Start Your Engines: Electrical信号からReal Numberへの変換のためのミックスシグナル・モデリングの方法

Cadence® Spectre® AMS Designer は、高いパフォーマンスのミックスシグナル・シミュレーション・システムです。複数エンジンの使用や、さまざまなプラットフォームから実行できる機能により、ミックスシグナル・デザイン検証を「活性化」し、市場競争でチェッカーフラッグを受けることができます。Start Your Enginesブログ・シリーズは、シミュレーションのパフォーマンスをチューンアップし、生産性向上に役立つヒントと洞察を提供します。

Bonjour!

みなさんのデザインでは、electrical信号からreal numberに変換する必要はありますか？

もしあるならば、Verilog-AMS標準言語を使ってどのように変換するかを説明させてください。この投稿では、3つの方法を説明しそれらを比較します。比較を見ることで、みなさんのアプリケーションに最も適した方法を選択できるようになるでしょう。

electricalからreal number (E2R) への変換を必要とする、以下に示したモデルのシンボルについて検討しましょう。

このモデルにE2R_convという名前を付けました。これは以下のものを持ちます:

ひとつのelectrical入力
ひとつのRNM出力
E2R変換が動作しているときにモニタするクロック信号イベントを生成する、ひとつのlogic出力

方法#1 : ElectricalソルバのタイムステップをベースにしたE2Rモデル変換

最初の方法は、electricalソルバの各アナログのステップでE2R変換を実行するという考え方です。そして、アナログ・ブロック内で、realのaevent変数を使って一種のクロックを生成します。aeventの初期値は1で、各electricalソルバのステップで-1が乗じられます。変数aeventは、+1と-1に繰り返し切り替わります。

イベント・ソルバのalwaysブロックでは、aeventの値が0を横切るたびにcrossイベント検出を使用します。これは、always @(cross(aevent,0,`TTOL ,`VTOL )) を使って実現されます。cross関数は、electricalとデジタル・ソルバ間の同期のためにイベントを生成します。最終的に、assign文を使用したclk出力とx出力のドライバを生成します。xはwrealデータ型として宣言されているので、assign x=rx; はwrealのドライバを生成します。

この方法では、以下の波形がプロットされます:

ここで、

赤は正弦波電圧のelectrical入力を表しています。
黄色はE2R変換を表しています。
緑はE2R変換が動作しているときにモニタするクロック信号イベントを表しています。

複雑なSoCのシミュレーションを実行している場合には、E2R変換が変換実行用に多くのブレークポイントを発生させる可能性があり、electricalシミュレータは、非線形微分方程式を正確に解くために小さなタイムステップを計算する必要があります。

方法#2 : 一定周期のサンプリング・クロックをベースにしたE2Rモデル変換

2番目の方法は、イベント・ソルバ内でtsと等しい一定周期で動作するサンプリング・クロックを生成するものです。このalwaysブロック内では、入力のelectrical信号をrx=V(e)でプローブします。

この方法では、以下の波形がプロットされます:

ここで、

赤は正弦波電圧のelectrical入力を表しています。
黄色はE2R変換を表しています。
緑はE2R変換が動作しているときにモニタするクロック信号イベントを表しています。

このE2R変換は、変換実行用に周期的なブレークポイントを生成することになります。シャノンのサンプリング定理によると、サンプリングのクロック周波数は入力electrical信号の周波数の少なくとも２倍以上であるべきです。

方法#3 : Electrical入力の差分変化でトリガされるE2Rモデル変換

最後の方法は、入力信号値の変化がユーザー・パラメータvdeltaを超えたときだけイベントを生成するものです。alwaysブロックでは、V(e)でプローブされる入力electrical信号にabsdelta関数を使います。

この方法では、以下の波形がプロットされます:

ここで、

赤は正弦波電圧のelectrical入力を表しています。
黄色はE2R変換を表しています。
緑はE2R変換が動作しているときにモニタするクロック信号イベントを表しています。

よくある間違い

方法#1: crossの許容誤差 (時間の許容誤差または式の許容誤差) のいずれかを忘れています。
方法#2: electrical信号の周期に対してサンプリング周期を大きすぎる値に定義しています。シャノンの定理では、electrical入力信号の予想される最小周期のトーンよりも、少なくとも1/2以下にすることが望ましいとされています。
方法#3: electrical入力の期待される差分変化よりも大きい値をvdeltaとして使用しています。
方法#1と#3: VTOLとTTOL許容誤差を定義し忘れています。シミュレータによって定義が異なる可能性があるので、それらを定義することは重要です。

方法の比較

方法#1: この方法のデメリットは、通常、E2R変換用にelectricalソルバで非常に多数のブレークポイントが定義されることです。
方法#2: この方法では、アプリケーションの要求に応じてサンプリング周期tsを最適化するために、あらかじめ入力信号周波数の最大値を知る必要があります。この変換は、electricalのDC、方形波、矩形波に対しては非効率的かもしれません。
方法#3: この方法は、electrical入力でvdeltaの変化がみられたときだけelectrical変換をトリガします。この変換は、electricalのDC、方形波、矩形波に対して効率的かもしれません。

結論

異なる信号周波数に適用できるというメリットがあるため、通常は、ミックスシグナルのエンジニアは方法#3を選択するでしょう。変換は、vdeltaの値でトリガされます。それはアナログ・デジタル変換器のLSB (Least Significant Bit) のようなものだと考えることができます。また、CadenceのE2Rコネクトモジュールも類似の方法を使用しています。

ここで紹介したコンセプトは、Xceliumに同梱されたCadence SystemVerilog-AMSコンパイラを使ってコネクトモジュールを作成するときに再利用することができます。

さあ、説明した3つの方法からひとつを選択してください。Spectre AMS DesignerとVerilog-AMSまたはSystemVerilog-AMSによるE2R変換のモデリングが満足できるものになることを願っています。

~ Andre Baguenier

Translator: Haruko Tadokoro

Start Your Enginesについて

Start Your Enginesシリーズは、AMSDの新機能、既存機能を使った作業改善などのさまざまなトピックスについて、アナログ／ミックスシグナルの主題に関するエキスパートからのブログ投稿を紹介します。このシリーズの新しいブログについて通知を受け取るには、Subscriptions ボックスにEmail アドレスを入力してください。Subscription 設定手順の詳細は、Article (20493886) Title: 日本語ブログ「カスタムIC／ミックスシグナル Blogs」 Subscription 設定手順をご参照ください。

Tags:

Share Your Comment

Post (Login required)

カスタムIC／ミックスシグナル Blogs