在数字世界中，一些昂贵的手表是模拟的，这似乎很奇怪。这是因为制造一种持续显示一天中准确时间的仪器需要很多技巧。模拟手表提醒我们，自然世界不是数字化的，因此始终需要具有模拟设计技能的工程师。不幸的是，由于人们误认为模拟设计“过时”和“困难”，这些技能正变得越来越稀缺。
    虽然在过去，它可能被描述为一种“黑暗艺术”，需要结合繁琐的手工计算、笨重的实验室设备和经验法则，但模拟设计已经发生了很大变化。如今，模拟设计人员可以使用以前只有数字设计人员才能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。然后，我们强调了新设计工具在执行这些相同任务时可能产生的非凡影响——有助于使模拟电路设计对下一代工程师更具吸引力。
    模拟信号链与时间一样，光、热和压力等自然现象都是模拟量，这意味着它们不断变化。传感器（也称为换能器）将这些信号转换为模拟电压，模拟电压形成电子控制系统（例如中央供暖系统）的输入。该电压信号通常很小，并且经常被传感器无意中拾取的其他信号污染，使其原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，它可以修改传感器输出，使其对系统有用（图 1）。
 

    图 1. 模拟信号链。
    在上面的框图中，放大器增加了传感器信号的幅度，而滤波器电路去除了不需要的信号和噪声（频率更高或更低）。放大和过滤后的传感器输出然后被馈送到模数转换器 (ADC)，在那里它被转换为适合由系统微控制器处理的数字格式。虽然这项任务可能看起来很简单，但传感器类型和工作条件的多样性使得模拟信号链的设计具有挑战性。在下一节中，我们将探讨为什么模拟滤波器电路的设计传统上非常耗时。
    老式过滤器设计
    模拟滤波器电路通常由多个有源和无源元件（运算放大器、电阻器、电容器，有时还有电感器）组成。可用的滤波器类型及其相关规格的多样性使设计任务变得更加复杂。需要一种有条不紊的设计方法，其中步是确定应用所需的滤波器类型。可用选项包括：
    低通（或 LPF 以去除高频信号）
    高通（或 HPF 以去除低频信号）
    带通（或只允许定义频率范围内的信号通过的 BPF）
    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的未衰减频率范围（振幅几乎没有或没有降低）。
    “滚降”，描述衰减率或滤波器开始去除传感器信号中不需要的频率分量的急剧程度。
    相位，指的是输入信号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，这一点很重要，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，它描述了滤波器的频率响应（输入和输出信号之间的关系）。模拟设计人员必须尽可能将所需的滤波器频率响应与针对不同滤波器类型预先计算的频率响应相匹配，如滤波器表（Butterworth、Bessel、Chebyshev 等）中所述。选择所需性能的滤波器类型后，设计人员接下来必须计算元件值，以便他们可以构建（或模拟）真实电路。一旦该阶段完成，就可以评估过滤器性能以检查其是否符合要求的规格。这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，直到找到折衷方案。
    新时代的滤波器设计虽然前面描述的模拟设计程序对许多人来说可能很熟悉，但由于 Analog Devices 的“模拟滤波器向导”等工具的可用性，现代现实已大不相同。该软件完全自动化了从初始滤波器选择到实际原型制作的滤波器设计流程。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到用户友好的 GUI 中，该 GUI 会显示并动态调整滤波器频率响应的可视化表示（图 2）。

    Mouser - 图 2 - 模拟滤波器向导
    图 2. 在模拟滤波器向导中设置滤波器频率响应。
    进行进一步调整就像重新输入规格值和/或移动滑块一样简单。指定所需的频率响应后，该工具会自动显示将提供它的电路（图 3）。设计人员无需手动将传递函数与不同滤波器类型的表进行匹配。甚至提供电路元件值，无需数学计算。该工具不仅仅提供“理想”电路模型，还允许设计人员指定组件公差，因此他们可以感受电路的“真实世界”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。
    Mouser - 图 3 - 滤波电路_s

    图 3. 匹配所需频率响应的滤波器电路。
    下一代硬件
    除了软件的显着改进外，可用硬件工具的进步同样令人印象深刻。传统上，模拟工程师在实验室中设置他们的电路，因为他们需要的设备——单独的电源、示波器和信号发生器——非常笨重且便携性有限。将这些设备中的每一个快速连接到电路会导致电线和探针缠结在一起，使故障查找变得棘手。值得庆幸的是，现在可以使用单个 USB 供电设备 Digilent Analog Discovery 2 代替这种复杂的设置，它将示波器、信号发生器和电源的功能组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，可能根本不需要访问实验室。
       结论
    没有模拟电路，我们认为理所当然的数字世界就不可能存在。模拟信号在任何时候都可以具有任何值，这使得模拟电路的设计具有挑战性。然而，复杂设计工具（软件和硬件）的开发已经使许多更困难的设计任务自动化。模拟设计工程师总是供不应求，使用这些前沿工具的机会肯定会激发年轻工程师对这一职业的新兴趣。