Progettazione analogica: una competenza essenziale per l'industria elettronica

Espressioni come “economia digitale” e “trasformazione digitale” sono oramai entrate nel lessico comune. La focalizzazione del mondo industriale sulle tecnologie digitali ha fatto quasi dimenticare che il mondo reale non è digitale, bensì intrinsecamente analogico.

Figura 1 Termometri analogici e digitali

L'errata percezione che la tecnologia analogica sia oramai obsoleta e quindi di scarso rilievo sta avendo serie ripercussioni sull'industria elettronica, spingendo un gran numero di laureati e diplomati in ingegneria a concentrare i loro studi e le loro ricerche esclusivamente sull'elettronica digitale.

Una situazione di questo tipo sta creando una preoccupante carenza di competenze e di esperienza pratica nello sviluppo di applicazioni e nella progettazione analogica tra gli ingegneri elettronici. A ciò si aggiunge il fatto che molti giovani ingegneri ritengono che la progettazione analogica sia definita in maniera approssimativa, richieda calcoli matematici complessi e non possa fare affidamento sui sofisticati tool software che sono invece disponibili per i progettisti digitali. A meno che non si riesca a invertire questa tendenza in tempi brevi, l'industria elettronica si troverà prima o poi a dover fronteggiare il problema della carenza di progettisti con l'esperienza nel settore dell'analogica richiesta per sviluppare quelle innovazioni necessarie per soddisfare le aspettative dei consumatori.

L'obiettivo di questa serie di quattro blog è ristabilire l'equilibrio tra conoscenza e comprensione della progettazione analogica. In questi blog verranno esaminate le basi della progettazione di circuiti analogici e descritti i tool che i progettisti hanno a disposizione per sviluppare i loro design in modo affidabile. L'evoluzione della progettazione analogica, che ora può contare su una metodologia molto ben strutturata, e l'analisi delle caratteristiche di alcuni degli avanzati tool hardware e software disponibili che permettono di ridurre la necessità di ricorrere a complessi calcoli manuali sono le altre tematiche che verranno affrontate in questi blog. La speranza è incoraggiare un maggior numero di giovani ingegneri elettronici a considerare la progettazione elettronica come un'attività gratificante e apprezzata che potrà anche avere ripercussioni favorevoli sulla loro carriera professionale.

Analogico e digitale: le differenze
Con il termine analogico si fa riferimento a segnali o informazioni rappresentati da una quantità fisica variabile in modo continuo. Esempi classici di quantità analogiche sono la tensione, la luce, il calore, la pressione e il suono. La rappresentazione digitale di una quantità, per contro, può essere espressa solamente mediante un numero all'interno di un insieme di valori preimpostati (o discreti). La differenza tra analogico e digitale può essere illustrata mediante questi semplici esempi:

• Accendere o spegnere completamente la luce in una stanza (digitale) anziché utilizzare un regolatore di intensità luminosa (dimmer) per impostare la luminosità sul livello di illuminazione desiderato (analogico).

• Utilizzare un termostato che accende o spegne completamente un apparecchio di riscaldamento quando la temperatura in una stanza è superiore o inferiore a un valore pre-impostato (digitale) anziché ricorrere a un termostato che regola costantemente il funzionamento dell'apparecchio di riscaldamento al fine di mantenere la temperatura della stanza a un valore prestabilito (analogico).

• Un sistema audio con controlli del volume pre-impostati (digitale) anziché un sistema con manopola rotante che permette di regolare il volume a qualsiasi livello desiderato (analogico).

Le quantità analogiche vengono trasformate nel formato digitale semplicemente perché possono essere elaborate rapidamente dai circuiti digitali. Ciò comunque non significa che i segnali digitali siano sempre i più accurati. A esempio un termometro digitale, al contrario di quel che avviene per un termometro analogico, misura la temperatura solamente a intervalli periodici, processo questo noto come campionamento. In secondo luogo, può visualizzare questa misura utilizzando esclusivamente uno dei valori che sono stati pre-impostati, processo questo che prende il nome di quantizzazione.

Di conseguenza, affinché il display di un termometro digitale (Fig. 1) si aggiorni in presenza di una variazione di temperatura, il termometro in questione deve innanzitutto effettuare la misura (operazione che può anche avvenire dopo che si è verificata la variazione di temperatura), mentre la variazione misurata deve essere maggiore del più piccolo valore pre-impostato che il termometro è in grado di riconoscere. Val qui la pena segnalare che i dispositivi digitali delle più recenti generazioni sono progettati in modo da eseguire un gran numero di misure ad alta velocità e riconoscere variazioni di piccola entità (grazie alla presenza di un gran numero di valori discreti). Anche se i termometri digitali non potranno mai essere precisi come le loro controparti analogiche in termini di misura “pura”, le loro prestazioni di solito sono sufficienti per soddisfare i requisiti delle specifiche applicazioni.

Sensori
Un sensore (o trasduttore) viene impiegato per rilevare e convertire una forma di energia in un'altra. Esso a esempio “cattura” il calore, la luce o il suono e le converte in energia elettrica, solitamente sotto forma di un segnale di tensione analogico. Tra i sensori più utilizzati per rilevare la temperatura si possono annoverare termocoppie e RTD (Resistance Temperature Detector – termometri a resistenza), mentre i fotodiodi e i microfoni vengono impiegati per rilevare rispettivamente la luce e i suoni.

Considerazioni conclusive
In definitiva, il funzionamento della maggior parte dei sensori su basa sui principi dell'analogica e i segnali elettrici di uscita prodotti da questi dispositivi sono molto piccoli, dell'ordine dei mV se non addirittura inferiori. Ciò significa che questi segnali devono essere condizionati al fine di eliminare il rumore e incrementare l'ampiezza o il livello, prima di convertirli nel formato digitale come richiesto dai sistemi di controllo a valle. Il sensore e i circuiti utilizzati per eseguire questo condizionamento (amplificatori, filtri e convertitori dati) sono noti come la catena del segnale analogico che sarà l'argomento del prossimo blog.

Continuate a seguirci nel nostro prossimo blog dal titolo: “Catena del segnale: nozioni di base”.

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