Analog Devices udostępnia zestaw darmowych narzędzi przydatnych podczas projektowania niezawodnych, precyzyjnych front-endów analogowych.

Narzędzia są zebrane w jeden pakiet ADI Precision Studio (rys. 1) zawierający szereg specjalizowanych funkcji służących do obliczeń typowych obwodów analogowych wchodzących w skład złożonych urządzeń elektronicznych. Obliczenia nie wymagają instalowania jakiejkolwiek aplikacji na komputerze, tablecie czy telefonie, potrzebny jest natomiast dostęp do Internetu. Wszystkie operacje są wykonywane on-line po kliknięciu na ikonkę symbolizującą interesującą nas funkcję.

Rys. 1. Zestaw narzędzi ADI Precision Studio

Zestaw zawiera 8 narzędzi służących do obliczeń:

• łańcucha sygnałowego,
• filtra aktywnego,
• wzmacniacza stopni wejściowych układów akwizycji danych;
• układów z fotodiodą,
• układów z przetwornikiem cyfrowo-analogowym DAC (obliczanie całkowitego błędu podsystemu przetwornika cyfrowo-analogowego),
• sterowników przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC),
• układów DDS,
• wirtualnej chmury.

Przykładowy projekt

Możliwości pakietu są tak duże, że najłatwiej będzie go opisać na przykładzie konkretnego zastosowania. Będzie to względnie proste urządzenie mierzące sygnał z tensometru, wzmacniający go tak, aby można go było przetworzyć na postać cyfrową i wyświetlić wynik np. w liczbowo lub w postaci wykresu. Zajmiemy się przy tym wyłącznie częścią analogową tego urządzenia, ponieważ uzyskanie wyniku końcowego to już typowe zajęcie dla programistów.

Załóżmy, że do dyspozycji będziemy mieć tensometr o rezystancji 330 W w konfiguracji pełnego mostka, a układ będzie zasilany jednym napięciem 3,3 V. Możemy też założyć, że przetwornik analogowo-cyfrowy będzie wymagał sygnału zawierającego się w przedziale od 0 do 2,5 V i będzie komunikował się z mikrokontrolerem za pośrednictwem interfejsu SPI. Mikrokontroler dostanie więc dane cyfrowe, a to jak zostaną wykorzystane, będzie zależeć już tylko od inwencji i umiejętności programisty. Dla wygody tego projektu założymy ponadto, że nasz układ nie musi odznaczać się wygórowanymi parametrami częstotliwościowymi. Przykładowym zastosowaniem może więc być waga łazienkowa lub kuchenna.

Określenie wymagań

Tensometr jest takim rodzajem czujnika, który wytwarza bardzo mały sygnał wyjściowy. Przyjmijmy, że dla pełnego zakresu pomiarowego będą to 4 miliwolty. Zgodnie z poczynionymi założeniami, napięcie to powinno być wzmocnione tak, aby dla maksymalnego sygnału wejściowego odpowiadającego zakresowi pomiarowemu napięcie na wejściu przetwornika ADC było równe 2,5 V. Wzmocnienie układu kondycjonującego powinno więc wynosić: k_u=2,5/0,004=625 V/V.

Sygnał z tensometru wagi można zakwalifikować do bardzo wolno zmiennych. Najlepiej, aby po położeniu mierzonego ciężaru na wadze początkowe oscylacje były szybko gaszone, a w trakcie pomiaru sygnał nie powinien ulegać wahaniom. Przyjmiemy, że zastosowany tu filtr dolnoprzepustowy będzie miał częstotliwość graniczną (-3 dB) równą 2 Hz.

Obliczenia z użyciem ADI Precision Studio

Krok 1.

Rys. 2. Wybór narzędzia służącego do obliczeń łańcucha sygnałowego

W oknie głównym klikamy na pierwszą ikonkę (rys. 2), co powoduje otwarcie narzędzia służącego do projektowania całego łańcucha sygnałowego. Okno, które zostaje wyświetlone w tej chwili zawiera zestaw czujników, z których możemy skorzystać. Jest wśród nich tensometr małosygnałowy, który wybieramy do dalszych obliczeń (rys. 3). W chwilę po tym okno jest uzupełnione o zaproponowaną przez program konfigurację układową (rys. 4). Aby przejść do dalszych obliczeń należy nacisnąć przycisk ekranowy „Start with this Example”.

Rys. 3. Wybór czujnika – tensometru małosygnałowego

Rys. 4. Akceptacja łańcuch sygnałowego

Krok 2.

Można powiedzieć, że właściwie jeszcze niczego nie zrobiliśmy, a już połowa roboty jest za nami. Bo oto zostało wyświetlone okno zawierające niemal kompletny schemat łańcucha sygnałowego, włączenie z zaproponowanymi układami firmy Analog Devices. A jakże, nie mogło być przecież inaczej. Pozostało więc właściwie tylko podstrojenie elementów. Dla bardziej wymagających konstruktorów pozostawiono jednak możliwość ingerencji w każdy blok funkcjonalny schematu, nawet jego strukturę.

Klikamy na mostek widoczny na początku łańcucha sygnałowego (rys. 5). Musimy zmienić rezystancję gałęzi mostka, gdyż program zaproponował 10 kW, a w naszym mostku tensometry mają rezystancję 330 W. Zmiany potwierdzamy naciskając przycisk ekranowy „Use this sensor”.

Rys. 5. Okno konfigurowania parametrów mostka tensometrycznego

Krok 3.

W tym kroku zmienimy nieco konfigurację układową. Ze względu na wymagane duże wzmocnienie (625 V/V) zastosujemy wzmacniacz pomiarowy z wejściem różnicowym i wyjściem asymetrycznym. Program zaproponował ustawienie filtru bezpośrednio za mostkiem, ale w takiej konfiguracji moglibyśmy mieć problem ze wzmacniaczem gwarantującym wymagane wzmocnienie, szczególnie wtedy, gdy układ ma być zasilany jednym napięciem 3,3 V. W górnej sekcji okna, w której jest wyświetlany schemat blokowy, należy więc przestawić miejscami wzmacniacz i filtr. Spowoduje to wyświetlenie ostrzeżenia obłędzie (rys. 6), gdyż program przyjął domyślnie filtr z wejściem symetrycznym, a wzmacniacz pomiarowy, który teraz będzie nim sterował ma wyjście asymetryczne. Nie musimy się jednak tymi błędami przejmować, poprawimy to w kolejnej fazie projektu. Klikamy więc na wzmacniacz wejściowy w górnej sekcji okna, powodując wyświetlenie zaproponowanego układu scalonego, który miałby pełnić funkcję wzmacniacza wejściowego. Zmienimy go na wzmacniacz pomiarowy AD623. Wystarczy kliknąć na wyświetlany typ układu. Spowoduje to wyświetlenie bogatej listy elementów z oferty Analog Devices, z której wybieramy właśnie układ AD623. Warto zauważyć, że lista zawiera szereg parametrów każdego układu włącznie ze statusem produkcyjnym. Możemy już na tym etapie pracy nad projektem uniknąć zastosowania elementu wycofanego z produkcji lub niezalecanego do używania.

Rys. 6. Komunikaty o błędach, które pojawiły się po zmianie zaproponowanej konfiguracji

W wyświetlanych w tym oknie polach określających parametry wzmacniacza ustalamy parametry na: Gain=625, Level Shift=1 V (napięcie wyjściowe wzmacniacza dla zerowego sygnału wejściowego pobieranego z mostka powinno być równe zero, ponieważ waga nie będzie mierzyła ujemnych wartości). Gdybyśmy ustalili jakąś wartość różną od zera, do wejścia REF układu AD623 zostałoby dołączony układ wytwarzający odpowiednie napięcie referencyjne. W naszym przypadku wejście to jest dołączone o masy (GND). W centralnej części okna widzimy charakterystykę częstotliwościową wzmacniacza. Jeśli wszystko jest w porządku (rys. 7) zatwierdzamy konfigurację klkając na „Use his Amplifier”.

Rys. 7. Ustawianie parametrów wejściowego wzmacniacza pomiarowego

Krok 4.

Kolejną operacją jest strojenie filtru wejściowego i konieczna zmiana jego konfiguracji. Klikamy więc na ikonkę filtru w sekcji schematu blokowego i wybieramy kolejno: „Type” -> „Single Ended” -> „Low Pass”. Wybieramy opcję „2 order”, ustalamy „Natura frequency” ma 2 Hz i „Gain”=1. Wybieramy jeszcze konfigurację układową. Klikamy „Circuit” -> „Selen Key”

Na ekranie zostaje wyświetlona charakterystyka częstotliwościowa (rys. 8). Po najechaniu na nią myszką pojawia się kursor pomiarowy, za pomocą którego można mierzyć parametry filtru w różnych punktach jego charakterystyki. Trzeba jeszcze tylko upewnić się, że wzmacniacz operacyjny jest zasilany pojedynczym napięciem 3,3 V i jak zwykle konfigurowanie filtru kończymy naciskając przycisk „Use his Filter Circuit”.

Rys. 8. Konfigurowanie filtru dolnoprzepustowego

Krok 5.

Niestety, po zaakceptowaniu parametrów filtru pojawiło się ostrzeżenie na połączeniu jego wyjścia z wejściem przetwornika ADC (rys. 9). Klikając na to ostrzeżenie możemy zgodzić się na propozycję umieszczenie w tym miejscu stopnia buforowego, jakim będzie wzmacniacz o wzmocnieniu 1 V/V (rys. 10). Należy, już tylko dla formalności, sprawdzić czy zaproponowany wzmacniacz operacyjny będzie miał pojedyncze napięcie zasilające 3,3 V.

Rys. 9. Komunikat o błędzie, jaki pojawił się po skonfigurowaniu filtru FDP

Rys. 10. Parametry układu buforującego

Krok 6.

Tu właściwie nie mamy już nic do zrobienia. Możemy ewentualnie przyjrzeć się bliżej zaproponowanemu przetwornikowi ADC i ewentualnie go zmienić. Na tym etapie mamy kompletny schemat naszej wagi

Krok 7.

W zasadzie cały projekt został już zakończony. W ostatnim kroku możemy jeszcze spojrzeć na całość pod nieco inny kątem. W głównym oknie jest pole niepozornej, ale bardzo ciekawej listy rozwijanej dającej nam możliwość końcowej analizy całego projektu. Rozwijając ją można m.in. analizować końcowy schemat ideowy, badać sygnał w różnych punktach układu, mierzyć szum w różnych punktach układu wraz z jego widmem. Pozwoli to zlokalizować najbardziej szumiące bloki urządzenia. Być może jakaś ich modernizacja może zmniejszyć szumy. Mamy też budżet mocy i błąd DC (rys. 11).

Rys. 11. Lista rozwijana z różnymi opcjami analizy układu

Naciskając przycisk „Next Steps” można wygenerować pliki do symulacji w programie LTspice, wysyłać różne parametry liczbowe w plikach CSV, ściągać i zapisywać wszystkie pliki związane z projektem (rys. 12).

Rys. 12. Opcje ściągania i zapisywania plików projektu oraz generowania plików do analizy w programie LTspice

Podsumowanie

Na razie opisany, i tak bardzo powierzchownie, blok „Signal Chain Designer” jest dostępny w wersji beta, pozostałe bloki nie mają tego dopisku. Cały pakiet stanowi potężne narzędzie wspomagające proce projektowania układów analogowych. Trudno w tej chwili wyobrazić sobie czy, i jak będzie on ewoluował. Sytuacja jest nieco podobna do historii LTspice’a, który debiutował jako Switcher CAD w roli zachęty do sięgania po układy nieistniejącej już firmy Lineał Technologies. Notabene wykupionej przez Analog Devices. W ADI Precision Studio również pojawiają się wyłącznie układy z aktualnej oferty Analoga. Jest to narzędzie które z pewnością powinno być pod ręką każdego konstruktora zajmującego się układami analogowymi. Warto też skorzystać z samouczków dostępnych w Internecie pokazujących na przykład jak zmieniają się parametry jakiegoś układu pod wpływem zmian wartości niektórych jego elementów.

Więcej informacji: film 1,  film 2