Az analóg tervezés alapjainak megértése

Az analóg tervezés egy visszaszorulóban lévő készség, amit – bár sok mérnök számára fontos lenne – nem feltétlenül ért meg jól mindenki. A Mouser most kezdődő cikksorozatának a célja az, hogy segítsen megérteni az analóg tervezés alapjait.

I. AZ ANALÓG MÉRNÖKI ISMERETEK JELENTŐSÉGE
AZ ELEKTRONIKAI IPARBAN

Mást se hallunk manapság, mint a „digitális társadalom” és a „digitális átalakulás”, így nem csoda, hogy már-már közhelyekként tekintünk rájuk. Az ipar annyira erősen fókuszál a digitális technológiára, hogy sokan lassan elfelejtik, hogy a világ, amiben élünk nem digitális, hanem analóg alapokon épül fel. Az a hibás felfogás, miszerint az analóg technológia egyet jelent az elavultsággal és mára irrelevánssá vált, komoly következményekkel jár az iparra nézve. Emiatt ugyanis számos alap-, sőt mesterszakos mérnök is kizárólag a digitális elektronikával foglalkozik tanulmányaiban és kutatásaiban.
Mindez a megértés, valamint az analóg tervezésben és az alkalmazási képességek terén is megmutatkozó gyakorlati tapasztalatok hiányát okozza az elektronikai mérnökök körében. Tovább rontja a helyzetet, hogy számos fiatal mérnök gondolja azt, hogy az analóg áramkörök tervezése nem megfelelően meghatározott, nehéz matematikai számítások rendszeres használatát igényli, és nélkülözi mindazokat a kifinomult szoftvereszközöket, amik a digitális mérnökök számára rendelkezésre állnak. Amennyiben nem sikerül ezt a tendenciát hamarosan megfordítani, az elektronikai ipar rövid időn belül eljut arra a pontra, hogy nem lesz elég analóg tapasztalattal rendelkező mérnök a fogyasztói elvárásoknak megfelelő innovációk szállításához.

1. ábra Analóg és digitális hőmérők

 
Cikksorozatunk segítségével az analóg tervezéssel kapcsolatos tudás és megértés egyensúlyát szeretnénk visszaállítani. A következőkben áttekintjük az analóg áramkörök tervezésének alapjait és azokat az elérhető eszközöket, amik a mérnökök számára lehetővé teszik a magabiztos tervezést. Bemutatjuk, hogy az analóg áramkörtervezés fejlődése nem állt meg, és mára rendkívül jól strukturált módszertannal rendelkezik. Felfedezünk néhány olyan fejlett hardver- és szoftvereszközt, amelyek lecsökkentik a szükséges összetett, kézi számítások mennyiségét. Remélhetőleg elérjük azon célunkat, hogy minél több fiatal mérnököt bátorítsunk arra, hogy az analóg áramkörök tervezésére, mint karrierkilátásaikat tovább javító, magas presztizzsel rendelkező és kifizetődő készségre tekintsenek.

Mi az, hogy „digitális” és „analóg”?

Az analóg kifejezés olyan jelekre és adatokra vonatkozik, amelyeket egy folyamatosan változó fizikai mennyiség képvisel. Az analóg mennyiségek közé tartozik például a feszültség, a fény, a hő,
a nyomás és a hang. Ezzel szemben egy mennyiség digitális ábrázolása csak egy előre meghatározott számú előre megadott (vagy diszkrét) érték lehet. Az analóg és digitális megközelítések közti különbség jól szemléltethető az alábbi néhány példával:

• Digitális értékről van szó, amikor egy szoba világítását – teljesen – le- vagy felkapcsoljuk, míg az analóg megközelítésben egy fényerő-szabályozó kapcsolóval beállítható a kívánt fényerősség.
• Digitális termosztát használatával a fűtőtest ki- és bekapcsol, amikor a helyiség hőmérséklete egy előre beállított értéket meghalad vagy az alá esik. Az analóg termosztát folyamatosan szabályozza a fűtőberendezés teljesítményét, hogy a helyiség hőmérsékletét a beállított értéken tudja tartani.
• Az erősítő, amin a hangerő gombok nyomásával adott értékekre állítható be, digitális működésű, analóg ezzel szemben az a megoldás, ahol a hangerő egy tekerőgomb segítségével szabályozható és bármilyen kívánt értékre beállítható.

Az analóg értékeket azért alakítják át digitális formába, mert az adatok a digitális áramkörökkel gyorsan feldolgozhatók. Ez nem jelenti azt azonban, hogy a digitális jelek minden esetben a lehető legpontosabbak. Ha egy hőmérő példáját vesszük, az analóg megoldással szemben a digitális hőmérő csupán periodikus időintervallumokban méri a hőmérsékletet – ezt az eljárást nevezik mintavételezésnek, ráadásul a mért eredmény kijelzése csupán egy előre megadott értékkészletből lehetséges – ezt a folyamatot nevezik kvantálásnak.
Ahhoz, hogy a digitális hőmérő (1. ábra) frissíthesse a kijelzőjén látható értéket, először mérést kell végeznie (ami megtörténhet azután, hogy a hőmérséklet-változás bekövetkezett), és a mért változásnak nagyobbnak kell lennie a hőmérő által felismerhető legkisebb előre beállított értéknél. Mindazonáltal a legújabb digitális műszerek tervezésénél már hangsúlyt fektettek arra, hogy képesek legyenek gyors méréseket végezni és kisebb változásokat is érzékelni (mivel nagyszámú diszkrét értékkel rendelkeznek). Bár sosem lesznek annyira pontosak, mint analóg társaik, többnyire megfelelő teljesítménnyel rendelkeznek az alkalmazási igényeik kielégítéséhez.

Érzékelők

Egy érzékelő (vagy átalakító) azt a célt szolgálja, hogy az energia egy bizonyos formáját egy másikba alakítsa át, például hőmérsékletet, fényt vagy hangot – jellemzően analóg feszültségjel formájában megjelenő – elektromos energiává. A hőmérséklet-érzékelő szenzorok általában termoelemek vagy ellenállás-hőmérős érzékelők, a fény érzékelésére fotodiódákat, a hanghoz pedig mikrofonokat használnak.
Az érzékelők többsége analóg elven működik, és az általuk előállított elektromos kimeneti jelek nagyon kicsik (millivolt vagy annál is kisebb tartomány). Emiatt az előállított jelet kondicionálni szükséges zajszűrés és amplitúdó vagy jelszint növelése céljából, mielőtt átalakíthatók lennének a vezérlőrendszer által elvárt digitális formába. Az érzékelő és a kondicionálást végző áramköröket analóg jelláncnak nevezik (ilyenek pl. az erősítők, szűrők és adatátalakítók).

II. A JELLÁNC ALAPJAI

Az analóg mérnöki ismeretekről szóló cikksorozatunk következő nagy fejezete az analóg jellánc működését veszi górcső alá, majd áttekintjük a komponensek főbb specifikációit.
Számos, nap mint nap használt elektronikai eszköz, amelyektől egyre jobban függünk, egyszerűen nem működne a valós bemeneti jelek mérnökök által megtervezett alkalmazásai nélkül.

Mit nevezünk analóg jelláncnak?

Az analóg jellánc (lásd 2. ábra) négy fő részegységből áll: érzékelők, erősítők, szűrők és adatátalakítók (ADC), amelyek az analóg jelek érzékelésére, kondicionálására és – a mikrokontroller (vagy bármely más digitális vezérlőegység) általi feldolgozásra alkalmas – digitális formába történő átalakítására szolgálnak.

2. ábra Az analóg jellánc blokkdiagramja

Érzékelők

Az analóg jellánc legelső eleme az érzékelő (amit gyakran átalakítónak is neveznek), ami érzékeli a bemeneti jeleket és – jellemzően analóg feszültség vagy árammennyiség formájában – elektromos energiává alakítja azokat. Az érzékelők különböző fizikai elvek alapján működnek, ezekből néhány példa:

• Hőmérséklet – termoelemek és ellenállás-hőmérős érzékelők (RTD)
• Nyomás – nyúlásmérők vagy kapacitív membránok
• Pulzus – EKG-elektródák
• Fény – fotoellenállások
• Hang – mikrofonok

A feszültségkimenettel ellátott érzékelők esetében a kimeneti tartomány jellemzően a néhány mikrovolttól (µV) a néhány millivoltig (mV) terjed, ami miatt a jel túlságosan érzékeny a környezeti elektromos zajforrásokból származó zavarásra. A zaj sokféle forrásból származhat, de leegyszerűsítve nevezhetjük őket elektromágneses interferenciának (EMI) vagy rádiófrekvenciás interferenciának (RFI). Ennek a problémának a megoldása érdekében a jelet általában két kimenet közötti különbségként (differenciál) mérik, így a megegyező zajjelek kiszűrhetők.

Erősítők

Az analóg jellánc második komponense a differenciálerősítő. Ez egy olyan elektronikus áramkör, ami képes az érzékelő kimeneti jelének amplitúdóját egy „A” skálázási tényezővel megnövelni az alábbi képlet szerint, ahol az „A” megnevezése: erősítés.

V_kimenet = A * V_bemenet

Erősítőre azért van szükség, mert az érzékelők jele általában túlságosan gyenge ahhoz, hogy a jellánc végén elhelyezkedő analóg-digitális átalakító képes legyen azt digitális formába átalakítani. Az erősítő olyan szintre növeli a jel amplitúdóját, amit a konverter hatékonyan képes olvasni. Az erősítő által előállítható maximális kimeneti feszültség közel esik a tápellátását biztosító tápegység feszültségszintjéhez.
Egy másik fontos szempont, amit a mérnököknek figyelembe kell venniük a tervezés és a komponensek kiválasztása során, az a jel-zaj arány (signal-to-noise ratio – SNR). Ennek mértékegysége a decibel, értéke a jel erőssége és a nem kívánt zaj aránya. Magas SNR dB érték erős jelet indikál, amely képes jobban ellenállni a zaj hatásainak.
Számos alkalmazás esetében használnak programozható erősítésű erősítőt (PGA) egy automatikus erősítésszabályozó áramkörrel (AGC) együtt, amely képes dinamikusan növelni vagy csökkenteni az erősítést, amennyiben az érzékelő jel erőssége egy várt tartományon kívülre kerül (a környezet vagy más tényezők hatása miatt). Ha az érzékelő jele túl erős, az erősítő telítődhet, és ennek eredményeképp olyan kimeneti jelet próbál előállítani, ami fizikailag nem lehetséges.

Szűrők

A nem kívánt frekvenciakomponensek eltávolítása érdekében az érzékelő jelének erősítést követően át kell haladnia egy analóg szűrőáramkörön. Az analóg szűrőáramkörök három fő kategóriára oszthatók:

• Aluláteresztő (low-pass) szűrő (magas frekvenciájú jeleket távolít el)
• Felüláteresztő (high-pass) szűrő (alacsony frekvenciájú jeleket távolít el)
• Sáváteresztő (band-pass) szűrő (csak egy megadott tartományon belül eső jeleket enged át)

A szűrőáramkörök kondenzátorokból, ellenállásokból és egy műveleti erősítőből épülnek fel. (3. ábra).

3. ábra Aluláteresztő szűrő áramkör egy műveleti erősítővel

A szűrők legfontosabb teljesítményjellemzői a következők:

• A szűrő sávszélessége: az a frekvenciatartomány, amelyet az áramkör amplitúdócsökkenés (csillapítás) nélkül átenged, ahol a 3 dB-es sarokfrekvencia (vagy frekvenciák) az a teljesítmény, amelyen a kimeneti jel a bemeneti teljesítmény felére esik.
• Roll-Off: a csillapítás mértéke. Azt mutatja meg, hogy a szűrő milyen gyorsan zárja ki a bemeneten megjelenő nem kívánt frekvenciakomponenseket, mértékegysége dB/dekád. A gyorsabb roll-off értékkel rendelkező szűrők több alkatrészt igényelnek, ami növeli a komplexitást és a költségeket.
• Fázis: a bemeneti és a kimeneti jelek közötti relatív késleltetés. Fontos tényező, amennyiben a jelláncban visszacsatolási hurkot használnak, mivel ez a paraméter hatással lehet a hurok stabilitására.

Analóg-digitális átalakítók
(ADC-k)

Az analóg jellánc utolsó eleme, ami az analóg jelek tényleges átalakítását végzi digitális formára, az analóg-digitális átalakító (ADC). Ahhoz, hogy az ADC képes legyen visszaadni az analóg jel pontos digitális megfelelőjét, a jel legmagasabb frekvenciájú komponensének kétszeresével kell mintavételeznie (ezt nevezzük Nyquist-frekvenciának). Ezt egy mintavételező és tartó áramkör segítségével végzi, amely rendszeres időközönként méri az analóg bemeneti feszültséget, és állandó szinten tartja mindaddig, amíg az ADC elvégzi az átalakítást, majd továbblép a következő mintára.
A konverziós eljárás következő lépése a kvantálás, ahol a mintavételezett feszültségérték összevetésre kerül egy meghatározott számú, egyedi digitális kóddal azonosítható diszkrét értékkel. Például egy négybites ADC esetében 16 (24) diszkrét érték érhető el a minta ábrázolásához. A több bitet kezelő konverterek nagyobb felbontással (pontossággal) rendelkeznek, mivel több diszkrét érték áll rendelkezésükre a kvantáláshoz. A lehetséges kimeneti értékek száma minden egyes bittel megduplázódik. A leg­gyakoribb ADC-architektúrák:

• Fokozatos közelítéses regiszter (Successive Approximation Register – SAR)
• Szigma-Delta
• Azonnali (Flash)
• Pipelined

Az analóg jellánc olyan áramkörök sorozata, amelyek analóg jelek pontos érzékeléséhez, kondicionálásához és digitális formába történő átalakításához szükségesek. Az elektronikai iparnak szüksége van analóg áramkörökkel kapcsolatos tudással és tapasztalattal rendelkező elektronikai mérnökökre, hogy képes legyen megbízható és hatékony teljesítményt nyújtó termékek tervezésére.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Franchised Distributor
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU