Расчетные расчеты для опытных EE

Опытные дизайнеры, как правило, проводят немало расчетов или интуитивно разработаны большие части схем? Я спрашиваю, потому что кажется, что инженеры-проектировщики, как правило, имеют представление о том, какой предел стоимости вы хотите иметь здесь, резистор там, для общих частей цепей. Если это так, то это потому, что они просто перерабатывают проекты? Для новичка это сногсшибательно. Хотя такие книги, как «Искусство электроники», похоже, способствуют приближенным вычислениям на лету.

Я профессиональный инженер-электрик, который регулярно разрабатывает новые схемы для серийного производства и работает уже более 35 лет.

Да, я часто делаю расчеты, чтобы определить точные спецификации деталей. Есть также много случаев, когда опыт и интуиция достаточно хороши, а требования недостаточно, и я просто выбираю значение. Не путайте это со случайным значением.

Например, для понижающего резистора на линии MISO шины SPI, я просто спекулирую 100 кОм и с этим покончим. 10 кОм тоже подойдет, и кто-то другой выберет, что тоже не так. Если я использую резистор 20 кОм в другом месте, то я могу указать другой резистор на линии MISO, чтобы избежать добавления другой детали в спецификацию. Дело в том, что иногда у вас много возможностей, а интуиция и опыт достаточно хороши.

С другой стороны, глядя на схему моей последней конструкции, которую я сейчас занимаюсь разработкой первых плат, я вижу случай, когда я потратил некоторое время не только на указание значения детали, но и на вычисление результата отклонения. на остальной части системы. Было три случая использования двух резисторов в обратной связи с импульсным источником питания. Вот проблема, сформулированная как домашнее задание:

Порог входа обратной связи чипа с питанием составляет 800 мВ ± 2%. Вы используете три экземпляра этого чипа для создания источников питания 12 В, 5 В и 3,3 В. Ранее вы решили использовать около 10 кОм для нижнего резистора каждого делителя напряжения. Определите характеристики полного резистора в каждом случае и определите минимальное / максимальное номинальное напряжение питания. Придерживайтесь легко доступных значений резистора. Используйте 1%, если подходит, и спецификации соответственно.

Это настоящая проблема реального мира, которая заняла несколько минут с калькулятором. Кстати, я определил, что 1% резисторов были достаточно хорошими. Это на самом деле то, что я ожидал, но все равно сделал расчеты, чтобы убедиться. Я также отметил полный номинальный диапазон для каждой поставки прямо на схеме. Это может быть полезно не только для последующего использования, но и для того, чтобы рассмотреть этот вопрос и сделать расчеты. Мне или кому-то еще не нужно будет задаться вопросом год спустя, например, каков допуск источника 3,3 В, и заново выполнить расчеты.

Вот фрагмент схемы, показывающий описанный выше случай:

Я просто выбрал R2, R4 и R6, но выполнил расчеты, чтобы определить R1, R3 и R5, и результирующие номинальные диапазоны источника питания.

Добавлено о деталях SHx (ответ на комментарий)

Части SH - это то, что я называю "шорты". Это просто медь на плате. Их цель состоит в том, чтобы в программном обеспечении можно было разбить одну физическую сеть на две логические сети, в данном случае это Eagle. Во всех трех вышеупомянутых случаях части SH соединяют местное заземление импульсного источника питания с заземляющей плоскостью всей платы.

Импульсные источники питания могут иметь значительные токи, проходящие через их заземление, и эти токи могут иметь высокочастотные составляющие.

Большая часть этого тока циркулирует локально. Делая местное заземление отдельной сетью, соединенной с основным заземлением только в одном месте, эти циркулирующие токи остаются в небольшой локальной сети и не пересекают основную плоскость заземления. Небольшая локальная сеть заземления излучает гораздо меньше, и токи не вызывают смещений в основном заземлении.

В конечном итоге питание должно вытекать из источника питания и возвращаться через землю. Однако этот ток может быть отфильтрован намного больше, чем внутренние токи высокой частоты импульсного источника питания. Если все сделано правильно, только хорошо ведущий себя выходной ток переключателя делает его из непосредственной близости к другим частям всей цепи.

Вы действительно хотите сохранить локальные высокочастотные токи от основной плоскости заземления. Это не только позволяет избежать смещений напряжения на землю, которые могут вызывать эти токи, но также предотвращает превращение основного заземления в коммутационную антенну. К счастью, многие из противных наземных течений также являются местными. Это означает, что их можно хранить локально, подключив местную сеть заземления к основному заземлению только в одном месте.

Хорошие примеры этого включают путь между стороной заземления заглушки байпаса и выводом заземления микросхемы, которую она обходит. Это именно то, что вы не хотите бегать по основному основанию. Не просто подключите заземленную сторону байпаса к основному заземлению через переход. Подключите его обратно к заземлению IC через его собственную дорожку или локальное заземление, затем подключите это к основному заземлению в одном месте.

Я занимаюсь в основном мелким коммерческим и промышленным рынком, так что в других местах это может отличаться.

По крайней мере, 75% типовой схемы, как правило, строительный блок, типа «Мне нужна шина 5 В при 3 А, 5% тол, у меня есть 15 В», практически нет смысла проектировать это, когда Ti / Linear / Micrel имеют все получили совершенно хорошие дизайны в своих таблицах, это просто случай выбора (и выбор обычно не имеет большого значения). Я, конечно, могу разработать из первых принципов, но это не то, за что мне платят.

То же самое относится ко многим другим подсистемам.

Тогда есть случаи "Это просто должно иметь правильный порядок величины", поднимать и опускать для cmos, последовательные резисторы для индикаторных светодиодов, и тому подобное. Моя обычная практика здесь состоит в том, чтобы оставить это выяснение, пока я не увижу, какие ценности мне нужны в тех немногих местах, где это действительно важно, а затем выбрать что-то из этих значений, если это вообще возможно. «Индикатор питания, зеленый, 12-вольтовая шина? Хорошо, светодиод будет падать на пару вольт больше или меньше, и я, вероятно, хочу где-то в диапазоне 1 - 10 мА или около того, так что где-нибудь в паре К-области все будет хорошо, о Посмотрите, мне нужен резистор 3k9 для этого фильтра, один из них сделает это ".

Реальный трюк заключается в том, чтобы знать, когда это предположение «пальца в воздухе» НЕ ударит по нему, обычно такие вещи, как фильтры, согласующие сети и схемы синхронизации, pll и другие вещи с обратной связью, связанные со значительными фазовыми сдвигами, вероятно, являются плохими местами для догадок. В таких местах, где вы действительно нуждаетесь в математике (обычно matlab / scilab / ads выполнят свою работу, не нужно на самом деле запоминать многие из стандартных таблиц интегралов за пределами самого базового триггера).

На самом деле, это довольно редко (и очень приятно, когда это происходит) оказаться в том месте, где электроника встречается с физикой и математикой, конечно, это происходит, расчеты потерь на трассе, расчеты шума при выполнении аналоговых операций, подобные вещи, но это это, возможно, 10% от дизайна, остальное, как правило, материал для печенья.

В частности, при использовании аналоговой микросхемы в таблице данных обычно будет одна или несколько предложенных схем применения. Например, я сейчас разрабатываю приемник Ци для проекта. Конденсаторы в индуктивной петле зависят от ряда переменных, и в таблице приведены некоторые уравнения для определения их значений:

Так что это просто вопрос подключения чисел, макетирования схемы и опробования.

Для аналогового дизайна мы делаем расчеты по большей части. Некоторые вещи, такие как конденсаторы соединения и байпаса / фильтра, мы могли бы просто выбрать «типичное» значение, зная, что оно будет работать для приложения. Но обратите внимание, что «типичное» будет отличаться для цепей постоянного тока, аудио и радиосвязи - это то, с чем мы должны быть знакомы.

Для резисторов смещения и усиления мы обычно делаем расчеты. Я делаю их вручную, так как уравнения просты. Часто мы хотим получить схему с коэффициентом усиления около 10, поэтому коэффициенты достаточно просты, чтобы сделать их в своей голове, и значения (1K против 1Meg) выбираются для типа схемы.

Точность требует приложения, является то , что диктует количество повторного использования, интуитивно понятный дизайн, и / или формальной конструкции , которые можно было бы использовать. Пример каждого из них: усилитель звука, усилитель с низким уровнем шума для телевизора и усилитель с низким уровнем шума для радиотелескопа, соответственно. Должно быть понятно, насколько «формальным / точным» должен быть ваш дизайн, зависит от того, насколько «критичным» является приложение (а также сколько времени и денег доступно для дизайна).