408
一個非常奇怪的現象是，在我們生活的數字世界中，那些最昂貴的手表卻是模擬的。這是因為構建一個能夠在一天中連續(xù)顯示準確時間的儀器需要很多技巧，同時模擬手表也在提醒我們，自然世界不是數字的，因此總是需要具有模擬設計技能的工程師。不幸的是，由于現實中對模擬設計“過時”和“困難”等錯誤認識，這些技能已經變得越來越稀缺。
然而，在過去，模擬技術卻已經被描述為一種“暗黑藝術（dark art）”，需要結合繁瑣的手工計算、笨重的實驗室設備和經驗法則。但實際上模擬設計已經發(fā)生了很大變化，如今的模擬設計人員可以借助于以前只有數字設計人員才可使用的創(chuàng)新硬件和軟件工具。在本文中，我們將回顧模擬設計工程師在設計電路時使用的傳統(tǒng)方法，同時我們著重介紹新設計工具在執(zhí)行這些任務時可以產生的非凡效果，這些將有助于增強模擬電路設計對下一代工程師的吸引力。
模擬信號鏈路
與時間一樣，光、熱和壓力等自然現象都是模擬量，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，可以改進傳感器輸出，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轉換器 (ADC)，在此它被轉換為適合系統(tǒng)微控制器處理的數字格式。雖然這項任務看起來很簡單，但傳感器類型和工作條件的復雜組合使模擬信號鏈路的設計非常具有挑戰(zhàn)性。在下一節(jié)中，我們將探討為什么模擬濾波器電路設計很久以來都是極其耗時的。
老派濾波器設計
模擬濾波器電路通常由幾個有源和無源元件（運算放大器、電阻器、電容器，有時還有電感器）組成。由于可用的濾波器類型及其相關參數多種多樣，使設計任務變得更加復雜。需要實施有條不紊的設計方法，其中第一步是確定具體應用所需的濾波器類型?？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BPF，僅允許定義頻率范圍內的信號通過）
下一步是選擇滿足濾波器規(guī)格的濾波器傳遞函數，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”，描述衰減率或濾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，因為它會影響環(huán)路穩(wěn)定性。
傳遞函數是一個復雜的數學公式，用于描述濾波器的頻率響應（輸入和輸出信號之間的關系）。如濾波器表格（巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫等）中所述，模擬設計人員必須盡可能地將所需濾波器頻率響應與不同濾波器類型的預先計算頻率響應進行匹配。在選擇與所需性能最匹配的濾波器類型后，設計人員接下來必須計算各個元件的值，以便可以構建（或模擬）真實電路。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。這其中可能是一個耗時且有時令人沮喪的過程，通常需要重復多次，直到找到最佳折衷方案。
新時代濾波器設計
前面提到的模擬設計過程對許多人來說可能很熟悉，但當代模擬技術的發(fā)展卻使境況大不相同，這要歸功于ADI提供的“模擬濾波器向導”等設計工具。該ADI向導實現了從初始濾波器選擇到實際原型設計的設計流程完全自動化，在做出初始濾波器選擇（LPF、HPF 或 BPF）后，設計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)調整濾波器頻率響應的可視化顯示（參見圖 2）。
?
圖 2：在模擬濾波器向導中設置濾波器頻率響應。
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施進一步調整。在確定所需的頻率響應后，該工具會自動顯示將提供的電路（參見圖3）。設計人員無需手動將傳遞函數與不同濾波器類型系列進行匹配。該工具甚至能夠提供電路元件值，無需進行數學計算，它不僅能夠提供“理想”電路模型，還允許設計人員指定組件容差，以便了解電路在真實世界的性能。它還提供功能齊全的 SPICE 文件（無需調試），可以快速輕松地模擬溫度和電壓的影響。
?
圖 3：匹配所需頻率響應的濾波器電路。
下一代硬件
除了在軟件方面有顯著改進外，硬件工具的進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驗室中設置他們的電路，因為單獨的電源、示波器和信號發(fā)生器等所需的設備非常笨重且不易攜帶，將這些設備中的任何一個快速連接到電路會導致難以應對的電線和探頭纏結，使查找故障變得更加棘手。值得慶幸的是，現在可以使用單個 USB 供電設備（Digilent Analog Discovery 2）替換這種復雜的設置，它能夠將示波器、信號發(fā)生器和電源的功能整合到一個袖珍設備中。因此，模擬工程師現在只需要一臺筆記本電腦即可快速設置和評估電路性能，而根本不需要借助實驗室設備。更專業(yè)的設計可能仍需要專用實驗室提供的功能，但對于許多一般應用，Digilent Analog Discovery 2的方法已經足夠滿足要求。
?
圖 4：Digilent Analog Discovery 2 可取代 3 臺實驗室設備。
結論
沒有模擬電路，我們認為理所應當的數字世界就不會存在。模擬信號在不同時間點可以有任何不同的值，這使得模擬電路的設計非常具有挑戰(zhàn)性。然而，包括軟件和硬件在內的先進設計工具開發(fā)已經使許多更困難的設計任務實現自動化。模擬設計工程師在業(yè)界總是很受歡迎，通過使用這些前沿工具肯定會激發(fā)年輕工程師對這個行業(yè)的新興趣。
?
