Recursos y herramientas para el diseño analógico

En el tercer blog de esta serie sobre la importancia de los conocimientos analógicos en la ingeniería, analizaremos los equipos de laboratorio que necesitan los ingenieros electrónicos para desarrollar su trabajo.

Imagen 1: fuente de alimentación en un laboratorio.

Repasaremos las características y el funcionamiento de las herramientas de hardware (la fuente de alimentación, el generador de señales y el osciloscopio) y veremos que sus funciones (anteriormente discretas) se han combinado en una única y cómoda herramienta por USB. Por último, también hablaremos de las características de una herramienta de software que ha simplificado enormemente el proceso de diseño de circuitos analógicos de filtrado.

Equipo de laboratorio para el trabajo con circuitos analógicos
El objetivo de un circuito electrónico es controlar y dirigir la corriente eléctrica para llevar a cabo diversas funciones. Para probar el rendimiento de cualquier diseño de circuito analógico, una fuente de alimentación es una herramienta fundamental. Estas fuentes (imagen 1) funcionan rectificando una tensión de corriente alterna para generar una corriente continua pulsada y filtrada, lo que genera una tensión uniforme. A continuación, esta tensión se regula, generando un nivel de salida constante que no se ve afectado por los cambios en la tensión de entrada de CA ni en la carga del circuito.

En el laboratorio, los ingenieros electrónicos utilizan una fuente de alimentación de CC de sobremesa (con características adicionales según las especificaciones) para imitar la fuente de alimentación que el circuito utilizará en una aplicación real. Los mandos giratorios permiten ajustar con mayor precisión las salidas de tensión y corriente continua. Algunas fuentes de alimentación autónomas son programables, lo que significa que se pueden controlar desde un ordenador.

El generador de señales se utiliza para crear formas de onda repetitivas o no repetitivas; los ingenieros pueden seleccionar el tamaño, la forma y la frecuencia de la señal de prueba. Normalmente dispone de opciones de onda sinusoidal, triangular y cuadrada, así como pulsadores para seleccionar el control de la frecuencia y mandos giratorios para ajustar la amplitud. Los modelos más avanzados son programables y, en algunos casos, tienen una pantalla LCD.



Imagen 2: generador de señales.

Visualización de señales analógicas
Los ingenieros utilizaron durante muchos años el osciloscopio: un instrumento de sobremesa y de grandes dimensiones con una pantalla led para ver las señales analógicas. Sin embargo, los nuevos tipos de dispositivos ultraportátiles —como el Analog Discovery 2 de Digilent— combinan la funcionalidad de un osciloscopio, un generador de señales, una fuente de alimentación de CC y un voltímetro, todo ello en un tamaño compacto. Se trata de dispositivos conectados por USB que se configuran fácilmente con un ordenador portátil, que también puede usarse para ver la señal. Gracias a sus dimensiones y su funcionalidad, estos kits son ideales para que los ingenieros hagan pruebas y análisis de señales de forma virtual y en cualquier entorno.



Imagen 3: Analog Discovery 2 de Diligent.

El diseño de circuitos de filtro
Cuando el ingeniero ya ha establecido las especificaciones del circuito de filtro, el siguiente paso es determinar la configuración de circuito necesaria para lograrlo. Esto se solía hacer calculando matemáticamente la función de transferencia del filtro (ecuación) y seleccionando los componentes (condensadores, resistencias y amplificadores operacionales) para construirlo. Esta tarea, que podía ser lenta y compleja, se ha simplificado muchísimo gracias a herramientas de software como el Analog Filter Wizard de Analog Devices, que permite al ingeniero electrónico diseñar un circuito de filtro en cinco sencillos pasos:

Paso 1: seleccionar el tipo de filtro.
Hay que escoger el tipo de filtro necesario (paso bajo, paso alto o paso de banda).

Paso 2: especificaciones.
En la pestaña «Especificaciones», introducimos la ganancia, la banda de paso, la banda de eliminación y el desplazamiento del filtro, y podemos analizar el equilibrio entre la velocidad y el número de etapas mediante un control deslizante. Esta herramienta también muestra un gráfico de la respuesta en frecuencia del filtro, que se actualiza inmediatamente cuando se modifican las especificaciones de entrada.

Paso 3: componentes.
La pestaña «Componentes» muestra la configuración del circuito y los valores físicos necesarios de los componentes (resistencias, condensadores y amplificadores operacionales) para cumplir con las especificaciones del filtro.

Paso 4: tolerancias.
En este paso, los ingenieros especifican las tolerancias de los componentes del circuito que elijan. Aunque los componentes de menor tolerancia quizá tengan un coste menor y una mayor disponibilidad, podrían provocar un aumento en la variabilidad entre instancias individuales del filtro. Este equilibrio entre coste, rendimiento y disponibilidad debe tenerse en cuenta al aplicar el concepto de «diseño para la fabricación», una estrategia que mitiga el riesgo potencial de una especificación incorrecta de los componentes en las primeras fases del proceso de diseño.

Paso 5: siguientes pasos.
El ingeniero puede aquí descargar archivos SPICE para el circuito de filtro, una función útil con la que pueden simular el rendimiento real del circuito.

Simulación del circuito
Las herramientas de software SPICE permiten simular el comportamiento de los circuitos en aplicaciones prácticas. Al modificar variables como la tensión de alimentación y la temperatura, los ingenieros pueden determinar las tolerancias aceptables para cada circuito mucho antes de comprometerse a construir un prototipo físico, un proceso caro y lento. Los ingenieros electrónicos también pueden especificar diferentes señales de entrada, variaciones de tensión/temperatura y tipos de simulación con las que puedan analizar el comportamiento en frecuencia y tiempo del circuito.

Conclusión
La última generación de herramientas de hardware y software simplifica enormemente las tareas que los ingenieros electrónicos suelen llevar a cabo al diseñar circuitos analógicos. Las funciones de la fuente de alimentación, el generador de señales y el osciloscopio se han combinado en instrumentos autónomos y ultraportátiles, como el Analog Discovery 2 de Digilent. Por otro lado, el proceso de diseño de un circuito de filtro analógico es ahora mucho más sencillo, gracias a herramientas de software como Analog Filter Wizard de Analog Devices. En el próximo artículo, veremos que la simulación de circuitos analógicos se ha simplificado en gran medida gracias a los archivos de simulación del software SPICE.

No se pierda el próximo blog: Cómo comprender y gestionar el diseño analógico.

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