În acest articol, care acoperă importanța competențelor de inginerie analogică, analizăm echipamentele de laborator de care au nevoie inginerii electroniști pentru a-și îndeplini rolul. Vom trece în revistă funcțiile și operarea instrumentelor hardware – sursa de alimentare, generatorul de semnal, un osciloscop și vom arăta cum funcționalitățile lor, cândva discrete, au fost combinate acum într-un singur instrument practic, alimentat prin USB, după care vom discuta despre caracteristicile unui instrument software care a simplificat foarte mult procesul de proiectare a circuitelor de filtrare analogică.
Echipament de laborator în cazul în care se lucrează cu circuite analogice
Scopul unui circuit electronic este de a controla și direcționa curentul electric pentru a furniza o varietate de funcții. Pentru testarea performanțelor oricărui proiect de circuit analogic, o sursă de alimentare este un instrument esențial. O sursă de alimentare (figura 1) funcționează redresând o tensiune de curent alternativ pentru a genera impulsuri de curent continuu, care sunt filtrate pentru a produce o tensiune continuă. Această tensiune este apoi stabilizată, creând un nivel de ieșire constant care nu este afectat de modificările tensiunii de intrare de curent alternativ sau de încărcarea circuitului.
Figura 1: Sursă de alimentare de laborator
Într-un mediu de laborator, inginerii electroniști folosesc o sursă de alimentare de CC pentru un banc de lucru (care poate avea caracteristici suplimentare, în funcție de specificații) pentru a recrea sursa de alimentare pe care un circuit o va folosi într-o aplicație practică. Utilizarea butoanelor rotative permite ca ieșirile de tensiune și curent continuu stabilizate să fie setate mai precis. Unele surse de alimentare de sine stătătoare sunt programabile, ceea ce înseamnă că pot fi conectate direct la un computer portabil care le poate controla.
Figura 2: Generator de semnal
Un generator de semnal este utilizat pentru a crea forme de undă repetitive sau nerepetitive, permițând inginerilor să selecteze dimensiunea, forma și frecvența semnalului de testare necesar. De obicei, sunt furnizate opțiuni de unde sinusoidale, triunghiulare și pătrate, cu butoane pentru a selecta controlul frecvenței și potențiometre rotative pentru a regla amplitudinea. Modelele cu specificații superioare sunt programabile și pot include și un ecran LCD.
Vizualizarea semnalelor analogice
Figura 3: Digilent Analog Discovery 2
Tradițional, inginerii foloseau un osciloscop; un instrument mare de laborator cu un ecran LED pentru a vizualiza semnalele analogice. Cu toate acestea, noile tipuri de dispozitive ultraportabile, cum ar fi Digilent Analog Discovery 2, combină funcționalitatea unui osciloscop, a unui generator de semnal, a unei surse de alimentare de curent continuu și a unui voltmetru, încorporate într-un spațiu compact. Aceste dispozitive “conectate prin USB” sunt ușor de configurat cu ajutorul unui computer portabil, care poate fi utilizat și pentru afișarea semnalelor. Forma și funcționalitatea lor transformă aceste soluții în opțiuni ideale pentru inginerii care doresc să efectueze teste și analize de semnal, virtual și în orice mediu.
Proiectarea circuitelor de filtrare
Odată ce un inginer a stabilit specificațiile circuitului său de filtrare, el determină apoi configurația circuitului necesar pentru a le realiza. Ȋn trecut, acest lucru îi cerea proiectantului să calculeze funcția de transfer a filtrului (ecuația), apoi să selecteze componentele (capacitoare, rezistoare și amplificatoare operaționale) pentru a-l construi. Aceasta poate fi o sarcină consumatoare de timp și uneori dificilă, dar a fost mult simplificată de disponibilitatea unor instrumente software precum Analog Filter Wizard de la Analog Devices, care permite inginerului electronist să proiecteze un circuit de filtrare în cinci pași simpli:
Pasul 1: Selectarea tipului de filtru
Alegeți tipul de filtru necesar (trece-jos, trece-sus sau trece-bandă)
Pasul 2: Specificații
Tabul “Specifications” permite introducerea câștigului, a benzii de trecere, a benzii de blocare și a atenuării filtrului, precum și analizarea compromisului dintre viteză și numărul de etaje, cu ajutorul unui cursor. Instrumentul afișează, de asemenea, un grafic al răspunsului în frecvență al filtrului, care se actualizează imediat atunci când se modifică specificațiile de intrare.
Pasul 3: Componente
Tabul “Components” afișează configurația circuitului și valorile componentelor fizice (R, C și Op-Amp) necesare pentru a îndeplini specificațiile filtrului.
Pasul 4: Toleranțe
Aici inginerii pot specifica toleranțele componentelor circuitului pe care le aleg. Deși componentele cu toleranțe mai scăzute pot costa mai puțin și pot fi mai ușor de găsit, acestea pot crește variabilitatea între diferitele tipuri de filtre. Acest compromis între cost, performanță și disponibilitate trebuie luat în considerare pe deplin prin aplicarea “proiectării pentru fabricație” – o strategie care atenuează riscul potențial al unei specificații incorecte a componentelor la începutul procesului de proiectare.
Pasul 5: Etapele următoare
Aceasta permite inginerului să descarce fișiere SPICE pentru circuitul de filtrare – o caracteristică utilă care îi permite să simuleze performanța “din lumea reală” a circuitului de filtrare.
Simularea circuitului
Instrumentele software SPICE permit simularea comportamentului circuitului în aplicații practice. Prin modificarea unor variabile precum tensiunea de alimentare și temperatura, inginerii pot determina toleranțele acceptabile pentru fiecare circuit cu mult înainte de a se angaja să construiască un prototip fizic – ceea ce este costisitor și consumator de timp. Inginerii electroniști pot specifica, de asemenea, o varietate de semnale de intrare, variații de tensiune/temperatură și tipuri de simulare care le permit să analizeze comportamentul circuitului atât în termeni de timp, cât și de frecvență.
Concluzie
Cea mai recentă generație de instrumente hardware și software simplifică foarte mult sarcinile efectuate în mod obișnuit de inginerii electroniști atunci când proiectează circuite analogice. Funcționalitatea sursei de alimentare, a generatorului de semnal și a osciloscopului au fost combinate în instrumente de sine stătătoare, ultraportabile, cum ar fi Analog Discovery 2 de la Digilent. În timp ce procesul de proiectare a unui circuit de filtrare analogică a fost facilitat de disponibilitatea unor instrumente software precum Analog Filter Wizard de la Analog Devices. În articolul următor, vom demonstra cum simularea circuitelor analogice a fost mult ușurată datorită programelor de simulare SPICE.
Rămâneți cu noi pentru următorul articol din această serie: Noțiuni de bază privind proiectarea analogică.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter