Nová generace nástrojů pro návrh analogových obvodů v digitálním věku

Díky inovativnímu softwaru a také hardwaru bude analogová technika pro mladé ještě zajímavější

Může to vypadat zvláštně, ale i v digitálním světě jsou některé nejdražší hodinky stále analogové. Důvodem je obrovský um stojící za vznikem strojku, který nepřetržitě ukazuje přesný čas. Taková časomíra nám připomíná, že přirozený svět není digitální, a proto zde budeme stále potřebovat odborníky znalé analogového návrhu. Zmíněné dovednosti jsou bohužel stále větší vzácností. Může za to mylná představa, že analogové řešení je složité a staromódní.

V minulosti se mohlo jednat o jakousi „duchařinu“ vyžadující spojení suchopárných ručních výpočtů, těžkých, ale i velkých laboratorních přístrojů a také postupů vycházejících ze zkušeností, nicméně analogový návrh prošel výraznou proměnou. Vývojáři analogových systémů mají v současnosti přístup k inovativním hardwarovým a také softwarovým nástrojům, které byly dříve k dispozici pouze pro jejich číslicové protějšky. V dalším textu se proto zaměříme na tradiční přístup využívaný zmíněnými techniky při obvodovém návrhu. Zároveň upozorníme na pozoruhodný dopad, který mohou mít nové vývojové nástroje provádějící stejné úkoly. Návrh analogových obvodů se tak může pro novou generaci vývojářů ještě více zatraktivnit.

Analogový signálový řetězec

Přirozené věci, jako jsou světlo, teplota nebo tlak, jsou podobně jako čas analogovými záležitostmi. To znamená, že se budou měnit spojitě. Senzory, které také nazýváme transducery, převádí zmíněné signály na analogové napětí přiváděné na vstup elektronického řídicího systému, např. u centrálního vytápění. Takové napětí nebývá vůbec velké a často je zarušeno dalšími signály, které zde snímač nechtěně vnáší, takže nejsou ve své surové podobě vhodné ke zpracování v systému s číslicovým mikrokontrolérem. Vývojáři analogových systémů proto navrhují řadu obvodů známých též jako analogový signálový řetězec, které výstup čidla poupraví tak, aby se dal v aplikaci použít – viz také obr. 1.

Obr. 1  Analogový signálový řetězec

Zesilovač dle blokového diagramu zvyšuje amplitudu signálu ze snímače, zatímco v obvodech filtru odstraňujeme nežádoucí signály a rušení o vyšších nebo i nižších kmitočtech. Zesílený a také filtrovaný výstup senzoru poté vedeme do analogově-číslicového převodníku (ADC), kde dochází k jeho konverzi na digitální vyjádření vhodné ke zpracování systémovým mikrokontrolérem. To sice může vypadat jednoduše, nicméně různé druhy snímačů a jejich provozní podmínky návrh analogového signálového řetězce komplikují. V další části si ukážeme, proč návrh obvodů analogového filtru obvykle zabíral nemálo času.

Návrh filtrů „ze staré školy“

Obvod analogového filtru se většinou skládá z několika aktivních a také pasivních součástek – operačních zesilovačů, rezistorů, kondenzátorů a někdy též indukčností. Návrh nám dále komplikuje celá řada dostupných typů filtrů, včetně souvisejících specifikací. Během návrhu se proto neobejdeme bez metodického přístupu, kdy v prvním kroku zvolíme typ filtru požadovaného pro danou aplikaci. Dostupné možnosti zde v základu zahrnují

• dolní propust (Low-pass nebo též LPF pro potlačení signálů s vyššími kmitočty),
• horní propust (High-pass nebo také HPF, kdy se zase zbavujeme nízkofrekvenčních signálů) a
• pásmovou propust (Band-pass či BPF, tady obvodem prochází pouze signály v definovaném rozsahu kmitočtů).

Další krok spočívá ve volbě přenosové funkce filtru tak, abychom vyhověli specifikacím. To zahrnuje

• šířku pásma popisující rozsah kmitočtů, které mohou projít obvodem bez zeslabení, tedy s malým nebo žádným omezením amplitudy,
• strmost, která nám definuje „rychlost“ klesání charakteristiky, resp. jak ostře začíná filtr potlačovat nechtěné frekvenční složky v signálu vystupujícím ze snímače, a také
• fázi související s poměrným zpožděním mezi signály na vstupu a výstupu. To je důležité, pokud máme v signálovém řetězci použitou zpětnovazební smyčku, protože tím dokážeme ovlivnit její stabilitu.

Přenosová funkce je složitým matematickým vzorcem, který popisuje kmitočtovou odezvu filtru, tedy vztah mezi vstupními a výstupními signály. Vývojáři analogových systémů zde musí co nejlépe přizpůsobit požadovanou kmitočtovou odezvu filtru předem definovaným frekvenčním odezvám pro jejich různé typy, dle přehledu to bude Butterworth, Bessel, Čebyšev a další. Jakmile jsme tedy zvolili typ filtru, který nejlépe vyhovuje požadovaným vlastnostem, musíme nyní spočítat hodnoty součástek, aby bylo možné postavit nebo simulovat skutečné zapojení. Po skončení této fáze lze konečně vyhodnotit parametry filtru a ověřit, zda řešení vyhovuje zadaným specifikacím. To si ale může vyžádat spoustu času a někdy i nepříjemností, zvláště když vše často potřebujeme znovu opakovat, dokud se nedobereme nejlepšího kompromisu.

Návrh filtrů nového věku

Výše popsaná procedura analogového návrhu může sice mnohým z nás připadat povědomá, nicméně současná realita je díky dostupnosti nástrojů, jako je Analog Filter Wizard od společnosti Analog Devices, dosti odlišná. Takový software zcela automatizuje návrh filtru – od jeho výchozího výběru až po řešení skutečného prototypu. Poté, co vývojář na začátku provede volbu typu (LPF, HPF či BPF), jednoduše zadá specifikace ve srozumitelném GUI, které vše zobrazuje a také zde dynamicky upravuje vykreslování kmitočtové odezvy filtru – viz obr. 2.

Obr. 2  Nastavení kmitočtové odezvy filtru v nástroji Analog Filter Wizard

Další přizpůsobení není díky možnosti opakovaně vkládat hodnoty či posouvat jezdec vůbec složité. Když jsme tedy stanovili požadovanou kmitočtovou odezvu, zmíněný nástroj nám automaticky zobrazuje zapojení, které vše zajistí – viz obr. 4. Není vůbec nutné ručně přizpůsobit přenosové funkce tabulkám různých typů filtrů. Vždyť zde také máme k dispozici hodnoty součástek, aniž musíme cokoli počítat. Jenže softwarový nástroj se zdaleka neomezuje na pouhé zprostředkování modelu „ideálního“ obvodu, protože vývojářům rovněž umožňuje pracovat s tolerancemi součástek, takže mohou lépe porozumět skutečným vlastnostem zapojení. Nechybí zde ani vyloženě praktické soubory SPICE bez nutnosti cokoli ladit, umožňující rychlou a také snadnou simulaci vlivů spojených s teplotou a napětím.

Další generace hardwaru

Vedle výrazného zlepšení na poli softwaru zde máme i neméně zajímavé pokroky týkající se dostupného hardwaru. Vývojáři analogových systémů si musí vlastní obvody často poskládat někde v laboratoři, protože požadované vybavení, samostatný zdroj napájení, osciloskop a také generátor signálu, bývá veliké, těžké a hůře se přenáší. Rychlé spojení každého ze zmíněných zařízení s daným obvodem zároveň vede k nešikovné změti drátů a sond komplikující nalezení chyby. Složitý systém lze nyní naštěstí nahradit jediným zařízením Digilent Analog Discovery 2 napájeným přes USB, kde se v rámci kapesního přístroje snoubí funkce osciloskopu, signálového generátoru a také napájecího zdroje. Vývojáři pracující na analogových systémech teď už jen potřebují notebook, aby vše mohli rychle nastavit a vyhodnotit díky tomu vlastnosti obvodu. Do nějaké laboratoře se tak možná vůbec nepodívají. Pravda, úzce specializovaná řešení se bez účelově zřízené laboratoře stále neobejdou, nicméně pro řadu běžných aplikací bude Digilent perfektní volbou.

Obr. 3 Analog Discovery 2 (Digilent) nahrazuje tři laboratorní přístroje

Závěr

Bez analogových obvodů by nemohl digitální svět, ve kterém dnes žijeme, vůbec existovat. Analogové signály nabývají v čase libovolných úrovní, a proto je také návrh analogových zapojení náročnější. Díky rozvoji sofistikovaných vývojových nástrojů, a to jak softwarových, tak i hardwarových, však lze automatizovat nejeden obtížnější úkol spojený s návrhem. Po vývojářích analogových systémů zde bude vždy poptávka a příležitost pracovat s těmito špičkovými nástroji mezi mladými techniky nepochybně oživí zájem o tuto profesi.

Obr. 4  Obvodové řešení filtru vyhovující požadované frekvenční odezvě

www.mouser.com