将模拟电路设计带入数字时代

在数字世界中，一些最昂贵的手表是模拟的，这似乎很奇怪。这是因为创建一个能够连续显示一天中准确时间的仪器需要很多技巧。模拟手表提醒我们，自然世界不是数字的，因此总是需要具有模拟设计技能的工程师。不幸的是，由于错误地认为模拟设计“过时”和“困难”，这些技能变得越来越稀缺。

虽然在过去，它可能被描述为一种“黑暗艺术”，需要结合繁琐的手工计算、笨重的实验室设备和经验法则，但模拟设计已经发生了很大变化。如今，模拟设计人员可以使用以前只有数字设计人员才能使用的创新硬件和软件工具。在本文中，我们将回顾模拟设计工程师在设计电路时使用的传统方法。然后，我们强调新设计工具在执行这些相同任务时可能产生的非凡影响——帮助模拟电路设计对下一代工程师更具吸引力。

模拟信号链与时间一样，光、热和压力等自然现象都是模拟量，这意味着它们不断变化。传感器（也称为传感器）将这些信号转换为模拟电压，形成电子控制系统（例如中央供暖）的输入。该电压信号通常很小，并且经常被传感器无意中拾取的其他信号污染，使其原始形式不适合系统中的数字微控制器使用。为了克服这个问题，模拟工程师开发了一系列称为模拟信号链的电路，它可以修改传感器输出，使其对系统有用（图 1）。

 

图 1. 模拟信号链。

在上面的框图中，放大器增加了传感器信号的幅度，而滤波器电路去除了不需要的信号和噪声（更高或更低的频率）。放大和滤波后的传感器输出随后被馈送到模数转换器 (ADC)，在此它被转换为适合系统微控制器处理的数字格式。虽然这项任务看起来很简单，但传感器类型和工作条件的组合使模拟信号链的设计具有挑战性。在下一节中，我们将探讨为什么模拟滤波器电路的设计传统上是耗时的。

老式过滤器设计

模拟滤波器电路通常由几个有源和无源元件（运算放大器、电阻器、电容器，有时还有电感器）组成。由于可用的过滤器类型及其相关规格的多样性，设计任务变得更加复杂。需要有条不紊的设计方法，其中第一步是确定应用所需的过滤器类型。可用选项包括：

低通（或 LPF 去除高频信号）

高通（或 HPF 去除低频信号）

带通（或仅允许定义频率范围内的信号通过的 BPF）

下一步是选择满足滤波器规格的滤波器传递函数，包括：

带宽，它描述了电路允许通过不衰减的频率范围（幅度很少或没有减少）。

“滚降”，描述衰减率或滤波器开始去除传感器信号中不需要的频率分量的速度。

相位，指输入和输出信号之间的相对延迟。如果在信号链中使用反馈环路，这一点很重要，因为它会影响环路稳定性。

传递函数是一个复杂的数学公式，用于描述滤波器的频率响应（输入和输出信号之间的关系）。如滤波器表（巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫等）中所述，模拟设计人员必须尽可能将所需的滤波器频率响应与不同滤波器类型的预先计算的频率响应相匹配。选择了与所需性能最匹配的滤波器类型后，设计人员接下来必须计算元件值，以便他们可以构建（或模拟）真实电路。完成该阶段后，可以评估过滤器性能以检查其是否符合要求的规格。这可能是一个耗时且有时令人沮丧的过程，通常需要重复多次，直到找到最佳折衷方案。

新时代的滤波器设计虽然前面描述的模拟设计过程可能对许多人来说很熟悉，但由于提供了 ADI 公司的“模拟滤波器向导”等工具，现代现实却大不相同。该软件完全自动化了从初始滤波器选择到实际原型设计的滤波器设计流程。在做出初始滤波器选择（LPF、HPF 或 BPF）后，设计人员只需将滤波器规格输入用户友好的 GUI，该 GUI 会显示并动态调整滤波器频率响应的可视化表示（图 2）。

 

图 2. 在模拟滤波器向导中设置滤波器频率响应。

进行进一步调整就像重新输入规格值和/或移动滑块一样容易。指定所需的频率响应后，该工具会自动显示将提供它的电路（图 3）。设计人员无需手动将传递函数与不同过滤器类型的表进行匹配。甚至提供电路元件值，无需数学计算。该工具不仅仅提供“理想”电路模型，还允许设计人员指定组件容差，以便他们能够感受电路的“真实世界”性能。它还提供功能齐全的 SPICE 文件（无需调试），可以快速轻松地模拟温度和电压的影响。

 

图 3. 匹配所需频率响应的滤波器电路。

下一代硬件

除了软件的显着改进外，可用硬件工具的进步同样令人印象深刻。传统上，模拟工程师在实验室中设置他们的电路，因为他们需要的设备——单独的电源、示波器和信号发生器——很笨重并且便携性有限。将这些设备中的每一个快速连接到电路会导致难以处理的电线和探头缠结，这会使故障查找变得棘手。值得庆幸的是，现在可以使用单个 USB 供电设备 Digilent Analog Discovery 2 来替换这种复杂的设置，它将示波器、信号发生器和电源的功能结合到一个袖珍设备中。因此，模拟工程师现在只需要一台笔记本电脑即可快速设置和评估电路性能，而可能根本不需要访问实验室。

 

图 4. Digilent Analog Discovery 2 取代了 3 台实验室设备。

结论

没有模拟电路，我们认为理所当然的数字世界就不会存在。模拟信号在任何时候都可以具有任何价值，这使得模拟电路的设计具有挑战性。然而，复杂设计工具（软件和硬件）的开发已经自动化了许多更困难的设计任务。模拟设计工程师总是很受欢迎，使用这些前沿工具的机会肯定会激发年轻工程师对这个行业的新兴趣。

审核编辑 黄昊宇