下一代工具將模擬設(shè)計(jì)帶入數(shù)字時(shí)代

一個(gè)非常奇怪的現(xiàn)象是，在我們生活的數(shù)字世界中，那些最昂貴的手表卻是模擬的。這是因?yàn)闃?gòu)建一個(gè)能夠在一天中連續(xù)顯示準(zhǔn)確時(shí)間的儀器需要很多技巧，同時(shí)模擬手表也在提醒我們，自然世界不是數(shù)字的，因此總是需要具有模擬設(shè)計(jì)技能的工程師。不幸的是，由于現(xiàn)實(shí)中對模擬設(shè)計(jì)“過時(shí)”和“困難”等錯(cuò)誤認(rèn)識，這些技能已經(jīng)變得越來越稀缺。

然而，在過去，模擬技術(shù)卻已經(jīng)被描述為一種“暗黑藝術(shù)（dark art）”，需要結(jié)合繁瑣的手工計(jì)算、笨重的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)法則。但實(shí)際上模擬設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)生了很大變化，如今的模擬設(shè)計(jì)人員可以借助于以前只有數(shù)字設(shè)計(jì)人員才可使用的創(chuàng)新硬件和軟件工具。在本文中，我們將回顧模擬設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)使用的傳統(tǒng)方法，同時(shí)我們著重介紹新設(shè)計(jì)工具在執(zhí)行這些任務(wù)時(shí)可以產(chǎn)生的非凡效果，這些將有助于增強(qiáng)模擬電路設(shè)計(jì)對下一代工程師的吸引力。

模擬信號鏈路
與時(shí)間一樣，光、熱和壓力等自然現(xiàn)象都是模擬量，這意味著它們都是連續(xù)變化。傳感器將這些信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓，形成電子控制系統(tǒng)（例如中央供暖）的輸入。該電壓信號通常很小，并且經(jīng)常會被傳感器無意中采集的其他信號干擾，使其初始形式不適合系統(tǒng)中的數(shù)字微控制器使用。為了克服這個(gè)問題，模擬工程師開發(fā)了一系列稱為模擬信號鏈的電路，可以改進(jìn)傳感器輸出，使其對系統(tǒng)有用。（參見圖1）。

圖 1： 模擬信號鏈路。

在上面的框圖中，放大器增大了傳感器信號的幅度，而濾波器電路則去除了不需要的信號和噪聲（高于或低于信號頻率）。放大和濾波后的傳感器輸出隨后被饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，在此它被轉(zhuǎn)換為適合系統(tǒng)微控制器處理的數(shù)字格式。雖然這項(xiàng)任務(wù)看起來很簡單，但傳感器類型和工作條件的復(fù)雜組合使模擬信號鏈路的設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。在下一節(jié)中，我們將探討為什么模擬濾波器電路設(shè)計(jì)很久以來都是極其耗時(shí)的。

老派濾波器設(shè)計(jì)

模擬濾波器電路通常由幾個(gè)有源和無源元件（運(yùn)算放大器、電阻器、電容器，有時(shí)還有電感器）組成。由于可用的濾波器類型及其相關(guān)參數(shù)多種多樣，使設(shè)計(jì)任務(wù)變得更加復(fù)雜。需要實(shí)施有條不紊的設(shè)計(jì)方法，其中第一步是確定具體應(yīng)用所需的濾波器類型?？捎眠x項(xiàng)包括：

• 低通（或LPF，去除高頻信號）

• 高通（或 HPF，去除低頻信號）

• 帶通（或BPF，僅允許定義頻率范圍內(nèi)的信號通過）

下一步是選擇滿足濾波器規(guī)格的濾波器傳遞函數(shù)，包括：

• 帶寬，它描述了電路允許通過不衰減（幅度幾乎沒有或沒有減少）的頻率范圍。

• “滾降”，描述衰減率或?yàn)V波器開始去除傳感器信號中不需要頻率分量的銳利程度。

• 相位，指輸入和輸出信號之間的相對延遲。如果在信號鏈中使用反饋環(huán)路，相位很重要，因?yàn)樗鼤绊懎h(huán)路穩(wěn)定性。

傳遞函數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，用于描述濾波器的頻率響應(yīng)（輸入和輸出信號之間的關(guān)系）。如濾波器表格（巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫等）中所述，模擬設(shè)計(jì)人員必須盡可能地將所需濾波器頻率響應(yīng)與不同濾波器類型的預(yù)先計(jì)算頻率響應(yīng)進(jìn)行匹配。在選擇與所需性能最匹配的濾波器類型后，設(shè)計(jì)人員接下來必須計(jì)算各個(gè)元件的值，以便可以構(gòu)建（或模擬）真實(shí)電路。該階段完成后，可以評估濾波器性能以檢查其是否符合所要求的規(guī)格。這其中可能是一個(gè)耗時(shí)且有時(shí)令人沮喪的過程，通常需要重復(fù)多次，直到找到最佳折衷方案。

新時(shí)代濾波器設(shè)計(jì)

前面提到的模擬設(shè)計(jì)過程對許多人來說可能很熟悉，但當(dāng)代模擬技術(shù)的發(fā)展卻使境況大不相同，這要?dú)w功于ADI提供的“模擬濾波器向?qū)А钡仍O(shè)計(jì)工具。該ADI向?qū)?shí)現(xiàn)了從初始濾波器選擇到實(shí)際原型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程完全自動化，在做出初始濾波器選擇（LPF、HPF 或 BPF）后，設(shè)計(jì)人員只需將濾波器規(guī)格輸入用戶友好的圖形用戶界面（GUI），該 GUI 會顯示并動態(tài)調(diào)整濾波器頻率響應(yīng)的可視化顯示（參見圖 2）。

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圖 2：在模擬濾波器向?qū)е性O(shè)置濾波器頻率響應(yīng)。

可以通過重新輸入規(guī)格值和/或移動滑塊來非常容易地實(shí)施進(jìn)一步調(diào)整。在確定所需的頻率響應(yīng)后，該工具會自動顯示將提供的電路（參見圖3）。設(shè)計(jì)人員無需手動將傳遞函數(shù)與不同濾波器類型系列進(jìn)行匹配。該工具甚至能夠提供電路元件值，無需進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，它不僅能夠提供“理想”電路模型，還允許設(shè)計(jì)人員指定組件容差，以便了解電路在真實(shí)世界的性能。它還提供功能齊全的 SPICE 文件（無需調(diào)試），可以快速輕松地模擬溫度和電壓的影響。

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圖 3：匹配所需頻率響應(yīng)的濾波器電路。

下一代硬件

除了在軟件方面有顯著改進(jìn)外，硬件工具的進(jìn)步同樣也令人印象深刻。傳統(tǒng)上，模擬工程師通常需要在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置他們的電路，因?yàn)閱为?dú)的電源、示波器和信號發(fā)生器等所需的設(shè)備非常笨重且不易攜帶，將這些設(shè)備中的任何一個(gè)快速連接到電路會導(dǎo)致難以應(yīng)對的電線和探頭纏結(jié)，使查找故障變得更加棘手。值得慶幸的是，現(xiàn)在可以使用單個(gè) USB 供電設(shè)備（Digilent Analog Discovery 2）替換這種復(fù)雜的設(shè)置，它能夠?qū)⑹静ㄆ?、信號發(fā)生器和電源的功能整合到一個(gè)袖珍設(shè)備中。因此，模擬工程師現(xiàn)在只需要一臺筆記本電腦即可快速設(shè)置和評估電路性能，而根本不需要借助實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。更專業(yè)的設(shè)計(jì)可能仍需要專用實(shí)驗(yàn)室提供的功能，但對于許多一般應(yīng)用，Digilent Analog Discovery 2的方法已經(jīng)足夠滿足要求。

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圖 4：Digilent Analog Discovery 2 可取代 3 臺實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

結(jié)論

沒有模擬電路，我們認(rèn)為理所應(yīng)當(dāng)?shù)臄?shù)字世界就不會存在。模擬信號在不同時(shí)間點(diǎn)可以有任何不同的值，這使得模擬電路的設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。然而，包括軟件和硬件在內(nèi)的先進(jìn)設(shè)計(jì)工具開發(fā)已經(jīng)使許多更困難的設(shè)計(jì)任務(wù)實(shí)現(xiàn)自動化。模擬設(shè)計(jì)工程師在業(yè)界總是很受歡迎，通過使用這些前沿工具肯定會激發(fā)年輕工程師對這個(gè)行業(yè)的新興趣。
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