Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 1. rész

Online kalkulátorok és tervezőeszközök

Négyrészes sorozatunkban néhány olyan kihívást járunk körbe, amikkel a tervezőmérnökök gyakran szembesülnek, és megvizsgáljuk, milyen segítséget nyújtanak ezek leküzdéséhez a különböző online eszközök. Az áramkörök tervezése közben a mérnököknek sokféle számítást kell végezniük. Az alkatrészek kiválasztásától az analóg szűrők és rádiófrekvenciás áramkörök (RF) kialakításáig minden lépéshez különböző, a tervezést segítő eszközök állnak rendelkezésre. Sorozatunk első részében az online kalkulátorokat és tervezőeszközöket tekintjük át, valamint bemutatjuk néhány népszerű áramkör-szimulációs eszköz funkcióit.

A TERVEZÉSI FOLYAMAT ÁTTEKINTÉSE

Az áramkörök tervezése egy igen bonyolult folyamat. A tervező számára elengedhetetlen a rendszer és az egyes komponensek működésével kapcsolatos matematikai háttér ismerete és megértése. A számítások összetettsége függ a tervezett eszköz típusától. Minden tervezőmérnök tisztában kell hogy legyen például Ohm törvényével, ami a feszültség, az áramerősség és az ellenállás viszonyát írja le. Bizonyos területek azonban összetettebb és bonyolultabb elemzést igényelnek.
Egy hangszűrő tervezéséhez ki kell számítani az áramkör frekvenciaválaszát és stabilitását olyan matematikai eszközökkel, mint a Laplace- vagy Z-transzformáció. Rádiófrekvenciás áramkörök tervezése az elektromágneses hullámok terjedését leíró Maxwell-egyenletek alkalmazását is igényelheti.
A tervezett áramkör komponenseinek ismerete mellett a mérnökök a „parazita”-alkatrészeket is számításba kell hogy vegyék. Ilyenek az alkatrészek összekapcsolásából eredő ellenállás, induktivitás és kapacitancia. Habár ezek az értékek jellemzően nagyon kicsik, pontos számításba vételük kulcsfontosságú lehet a rendszer optimális teljesítménye szempontjából.

Tervezőeszközök használata

Még a legegyszerűbb, magától értetődő számítások esetén is kimerítő azok sorozatosan ismételt elvégzése, és hibaforrást is jelenthet. A bonyolultabb rendszerekhez szükséges számítások nehezek és időigényesek lehetnek. A tervezőeszközök felgyorsíthatják a tervezési folyamatot, és csökkenthetik a hibalehetőségeket.
A gyártók termékeik támogatása érdekében számos segédanyagot bocsátanak vásárlóik rendelkezésére, adatlapokat, referenciaterveket, és egyre gyakrabban olyan eszközöket is, amik a tervezési számításokhoz és szimulációkhoz nyújtanak segítséget. Ezek használatával a tervezőmérnökök jobban megérthetik az eszköz rendszerszintű viselkedését, és könnyebbé válik a megfelelő alkatrészek kiválasztása.
A szimulációs eszközök lehetővé teszik a mérnökök számára az áramkör különböző bemeneti jelekkel történő betáplálását és a kimeneti jelek ellenőrzését, ami alapján meggyőződhetnek arról, hogy az áramkör a tervezett módon működik-e. Számos ilyen tervezőeszköz online elérhető. Némelyikük – különösen az egyszerűbb kalkulátorok – közvetlenül böngészőben használhatók. Más alkalmazások ingyen letölthetők a gyártók vagy külső fejlesztők honlapjairól.

A LEGEGYSZERŰBB KALKULÁTOROK

Egy könnyen hozzáférhető, egyszerűen használható kalkulációs eszköz, a Texas Instruments Analog Engineer’s Calculator-a (1. ábra).
PC-n használható, grafikus interfésszel rendelkezik, és számos rutinszámításban képes segítséget nyújtani.

1. ábra A TI Calculator képernyőfotója (Forrás: Texas Instruments)

 Néhány funkciója:

• egyszerű áramköri problémák megoldása passzív alkatrészek használatával,
• visszacsatolási ellenállások kiszámítása műveleti erősítők erősítésének beállításához,
• a parazitahatások becslése egy nyomtatott áramkörben,
• analóg-digitális átalakítók (ADC) és digitális-analóg átalakítók (DAC) tervezése,
• különböző típusú érzékelők kimeneti értékeinek meghatározása.

SZIMULÁTOROK

A szimulátorok értékes segítséget nyújtanak a tervek helyességének ellenőrzéséhez, azok kivitelezését megelőzően, ezzel pénzt és időt takarítva meg. Különböző absztrakciós szinteken működnek. Például egy analóg áramköri szimulátor képes pontosan modellezni egy rendszer minden alkatrészének válaszát az idővel változó feszültségszintek mellett. Ezzel szemben egy digitális logikai szimulátor minden órajelciklusban 0 és 1 értéket reprezentál függetlenül a pontos feszültségtől és időtől.

A SPICE analóg áramkör-szimulátor

A SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis – Szimulációs program integrált áramköri hangsúllyal) egy széles körben használt analóg áramkör-szimulátor. 1973-ban hozták létre, napjainkra az iparág szabványos eszközévé vált. Számos gyártó biztosít modellt termékeikhez a SPICE-ban történő használathoz.
Egyes gyártók a SPICE-ra épülő, saját fejlesztésű szimulátorokat is kínálnak. Ilyen például az Analog Devices LTspice (2. ábra) elnevezésű, Windowsra és MacOS-re ingyenesen letölthető szoftvere. Ez a szimulátor tartalmazza az Analog Devices, a Linear Technology, a Maxim Integrated és egyéb gyártók SPICE-modelljeit.

2. ábra Képernyőmentés az Ltspice-ról (Forrás: Analog Devices)

Az LTSpice felhasználási területei:

• rádiófrekvenciás áramkörök,
• teljesítményelektronika,
• audiorendszerek és
• számos egyéb típusú áramkör.

A tervező megadja egy szimulálni kívánt elektronikai áramkör sematikus felépítését és a bemeneti jeleket, az Ltspice hullámforma-kijelzője pedig megjeleníti a szimuláció eredményeit. Ezenkívül a rendszer különböző módokon történő elemzéséhez is biztosít eszközöket.

Áramkör-szimulátor mobilokra

Az EveryCircuit [https://everycircuit.com] az eddigiekhez képest egy nagyon különböző eszköz. Ez az alkalmazás egy interaktív sematikus kapcsolásrögzítő és áramkör-szimulátor Androidra és iOS-eszközökre. A tervező ezáltal bárhonnan képes felépíteni egy szimulációt és lefuttatni a mobiltelefonján vagy táblagépén.
Kipróbálásához ingyenes próbaverzió áll rendelkezésre. Az EveryCircuit legnagyobb erőssége az egyszerű kezelőfelület és az interaktivitás. A szimuláció futása közben is változtathatók a paraméterek, és az eredmények azonnal láthatóvá is válnak, így kiváló eszközt jelent tanuláshoz és kísérletezéshez. Sajnos az alkatrészek terén nem rendelkezik az LTspice-hoz és társaihoz hasonló széles körű támogatással, azonban erős közösségi támogatással bír, így idővel ez javulhat.

3. ábra Az EveryCircuit szimulátora

Egyéb általános célú kalkulátorok

Számos online kalkulátort találhatunk, amelyek támogatják az áramkörtervezéshez kapcsolódó problémák megoldását. Ilyenek például a mértékegység-átváltások és az ellenállás-színkódok ellenőrzése. Léteznek eszközök, amikkel ellenállásértékeket, illetve az ellenállás-kapacitás (RC) és induktivitás-kapacitás (LC) áramköreinek időzítési viselkedését lehet kiszámítani.

További példák találhatók a Mouser Conversion Calculators oldalon, de google-kereséssel is számos ilyen eszközt találhatunk, mint például a https://www.allaboutcircuits.com/tools/.

Összefoglalás

Írásunkban bemutattunk néhány, a tervezők által elvégzendő számítástípust és néhány olyan eszközt, amelyek segítséget nyújthatnak ezekhez a számításokhoz. Ezenfelül rámutattunk a szimulátorok hasznosságára is. Sorozatunk következő részében az analóg szűrők tervezéséhez használható eszközökről lesz szó.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 2. rész (Analóg szűrők)

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 3. rész (Tápegységek)

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 4. rész (Rádiófrekvenciás tervezés)