Może wydawać się dziwne, że w świecie cyfrowym najdroższe zegarki są wciąż analogowe. Dzieje się tak, ponieważ stworzenie przyrządu, który stale wyświetla dokładną porę dnia, wymaga sporych umiejętności. Zegarki analogowe przypominają nam, że natura nie jest cyfrowa i dlatego zawsze będą potrzebni inżynierowie z umiejętnościami projektowania analogowego. Umiejętności te są, niestety, coraz rzadsze ze względu na błędne wyobrażenie, że projektowanie analogowe jest „przestarzałe” i „trudne”.
Projektowanie układów analogowych, chociaż w przeszłości mogło być przedstawiane jako „czarna magia” wymagająca żmudnych obliczeń ręcznych, nieporęcznego sprzętu laboratoryjnego i stosowania wyrobionych zasad, dziś uległo znacznym zmianom. Obecnie projektanci urządzeń analogowych mają dostęp do innowacyjnych narzędzi sprzętowych i programowych, które wcześniej były dostępne wyłącznie dla projektów cyfrowych. W tym artykule przyjrzymy się tradycyjnemu podejściu do projektowania obwodów analogowych. Następnie pokażemy niezwykły wpływ, jaki nowe narzędzia mogą mieć na wykonywanie tych samych zadań i na uatrakcyjnienie projektowania obwodów analogowych dla nowego pokolenia inżynierów.
Analogowy łańcuch sygnałowy
Podobnie jak upływ czasu, zjawiska naturalne takie jak światło, ciepło i ciśnienie są wielkościami analogowymi, czyli zmieniają się w sposób płynny. Czujniki (zwane również przetwornikami) przekładają te sygnały na napięcie analogowe wprowadzane do elektronicznego systemu sterowania (np. centralnego ogrzewania). Ten sygnał jest zwykle słaby i często zakłócony innymi sygnałami odebranymi w niezamierzony sposób przez czujnik. Bez obróbki nie nadaje się więc do wykorzystania przez cyfrowy mikrokontroler. Aby temu zaradzić, projektanci obwodów analogowych opracowali ciąg obwodów znany jako analogowy tor sygnałowy, który modyfikuje wyjście z czujnika, czyniąc je użytecznym dla systemu (Rysunek 1).
Rysunek 1. Analogowy tor sygnałowy: czujnik – wzmacniacz – filtr – przetwornik ADC
Na powyższym schemacie blokowym wzmacniacz zwiększa amplitudę sygnału z czujnika, a obwód filtra usuwa niepożądane sygnały i szumy (o wyższych lub niższych częstotliwościach). Wzmocniony i odfiltrowany sygnał wyjściowy z czujnika jest następnie podawany do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), w którym dokonuje się konwersja na format cyfrowy, nadający się do przetwarzania przez mikrosterownik systemu. Chociaż zadanie to może wydawać się proste, różnorodność typów czujników i warunków pracy sprawia, że zaprojektowanie analogowego łańcucha sygnałowego stanowi wyzwanie. W dalszej części zobaczymy, dlaczego projektowanie obwodów filtrów analogowych było zadaniem czasochłonnym.
Stara szkoła projektowania filtrów
Obwód filtra analogowego zazwyczaj składa się z kilku elementów aktywnych i pasywnych (wzmacniaczy, rezystorów, kondensatorów, czasem cewek indukcyjnych). Sytuację dodatkowo komplikuje różnorodność typów filtrów i związanych z nimi parametrów. Niezbędne jest metodyczne podejście do projektowania, w którym pierwszym krokiem będzie podjęcie decyzji o rodzaju filtra odpowiedniego do danego zastosowania. Dostępne opcje obejmują:
- Filtr dolnoprzepustowy (LPF) do tłumienia sygnałów o wysokiej częstotliwości,
- Filtr górnoprzepustowy (HPF) do tłumienia sygnałów o niskiej częstotliwości,
- Filtr środkowoprzepustowy, inaczej pasmowy (BPF), który przepuszcza tylko sygnały w określonym zakresie częstotliwości.
Następnym krokiem jest wybór funkcji przenoszenia (transmitancji) filtra, która spełni warunki specyfikacji, w tym:
- Pasmo – zakres częstotliwości, które obwód przepuszcza bez tłumienia (z niewielkim spadkiem amplitudy lub nawet bez spadku).
- „Roll-off” – czyli stromość charakterystyki w paśmie przejściowym, tj. szybkość zmian poziomu tłumienia pomiędzy pasmem przenoszenia a zaporowym.
- Faza – względne opóźnienie między sygnałem wejściowym i wyjściowym. Ważna, gdy w łańcuchu sygnałowym znajduje się pętla sprzężenia zwrotnego, ponieważ może wpływać na stabilność układu.
Funkcja przenoszenia to złożony wzór matematyczny opisujący odpowiedź częstotliwościową filtra (zależność między sygnałami wejściowymi i wyjściowymi). Projektanci obwodów analogowych muszą jak najdokładniej dopasować wymaganą charakterystykę częstotliwościową filtra do wstępnie obliczonych charakterystyk częstotliwościowych różnych typów filtrów, np. tych z tabel filtrów (Butterwortha, Bessela, Czebyszewa i innych). Po wybraniu typu filtra, który będzie najlepiej pasować do pożądanych parametrów, projektant musi obliczyć wartości komponentów, aby zbudować (lub zasymulować) rzeczywisty obwód. Po zakończeniu tego etapu należy ocenić działanie filtra, aby sprawdzić, czy spełnia wymagane specyfikacje. Może to być proces czasochłonny i czasami frustrujący, który często trzeba powtarzać kilka razy, aż do osiągnięcia najlepszego kompromisu.
Nowoczesne techniki projektowania filtrów
Powyższa procedura projektowania analogowego może być dobrze znana wielu inżynierom, lecz dzięki dostępności narzędzi takich jak Analog Filter Wizard firmy Analog Devices rzeczywistość wygląda dziś zupełnie inaczej. To oprogramowanie w pełni automatyzuje proces projektowania filtra od wstępnego wyboru typu aż do fizycznego prototypu. Po dokonaniu wstępnego wyboru typu (LPF, HPF lub BPF), projektant po prostu wprowadza parametry filtra za pomocą przyjaznego dla użytkownika interfejsu graficznego, który wyświetla i dynamicznie aktualizuje wizualną reprezentację odpowiedzi częstotliwościowej filtra (rysunek 2).
Rysunek 2. Ustawianie charakterystyki częstotliwościowej filtra w oprogramowaniu Analog Filter Wizard
Dalsze poprawki są bardzo proste i wymagają jedynie wprowadzenia nowych wartości parametrów i (lub) przesunięcia suwaka. Po określeniu żądanej odpowiedzi częstotliwościowej narzędzie automatycznie wyświetla obwód, który ją zapewni (rysunek 3). Projektant nie musi ręcznie dopasowywać funkcji przenoszenia do tabel z różnymi typami filtrów. Program podaje nawet wartości elementów obwodu, bez potrzeby wykonywania obliczeń matematycznych. To narzędzie nie tylko projektuje „idealny” model obwodu, lecz również pozwala projektantom podać tolerancje poszczególnych komponentów i sprawdzić „rzeczywiste” działanie obwodu. Oprogramowanie generuje też w pełni funkcjonalne pliki SPICE (niewymagające debugowania), które umożliwiają szybką i łatwą symulację wpływu temperatury i napięcia.
Rysunek 3. Obwód filtra dla pożądanej odpowiedzi częstotliwościowej
Nowoczesny sprzęt pomiarowy
Znacznemu udoskonaleniu oprogramowania towarzyszy równie imponujący postęp w dostępnych narzędziach sprzętowych. W przeszłości inżynierowie analogowi budowali obwody w laboratorium, ponieważ niezbędne oprzyrządowanie – osobny zasilacz, oscyloskop i generator sygnału – było nieporęczne i niezbyt przenośne. Podłączenie wszystkich elementów do obwodu szybko skutkowało zagmatwaną plątaniną przewodów i sond, która utrudniała wyszukiwanie usterek. Na szczęście tę skomplikowaną instalację można teraz zastąpić jednym przyrządem zasilanym przez USB – Digilent Analog Discovery 2 – który łączy funkcje oscyloskopu, generatora sygnału i zasilacza w poręcznej obudowie. Dzięki temu, aby szybko skonfigurować i ocenić działanie obwodu, projektant układu analogowego potrzebuje teraz tylko laptopa i nawet może się obyć bez wizyty w laboratorium. Bardziej specjalistyczne projekty mogą nadal wymagać dedykowanego stanowiska laboratoryjnego, lecz do wielu zastosowań ogólnych podejście firmy Digilent jest idealne.
Rysunek 4. Digilent Analog Discovery 2 zastępuje trzy elementy wyposażenia laboratoryjnego
Podsumowanie
Bez obwodów analogowych świat cyfrowy, który jest dla nas czymś oczywistym, nie mógłby istnieć. Sygnały analogowe mogą mieć dowolną wartość w dowolnym momencie, co sprawia, że projektowanie obwodów analogowych stanowi wyzwanie. Jednakże rozwój zaawansowanych narzędzi projektowych (zarówno programowych, jak i sprzętowych) zautomatyzował wiele trudniejszych zadań projektowych. Projektanci układów analogowych zawsze będą poszukiwani, a możliwość pracy z przedstawionymi najnowocześniejszymi narzędziami z pewnością pobudzi ponowne zainteresowanie tą działką elektroniki wśród młodych inżynierów.
