻率調(diào)低到34 kHz的情況下，THD+N電平又增加大約5 dB，并顯示出隨信號接近轉(zhuǎn)角頻率而上升的特性。考慮到這些特點，你應(yīng)該以盡可能達到的最快時鐘速率操作CAM單元，以突出奈奎斯特頻率并減少對臨近濾波器轉(zhuǎn)角頻率的需求。同樣，你只能在對期望的信號電平和帶寬給予了應(yīng)有的考慮之后才能使用輸入濾波器，而且，如果你需要適應(yīng)低轉(zhuǎn)角頻率和大的幅度，則可以考慮使用一個簡單的外部濾波器配置。

圖5? THD+N曲線表明，就某一給定的THD+N準(zhǔn)則而言，輸入單元的抗混迭濾波器會限制有用的動態(tài)范圍，特別是當(dāng)信號帶寬接近濾波器轉(zhuǎn)角頻率時。圖中，不使用抗混迭濾波器的1kHz (綠色)曲線和20kHz (藍色)曲線是疊合的。濾波器轉(zhuǎn)角頻率設(shè)置為34 kHz的1kHz (深紅色)曲線和20kHz (紅色)曲線顯示出性能的下降，特別是當(dāng)信號接近轉(zhuǎn)角頻率時。

圖6? 固定振幅頻譜掃描有助補充圖5的信息：圖中，藍色曲線表示不使用抗混迭濾波器的0dBV掃描曲線。紅色曲線表示抗混迭濾波器設(shè)置為400 kHz的相同輸入掃描曲線。只要將輸入振幅降低到-6 dBV并且注意曲線的幅度是相對于輸入振幅的，深紅色曲線就表明，在輸入信號超過幾百毫伏的情況下，濾波器的THD+N在頻譜內(nèi)有所惡化。將濾波器轉(zhuǎn)角調(diào)低到34 kHz時，6dBV掃描曲線表明在通帶的最后一個倍程內(nèi)THD+N有激增的趨勢。
　　輸出單元也帶有與其電壓輸出模式相關(guān)的低通濾波器。輸出單元級聯(lián)兩個同樣調(diào)諧的單極部分，并且用做重建濾波器來消除開關(guān)噪聲。調(diào)到一個相對開放的400 kHz頻率的兩個雙極部分，其在一個簡單倒相放大器之后的性能比原始輸出單元更好。一個處理-18dBV掃描正弦波的增益為-4的倒相放大器，其在20Hz~40kHz頻段內(nèi)的THD+N曲線是基本平直的。將輸出單元用作具有400kHz低通轉(zhuǎn)角頻率的電壓輸出端，會產(chǎn)生-62dBr的THD+N。當(dāng)輸出單元處于其原始配置時，其性能下降到-52 dBr。如果你決定用FPAA來設(shè)計，以有助于識別你設(shè)備的最佳工作條件，則對輸出結(jié)構(gòu)進行進一步的調(diào)查就理所應(yīng)當(dāng)?shù)乇蛔C明是正確的。
　　FPAA的配置內(nèi)存包括一個影子RAM，它有助于最大限度地縮短配置時間，從而使包含F(xiàn)PAA在內(nèi)的信號鏈的干擾最小。配置的更改可能會完全改變模擬陣列的內(nèi)部資源分配，或者可能只是改變一個參數(shù)。利用膝上型電腦的串行端口對該評估板進行操作時，一種無效的配置更變--只是將現(xiàn)有電路和參數(shù)設(shè)置重新裝載到部件中--大約會引起110毫秒的中斷（圖7）。裝入來自嵌入式處理器或共駐PROM的配置數(shù)據(jù)的設(shè)備可以優(yōu)化配置過程，從而進一步縮短裝入時間。

圖7? 在這一開發(fā)環(huán)境中利用膝上型電腦來配置FPAA會使信號處理中斷大約110毫秒的時間。

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