下一代工具将模拟设计带入数字时代

一个非常奇怪的现象是，在我们生活的数字世界中，那些最昂贵的手表却是模拟的。这是因为构建一个能够在一天中连续显示准确时间的仪器需要很多技巧，同时模拟手表也在提醒我们，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，由于现实中对模拟设计“过时”和“困难”等错误认识，这些技能已经变得越来越稀缺。

然而，在过去，模拟技术却已经被描述为一种“暗黑艺术（dark art）”，需要结合繁琐的手工计算、笨重的实验室设备和经验法则。但实际上模拟设计已经发生了很大变化，如今的模拟设计人员可以借助于以前只有数字设计人员才可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，同时我们着重介绍新设计工具在执行这些任务时可以产生的非凡效果，这些将有助于增强模拟电路设计对下一代工程师的吸引力。

模拟信号链路
与时间一样，光、热和压力等自然现象都是模拟量，这意味着它们都是连续变化。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，并且经常会被传感器无意中采集的其他信号干扰，使其初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，可以改进传感器输出，使其对系统有用。（参见图1）。

图 1： 模拟信号链路。

在上面的框图中，放大器增大了传感器信号的幅度，而滤波器电路则去除了不需要的信号和噪声（高于或低于信号频率）。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复杂组合使模拟信号链路的设计非常具有挑战性。在下一节中，我们将探讨为什么模拟滤波器电路设计很久以来都是极其耗时的。

老派滤波器设计

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。由于可用的滤波器类型及其相关参数多种多样，使设计任务变得更加复杂。需要实施有条不紊的设计方法，其中第一步是确定具体应用所需的滤波器类型。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BPF，仅允许定义频率范围内的信号通过）

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（幅度几乎没有或没有减少）的频率范围。

• “滚降”，描述衰减率或滤波器开始去除传感器信号中不需要频率分量的锐利程度。

• 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，相位很重要，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）。如滤波器表格（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地将所需滤波器频率响应与不同滤波器类型的预先计算频率响应进行匹配。在选择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各个元件的值，以便可以构建（或模拟）真实电路。该阶段完成后，可以评估滤波器性能以检查其是否符合所要求的规格。这其中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。

新时代滤波器设计

前面提到的模拟设计过程对许多人来说可能很熟悉，但当代模拟技术的发展却使境况大不相同，这要归功于ADI提供的“模拟滤波器向导”等设计工具。该ADI向导实现了从初始滤波器选择到实际原型设计的设计流程完全自动化，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图形用户界面（GUI），该 GUI 会显示并动态调整滤波器频率响应的可视化显示（参见图 2）。

图 2：在模拟滤波器向导中设置滤波器频率响应。

可以通过重新输入规格值和/或移动滑块来非常容易地实施进一步调整。在确定所需的频率响应后，该工具会自动显示将提供的电路（参见图3）。设计人员无需手动将传递函数与不同滤波器类型系列进行匹配。该工具甚至能够提供电路元件值，无需进行数学计算，它不仅能够提供“理想”电路模型，还允许设计人员指定组件容差，以便了解电路在真实世界的性能。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

除了在软件方面有显著改进外，硬件工具的进步同样也令人印象深刻。传统上，模拟工程师通常需要在实验室中设置他们的电路，因为单独的电源、示波器和信号发生器等所需的设备非常笨重且不易携带，将这些设备中的任何一个快速连接到电路会导致难以应对的电线和探头缠结，使查找故障变得更加棘手。值得庆幸的是，现在可以使用单个 USB 供电设备（Digilent Analog Discovery 2）替换这种复杂的设置，它能够将示波器、信号发生器和电源的功能整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，而根本不需要借助实验室设备。更专业的设计可能仍需要专用实验室提供的功能，但对于许多一般应用，Digilent Analog Discovery 2的方法已经足够满足要求。

图 4：Digilent Analog Discovery 2 可取代 3 台实验室设备。

结论

没有模拟电路，我们认为理所应当的数字世界就不会存在。模拟信号在不同时间点可以有任何不同的值，这使得模拟电路的设计非常具有挑战性。然而，包括软件和硬件在内的先进设计工具开发已经使许多更困难的设计任务实现自动化。模拟设计工程师在业界总是很受欢迎，通过使用这些前沿工具肯定会激发年轻工程师对这个行业的新兴趣。