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Tools und Ressourcen für Analogdesign

In diesem dritten Blog unserer Serie über die Wichtigkeit von Kompetenzen in der Analogtechnik befassen wir uns mit der Laborausrüstung, die Elektronikingenieure für ihre Arbeit benötigen.

Tools und Ressourcen für Analogdesign
Abbildung 1: Labornetzgerät

Wir gehen auf die Funktionen und den Betrieb von Hardwaretools ein, wie z. B. die Stromversorgung, den Signalgenerator und das Oszilloskop. Außerdem zeigen wir, wie ihre einstmals getrennten Funktionen jetzt in einem einzigen, praktischen, über USB angeschlossenen Tool kombiniert wurden. Danach gehen wir auf die Funktionen eines Softwaretools ein, mit dem das Design von analogen Filterschaltungen erheblich vereinfacht wurde.

Laborausrüstung für das Arbeiten mit analogen Schaltkreisen
Der Zweck einer elektronischen Schaltung besteht darin, elektrischen Strom zu steuern und zu lenken und dadurch eine Vielzahl von Funktionen zu ermöglichen. Das Netzteil ist ein entscheidendes Element bei der Prüfung der Leistung eines analogen Schaltungsdesigns. In einem Netzteil (Abbildung 1) wird eine Wechselspannung gleichgerichtet, um eine gepulste Gleichspannung zu erzeugen, die gefiltert wird und eine gleichmäßige Spannung liefert. Diese Spannung wird dann reguliert und erzeugt einen konstanten Ausgangspegel, der von Änderungen der Eingangswechselspannung oder der Belastung der Schaltung nicht beeinflusst wird.

In einer Laborumgebung verwenden Elektronikingenieure ein Tischnetzteil (das je nach Spezifikation weitere Funktionen haben kann), um die Stromquelle nachzubilden, die ein Schaltkreis in einer Feldanwendung benötigt. Mit Hilfe von Drehreglern lassen sich die geregelten Gleichspannungs- und Stromausgänge noch genauer einstellen. Einige eigenständige Netzteile sind programmierbar, d. h. sie können direkt an einen Laptop angeschlossen werden, der sie dann steuern kann.

Mit einem Signalgenerator können wiederkehrende oder nicht-wiederkehrende Wellenformen erzeugt werden, die es dem Entwickler ermöglichen, die Größe, Form und Frequenz des gewünschten Prüfsignals auszuwählen. In der Regel stehen Sinus-, Dreieck- und Rechteckwellen zur Verfügung, wobei die Frequenz über Drucktasten und die Amplitude über Drehregler eingestellt werden kann. Höherwertige Modelle sind programmierbar und können auch mit einem LCD-Display ausgestattet sein.


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Abbildung 2: Signalgenerator

Visualisierung analoger Signale
Bislang haben Entwickler zur Anzeige analoger Signale ein Oszilloskop verwendet. Dabei handelt es sich um ein großes Tischgerät mit einem LED-Display. Neuartige ultraportable Geräte wie das Digilent Analog Discovery 2 kombinieren jedoch die Funktionen eines Oszilloskops, eines Signalgenerators, einer Gleichstromversorgung und eines Voltmeters in einem kompakten Gehäuse. Diese „über USB angeschlossenen“ Geräte lassen sich problemlos mit einem Laptop konfigurieren, der auch zur Signalanzeige verwendet werden kann. Form und Funktionalität machen diese Kits zur idealen Lösung für Entwickler, um Tests und Signalanalysen virtuell und in jeder Umgebung durchzuführen.


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Abbildung 3: Digilent Analog Discovery 2

Entwicklung von Filterschaltungen
Sobald ein Entwickler die Spezifikationen für seine Filterschaltung festgelegt hat, muss er die Schaltungskonfiguration bestimmen, die zum Erreichen dieser Spezifikationen erforderlich ist. Dazu war es bisher erforderlich, die Übertragungsfunktion (Gleichung) des Filters mathematisch zu berechnen und dann die Komponenten (Kondensatoren, Widerstände und Operationsverstärker) für den Aufbau auszuwählen. Diese zeitraubende und manchmal schwierige Aufgabe wurde jedoch durch die Verfügbarkeit von Software-Tools wie Analog Filter Wizard von Analog Devices erheblich vereinfacht, mit denen der Elektronikentwickler in fünf einfachen Schritten eine Filterschaltung entwerfen kann:

Schritt 1: Filtertyp auswählen
Wählen Sie den gewünschten Filtertyp (Tiefpass, Hochpass oder Bandpass)

Schritt 2: Spezifikationen
Auf der Registerkarte „Spezifikationen“ können sie die Verstärkung, den Durchlassbereich, den Sperrbereich und die Filterabschaltung eingeben und mit einem Schieberegler das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit und der Anzahl der Stufen untersuchen. Das Tool zeigt auch eine Grafik des Frequenzgangs des Filters an, die sofort aktualisiert wird, wenn die Eingabespezifikationen geändert werden.

Schritt 3: Komponenten
Auf der Registerkarte „Komponenten“ werden die Schaltungskonfiguration und die Werte der physischen Komponenten (R, C und Operationsverstärker) angezeigt, die zur Erfüllung der Filterspezifikation erforderlich sind.

Schritt 4: Toleranzen
Hier können die Entwickler die Toleranzen der von ihnen gewählten Schaltungskomponenten angeben. Komponenten mit geringeren Toleranzen sind zwar möglicherweise kostengünstiger und leichter verfügbar, können aber die Schwankungsbreite zwischen den einzelnen Filterinstanzen erhöhen. Dieser Kompromiss zwischen Kosten, Leistung und Verfügbarkeit sollte durch den Ansatz „Design for Manufacture“ berücksichtigt werden. Diese Strategie reduziert das potenzielle Risiko einer falschen Komponentenspezifikation bereits in einem frühen Stadium des Entwurfsprozesses.

Schritt 5: Nächste Schritte
Dadurch kann der Entwickler SPICE-Dateien für die Filterschaltung herunterladen, Das ist eine hilfreiche Funktion, mit der er die „reale“ Leistung der Filterschaltung simulieren kann.

Schaltungssimulation
Mit SPICE-Softwaretools lässt sich das Schaltungsverhalten in praktischen Anwendungen simulieren. Durch die Änderung von Variablen wie der Versorgungsspannung und der Temperatur können Entwickler die für die jeweilige Schaltung akzeptablen Toleranzen ermitteln, bevor sie mit dem kostspieligen und zeitaufwändigen Bau eines physischen Prototyps beginnen. Elektronikentwickler können auch eine Vielzahl von Eingangssignalen, Spannungs-/Temperaturvariationen und Simulationstypen angeben und dadurch das Schaltungsverhalten in Bezug auf Zeit und Frequenz analysieren.

Fazit
Die neueste Generation von Hardware- und Software-Tools sorgt für eine erhebliche Vereinfachung der Aufgaben, die Elektronikentwickler beim Design analoger Schaltungen in der Regel durchführen. Die Funktionen von Netzteilen, Signalgeneratoren und Oszilloskopen wurden in eigenständigen, ultraportablen Geräten wie dem Analog Discovery 2 von Digilent kombiniert. Das Design einer analogen Filterschaltung wurde durch die Verfügbarkeit von Software-Tools wie Analog Filter Wizard von Analog Devices vereinfacht. In unserem nächsten Artikel zeigen wir, dass die Simulation analoger Schaltungen durch SPICE-Software-Simulationsdateien sehr viel einfacher geworden ist.

Lesen Sie den nächsten Blog in dieser Reihe: Analogdesign in den Griff bekommen.

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