Az analóg tervezés alapjainak megértése

Az analóg tervezés egy visszaszorulóban lévő készség, ami bár sok mérnök számára fontos lenne, nem feltétlenül ért meg jól mindenki. Egy négy részes cikksorozat segítségével az analóg tervezéssel kapcsolatos tudás és megértés egyensúlyát szeretnénk visszaállítani. A most következő két részben áttekintjük az analóg áramkörök tervezésének alapjait és azokat az elérhető eszközöket, amik a mérnökök számára lehetővé teszik a magabiztos tervezést.

III. AZ ANALOG TERVEZÉS ESZKÖZEI ÉS ERŐFORRÁSAI

Az analóg mérnöki készségek fontos szerepét tárgyaló sorozatunk harmadik részében azokat a laboratóriumi felszereléseket tekintjük át, amelyek szükségesek az elektronikai mérnökök számára a feladatuk ellátásához. Végigvesszük a különböző hardvereszközök (tápegység, jelgenerátor, oszcilloszkóp) funkcióit és működését, és megmutatjuk, hogy ezek az egykor külön berendezéseket igénylő funkciók ma már egyetlen, kényelmes, USB-ről táplált eszközben egyesítve is elérhetők, leegyszerűsítve az analóg szűrőáramkörök tervezésének folyamatát.

Az analóg áramkörökkel folytatott munkához szükséges laboratóriumi felszerelések

Egy elektronikus áramkör feladata elektromos áram vezérlése és irányítása különböző funkciók elvégzése érdekében. Egy analóg áramkör tesztelése során kiemelt fontossággal bír a tápegység. Egy tápegység (1. ábra) működése közben váltakozó feszültség egyenirányításával impulzusszerű egyenáramot biztosít, amit megszűrve folyamatos feszültséget kapunk. Az ezt követően szabályozott feszültség állandó kimeneti szintet biztosít, amelyre nincsenek hatással a bemeneti egyenáramú feszültség ingadozásai vagy az áramkör terhelése.

1. ábra Laboratóriumi tápegység

 
Laboratóriumi környezetben az elektronikai mérnökök egy asztali egyenáramú tápegységet használnak (ami a specifikációtól függően egyéb funkciókkal is rendelkezhet) egy olyan áramforrás biztosítása érdekében, amilyet az áramkör a telepítést követően a valós körülmények között használni fog. Forgatógombok teszik lehetővé a szabályozott egyenáramú feszültség- és áramkimenetek pontosabb beállítását. Egyes önálló, programozható tápegységek számítógépre csatlakoztathatók, és onnan vezérelhetők.
A jelgenerátor (2. ábra) ismétlődő vagy nem ismétlődő hullámformák létrehozására szolgál, lehetővé téve a szükséges tesztjel méretének, formájának és frekvenciájának meghatározását. Általában szinusz-, háromszög- és négyszöghullámokat állítanak elő, a frekvenciavezérlés kiválasztása nyomógombokkal, az amplitúdó beállítása pedig forgatógombokkal történik. A nagyobb tudású modellek programozhatók és rendelkezhetnek LCD-kijelzővel is.

2. ábra Jelgenerátor

Analóg jelek ábrázolása

A mérnökök általában oszcilloszkópot használtak az analóg jelek kijelzéséhez, ami egy nagyméretű, LCD-kijelzővel ellátott asztali műszer. Az olyan új típusú, ultrahordozható eszközök, mint a Digilent Analog Discovery 2 (3. ábra) azonban már egy kompakt kivitelű eszközben biztosítják az oszcilloszkóp, a jelgenerátor, az egyenáramú tápegység és a feszültségmérő funkcióit. Ezek az eszközök könnyen konfigurálhatók USB-porton keresztül egy számítógéphez vagy laptophoz csatlakoztatva, amelynek képernyője a jelek megjelenítésére is szolgál. Ezeket a kombinált megoldásokat formai megjelenésük és funkcionalitásuk ideálissá teszi a mérnökök számára, akik használatukkal bármilyen környezetben képesek virtuális teszteket és jelanalízist végezni.

3. ábra Digilent Analog Discovery 2

Szűrőáramkörök tervezése

Azt követően, hogy a mérnök meghatározta a szűrőáramkör specifikációit, kialakítja az elvárt értékek eléréséhez szükséges áramköri konfigurációt. Hagyományosan ez a szűrő matematikai átviteli függvényének (egyenletének) kiszámítását, majd a felépítéshez szükséges áramköri elemek (kondenzátorok, ellenállások és műveleti erősítők) kiválasztását jelentette. Ezt a meglehetősen időigényes és esetenként nehéz feladatot nagymértékben leegyszerűsítette az olyan szoftvereszközök megjelenése, mint az Analog Devices Analog Filter Wizard nevű programja, ami öt egyszerű lépésben teszi lehetővé a szűrőáramkörök tervezését:

1. lépés: A szűrő típusának kiválasztása
A létrehozandó szűrőáramkör típusának kiválasztása (low-pass, high-pass vagy band pass).
2. lépés: Specifikációk
A ‘Specifications’ fülön adhatók meg az olyan adatok, mint az erősítés, az áteresztési sáv, záró sáv és a szűrő roll-off-értéke, valamint egy csúszka segítségével vizsgálható a lépések száma és a sebességek közötti arány alakulása. Az eszköz kijelzi a szűrő frekvenciaválaszainak grafikonját is, amin azonnal követhetők az egyes paraméterek állítása során bekövetkező módosulások.
3. lépés: Alkatrészek
A ‘Components’ fülön látható az áramkör előzetesen megadott specifikációinak biztosításához szükséges áramköri felépítés és fizikai összetevők (kondenzátorok, ellenállások és műveleti erősítők) értékei.
4. lépés: Tűréshatárok
Itt állíthatók be tűréshatárok a kiválasztott áramköri elemekhez. A kisebb toleranciával rendelkező alkatrészek olcsóbbak és könnyebben beszerezhetők lehetnek, azonban növelhetik a szűrőáramkör egyes példányai közötti eltéréseket. A „gyártásra tervezés” elve alapján a költségek, a teljesítmény és az elérhetőség közötti kompromisszum egy feltétlenül szükséges tervezési tényező, ami a tervezés korai szakaszában csökkenti a hibás alkat­rész­specifikáció kockázatát.
5. lépés: További lépések
Ebben a lépésben a mérnökök SPICE fájlokat tölthetnek le a szűrőáramkörhöz, ami hasznos eszközként szolgál az áramkör teljesítményének (szimulált) „valós körülmények” közötti teszteléséhez.

Áramkör-szimuláció

A SPICE szoftvereszközök lehetővé teszik az áramkör gyakorlati alkalmazásokban történő szimulációját. A különböző változók (például tápfeszültség vagy hőmérséklet) módosításával lehet meghatározni az egyes áramkörök tűréshatárait, még azelőtt, hogy a költséges és időigényes fizikai prototípus-készítés elkezdődne. Az elektronikai mérnökök különböző bemeneti jeleket, feszültség- és hőmérséklet-variációt, valamint szimulációtípust megadhatnak, amik segítségével mind az idő, mind a frekvencia szempontjából elemezhetik az áramkörök viselkedését.

Összefoglalás

A különböző hardver- és szoftvereszközök legújabb generációi nagymértékben leegyszerűsítik azokat a leggyakoribb feladatokat, amelyeket az elektronikai mérnököknek az analóg áramkörök tervezése során el kell végezniük. A Diligent Analog Discovery 2 és a hozzá hasonló ultrahordozható, kompakt műszerek egy eszközben egyesítik egy tápegység, egy jelgenerátor és egy oszcilloszkóp funkcióit. Az analóg szűrőáramkörök tervezésének folyamatát az olyan szoftvereszközök teszik lényegesen könnyebbé, mint az Analog Devices által kínált Analog Filter Wizard alkalmazás. A következő részben azt mutatjuk be, miként könnyítették meg az analóg áramköri szimulációk elvégzését a SPICE szoftver szimulációs fájljai.

IV. ISMERKEDÉS AZ ANALÓG TERVEZÉSSEL

Az analóg tervezőmérnöki képességek hiányát és fontosságát tárgyaló négyrészes sorozatunk utolsó részében bemutatjuk, miként lehetséges egy teljesen működőképes analóg szűrőáramkört gyorsan – alkatrészértékek kézi számítása, komplex számok vagy differenciálegyenletek használata nélkül – megtervezni. Az olyan szoftvereszközök segítségével, mint az Analog Filter Wizard vagy az LTSpice (mindkettő az Analog Devices terméke), az elektronikai mérnökök még a laboratóriumban történő megépítés vagy tesztalkalmazásban történő használat előtt megtervezhetik és szimulálhatják egy szűrőáramkör működését.

Egy tervezési kihívás

Az emberi beszéd frekvenciatartománya körülbelül a 300 Hz és 3 kHz között van. A kihívás egy olyan sávszűrő (bandpass filter – BPF) megtervezése, ami átengedi az ebben a tartományban lévő jeleket (ez az áteresztési sáv), miközben kiszűri a tartományon kívül eső frekvenciákat (ez a záró sáv). Egy ilyen szűrő gyakorlati alkalmazása lehet például egy telefon, amiben a sávkorlátozást követően továbbítják digitalizálásra a jelet az analóg-digitális konverterhez.

Az áramkör felépítése

Első lépésként elindítjuk az Analog Filter Wizard-ot, majd a szűrőtípusok közül kiválasztjuk a Band Pass Filter-t (4. ábra).

4. ábra Szűrőtípusok

 
Ezután váltsunk a ‘Specifications’ fülre, ahol a mérnökök egy felhasználóbarát grafikus kezelőfelületen (GUI) adhatják meg a szűrő bemeneti specifikációit, ami aztán egy grafikonon ábrázolja a kiválasztott szűrőhöz adott frekvenciaválaszokat. Példánkban az 5. ábrán látható értékek olyan frekvenciaválaszt generálnak, ami alapvetően megfelel a szűrőtől elvárt működésnek.

5. ábra A sáváteresztő szűrő frekvenciaválasza

 
Az áteresztési sávot (passband) olyan frekvenciatartományként határozzuk meg, amelynek esetében a kimeneti jel nagysága eléri a bemeneti jel nagyságának legalább 70%-át, amit a két -3 dB-es sarokfrekvencia közötti kékkel árnyékolt terület jelez. A szűrő roll-off-értéke -40 dB/dekád értékre lett beállítva, vagyis a két – 300 Hz-es és 3 kHz-es – sarokfrekvenciánál 10-szer magasabb (vagy alacsonyabb) frekvenciájú jelek százszoros csillapításra kerülnek (vagyis nagyságuk a századrészére csökken).
A ‘Components’ fülön láthatók a szűrő megépítéséhez szükséges áramköri elemek. Megadható az áramkör által használt feszültségszint, és kiválaszthatók egyedi alkatrésztípusok (ellenállások, kondenzátorok, műveleti erősítő), de elfogadhatjuk az eszköz által felkínált alapértelmezett alkatrészeket is.
A 6. ábrán látható áramköri konfiguráció egy negyedrendű Butterworth-szűrőhöz készült, amely egy másodrendű aluláteresztő Sallen-Key szűrőből és egy másodrendű felüláteresztő Sallen-Key szűrőből áll. Ezek együttesen biztosítják a sávszűrőtől elvárt frekvenciaválaszt.

6. ábra A sáváteresztő szűrő komponensei

 
A ‘Next Steps’ fülön található ‘SPICE Only’ funkció használatával a mérnökök letölthetik az áramkörök szimulációjához szükséges fájlokat. A szimuláció az Analog Devices weboldaláról letölthető LTSpice szimulációs eszközzel végezhető el.

Bemeneti jelek meghatározása

A 7. ábrán az LTSpice által készített sematikus ábra látható, ami az Analog Filter Wizard által biztosított ‘TransientAnalysis.asc’ fájl megnyitását követően állítható elő. Jól látható a két másodrendű szűrőfokozat, a tápegységek (V2, V3) és a bemeneti jelforrás (VIN).

7. ábra A sáváteresztő szűrő LTSpice szimulációs vázlatrajza

 
A tervezők kétféle szimulációt végezhetnek el gyorsan, amivel ellenőrizni tudják, hogy a megtervezett szűrő az elvárt módon viselkedik-e:

• Tranziens elemzés
• AC-analízis.

A tranziens elemzés a szűrő valós körülmények közötti működését szimulálja egy megadott bemeneti feszültségen és frekvencián. A bemeneti feszültség maximuma a használt műveleti erősítők működési feszültségtartományán belül kell legyen.
Az AC-analízis a lehetséges bemeneti frekvenciák teljes tartományában szimulálja a szűrő működését.

Az áramkör szimulációja és a kimeneti értékek elemzése

A tranziens analízishez a bemeneti jel egy 1 V csúcsértékű, 1 kHz frekvenciájú szinuszhullám. A 8. ábrán látható, ahogy a bemeneti jel csillapítatlanul halad át a szűrőn (a bemeneti zöld és a kimenet kék sávja gyakorlatilag megkülönböztethetetlenek egymástól), mivel az 1 kHz a szűrő áteresztési sávján belül van.

8. ábra Az 1 KHz-es időtartomány jele csillapítás nélkül halad át a szűrőn

 
A 30 kHz-es bemeneti frekvenciával újrafuttatott szimuláció (9. ábra) eredménye szerint a kimeneti jel majdnem 0 V, ami szintén megfelel a szűrő elvárt viselkedésének, az adott frekvencia kívül esik az áteresztési sávon (záró sáv).

9. ábra A szűrő visszautasítja a 30 kHz-es időtartománybeli jelet

 
 A 10. ábrán látható az Analog Filter Wizard-ból letöltött ‘ACAnalysis.asc’ fájlhoz használt testbench sematikus ábrája.

10. ábra LTSpice AC-analízis testbench

 
A 11. ábrán a szűrő AC-analízis során előállított frekvenciaválasza látható, ami szorosan megegyezik a szűrő Analog Filter Wizard-ban specifikált teljesítményével.

11. ábra A sáváteresztő szűrő frekvenciaválasza

Összefoglalás

Négyrészes sorozatunk célja az volt, hogy felhívjuk a figyelmet az analóg áramkörök tervezésében jártas mérnökök hiányára és szükségességére. Áttekintettük az analóg szűrők tervezésének alapjait, és azokat az eszközöket, amelyek rendelkezésre állnak
a munkavégzés során. Az analóg áramkörök tervezése mára már nem a tervezők szubjektív megérzéseire, hanem egy rendkívül jól strukturált módszertanra alapul. A fejlett hardver- és szoftvereszközök jóvoltából a tervezési folyamat nagyban leegyszerűsödött, automatizálva a korábban igen időigényes kézi számításokat igénylő feladatokat.
Reméljük, hogy sorozatunkkal sikerült új megvilágításba helyeznünk az analóg áramkörök tervezését a bejegyzéseket olvasó fiatal mérnökök számára, és elérni, hogy értékes készségként és kifizetődő karrierlehetőségként tekintsenek rá.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

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