Diferenţa dintre proiectele analogice şi digitale

2 IUNIE 2010

Acum aproape 10 ani la ESC (Embedded Systems Conference) 2001, ce a avut loc la San Francisco, am discutat cu un inginer proaspăt absolvent. Atunci când acesta a aflat că eram manager, mi-a explicat că era în căutarea unui loc de muncă. Mi-a spus că ştia de compania mea de microcontrolere şi că ar vrea, dacă este posibil, să lucreze în cadrul ei. Mi-a dat CV-ul său. În schimb, eu i-am oferit mai multe detalii despre rolul meu în companie. La vremea aceea eram manager pentru grupul Mixed Signal / Linear Applications. Rolul departamentului meu era acela de descriere a produselor, documentaţie tehnică, training clienţi şi vizite ale acestora, călătorind în întreaga lume pentru îndeplinirea acestor sarcini. Când mi-am terminat prezentarea, interlocutorul mi-a spus că pare să fie un loc de muncă excelent. Eu am accentuat pe faptul că eram braţul analogic al afacerii companiei.
El credea că şi-a făcut temele spunându-mi cu mândrie că “analogicul moare” şi că digitalul îi va lua locul, şi că oricine ştie inginerie electrică este de acord. Corect?

de Bonnie Baker, Senior Applications Engineer, Texas Instruments

Pe parcursul carierei mele am lucrat cu un bogat spectru de proiectanţi în domeniul analogic şi digital. Fiecare avea propriile remarci şi justificări despre motivul pentru care nu pot face orice. În acest articol proiectantul din domeniul digital va găsi câteva sfaturi ajutătoare la pătrunderea în “zona întunecoasă (analogică)” a proiectării circuitelor. Sau, din perspectiva mea, ei păşesc într-un final în lumină.
Diferenţele de bază dintre mintea analogică şi cea digitală constau din definiţiile preciziei, hardware versus software, şi timp. Atunci când vine vorba despre precizie, problema despre care aţi putea să vă faceţi griji este cât de bine dispozitivul dvs. analogic se potriveşte sarcinii dorite, sau cât de eficient execută software-ul dvs. programul digital. Inginerii din domeniul analogic recunosc că schimbările de hardware sunt dificile, în timp ce, cei din domeniul digital fac schimbări software cu numai câteva taste apăsate. Apoi este problema timpului. În proiectele analogice, frecvenţa predomină în deciziile proiectanţilor. În proiectele digitale rolul proeminent îl joacă timpul scurs.

Precizia
Cum puteţi defini precizia într-un circuit analogic? La această întrebare se poate răspunde în trei feluri diferite. Un răspuns este “cât de precis este necesar”. Unele dintre circuitele dvs. vor necesita precizii de 1 sau 2mV, în timp ce altele vor necesita precizii de sub-microvolt.
Această diferenţă în cerinţele sistemului va încuraja rezolvări de tip “suficient de aproape” în unele sisteme şi “ce altceva mai pot stoarce de la acest circuit” în alte sisteme.
O a doua metodă pentru obţinerea preciziei implică un efort de a înţelege cu adevărat componentele şi dispozitivele cu care lucraţi. În termeni de componente, o rezistenţă de 1kOhmi sau un condensator de 20pF, sau orice altă rezistenţă sau condensator, nu sunt întotdeauna egale cu valoarea absolută anunţată. De exemplu, temperatura poate avea un efect dramatic asupra ambelor componente enunţate. Mai mult, variaţii există de la dispozitiv la dispozitiv. Combinate, aceste două probleme majore pot modifica dramatic performanţele circuitului dvs., dacă nu le luaţi în considerare.
În termeni de dispozitive, puteţi vedea că documentaţia referitoare la produse prezintă valori garantate şi tipice maxime şi minime. Valorile garantate nu au nevoie de explicaţii. Dispozitivele dvs. nu vor depăşi aceste valori specificate atâta vreme cât respectaţi condiţiile specificaţiilor, şi nu vă supraîncărcaţi dispozitivul cu temperaturi sau tensiuni mai mari.
Valorile tipice dintr-o documentaţie de produs sunt însă o altă problemă. Există o varietate de căi pentru a determina ce ar trebui să fie aceste valori tipice. Fiecare producător are propria cale şi justificare de a calcula aceste valori. Unii producători utilizează media unei mari cantităţi de dispozitive faţă de produsul iniţial. Astfel, dimensiunea şi caracteristicile fiecărui eşantion pot varia considerabil. De exemplu, unii producători încearcă să fie foarte meticuloşi selectând sute de eşantioane din trei sau mai multe loturi de producţie, în timp ce alţii iau un mic eşantion (15 – 30) dintr-un singur lot, şi anunţă valori tipice pornind de la acesta. După cum puteţi bănui, ultima variantă nu oferă o bună imagine asupra dispozitivului.
Pe lângă numărul de eşantioane, calcularea valorilor tipice poate de asemenea varia. Unii producători definesc valorile lor tipice ca fiind egale cu o abatere standard, plus media. Alţii iau doar media şi o utilizează ca valoare tipică pentru specificaţii. Unii producători utilizează simularea lor SPICE ca ghid final pentru valori tipice. O atenţionare aici! Indiferent de modalitatea producătorului de a determina valorile tipice publicate în specificaţii sau documentaţii tehnice, NU proiectaţi circuitele dvs. în jurul specificaţiilor tipice. Lucraţi în schimb întotdeauna cu specificaţiile minim şi maxim.
Al treilea aspect legat de precizie este zgomotul, în care aveţi nevoie să ştiţi câte ceva despre calculul statistic cu număr mare de eşantioane.
Zgomotul în electronică poate fi aleator. Dacă apare un eveniment aleatoriu peste spectrul de frecvenţă, el este anulat de frecvenţe coerente. Zgomotul apare în toate dispozitivele analogice, inclusiv dispozitivele pasive şi active. Dacă verificaţi evenimentele de tip zgomot din circuitul dvs. ele pot construi o distribuţie normală în timp. Dacă eşantioanele de zgomot apar într-o distribuţie normală, eşantioane repetate diferă în jurul unei valori centrale. Distribuţia este aproximativ simetrică în jurul acestei valori centrale. Distribuţia produce o curbă cu cel mai înalt punct în zona centrală, tinzând spre 0 în ambele direcţii. Datorită acestei distribuţii după teorema limitei centrale, puteţi utiliza calcule standard precum abaterea medie sau standard pentru a prezice mărimea apariţiilor viitoare de zgomot faţă de curba normală.
Pentru mai multe informaţii referitoare la zgomot în electronică puteţi apela la seria de articole postate pe www.en-genius.com[1].

Hardware vs. software
Există căi pragmatice de gândire atunci când se discută de investiţia în analogic. Gândiţi-vă la proiectele dvs. hardware în termeni de învăţare a elementelor de bază despre componente, cunoaştere a comportării generale a dispozitivelor de bază, evaluându-vă întotdeauna la început circuitele. Problemele legate de placa de circuit sunt importante de abordat, dar nu fac obiectul acestui articol.
Precizia în lumea digitală se raportează la cât de precis a fost creat programul, cu privire la interacţiunile din cadrul programului cu evenimente externe precum întreruperi.
1.) Învăţaţi elementele de bază ale componentelor dvs.
Printre cele mai simple elemente de bază sunt cele legate de rezistenţe, condensatoare şi bobine. Şi, dacă în perioadele timpurii ale carierei dvs. aţi fost expus numai superficial la aceste dispozitive, lucrul este departe de a fi terminat. Întrebarea la care trebuie să vă răspundeţi este “Ce trebuie cu adevărat să ştiu ca inginer proiectant în domeniul analogic?”
Rezistenţele sunt dispozitive simple. Sunt câteva posibile situaţii când trebuie luată în considerare utilizarea acestui tip de componentă. Calea fundamentală de gândire asupra unei rezistenţe este aceea că influenţează tensiunile şi curenţii din proiectul dvs. Ecuaţiile Thevenin definesc acest lucru explicit ca:

Unde:
V este tensiunea
R este rezistenţa exprimată în Ohmi
I este curentul exprimat în Amperi
Pentru a reţine această formulă eu am legat-o de lecţiile elementare de geografie: Vermont este întotdeauna deasupra Rhode Island.
Aceasta este primul nivel de descriere al rezistenţei. Din motive practice, aceasta este o ecuaţie CC – nu CA. Dacă priviţi dincolo de formula în cauză, puteţi să fiţi îngrijorat de caracteristicile parazite din jurul rezistenţei. Şi anume este vorba despre un condensator parazit în paralel cu elementul rezistiv, şi o bobină parazită în serie. Aceste componente sunt datorate realizării fizice a dispozitivului.

Modelul tipic al unei rezistenţe. Elementele parazite ale rezistenţei standard sunt CP şi LS.

În Figura 1 se poate observa schema rezistenţei cu elementele parazite.
Într-adevăr, nu mi-am făcut niciodată probleme legate de capacitatea parazită a rezistenţei până când am început să proiectez senzori cu fotodiodă, circuite trans-impedanţă.

Ignorarea capacităţii parazite a rezistenţei de feedback poate cauza instabilitatea unui fotodetector trans-impedanţă.

Figura 2 prezintă un exemplu al acestui tip de circuit. Dacă construiţi în orb un circuit de foto-detecţie (fără grija CP), ieşirea poate în mod misterios să cânte ca o pasăre (să oscileze) fără mare efort. Această oscilaţie este uzual cauzată de alegerea necorespunzătoare a CF, dar poate fi cauzată şi de condensatorul fantomă, CP. Condensatoarele, în combinaţie cu capacitatea parazită a fotodiodei şi capacitatea de intrare a amplificatorului, interacţionează în a asigura sau nu stabilitate.
Acest exemplu de circuit este un loc în care capacitatea parazită a rezistenţei vă poate afecta. Puteţi extrapola problema şi la alte circuite, dacă utilizaţi condensatoare discrete de valori mici în paralel sau în serie cu rezistenţe discrete.
Inductanţa parazită a rezistenţei poate afecta sistemele de viteză mare în care sunt utilizate rezistenţe de valori mici. În general vorbind, impedanţa rezistenţelor de valoare mare este mai afectată de capacitatea parazită. Impedanţa rezistenţelor de valoare mai mică este mai afectată de inductanţa parazită.

Impedanţa unei rezistenţe se schimbă odată cu frecvenţa la alte valori faţă de valoarea rezistenţei definite în CC. Capacitatea şi inductanţa parazite influenţează aceste schimbări.

Figura 3 ilustrează acest lucru.
Într-un mediu de curent continuu, condensatorul se comportă ca un “perete de cărămidă” faţă de tensiuni şi curenţi. În proiectul dvs. consideraţi operarea şi impactul condensatoarelor în domeniile timp şi frecvenţă. Această formulă pentru condensatoare este una pe care o folosesc frecvent în proiectele mele:

Unde:
C este capacitatea [F]
dV este variaţia tensiunii [V]
dt este variaţia de timp [s]
Ştim de asemenea că la lucrul în frecvenţă, condensatoarele şi rezistenţele sunt utilizate pentru realizarea de filtre trece jos şi trece sus. Condensatorul este însoţit în serie de o rezistenţă parazită (RESR) şi o bobină parazită (LESL).

Ilustrarea unui model de condensator ceramic tipic. Elementele parazite ale condensatorului standard sunt o rezistenţă serie (RS), cunoscutã şi ca ESR

În Figura 4 este prezentată o schemă a acestor componente parazite.
Când abordaţi pentru prima oară problema condensatoarelor, se pare că acestea sunt elemente capacitive pure care interacţionează în circuit cu rezistenţe şi bobine ideale. Acest lucru nu este neapărat adevărat. Rezistenţa parazită şi bobina parazită a condensatorului schimbă impedanţa condensatorului de bază odată cu frecvenţa. Acest comportament este redat în Figura 5.

Rãspunsul în frecvenţă al unui condensator variază la frecvenţe mici datorită rezistenţei serie, iar la frecvenţe mari datorită bobinei serie.

În Figura 5, rezistenţa serie a condensatorului (RESR) cauzează scăderea cu frecvenţa a impedanţei condensatorului. Bobina serie (LESL) cauzează creşterea impedanţei condensatorului la frecvenţe mari.
Condensatoarele sunt foarte utile pentru decuplarea surselor de tensiune, stabilitatea circuitelor, încărcarea stabilizatoarelor de joasă cădere de tensiune şi stabilirea de referinţe de tensiune. În toate aceste cazuri, condensatoarele sunt utilizate pentru modificarea frecvenţelor CA, nu a semnalelor CC.

2.) Cunoaşterea comportării generale a blocurilor constructive de bază:
Consideraţi aceste celule de circuite de bază precum instrucţiunile din programul microcontrolerului dvs. Puteţi să le utilizaţi în configuraţiile lor cele mai cunoscute sau în abordare clasică. În analogic blocurile constructive de bază sunt:
– Rezistenţe
– Condensatoare
– Bobine
– Convertoare analog-digitale
– Amplificatoare operaţionale

3.) Un nivel de gândire mai ridicat:
Vă este teamă de matematică? Nu insistaţi asupra ei la început. Concentraţi-vă doar pe partea practică a aplicaţiilor analogice şi învăţaţi regulile. Mulţi dintre noi încep prin a lucra în cadrul problemei înainte de a realiza mărimea acesteia. Acest lucru seamănă cu scrierea unui program înainte de a aborda schema logică a acestuia. Odată ce ai păşit înapoi şi te-ai gândit la ea, poţi descoperi că analiza ta detaliată este pe aproape. Dacă analiza este corectă, este probabil numai o parte a întregului tablou. Iată un exemplu perfect pentru ce vreau să spun:

Problemă
Care este frecvenţa de tăiere a filtrului R|C trece jos cu un singur pol prezentat în Figura 6?

Răspuns

Soluţie “la îndemână”: Stai aşa … acesta nu este un filtru trece jos, ci unul trece sus. Probabil că ştiţi asta imediat după examinare, dar este uluitor câte se pot observa din această simplă concluzie! Dacă presupuneţi că autorul a greşit şi a inversat plasarea rezistenţei şi condensatorului, frecvenţa de tăiere va fi egală cu: 1/ (2 × pi × R1 × C1) sau aproximativ 167Hz.
Cum am ajuns aici? Nu este (2p) egal cu aproximativ 6? La o primă trecere pot accepta această eroare deoarece eroarea dispozitiv-la-dispozitiv a condensatorului este probabil de ±10 sau 20%. Prin calcul exact valoarea polului este localizată la 159,1549Hz.

Soluţie calculată (fără alte observaţii):

Din acest calcul rezultă un zero la CC şi un pol la 159,1549Hz.

Aceste două soluţii nu sunt identice. Şi pun pariu că o simulare SPICE se va potrivi soluţiei calculate.

Puteţi utiliza TINATM [3], software SPICE gratuit de la Texas Instruments pentru a vă realiza simulările. Morala acestei poveşti este să vă gândiţi asupra căii de abordare a problemei la început – apoi să utilizaţi SPICE pentru a vă verifica analiza. Cu acest tip de analiză, reţineţi precizia (sau lipsa acesteia) diferitelor componente şi dispozitive din sistemul dvs. După aceea, şi numai după aceea, ştiţi cum lucrează circuitele şi cum răspunde sistemul, putându-vă testa priceperea din punct de vedere al matematicii şi al SPICE.

Timp (versus frecvenţă)
Strategiile de proiectare digitală prosperă în domeniul timp. Cu toate că poate părea că microcontrolerele sau cipurile DSP creează evenimente concurente, tehnica din spatele scenei utilizată pentru obţinerea acestei aparenţe este programarea multi-tasking.
Alternativele, strategiile de proiectare pur analogice prosperă în domeniul frecvenţă. Convertoarele analog-digitale (ADC) şi convertoarele digital-analogice (DAC) sunt numai câteva dintre dispozitivele primare care se menţin peste domeniile de timp şi frecvenţă.

Concluzii
Există diferenţe între proiectarea analogică şi digitală. Am auzit adesea că un proiectant în domeniul analogic, va fi mereu un proiectant în domeniul analogic (şi invers) – dar mă gândesc că lucrurile se schimbă. Mi se pare că toţi inginerii şi proiectanţii trebuie să se întoarcă la planşetă şi să stăpânească ambele domenii în termeni de precizie, suport hardware versus software, şi timp.

Bibliografie
1. Kay, Art, “Analysis and Measurement of Intrinsic Noise in Op Amp Circuits Part 8: Popcorn Noise,” ( www.en-genius.net),
www.en-genius.net/site/zones/audiovideoZONE/technical_notes/avt_022508.
2. “TINATM – SPICE-Based Analog Simulation Program,”
Texas Instruments: www.ti.com/tinati-ca.
3. To download relevant datasheets and related technical documents, visit: www.ti.com/opa381-ca.

Despre Autor
Bonnie Baker este Senior Applications Engineer la Texas Instruments şi este implicată de peste 20 de ani în sisteme şi proiecte analogice şi digitale. Datorită fascinaţiei ei pentru proiectarea circuitelor, Bonnie îşi împărtăşeşte cunoştinţele şi experienţa. Ea a scris sute de articole, note de proiectare, note de aplicaţii, articole la conferinţe şi este autoarea “A Baker’s Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers.” Bonnie poate fi găsită la ti_bonniebaker@list.ti.com.

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre