Vybíráme nejlepší on-line nástroje pro návrh obvodů a výpočty

O co v této sérii půjde? Čtyřdílná řada článků se postupně zaměří na některé náročné úkoly, které musí vývojáři řešit, a způsob, jak zde mohou pomoci on-line nástroje.

Při návrhu obvodů se vývojáři neobejdou bez řady různých výpočtů. Zmíněné nástroje pak dokážou se vším pomoci – od obyčejného výběru součástek až po návrh analogových filtrů či vf obvodů. V první části této řady se budeme věnovat on-line kalkulátorům či návrhovým nástrojům a popíšeme funkce některých oblíbených nástrojů pro simulaci obvodů.

Co si představit pod vývojem

Obvodový návrh je složitým procesem. Vývojář zde musí porozumět i matematice stojící za chováním systému, včetně jednotlivých součástek. Složitost výpočtů se přitom odvíjí od typu návrhu. Každý vývojář musí kupříkladu znát Ohmův zákon dotýkající se napětí, proudu a odporu. Specifické oblasti si však žádají komplexnější a také cíleněji zaměřenou analýzu.

Návrháři audiofiltrů potřebují spočítat frekvenční odezvu a stabilitu zapojení na základě matematických nástrojů typu Laplaceovy či Z transformace. Vývoj vf obvodů zase obnáší aplikaci Maxwellových rovnic popisujících šíření elektromagnetických vln. Kromě pochopení funkce součástek vytvářejících dané zapojení musí vývojáři zvažovat i „parazitní“ prvky. Jedná se o odpory, indukčnosti a kapacity, které ke spojům mezi součástkami neodmyslitelně patří. Ačkoli svou hodnotou zpravidla nebývají veliké, na správné analýze může z velké části záviset optimální činnost systému.

Vývojové nástroje a jejich použití

Provádět hodnověrné výpočty opakovaně může být únavné a znamenat i chyby. U složitějších systémů bývají takové operace rovněž zdlouhavé a komplikované. Návrhové nástroje zde mohou celý proces urychlit a omezit i riziko vzniku chyb.

Výrobci ve snaze podpořit své produkty nabízí různé prostředky, včetně datasheetů, referenčních návrhů a stále více též i nástrojů provádějících výpočty a simulace. Vývojáři tak mohou porozumět součástce, ale i jejímu chování na systémové úrovni a nechat si pomoci s výběrem. Simulační nástroje zde umožňují zvolit vstupní signály a zkontrolovat, že výstup funguje dle předpokladů. Spousta zmíněných nástrojů je k dispozici on-line. Některé a zejména jednodušší kalkulátory běží přímo v prohlížeči. Další jsou zase volně k mání na webových stránkách výrobců či třetích stran.

Základní kalkulátory

Příkladem jednoduše použitelného a okamžitě dostupného výpočetního nástroje se stává Analog Engineer’s Calculator [1] firmy Texas Instruments, viz také obr. 1. Běží na počítači, má k dispozici grafické rozhraní a pomůže s řadou běžných výpočtů. Z dostupných funkcí zmiňujeme např.

• řešení jednoduchých obvodových situací s využitím pasivních součástek,
• výpočet zpětnovazebních rezistorů pro definici zisku operačních zesilovačů,
• odhad parazitních vlivů na DPS,
• návrhy s analogově-číslicovými (ADC) a číslicově-analogovými převodníky (DAC) nebo
• stanovení výstupních hodnot u různých typů snímačů.

Obr. 1 Kalkulátor od TI a jeho snímek obrazovky; zdroj: Texas Instruments

Simulace

Simulátory jsou cenným nástrojem pro kontrolu správného návrhu ještě dříve, než jej postavíme, takže nám ušetří jak čas, tak i peníze. Pracovat budou s různými úrovněmi abstrakce.

Simulátor analogového zapojení může např. modelovat přesnou odezvu každé součástky v systému formou změny napětí v čase. Simulátor pro číslicovou logiku pak zobrazuje logické hodnoty 0 a 1 s každým hodinovým cyklem, aniž si musíme dělat starosti, pokud jde o přesné napětí nebo časování.

SPICE: simulátor analogových zapojení

Široce využívaným simulátorem analogových obvodů se stává SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Vytvořen byl v roce 1973 a v oboru je vnímán jako standardní nástroj. Spousta výrobců nabízí modely svých součástek pro použití se SPICE.

Někteří výrobci rovněž přichází s vlastními simulátory založenými na SPICE. Analog Devices např. nabízí LTspice [2], volně ke stažení pro Windows nebo MacOS. Nalezneme zde knihovnu modelů SPICE od Analog Devices, Linear Technology, Maxim Integrated a dalších. LTspice lze využít pro:

• vf obvody,
• výkonovou elektroniku,
• audiosystémy, ale i
• spoustu dalších zapojení.

Vývojáři vloží schéma zapojení elektronického obvodu k simulaci společně se vstupními signály a v prohlížeči průběhů LTspice vidí výsledky. Nechybí zde ani nástroje pro analýzu systému různými způsoby.

Obr. 2 K součástkové základně ADI s D/A převodníkem; zdroj: Analog Devices

Obvodový simulátor pro mobilní využití

EveryCircuit [3] je očividně jiným nástrojem. Jedná se o interaktivní obvodový simulátor se zachycením schématu, který běží na zařízeních s Androidem nebo iOS, takže vývojáři mohou vstoupit a nechat na svém telefonu či tabletu běžet obvodové simulace prakticky kdekoliv. K vyzkoušení tu máme i bezplatnou trial verzi.

Síla EveryCircuit spočívá v jednoduchém uživatelském rozhraní a interaktivitě. Parametry obvodu lze změnit za běhu simulace a sledovat okamžitě výsledky, takže půjde o solidní nástroj pro učení a také experimenty. Nemá však podporu pro komerční součástky ve stejném rozsahu jako LTspice a podobné nástroje ale je podporován komunitou, takže se ještě může zlepšovat.

Obr. 3 EveryCircuit [3]

Další univerzální kalkulátory

K dispozici je spousta on-line kalkulátorů řešících specifické otázky při návrhu obvodů. Patří mezi ně i konverze jednotek nebo vyhledávání s barevnými kódy rezistoru. Také zde máme nástroje pro výpočet hodnot rezistoru a chování RC či LC obvodů na časové ose. Některé příklady naleznete na stránce „Mouser Conversion Calculators“ [4]. A mnoho dalších prozradí vyhledávání na Googlu, třeba jako [5].

Závěr

V článku jsme zmínili některé typy výpočtů, které musí vývojáři provádět, a vhodné nástroje, které zde mohou pomoci. Také jsme zdůraznili význam simulátorů. V dalším pokračování našeho seriálu si řekneme něco o nástrojích pro návrh analogových filtrů.

www.mouser.com