將模擬電路設(shè)計(jì)帶入數(shù)字時(shí)代

在數(shù)字世界中，一些最昂貴的手表是模擬的，這似乎很奇怪。這是因?yàn)閯?chuàng)建一個(gè)能夠連續(xù)顯示一天中準(zhǔn)確時(shí)間的儀器需要很多技巧。模擬手表提醒我們，自然世界不是數(shù)字的，因此總是需要具有模擬設(shè)計(jì)技能的工程師。不幸的是，由于錯(cuò)誤地認(rèn)為模擬設(shè)計(jì)“過(guò)時(shí)”和“困難”，這些技能變得越來(lái)越稀缺。

雖然在過(guò)去，它可能被描述為一種“黑暗藝術(shù)”，需要結(jié)合繁瑣的手工計(jì)算、笨重的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)法則，但模擬設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)生了很大變化。如今，模擬設(shè)計(jì)人員可以使用以前只有數(shù)字設(shè)計(jì)人員才能使用的創(chuàng)新硬件和軟件工具。在本文中，我們將回顧模擬設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)使用的傳統(tǒng)方法。然后，我們強(qiáng)調(diào)新設(shè)計(jì)工具在執(zhí)行這些相同任務(wù)時(shí)可能產(chǎn)生的非凡影響——幫助模擬電路設(shè)計(jì)對(duì)下一代工程師更具吸引力。

模擬信號(hào)鏈與時(shí)間一樣，光、熱和壓力等自然現(xiàn)象都是模擬量，這意味著它們不斷變化。傳感器（也稱為傳感器）將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓，形成電子控制系統(tǒng)（例如中央供暖）的輸入。該電壓信號(hào)通常很小，并且經(jīng)常被傳感器無(wú)意中拾取的其他信號(hào)污染，使其原始形式不適合系統(tǒng)中的數(shù)字微控制器使用。為了克服這個(gè)問(wèn)題，模擬工程師開(kāi)發(fā)了一系列稱為模擬信號(hào)鏈的電路，它可以修改傳感器輸出，使其對(duì)系統(tǒng)有用（圖 1）。

圖 1. 模擬信號(hào)鏈。

在上面的框圖中，放大器增加了傳感器信號(hào)的幅度，而濾波器電路去除了不需要的信號(hào)和噪聲（更高或更低的頻率）。放大和濾波后的傳感器輸出隨后被饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，在此它被轉(zhuǎn)換為適合系統(tǒng)微控制器處理的數(shù)字格式。雖然這項(xiàng)任務(wù)看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但傳感器類型和工作條件的組合使模擬信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。在下一節(jié)中，我們將探討為什么模擬濾波器電路的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上是耗時(shí)的。

老式過(guò)濾器設(shè)計(jì)

模擬濾波器電路通常由幾個(gè)有源和無(wú)源元件（運(yùn)算放大器、電阻器、電容器，有時(shí)還有電感器）組成。由于可用的過(guò)濾器類型及其相關(guān)規(guī)格的多樣性，設(shè)計(jì)任務(wù)變得更加復(fù)雜。需要有條不紊的設(shè)計(jì)方法，其中第一步是確定應(yīng)用所需的過(guò)濾器類型。可用選項(xiàng)包括：

低通（或 LPF 去除高頻信號(hào)）

高通（或 HPF 去除低頻信號(hào)）

帶通（或僅允許定義頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)的 BPF）

下一步是選擇滿足濾波器規(guī)格的濾波器傳遞函數(shù)，包括：

帶寬，它描述了電路允許通過(guò)不衰減的頻率范圍（幅度很少或沒(méi)有減少）。

“滾降”，描述衰減率或?yàn)V波器開(kāi)始去除傳感器信號(hào)中不需要的頻率分量的速度。

相位，指輸入和輸出信號(hào)之間的相對(duì)延遲。如果在信號(hào)鏈中使用反饋環(huán)路，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響環(huán)路穩(wěn)定性。

傳遞函數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，用于描述濾波器的頻率響應(yīng)（輸入和輸出信號(hào)之間的關(guān)系）。如濾波器表（巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫等）中所述，模擬設(shè)計(jì)人員必須盡可能將所需的濾波器頻率響應(yīng)與不同濾波器類型的預(yù)先計(jì)算的頻率響應(yīng)相匹配。選擇了與所需性能最匹配的濾波器類型后，設(shè)計(jì)人員接下來(lái)必須計(jì)算元件值，以便他們可以構(gòu)建（或模擬）真實(shí)電路。完成該階段后，可以評(píng)估過(guò)濾器性能以檢查其是否符合要求的規(guī)格。這可能是一個(gè)耗時(shí)且有時(shí)令人沮喪的過(guò)程，通常需要重復(fù)多次，直到找到最佳折衷方案。

新時(shí)代的濾波器設(shè)計(jì)雖然前面描述的模擬設(shè)計(jì)過(guò)程可能對(duì)許多人來(lái)說(shuō)很熟悉，但由于提供了 ADI 公司的“模擬濾波器向?qū)А钡裙ぞ?，現(xiàn)代現(xiàn)實(shí)卻大不相同。該軟件完全自動(dòng)化了從初始濾波器選擇到實(shí)際原型設(shè)計(jì)的濾波器設(shè)計(jì)流程。在做出初始濾波器選擇（LPF、HPF 或 BPF）后，設(shè)計(jì)人員只需將濾波器規(guī)格輸入用戶友好的 GUI，該 GUI 會(huì)顯示并動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波器頻率響應(yīng)的可視化表示（圖 2）。

圖 2. 在模擬濾波器向?qū)е性O(shè)置濾波器頻率響應(yīng)。

進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整就像重新輸入規(guī)格值和/或移動(dòng)滑塊一樣容易。指定所需的頻率響應(yīng)后，該工具會(huì)自動(dòng)顯示將提供它的電路（圖 3）。設(shè)計(jì)人員無(wú)需手動(dòng)將傳遞函數(shù)與不同過(guò)濾器類型的表進(jìn)行匹配。甚至提供電路元件值，無(wú)需數(shù)學(xué)計(jì)算。該工具不僅僅提供“理想”電路模型，還允許設(shè)計(jì)人員指定組件容差，以便他們能夠感受電路的“真實(shí)世界”性能。它還提供功能齊全的 SPICE 文件（無(wú)需調(diào)試），可以快速輕松地模擬溫度和電壓的影響。

圖 3. 匹配所需頻率響應(yīng)的濾波器電路。

下一代硬件

除了軟件的顯著改進(jìn)外，可用硬件工具的進(jìn)步同樣令人印象深刻。傳統(tǒng)上，模擬工程師在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置他們的電路，因?yàn)樗麄冃枰脑O(shè)備——單獨(dú)的電源、示波器和信號(hào)發(fā)生器——很笨重并且便攜性有限。將這些設(shè)備中的每一個(gè)快速連接到電路會(huì)導(dǎo)致難以處理的電線和探頭纏結(jié)，這會(huì)使故障查找變得棘手。值得慶幸的是，現(xiàn)在可以使用單個(gè) USB 供電設(shè)備 Digilent Analog Discovery 2 來(lái)替換這種復(fù)雜的設(shè)置，它將示波器、信號(hào)發(fā)生器和電源的功能結(jié)合到一個(gè)袖珍設(shè)備中。因此，模擬工程師現(xiàn)在只需要一臺(tái)筆記本電腦即可快速設(shè)置和評(píng)估電路性能，而可能根本不需要訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)室。

圖 4. Digilent Analog Discovery 2 取代了 3 臺(tái)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

結(jié)論

沒(méi)有模擬電路，我們認(rèn)為理所當(dāng)然的數(shù)字世界就不會(huì)存在。模擬信號(hào)在任何時(shí)候都可以具有任何價(jià)值，這使得模擬電路的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。然而，復(fù)雜設(shè)計(jì)工具（軟件和硬件）的開(kāi)發(fā)已經(jīng)自動(dòng)化了許多更困難的設(shè)計(jì)任務(wù)。模擬設(shè)計(jì)工程師總是很受歡迎，使用這些前沿工具的機(jī)會(huì)肯定會(huì)激發(fā)年輕工程師對(duì)這個(gè)行業(yè)的新興趣。

審核編輯 黃昊宇