在數(shù)字世界中，一些最昂貴的手表是模擬的，這似乎很奇怪。這是因為創(chuàng)建一個能夠連續(xù)顯示一天中準(zhǔn)確時間的儀器需要很多技巧。模擬手表提醒我們，自然世界不是數(shù)字的，因此總是需要具有模擬設(shè)計技能的工程師。不幸的是，由于錯誤地認(rèn)為模擬設(shè)計“過時”和“困難”，這些技能變得越來越稀缺。

雖然在過去，它可能被描述為一種“黑暗藝術(shù)”，需要結(jié)合繁瑣的手工計算、笨重的實驗室設(shè)備和經(jīng)驗法則，但模擬設(shè)計已經(jīng)發(fā)生了很大變化。如今，模擬設(shè)計人員可以使用以前只有數(shù)字設(shè)計人員才能使用的創(chuàng)新硬件和軟件工具。在本文中，我們將回顧模擬設(shè)計工程師在設(shè)計電路時使用的傳統(tǒng)方法。然后，我們強(qiáng)調(diào)新設(shè)計工具在執(zhí)行這些相同任務(wù)時可能產(chǎn)生的非凡影響——幫助模擬電路設(shè)計對下一代工程師更具吸引力。

模擬信號鏈與時間一樣，光、熱和壓力等自然現(xiàn)象都是模擬量，這意味著它們不斷變化。傳感器（也稱為傳感器）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)常被傳感器無意中拾取的其他信號污染，使其原始形式不適合系統(tǒng)中的數(shù)字微控制器使用。為了克服這個問題，模擬工程師開發(fā)了一系列稱為模擬信號鏈的電路，它可以修改傳感器輸出，使其對系統(tǒng)有用（圖 1）。

圖 1. 模擬信號鏈。

在上面的框圖中，放大器增加了傳感器信號的幅度，而濾波器電路去除了不需要的信號和噪聲（更高或更低的頻率）。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。雖然這項任務(wù)看起來很簡單，但傳感器類型和工作條件的組合使模擬信號鏈的設(shè)計具有挑戰(zhàn)性。在下一節(jié)中，我們將探討為什么模擬濾波器電路的設(shè)計傳統(tǒng)上是耗時的。

老式過濾器設(shè)計

模擬濾波器電路通常由幾個有源和無源元件（運(yùn)算放大器、電阻器、電容器，有時還有電感器）組成。由于可用的過濾器類型及其相關(guān)規(guī)格的多樣性，設(shè)計任務(wù)變得更加復(fù)雜。需要有條不紊的設(shè)計方法，其中第一步是確定應(yīng)用所需的過濾器類型?？捎眠x項包括：

低通（或 LPF 去除高頻信號）

高通（或 HPF 去除低頻信號）

帶通（或僅允許定義頻率范圍內(nèi)的信號通過的 BPF）

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的頻率范圍（幅度很少或沒有減少）。

“滾降”，描述衰減率或濾波器開始去除傳感器信號中不需要的頻率分量的速度。

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，這一點(diǎn)很重要，因為它會影響環(huán)路穩(wěn)定性。

傳遞函數(shù)是一個復(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（巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫等）中所述，模擬設(shè)計人員必須盡可能將所需的濾波器頻率響應(yīng)與不同濾波器類型的預(yù)先計算的頻率響應(yīng)相匹配。選擇了與所需性能最匹配的濾波器類型后，設(shè)計人員接下來必須計算元件值，以便他們可以構(gòu)建（或模擬）真實電路。完成該階段后，可以評估過濾器性能以檢查其是否符合要求的規(guī)格。這可能是一個耗時且有時令人沮喪的過程，通常需要重復(fù)多次，直到找到最佳折衷方案。

新時代的濾波器設(shè)計雖然前面描述的模擬設(shè)計過程可能對許多人來說很熟悉，但由于提供了 ADI 公司的“模擬濾波器向?qū)А钡裙ぞ撸F(xiàn)代現(xiàn)實卻大不相同。該軟件完全自動化了從初始濾波器選擇到實際原型設(shè)計的濾波器設(shè)計流程。在做出初始濾波器選擇（LPF、HPF 或 BPF）后，設(shè)計人員只需將濾波器規(guī)格輸入用戶友好的 GUI，該 GUI 會顯示并動態(tài)調(diào)整濾波器頻率響應(yīng)的可視化表示（圖 2）。

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

進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整就像重新輸入規(guī)格值和/或移動滑塊一樣容易。指定所需的頻率響應(yīng)后，該工具會自動顯示將提供它的電路（圖 3）。設(shè)計人員無需手動將傳遞函數(shù)與不同過濾器類型的表進(jìn)行匹配。甚至提供電路元件值，無需數(shù)學(xué)計算。該工具不僅僅提供“理想”電路模型，還允許設(shè)計人員指定組件容差，以便他們能夠感受電路的“真實世界”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。

圖 3. 匹配所需頻率響應(yīng)的濾波器電路。

下一代硬件

除了軟件的顯著改進(jìn)外，可用硬件工具的進(jìn)步同樣令人印象深刻。傳統(tǒng)上，模擬工程師在實驗室中設(shè)置他們的電路，因為他們需要的設(shè)備——單獨(dú)的電源、示波器和信號發(fā)生器——很笨重并且便攜性有限。將這些設(shè)備中的每一個快速連接到電路會導(dǎo)致難以處理的電線和探頭纏結(jié)，這會使故障查找變得棘手。值得慶幸的是，現(xiàn)在可以使用單個 USB 供電設(shè)備 Digilent Analog Discovery 2 來替換這種復(fù)雜的設(shè)置，它將示波器、信號發(fā)生器和電源的功能結(jié)合到一個袖珍設(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，而可能根本不需要訪問實驗室。

圖 4. Digilent Analog Discovery 2 取代了 3 臺實驗室設(shè)備。

結(jié)論

沒有模擬電路，我們認(rèn)為理所當(dāng)然的數(shù)字世界就不會存在。模擬信號在任何時候都可以具有任何價值，這使得模擬電路的設(shè)計具有挑戰(zhàn)性。然而，復(fù)雜設(shè)計工具（軟件和硬件）的開發(fā)已經(jīng)自動化了許多更困難的設(shè)計任務(wù)。模擬設(shè)計工程師總是很受歡迎，使用這些前沿工具的機(jī)會肯定會激發(fā)年輕工程師對這個行業(yè)的新興趣。

審核編輯 黃昊宇