. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Rozdíly analogového a digitálního návrhu
15. května 2013 - 8:26 | Bonnie Baker | Rozdíly analogového a digitálního návrhu | Komentářů: 7  

Rozdíly analogového a digitálního návrhu

Bonnie Baker přibližuje hlavní rozdíly analogového a digitálního návrhu elektronických obvodů. Dále se článek zaměřuje především na analogový návrh, včetně uvedení nejčastějších potíží s ním spojených.

Bude to již deset let, co jsem se zúčastnila konference Embedded Systems Conference (ESC) 2001 (San Francisco), kde jsem byla oslovena čerstvým absolventem, inženýrem. Když zjistil, že jsem manažerkou firmy, vysvětlil mi, že právě hledá práci. Řekl mi, že naši firmu zná a zná i produkci našich mikrokontrolérů a že by pro nás rád pracoval, načež mi předal svůj životopis. Na oplátku jsem mu já předala několik informací o mé úloze ve společnosti. Tou dobou jsem se věnovala obvodům pro zpracování smíšených signálů a lineární aplikační skupinu. Mou povinností byla definice výrobků, psaní technických listů, školení zákazníků i jednání se zákazníky a navíc mou práci tvořilo cestování doslova po celém světě. Když jsem pak na závěr zmínila své "prodejní" výsledky, prohlásil, že to zní jako skvělá práce. Ještě jsem zopakovala, že mou oblastí pracovního zájmu je analogová technika. Zřejmě si však myslel, že pracuji podobně jako on doma, protože následně řekl: "analogová technika umírá". Dále ještě dodal, že ji nakonec zcela nahradí digitální technika. Samozřejmě každý, kdo elektrotechnice rozumí, by s tímto tvrzením bez výhrady souhlasil. Je to tak?

Za celou svoji kariéru jsem pracovala s širokým spektrem analogových a digitálních obvodů. Každý z nich má přitom své vlastní detaily a důvody, proč nemůže dělat vše. V tomto článku se tak pokusím přiblížit několik užitečných rad při pohledu z té "starší (analogové) strany" návrhu elektronických obvodů. Neboť tyto jsou z mého pohledu stále na svém vzestupu.

Základní rozdíl mezi analogovým a digitálním přístupem je zakotven v definici kýžené přesnosti. Ta se přitom může nacházet jak v oblasti hardwaru, tak i software a samozřejmě času. Pokud jde o přesnost systému, jsou nasnadě otázky typu, jak dobře jsou vaše analogové systémy přizpůsobeny ke splnění kýženého úkolu? Nebo jak efektivně váš software zpracovává digitální data?Specialisté na analogovou techniku si rychle uvědomí, že především změny v jejich hardwaru jsou poměrně obtížné. Na rozdíl od digitální techniky, kde stačí provést změnu zdrojového kódu, většinou jen několika stisky počítačových kláves. Dále je tu otázka času. V analogovém designu je dle frekvence určeno rozhodnutí návrháře. V digitálním designu hraje nejvýznamnější roli především čas strávený na projektu.

Preciznost
Jak byste při návrhu začali definovat přesnost vašich analogových obvodů? Taková otázka může být zodpovězena hned třemi různými způsoby. Jednou z odpovědí je "tak přesně, jak je třeba." Některé z obvodů vyžadují přesnost pouze jeden nebo dva milivolty, zatímco jiné budou vyžadovat přesnost vyšší než jednotky mikrovoltů. Tento rozdíl v systémových požadavcích je bezpředmětný, pokud se spokojíme s provozem "nadoraz" v jedněch systémech a provozem "co lze ještě z toho obvodu vymáčknout" v systémech druhých.

Druhá metoda dosažení kýžené přesnosti, vyžaduje jisté úsilí ke skutečnému pochopení součástek a prvků, s nimiž pracujete. Pokud jde o součástky, 1k rezistor nebo 20pF kondenzátor není nikdy reprezentován pouze uvedenými absolutními hodnotami. To samozřejmě platí nejen o jakýmkoliv odporu a jakémkoliv kondenzátor. Kupříkladu i jen samotná teplota může mít zásadní dopad na hodnoty obou těchto prvků. Krom toho existují samozřejmě i rozdíly mezi použitím obvodů v laboratorních podmínkách a jeho nasazením v reálné aplikaci. Kombinace uvedených problémů je schopna změnit vlastnosti libovolného obvodu tak drasticky, že se stává nepoužitelným. Samozřejmě jen tehdy, pokud je nechcete vzít v úvahu již při samotném návrhu.

Pokud jde o zařízení, každý produkt má ve své technické specifikaci uvedeny maximální, minimální a typické hodnoty. Garantované maximální a minimální hodnoty jsou samozřejmě jasné. Dané zařízení nesmí překročí stanovené hodnoty na dobu delší, než je uvedeno v rámci podmínek specifikace. Především se jedná o přetížení zařízení vyššími teplotami a vyšším napětím.

Něco jiného prezentují uvedené typické hodnoty. Existuje celá řada způsobů, jak je možné tyto hodnoty zjistit. Každý výrobce má přitom svůj vlastní způsob a důvod pro daný výpočet těchto hodnot. Někteří výrobci průměrují velké množství vzorků daných prvků ještě před finální verzí produktu. Samozřejmě se zde liší i počet a vlastnosti testovaných vzorků. Někteří výrobci se snaží být například velmi důslední a vybírají hned několik stovek kusů ze tří a více produkčních sérií. Jiní naopak volí jen malý vzorek (15 až 30 kusů) z jedné série a typické hodnoty zjišťují z této skupiny. Jak samozřejmě asi tušíte, nebude mít tato metoda příliš dobré výsledky a poskytovaný obraz nebude příliš reprezentovat skutečné hodnoty, kolísající v průběhu času.

Kromě množství použitých vzorků se může lišit i samotný výpočet typických hodnot. Někteří výrobci své typické hodnoty definují jako jednu standardní odchylku, plus průměr. Jiní vezmou čistý průměr a použijí jej jako typickou hodnotu do konečné specifikace. Někteří výrobci používají dokonce jen simulaci, poskytující jim konečné typické hodnoty pro uvedení ve specifikaci. Zde tedy opatrně! Bez ohledu na to, jak který výrobce určuje typické provozní hodnoty do jeho specifikací nebo technických listů, NEPOUŽÍVEJTE součástky ve své aplikaci v blízkosti těchto hodnot. Místo toho se raději zaměřte na minimální a maximální garantované hodnoty.

Třetím aspektem přesnosti je šum. Zde je potřeba využívat statistické výpočty s velkým množstvím produkčních vzorků.

Šum v elektronických obvodech může mít několik podob. Z definice vyplývá, že jde o náhodný projev, zasahující přes celé frekvenční spektrum, nevyzdvihující žádné konkrétní frekvence. Nějaký šum se přitom vyskytuje uvnitř všech analogových obvodů, včetně všech pasivních a aktivních prvků. Máte-li k dispozici vzorek šumu v daném obvodu, je možné provést jeho rozdělení v časové ose. Spadají-li získané vzorky šumu do normální distribuce, jsou opakované vzorky umístěny kolem centrální hodnoty. Vlastní distribuce je přibližně symetrická kolem tohoto ústředního bodu. Její součástí je křivka s nejvyšším výskytem ve středu, slábnoucí po obou stranách až na nulu. Protože je toto rozdělení v souladu s tzv. Central Limit Theoremem, je možné použít standardní výpočty pro průměr a odchylku. Díky tomu je možné předpovědět obecný rozsah budoucích událostí ve vztahu k výchozí křivce.

Další informace o šumu v elektronických obvodech přináší kompletní série článků na www.en-genius.com [1].

Hardware versus software
Napadají vás jen samé pragmatické způsoby vždy, když myslíte na analogový hardware? Myslete na návrh svého hardware z pohledu vlastností základních elektronických součástek. Na základě nich je totiž definováno chování celého systému. Rovněž si všimněte, že otázky kolem návrhu samotné desky s plošnými spoji jsou sice také velice důležité, nejsou však součástí tohoto článku. Na toto téma je k dispozici celá řada dalších materiálů.

Má-li se mluvit o přesnosti v digitálním světě, je řeč pouze o přesně vytvořeném zdrojovém kódu. Především se může jednat o interakce kódu s vnějšími událostmi, jako je například přerušení.

1) Naučte se základy elektronických součástek:

Mezi úplně nejnižší základy, které je třeba mít při návrzích vždy na paměti, patří teorie kolem rezistorů, kondenzátorů a tlumivek. Pokud se právě nacházíte na počátku své kariéry, máte s největší pravděpodobností jen hrubé znalosti těchto prvků a vaše práce tak není ani zdaleka dokonalá. Sami sebe se tak nyní musíte ptát: "Co vše je třeba znát, abych mohl navrhovat jako opravdový analogový specialista?"

Rezistory jsou jednoduché elektronické pasivní součástky. I tak existuje několik skutečností, které je třeba zvážit při použití tohoto typu konstrukčního prvku v návrhu. Základní představa o funkci rezistoru je, že ovlivňuje napětí a proud v obvodu. Théveninova rovnice je explicitně definována jako:

Kde V je napětí
R je odpor v ohmech
I je proud v ampérech

Při vzpomínání na tento vzorec je možné vybavit si i hodiny zeměpisu: Vermont je vždy větší než Rhode Island.

Jedná se o nejzákladnější úroveň definice rezistorů v elektronickém obvodu. Pro praktické účely musíme rovněž dodat, že se jedná o rovnici platnou ve stejnosměrném obvodu. Pokud bychom chtěli znát skutečnou podobu vzorce, museli bychom přidat i parazitní vlastnosti zvolené součástky. Z náhradního schéma rezistoru je patrné, že paralelně s ním je řazen ještě parazitní kondenzátor a v sérii s vývody rezistoru je zařazena parazitní indukčnost. Tyto komponenty pocházení z fyzikální podstaty prvku. Viz obrázek 1, kde je uvedeno schéma s těmito parazitními prvky.


Obr. 1: Typický model rezistoru. Parazitními prvky rezistoru jsou paralelně s ním řazená kapacita (Cp) a sériově řazená indukčnost (Ls)

Popravdě řečeno, ani já sama jsem dříve nikdy s parazitní kapacitou odporu nepočítala. Tedy až do doby, než jsem začala navrhovat snímač s fotodiodou a transimpedančním obvodem. Na obrázku 2 je uveden příklad tohoto obvodu. Pokud jste rovněž někdy konstruovali podobný optický snímací či jiný obvod jen slepě (bez starosti o Cp), jako kdysi já, mohl vás výstupní signál notně překvapit. Prakticky s minimálním úsilím se vám podařilo vytvořit oscilátor. Jeho oscilace je obvykle způsobena nevhodným výběrem Cf, ovšem může být rovněž způsobena i tím, že rezistor Rf obsahuje i parazitní kondenzátor Cp. Tyto kondenzátory, v kombinaci s parazitní kapacitou fotodiody kapacitou vstupu zesilovače, ovlivňují stanovenou stabilitu - nebo také ne. Záleží samozřejmě na jejich hodnotách.


Obr. 2: Ignorování parazitní kapacity odporu zpětné vazby může v transimpedančním optickém zesilovači způsobit jeho nestabilitu [2]

Tento obvod je jedním z mnoha příkladů, kde se zanedbání parazitní kapacity rezistoru může vymstít. Uvedený příklad je samozřejmě možné extrapolovat na řadu jiných obvodů. Tedy především tam, kde se používají malé hodnoty diskrétních kondenzátorů paralelně nebo v sérii s diskrétními odpory.

Naproti tomu, parazitní indukčnost může mít zásadní vliv při vyšší rychlosti systému, kde jsou užívány nižší hodnoty odporů. Obecně platí, že na impedanci rezistoru má u nízkých hodnot odporu vliv parazitní indukčnost a naopak u vyšších hodnot se více projevuje parazitní kapacita. Impedance rezistorů s velmi nízkou hodnotou je tak ovlivněna především výhradně parazitní indukčností. Tento stav je uveden na obrázku 3.


Obr. 3: Závislost impedance rezistoru, definovaného hodnotou nominálního odporu, na frekvenci. Impedance se mění vlivem jeho parazitních prvků

Ve stejnosměrné sestavě se kondenzátor chovat jako "zeď" pro napětí a proud. V návrhu je tak potřeba zvážit funkci a zohlednit vliv kondenzátorů především ve frekvenční oblasti. Pro podobné výpočty je nejčastěji využíván následující vzorec.

Kde C je kapacita ve faradech
V je nabíjecí napětí ve voltech
t je nabíjecí čas v sekundách

Rovněž víme, že díky frekvenční závislosti jsou kondenzátory a rezistory používány k vytvoření dolnofrekvenčních a hornofrekvenčních filtrů. V případě kondenzátorů je jejich reálné schéma složeno ze sériové kombinace parazitního odporu (RESR) a parazitní indukčnosti (LESL). Schéma těchto parazitních složek je na uvedeno obrázku 4.


Obr. 4: Model typického keramického kondenzátoru. Standardní kondenzátor je složen z parazitních prvků, jako je parazitní sériový odpor (Rs), rovněž známý jako sériový odpor (ESR), a sériové indukčnosti (LS), rovněž známá jako ESR.

Jistě mi nyní dáte za pravdu: Když jste se poprvé seznámili s kondenzátorem, zdálo se vám, že jde o čistě kapacitní prvek. Tedy prvek, reagující v obvodu s ideálním odporem a ideální cívkou. To samozřejmě nemusí být nutně pravdou. Stále přítomný parazitní odpor a parazitní indukčnost ovlivňují impedanci základního kondenzátoru v závislosti na frekvenci. Toto chování je zakresleno na obrázku 5.


Obr. 5: Frekvenční závislost kondenzátoru se na nižších frekvencích mění v důsledku sériového parazitního odporu. Na vyšších frekvencích je naopak ovlivňována sériovou indukčností

Sériový rezistor (RESR), uvedený na obrázku 5, způsobí, že kondenzátoru se vzrůstající frekvencí klesá impedance. Naopak, sériová indukčnost (LESL) způsobí, že se kondenzátoru impedance zvyšuje, vzrůstá-li frekvence.

Kondenzátory jsou přitom velmi užitečné pro oddělení napájení, stabilitu obvodů, filtrování napěťových stabilizátorů a napěťových referencí. Nicméně, ve všech případech je kondenzátor provozován v AC režimu s nějakým střídavým signálem - ne v režimu DC s čistě stejnosměrnými signály.

2) Chování základních stavebních prvků elektronických obvodů:

Představme si základní elektronické prvky obvodu, jako instrukční sadu v mikrokontroléru. Pro začátek je třeba si uvědomit, jaké je jejich chování v nejčastěji používaných obvodech, nebo prostě klasických konfiguracích. V analogové technice tvoří pomyslné základní kameny:

  • Rezistory
  • Kondenzátory
  • Tlumivky
  • Analogově / digitální převodníky
  • Operační zesilovače

3) Detailnější pohled na věc:

Bojíte se matematiky? Vždyť ji není třeba hned používat. Stačí se soustředit na praktickou stránku analogových aplikací a naučit se základní pravidla. Mnozí z nás začínají návrh tím, že ignorují možné problémy. To jde však jen tak dlouho, než uvědomíme, jak velké problémy to jsou. I zde je možné srovnání se zdrojovým kódem, jemuž by měl vždy předcházet stavový diagram. Jakmile se vrátíte o krok zpět a zamyslíte se nad tím, možná zjistíte, že vaše podrobná analýza situace je hodně daleko od skutečnosti. Pokud je vaše analýza správná, je to pravděpodobně řečeno jen část z celku, kterou zrovna vidíte. Zde je nádherný příklad toho, co mám na mysli:

Problém
Jaká je zlomová frekvence dolnofrekvenčního RC filtru prvního řádu (používaného v jednoduchých filtrech) z obrázku 6?


Obr. 6: Příklad obvodu

Odpověď:
Logické řešení: Moment ... to přeci není dolnofrekvenční filtr, ale hornofrekvenční. To asi každý ví už ze školy, ale zajímavé sledovat, kolik lidí se vždy nechá nachytat a jednoduchý detail přehlédne! Zkusme však nyní společně předpokládat, že autor udělal ve schématu chybu a odpor s kondenzátorem jednoduše prohodil. Zlomová frekvence se rovná:

Co když ale měřením zjistíme, že je zlomová frekvence například 167 Hz? Jak se k tomuto číslu dostanu? Není snad hodnota 2*pi zhruba šest? Jako první myšlenku bychom vše mohli svést na toleranci součástek. To je navíc i velice pravděpodobné, neboť především kondenzátor od kondenzátoru je vždy jiný. Tolerance u obyčejných kondenzátorů bývá až 10 nebo 20%, ale pokud si podle vzorce spočítáme zlomovou frekvenci a použijete přitom nominální hodnoty součástek, vyjde nám hodnota 159,1549 Hz.

Zjednodušené výpočetní řešení:

Z tohoto výpočtu vyplývá, že nulový útlum je na DC a zlomová frekvence je 159,1549 Hz.

Tyto dvě frekvence však stále nesouhlasí. Navíc se i vsadím, že po sestavení v libovolném simulačním programu by se došlo opět k této frekvenci. Však si to sami můžete zkusit, například použitím TINATM [3], volně dostupného simulačního a návrhového software od společnosti Texas Instruments. V něm je možné snadno celý obvod nasimulovat. Z uvedeného problému je patrné, že navrhovat analogové obvody není až tak snadné. U tohoto druhu analýzy je potřeba mít na paměti, že pro požadovanou přesnost není v systému obvykle k dispozici dostatek informací o jednotlivých složkách. Jakmile si však toto uvědomíme, není obvykle problém nastavit obvod tak, aby mohl daný systém použít správné matematické algoritmy.

Čas versus frekvence
Strategie návrhu digitálních obvodů patří do časové oblasti. Přestože se může zdát, že mikroprocesor nebo DSP je schopen vytvořit několik souběžných procesů, není tomu tak. Ve skutečnosti je toho dosaženo zdrojovým kódem, který využívá tzv. multi-tasking.

Naproti tomu, strategie čistě analogových obvodů by se dala zařadit spíše do frekvenční oblasti. Analogově/digitální převodníky (ADC) a digitálně/analogové převodníky (DAC), tvoří jen část základních prvků, které pracují jak v časové, tak frekvenční oblasti.

Závěr
Mezi analogovým a digitálním systémem existuje samozřejmě celá řada rozdílů. Často jsem na toto téma slyšela tvrzení: když se člověk stane analogovým návrhářem, tak jím zůstane již navěky (a samozřejmě i naopak). Osobně si ale myslím, že i zde by se dalo použít vhodné přirovnání, například s přílivem a odlivem. Zdá se mi, že pokud má jít o skutečně přesný a spolehlivý návrh, musí se stejně všichni návrháři vrátit zpět k rýsovacímu prknu. Je přitom lhostejné, jedná-li se o návrh hardware nebo software.

Reference:
1.Kay, Art, “Analysis and Measurement of Intrinsic Noise in Op Amp Circuits Part 8: Popcorn Noise,” (www.en-genius.net), http://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.

O autorce:
Bonnie Baker je Senior Applications Engineer pro Texas Instruments, přičemž již více než 20 let je spojena s analogovými a digitálními projekty. Kromě jejího zaujetí k obvodům, má Bonnie potřebu sdílet své znalosti a zkušenosti s dalšími lidmi. Napsala tak již stovky článků, poznámek k návrhům a aplikačních poznámek, přičemž je navíc i autorkou oblíbené knihy "A Baker’s Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers,". Bonnie je k dispozici na mailové adrese ti_bonniebaker@list.ti.com.







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (7):

Zobrazit starší 30 dnů (7)...



Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Anténa 2J010 - 900/1800/2400MHz
Anténa 900/1800/2400MHz, 90° s konektorem SMA
Skladem od 83 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007