Resumen: Los seres humanos son criaturas extrañas, porque el conocimiento a veces parciales, el ego y la confianza fuera de lugar son más peligrosos que hay conocimiento de un tema. Con el diseño electrónico, malas interpretaciones y malentendidos pueden llevar a los circuitos que no funcionan como se esperaba. Para un diseñador de experiencia, algunos de los circuitos parece que debería funcionar. Mientras tanto, el ingeniero con experiencia se encoge y se preguntó cómo alguien puede se meten en una solución. Esta nota de aplicación presenta tres estudios de caso que ilustran cómo un análisis simple y una comprensión adecuada de las leyes de la física se puede educar a los diseñadores a evitar problemas similares en futuros diseños.
Introducción
Cuando los diseñadores digitales frente a los sistemas analógicos, interpretando mal funcionamiento del dispositivo o los resultados de los requerimientos de diseño en algunos fascinantes analógico "horror" historias. A veces, los diseñadores digitales entienden cómo funciona una parte (o debería funcionar), por lo que hacer suposiciones extrañas que dan como resultado el mal uso del papel.Lamentablemente, como regla general, las escuelas de ingeniería de hoy en día se concentran en la tecnología digital, mientras que casi en su totalidad haciendo caso omiso de diseño analógico. Como resultado de ingenieros sin experiencia digital, tienen que aprender analógica por ensayo y error. Algunos de los dispositivos resultantes que Rube Goldberg orgulloso. ¹ En este artículo se considera una historias de horror que pocos desde la perspectiva de un ingeniero analógico. Varios malentendidos digital común revelar algunas verdades analógico: la importancia de la energía limpia y motivos;impedancia de CC a nivel de juego puede ser ignorado cuando se conectan las etapas del circuito, y quizás lo más importante, haciendo caso omiso de las leyes de la física el tiempo puede causar un fallo del sistema.
Era hermoso en la superficie, pero ...
Una hoja de datos dice: "Coloque la fuente de alimentación condensadores de desacoplamiento-lo más cercano a la clavija de alimentación del CI como sea posible." Como se puede ver en la Figura 1 , el diseñador fue lo que hizo!Figura 1. Una placa de circuito impreso (PCB) que muestra el diseño IC y el condensador. Otros componentes fueron alrededor de la figura 1 IC, pero estos eran los más importantes. Fue una junta de cuatro capas con restos de la señal en el exterior de dos capas. Un ingeniero con experiencia analógica de esperar el poder y los planos de tierra en el interior de dos planos, respectivamente. De hecho, este circuito fue diseñado para funcionar como un tablero de señales mixtas en una aplicación de vídeo. Tenía alta frecuencia de analógico a digital (ADC) y digital a analógico (DAC) con circuitos de procesamiento de señales. La densidad del componente fue sólo moderado. No hubo pelota grid array ( BGA ) los paquetes que necesitan más capas de complicar el diseño. Al probar el diseño, encontramos que la salida de vídeo era ruidoso, realmente muy ruidoso. Hemos seguido la mayoría de los ruidos de un IC. La figura 1 muestra el diseño en la parte superior del tablero. Había una señal de ruido enorme en el pin. Cuando un alambre delgado se coloca a través de la "tierra" a través lado del condensador de desacoplamiento y la conexión sigue hacia el otro lado de la junta, había un rastro (no es un plano de tierra interno) que desapareció en otra vía. Esta configuración fue definitivamente preocupante. Al revisar el programa de diseño de la placa aquí, podemos destacar el nodo deseado y ver todas las conexiones. Figura 2 es parte de lo que se encontró. Figura 2. Diseño de la placa ver con el software de diseño PCB. Las huellas parecía que se realizaron por un trazador automático de circuitos digitales. Este fue el caso porque el diseñador diseño de la placa no tenía experiencia con la analógica. No había tierra interno y planos de energía. (Vea la nota de aplicación 4345, " bien fundamentada, es analógico digital ", para conectar a tierra consejos y uso adecuado de los aviones.) Para el diseñador de experiencia, el circuito es correcto, porque todos los motivos están conectados entre sí. Ese enfoque es cierto en DC, pero en frecuencias de operación, el circuito equivalente tiene muchos elementos parásitos, como se muestra en la Figura 3 . Figura 3. Una manera de visualizar rebote tierra en el circuito. Cada traza ya través de la figura 2 contiene la resistencia y la inductancia. En la Figura 3, los componentes se distribuyen los parásitos se derrumbó en el inductor en serie solo cerca del suelo en el centro inferior de la figura.Imagen de la bobina en el ojo de tu mente como un resorte mecánico. La IC se dibuja aquí como un amplificador operacional para simplificar la explicación, pero podría ser cualquier circuito. El ruido de los circuitos digitales y otro a la izquierda y la derecha sobre el símbolo de rebote suelo se mueve el voltaje arriba y hacia abajo cuando las corrientes de los demás circuitos de cambio de estado. La señal analógica es, por tanto, la contaminación en varios puntos:
- El ruido se aplica al amplificador operacional de entrada a través de R1.
- El ruido se aplica a la terminal de tierra del amplificador operacional. (Sí, hay una fuente de alimentación índice de rechazo (PSRR) especificación, sino que utiliza la tierra como el de referencia. Esto significa que el ruido se añade directamente a la señal de salida.)
- El ruido se aplica a la entrada del amplificador operacional a través de R2.
- El ruido se aplica a la entrada del amplificador operacional a través del condensador de desacoplamiento y por encima de la resistencia R1.
Recuerde que un condensador es un dispositivo de dos vías. El trabajo del condensador de desacoplamiento es homogeneizar las frecuencias altas a ambos lados del condensador. Si hay ruido en la tensión del bus y la tierra es un lugar limpio, de baja impedancia camino de retorno a la fuente de alimentación, y luego un condensador de desacoplamiento puede ayudar a reducir el ruido. Sin embargo, si la tierra tiene una impedancia alta y un montón de ruido, el condensador de desacoplamiento en realidad añade ruido a la tensión del bus. El ruido añadido en varios puntos alrededor del amplificador operacional en la figura 3 hace un verdadero lío en la salida debido a las señales de ruido se suman con diferencias de fase. Todo el ruido tiende a aumentar en la salida, como lo indica el rebote y el símbolo. La salida también es afectado por el efecto de la no linealidad en el pequeño amplificador operacional. El ruido se multiplica por la no linealidad de varios elementos diferentes, creando así suma y armónicos diferencia que salpique el ruido en todo el espectro. La solución fue diseñar una explicación simple de cómo hacer buena tierra y aviones de potencia (Usted no quiere ver las huellas de energía en el diseño original-eran igualmente problemática.) Una vez que el ingeniero sin experiencia persona y entendido los conceptos de diseño, el diseño de la próxima no tenía problemas de ruido.
Una radio analógica con un diseño imposible
Un problema fue descubierto en una placa de evaluación radio-transmisor. Un diseñador tomó el esquema y entró en una placa de circuito impreso (PCB) trazador automático diseñado para la lógica digital. La junta directiva resultante no se podía utilizar como una radio, no había ningún avión y en tierra que, efectivamente, califica como otro diseño de Rube Goldberg. Los caminos de la señal crítica en la junta estaban dispersos, cosido a través de vías (inductores), y el poder no se disoció correctamente. Luego de la antena en el tablero era una forma extraña. Es bastante difícil para el diseño de una antena en línea recta. El diseñador se le preguntó sobre el programa de software utilizado para hacer la antena. Hemos esperado oír algo sobre el descubrimiento de un "gran nueva herramienta de software de diseño de la antena", pero el diseñador dijo: "que era el espacio que queda para que es donde ponemos la antena." A pesar de que el diseñador era un ingeniero de microprocesadores bueno, no tenía idea de que el tamaño de la antena es controlado por la longitud de onda de la señal. Él también tenía ningún concepto de un plano de tierra es la otra mitad de la antena. Un ingeniero de radio con más conocimientos en el otro grupo salvo que el diseño.
Esto hace resonar con usted?
Instrumentos musicales y radios utilizan la resonancia de operar. La figura 4 muestra las tuberías de un órgano de tubos. Cada tubo se está sintonizado a una nota musical específica. Cuando nos sintonizamos una radio de una estación (frecuencia) a otra, la resonancia nos ayuda a seleccionar una estación y rechazar todas las demás. Figura 4.Un órgano de tubos situados en una iglesia de Berna, Indiana, EE.UU. Radio tamaños de antenas se sintonizan para resonar en frecuencias específicas, pero ahí está el problema. Mientras trabajaba en un proyecto de automóvil, un diseñador quería tener comunicación a larga distancia mediante la colocación de una antena en el interior del compartimiento del motor de un automóvil. Este fue un producto del mercado que necesitan para transmitir y recibir bajo el capó de metal del compartimiento del motor de cualquier coche. El diseñador cree que el compartimiento del motor de los coches que forman una cavidad resuena a una frecuencia específica y amplificar la señal. Por desgracia, las cavidades resuenan requieren un diseño exigente y ya que cada tipo de vehículo tiene un compartimento diferente el tamaño del motor, la resonancia fue difícil de lograr. Además, el diseñador no quiere pagar los precios de automóviles de alta temperatura-calificado componentes. Por no entender que los compartimientos del motor se caliente, el diseñador tenía previsto erróneamente partes del consumidor-grado con la máxima temperatura de calificaciones de 70 ° C para sobrevivir. Un ingeniero con experiencia en radio fue llamado para arreglar el diseño.
Minimizar el ruido con Motivos digitales y analógicas
El MAX541 de 16-bit DAC combina analógicas y digitales en el mismo paquete: tierra analógica y los pines digitales del suelo. Hoja de datos del dispositivo se explica cómo conectar y utilizar puntos de la estrella de los planos de masa.Los términos de un terreno puede ser engañoso. En lugar de analógica y digital, limpia y sucia podría ser mejor descripción. Como se explica en la nota de aplicación 4345, "bien fundamentada, Digital es analógico," circuitos digitales se puede ignorar un poco de ruido debido al efecto de umbral. Circuitos analógicos no se puede ignorar que el ruido. En el caso de convertidores de datos se debe tener cuidado al conectar la base digital y analógica. Esto es especialmente cierto cuando los sistemas comprenden muchas ADCs y DACs, habilidad y experiencia son necesarias para conectar los planos de masa en forma de estrella. Además, los aviones analógicas y digitales deben ser transversales se conectan a cada convertidor de datos . El objetivo aquí es hacer que las grandes corrientes volver a la fuente de alimentación con poca corriente en la cruz-conecta. Expertos ingenieros pueden utilizar resistencias, cuentas de ferrita, o inductores de las conexiones cruzadas de corriente continua en función de la frecuencia. La experiencia permite minimizar el número de diseños de tarjetas, pero la única manera de estar seguro es de optimizar empíricamente y de forma iterativa el diseño de circuitos y reducir los problemas de ruido.
Conclusión
Por desgracia, todas las piezas pueden ser mal usado y abusado. La experiencia es también un gran maestro. La mayor parte de la retrospectiva, el tiempo nos permite mejorar un diseño que nos preguntamos por qué no ver lo evidente antes. Al final, ninguna parte puede hacer todo lo posible para cada diseño y cada diseñador. Que es una buena lección. No importa la cantidad de Rube Goldberg trató de un artefacto único de su no podía incorporar todas las partes en cada aplicación. Que es una buena cosa, porque la gente ha disfrutado de muchos dibujos animados Rube para las generaciones. ¹ Ver www.rubegoldberg.com / gallery.php .
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