Die Bedeutung von Analogdesign-Kompetenzen für die Elektronikindustrie

Wir hören Begriffe wie „digitale Wirtschaft“ und „digitale Transformation“ so oft, dass sie schon fast zu Klischees geworden sind. Angesichts der Tatsache, dass sich die Industrie ganz auf die digitale Technologie konzentriert, vergessen viele, dass die reale Welt nicht digital, sondern analog ist.

Abbildung 1: Analoge und digitale Thermometer

Die Fehleinschätzung, dass „analoge“ Technologien veraltet und nicht mehr relevant sind, hat schwerwiegende Auswirkungen auf die Elektronikindustrie und führt dazu, dass sich viele Ingenieure in der Ausbildung und im Studium dafür entscheiden, ihr Studium und ihre Forschung ausschließlich auf digitale Elektronik auszurichten.

Dadurch fehlt es den Elektronikingenieuren an Verständnis und praktischer Erfahrung im Bereich der analogen Entwicklung und Anwendung. Erschwerend kommt hinzu, dass viele junge Ingenieure glauben, das Design analoger Schaltungen sei schlecht definiert und verlange regelmäßig die Anwendung schwieriger mathematischer Berechnungen. Außerdem fehlen ihnen die ausgefeilten Software-Tools, die den digitalen Ingenieuren zur Verfügung stehen. Wenn sich dieser Trend nicht schnell umkehrt, wird die Elektronikindustrie bald einen Punkt erreichen, an dem es nicht mehr genügend Ingenieure mit Analogerfahrung gibt, um Innovationen zu entwickeln, die den Erwartungen der Verbraucher entsprechen.

Mit dieser vierteiligen Blogserie möchten wir einen Beitrag dazu leisten, das Wissen und das Verständnis für das Analogdesign wieder zu verbessern. In den kommenden Wochen werden wir die Grundlagen des analogen Schaltkreisdesigns und die Tools vorstellen, die Ingenieuren zur Verfügung stehen, damit sie ihr Design selbstbewusst umsetzen können. Wir werden zeigen, dass sich das Design analoger Schaltungen weiterentwickelt hat und heute einer sehr strukturierten Methodik folgt. Wir werden einige der fortschrittlichen Hardware- und Software-Tools kennenlernen, mit denen sich die Notwendigkeit vieler komplexer manueller Berechnungen reduzieren lässt. Und wir hoffen, dass wir unser Ziel erreichen, mehr junge Ingenieure dazu zu ermutigen, das Design analoger Schaltungen als eine wertvolle und lohnende Kompetenz zu betrachten, die ihre beruflichen Entwicklungsmöglichkeiten verbessert.

Was versteht man unter „analog“ und „digital“?
Der Begriff „analog“ bezieht sich auf Signale oder Informationen, die durch eine kontinuierlich veränderliche physikalische Größe dargestellt werden. Beispiele für analoge Größen sind Spannung, Licht, Wärme, Druck und Schall. Im Gegensatz dazu kann die digitale Darstellung einer Größe immer nur einen von mehreren vordefinierten (oder diskreten) Werten annehmen. Der Unterschied zwischen analog und digital lässt sich anhand der folgenden einfachen Beispiele veranschaulichen:

• Das Licht in einem Raum ganz ein- oder ausschalten (digital) im Gegensatz zur Verwendung eines variablen Dimmschalters, um die Beleuchtung auf ein gewünschtes Beleuchtungsniveau einzustellen (analog).

• Die Verwendung eines Thermostats, der eine Heizung vollständig ein- und ausschaltet, wenn die Temperatur in einem Raum einen voreingestellten Wert über- oder unterschreitet (digital), im Gegensatz zu einem Thermostat, der den Betrieb der Heizung kontinuierlich anpasst, um die Raumtemperatur auf einer voreingestellten Temperatur zu halten (analog).

• Ein Audiosystem mit voreingestellten Lautstärkereglern (digital) im Gegensatz zu einem System mit Drehregler, mit dem die Lautstärke auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden kann (analog).

Analoge Größen werden in eine digitale Form umgewandelt, weil sie dann von digitalen Schaltkreisen schnell verarbeitet werden können. Das bedeutet jedoch nicht, dass digitale Signale immer besonders präzise sind. So misst ein digitales Thermometer im Gegensatz zu seinem analogen Gegenstück die Temperatur nur in regelmäßigen Abständen. Dieser Prozess wird als Abtasten bezeichnet. Zudem kann ein digitales Thermometer diese Messung nur mit einem der voreingestellten Werte anzeigen. Dies wird als Quantisierung bezeichnet.

Damit die Anzeige eines digitalen Thermometers (Abbildung 1) als Reaktion auf eine Temperaturänderung aktualisiert werden kann, muss das Thermometer also zunächst seine Messung durchführen, was erst geschehen kann, nachdem die Temperaturänderung bereits eingetreten ist, und zweitens muss die gemessene Änderung größer sein als der kleinste voreingestellte Wert, den es erkennen kann. Die neuesten digitalen Messgeräte sind jedoch so konzipiert, dass sie viele Messungen mit hoher Geschwindigkeit durchführen und sehr kleine Änderungen erkennen können (weil sie viele einzelne Werte haben). Obwohl sie in Bezug auf die reine Messung nie ganz so genau sein können wie die Analoggeräte, ist ihre Leistung in der Regel ausreichend für die Anwendung, für die sie eingesetzt werden.

Sensoren
Ein Sensor (oder Wandler) wird eingesetzt, um eine Energieform zu erfassen und in eine andere umzuwandeln. Er erfasst z. B. die Temperatur, das Licht oder den Schall und wandelt sie in elektrische Energie um, in der Regel in Form eines analogen Spannungssignals. Zur Temperaturerfassung werden in der Regel Thermoelemente und Widerstandstemperaturfühler (RTD) eingesetzt, während Fotodioden zur Lichterfassung und Mikrofone zur Schallerfassung verwendet werden.

Fazit
Grundsätzlich arbeiten die meisten Sensoren nach analogen Prinzipien, und die elektrischen Ausgangssignale, die sie erzeugen, sind meist sehr klein (Millivolt oder weniger). Das bedeutet, dass ihr Signal aufbereitet werden muss, um Rauschen zu entfernen und die Amplitude oder den Pegel zu erhöhen, bevor es für das nachgeschaltete Steuersystem in die erforderliche digitale Form umgewandelt wird. Der Sensor und die Schaltkreise, die für diese Aufbereitung verwendet werden, werden als analoge Signalkette (Verstärker, Filter und Datenkonverter) bezeichnet, auf die wir in unserem nächsten Artikel näher eingehen werden.

Lesen Sie den nächsten Blog in dieser Reihe: Grundlagen der Signalkette.

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