Tool e risorse per la progettazione analogica

In questo terzo blog della serie di quattro blog che ha per tema le competenze richieste ai progettisti analogici verranno esaminate le apparecchiature da laboratorio utilizzate dai progettisti per svolgere in modo efficace il loro lavoro.

Figura 1 – Esempio di alimentatore da laboratorio

Dopo una descrizione delle funzionalità e del funzionamento delle apparecchiature hardware richieste – alimentatore, generatore di segnali e oscilloscopio – verrà mostrato in che modo funzioni prima discrete sono ora integrate in un singolo strumento alimentato tramite USB. Da ultimo verranno analizzate le caratteristiche di un tool software che ha fornito un valido contributo alla semplificazione della progettazione di circuiti di filtraggi analogici.

Strumenti da laboratorio necessari per la progettazione analogica
Lo scopo di un circuito elettronico è controllare e governare una corrente elettrica con l'obiettivo di implementare una pluralità di funzioni. L'alimentatore è uno strumento critico per collaudare le prestazioni di qualsiasi progetto di circuito analogico. Un alimentatore (Fig. 1) rettifica una tensione alternata (ac) per generare un tensione continua (dc) impulsata che viene filtrata per produrre una tensione più uniforme. Questa tensione viene quindi regolata in modo da generare un livello di uscita costante che non è influenzato dalle variazioni della tensione alternata di ingresso o dal carico del circuito.

All'interno di un laboratorio, i progettisti elettronici utilizzano un alimentatore in continua da banco (che può avere ulteriori caratteristiche in base alle specifiche) per ricreare la sorgente di alimentazione che il circuito utilizzerà durante il suo impiego sul campo. L'utilizzo di controlli di tipo rotativo consente di impostare in modo più preciso le correnti e le tensioni DC di uscita regolate. Alcuni alimentatori autonomi sono programmabili e possono così essere collegati direttamente a un computer laptop che può quindi controllarli.

Un generatore di segnali (Fig. 2) è utilizzato per creare forme d'onda di tipo ripetitivo e non, consentendo ai progettisti di selezionare dimensione, forma e frequenza del segnale di test richiesto. Questo strumento genera solitamente onde sinusoidali, triangolari e quadrate e prevede pulsanti per selezionare il controllo della frequenza e comandi di tipo rotativo per la regolazione dell'ampiezza. I modelli di fascia più alta sono programmabili e possono essere equipaggiati con uno schermo LCD.



Figura 2 – Esempio di generatore di segnali

Visualizzazione dei segnali analogici
Solitamente i progettisti per visualizzare i segnali analogici hanno utilizzato un oscilloscopio; uno strumento da banco di dimensioni abbastanza ampie corredato da uno schermo a LED. I dispositivi portatili di nuova generazione, come Analog Discovery 2 di Digilent (Fig. 3) integrano in un fattore di forma ridotto le funzionalità di più strumenti: oscilloscopio, generatore di segnali, alimentatore in DC e voltmetro. Questi dispositivi connessi tramite un'interfaccia USB sono facilmente configurabili tramite un computer laptop, utilizzabile anche per la visualizzazione dei segnali. Grazie alle ridotte dimensioni e alle numerose funzionalità integrate, queste soluzioni sotto forma di kit sono i candidati ideali per i progettisti che possono così effettuare collaudi e analisi dei segnali in modo virtuale e in qualsiasi ambiente.



Figura 3 – Il tool Analog Discovery 2 di Digilent

Progettare circuiti di filtraggio
Quando il progettista ha determinato le specifiche del circuito di filtraggio, può stabilire la configurazione circuitale adatta allo scopo. Solitamente ciò richiedeva il calcolo matematico della funzione di trasferimento del filtro (equazione) e la successiva selezione dei componenti (condensatori, resistori amplificatori operazionali) necessari per la realizzazione. Questo compito, che poteva risultare complesso e oneroso in termini di tempo, è stato notevolmente semplificato grazie alla disponibilità di tool software come Analog Filter Wizard di Analog Devices, che consente ai progettisti elettronici di realizzare il circuito di filtraggio in cinque passi, qui di seguito descritti.

1: Selezione del tipo di filtro
In questa prima fase si tratta di scegliere il tipo di filtro richiesto (passa-basso, passa-alto o passa-banda)

2: Specifiche
Il riquadro delle specifiche (“Specification”) consente di immettere il guadagno, la banda passante, la banda di arresto e il roll-off del filtro e di valutare i compromessi tra velocità e numero di stadi tramite un cursore. Il tool visualizza anche un grafico della risposta in frequenza del filtro che si aggiorna immediatamente quando le specifiche di ingresso vengono modificate.

3: Componenti
Il riquadro dei componenti (‘Components’) visualizza la configurazione del circuito e i valori dei componenti fisici (R, C e amplificatore operazionale) richiesti per soddisfare le specifiche del filtro.

4: Tolleranze
IN questa fase i progettisti possono specificare le tolleranze dei componenti del circuito selezionati. Anche se i componenti contraddistinti da tolleranze meno strette possono risultare più economici ed essere prontamente reperibili, non bisogna dimenticare che il loro impiego potrebbe contribuire ad aumentare la variabilità tra le singole istanze del filtro. Questo compromesso tra costo, prestazioni e disponibilità deve essere basato sul concetto di DfT (Design for Manufacturing), una strategia che premette di ridurre i potenziali rischi legati a una definizione non corretta delle specifiche dei componenti nelle fasi iniziali del progetto.

5: Fasi successive
Cliccando su questo riquadro i progettisti possono scaricare i file SPICE per il filtro: si tratta di una funzionalità molto utile che consente di simulare le prestazioni “nel mondo reale” del circuito di filtraggio.

Simulazione del circuito
I tool software SPICE consentono la simulazione del comportamento del circuito nelle applicazioni pratiche. Modificando le variabili come a esempio temperatura e tensione dell'alimentatore un progettista può determinare le tolleranze accettabili per ciascun componente del circuito prima di impegnarsi a costruire un prototipo fisico, un compito oneroso in termini di tempi e costi. Un progettista può anche specificare un'ampia gamma di segnali di ingresso, variazioni di temperatura/tensione e tipi di simulazione per analizzare il comportamento del circuito in termini sia di tempo sia di frequenza.

Considerazioni conclusive
I tool hardware e software di ultima generazione semplificano notevolmente l'insieme di attività che un progettista deve svolgere nel corso dello sviluppo di circuiti analogici. Le funzionalità dell'alimentatore, del generatore di segnali e dell'oscilloscopio sono ora integrate in strumenti portatili autonomi come Analog Discovery 2 di Digilent. La progettazione di un filtro analogico, invece, è ora molto più semplice grazie alla disponibilità di tool software come Analog Filter Wizard di Analog Devices. Nel prossimo e ultimo blog verrà invece mostrato il contributo dei file di simulazione del software SPICE alla semplificazione della simulazione di un circuito analogico.

Continuate a seguirci nel nostro prossimo blog dal titolo: “Affrontare la progettazione analogica (in modo semplice)”.

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