Vorwort

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Warum ich dieses Buch geschrieben habe

Während die meisten akademischen Lehrbücher die ideale Theorie der Elektronik behandeln, konzentriert sich der Ansatz hier auf Designmethoden, die in der herausfordernden Umgebung von realen Geräten funktionieren.

Die Themen wurden durch meine Erfahrungen bei der Fehlersuche in unzuverlässigen und problematischen Geräten für viele Kunden motiviert. Das Buch entstand aus meinen Überprüfungen fehlerhafter Elektronik und meinen Coaching-Sitzungen mit Designern zu wichtigen Themen, die für die Entwicklung zuverlässiger Produkte beachtet werden müssen. Viele solcher Vorfälle motivierten mich dazu, eine Reihe von Fachzeitschriftenartikeln zu ähnlichen Themen zu veröffentlichen, und der Bedarf für dieses Buch wurde offensichtlich.

Für wen dieses Buch ist

Dieses Buch ist ein Nachschlagewerk für Ingenieure, Wissenschaftler und andere Designer, die ein elektronisches System entwickeln wollen. Der Begriff der angewandten eingebetteten Elektronik deckt ein breites Spektrum von Geräten ab, darunter eingebettete Steuerungen, Mobiltelefone, medizinische Instrumente, Computer und Tablets, die gesamte Unterhaltungselektronik, Industrieroboter, Automatisierungssysteme und unzählige andere. Alle elektronischen Geräte, die digitale Steuerungsmethoden verwenden, fallen ebenfalls unter diesen weit gefassten Begriff.

Die Themen, die hier behandelt werden, sind für alle diese Geräte gleich. Der Schwerpunkt liegt auf dem Hardware-Design - den eigentlichen Schaltkreisen und Systemen - mit einem kurzen Blick auf Kodierung und Softwarefragen.

Es wird vorausgesetzt, dass der Leser einen technischen oder naturwissenschaftlichen Hintergrund und ein Verständnis für die Grundlagen der Elektronik hat.

Sich entwickelnde Designmethoden: Eine andere Herangehensweise

Elektronik-Lehrbücher lassen sich in der Regel in drei Gruppen einteilen. Zur ersten Gruppe gehören akademische Lehrbücher, die Ingenieurstudenten in bestimmte Themen einführen. Diese Bücher verwenden einen theoretischen Ansatz und konzentrieren sich der Einfachheit halber auf ideale Situationen, die frei von Effekten und Problemen zweiter Ordnung sind.

Die zweite Gruppe umfasst Bücher, die Elektronik für Hobbyisten und nicht-professionelle Experimentatoren erklären. Obwohl diese Bücher eine große Fangemeinde haben, konzentrieren sie sich in der Regel nur auf die Grundlagen und auf Methoden, die in kommerziellen Produkten nicht verwendet werden.

Die letzte Gruppe besteht aus Büchern für praktizierende Ingenieure. Diese Bücher befassen sich eingehend mit einem bestimmten technischen Aspekt der Technologie, ohne auf die damit verbundenen Probleme einzugehen, die notwendig sind, um diese Technologie in einem funktionierenden Produkt zu verwenden.

Dieser Text verfolgt einen anderen Ansatz. Die moderne Technologie hat sich zur "System on a Chip"-Ära (SoC) entwickelt, in der ein Großteil der "technischen Tiefe" in einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) integriert wurde. Folglich benötigt der IC-Designer technische Tiefe, aber die System- und Leiterplattendesigner brauchen einen anderen Ansatz.

Hier liegt der Schwerpunkt auf der Zusammenstellung des Systems, wobei ein besonderes Augenmerk auf die wichtigen Elemente gelegt wird, die das System unter allen Bedingungen zuverlässig und funktionsfähig machen. In diesem Buch wird davon ausgegangen, dass die moderne Elektronik, wo immer möglich, SoC-Methoden verwendet, und dass die Entwickler die "Design Essentials" benötigen, um diese Geräte zu einem größeren System zusammenzufügen. Zu diesem Zweck liegt der Schwerpunkt auf der Erläuterung der wichtigen Konzepte, die allen elektronischen Systemen gemeinsam sind, und auf der Veranschaulichung dieser Konzepte durch umfangreiche Grafiken und minimale Gleichungen.

In der Entwicklung elektronischer Systeme gibt es zwei verschiedene Trends. Erstens sind analoge Methoden, wo immer möglich, der digitalen Signalverarbeitung und digitalen Steuerungsmethoden gewichen. In einem modernen System werden analoge Informationen aus der realen Welt so schnell wie möglich in digitale Datenäquivalente umgewandelt.

Zweitens ist das Streben nach einem immer höheren Integrationsgrad unerbittlich gewesen. Was früher eine Unzahl von diskreten Transistoren und Schaltkreisen war, entwickelte sich zu modulareren Operationsverstärkern, Breitbandverstärkern, ADCs, DACs und Logikgattern. Diese modulare Ebene führte dann zu höheren Integrationsniveaus, die auf bestimmte Anwendungen ausgerichtet waren.

Überall dort, wo die Produktmengen es kosteneffizient machen, werden spezielle ICs entwickelt, die ganze Systeme in einem einzigen Chip abdecken. Bei diesen Ein-Chip-Produkten brauchst du nur noch eine Stromquelle und externe Anschlüsse hinzuzufügen, und (theoretisch!) bist du startklar.

Komplexere Systeme verwenden eine Reihe von anwendungsspezifischen analogen Frontends (AFEs), die eine Verbindung zur Außenwelt herstellen und eine Datenschnittstelle zu einem digitalen Controller bieten. Im Idealfall wählen die Designer/innen einfach einen geeigneten digitalen Controller aus und schreiben den Code, um die Datenströme zu verarbeiten und zu steuern - und schon haben sie ein Produkt.

Probleme mit diesen modernen Systemen treten häufig in Bereichen auf wie verrauschte Signale, Zuverlässigkeit der Datenverbindung, Stabilität des Stromversorgungssystems, unzureichende Batteriekapazität, gestrahlte EMI, Fehler in Treiber- und Sensorschaltungen, falsch konfigurierte Rückkopplungssteuerung, fehlerhafte regulatorische Prüfungen und schlecht geschriebener Code. Mit den hier vorgestellten Methoden können Designer/innen diese Probleme vermeiden und robuste und zuverlässige Produkte herstellen.

Mit der Entwicklung der Elektronik haben sich auch die Fähigkeiten der Designer/innen verändert. Schaltkreise auf Transistorebene sind jetzt die Domäne von IC-Designern, und moderne Systemdesigner haben mehr Erfahrung mit Kodierung und digitalen Methoden.

Wie dieses Buch organisiert ist

Viele dieser Themen sind miteinander verwoben und müssen aus verschiedenen Perspektiven besprochen werden. Wenn ich in diesem Buch einen Querverweis auf "Weiterführende Themen" (FDI) gebe (z. B. "FDI: Grundlagen", "FDI: Architektur", "FDI: EMI & ESD", "FDI: Stromversorgung" usw.), weise ich dich darauf hin, dass zusätzliche Informationen an anderer Stelle im Buch verfügbar sind. Außerdem gibt es in jedem Kapitel einen Abschnitt "Weiterführende Literatur" für diejenigen, die nach weiteren Quellen suchen.

Das Buch behandelt die folgenden Themen:

Kapitel 1, "Grundlegende Konzepte" (Essentials)

Zu Beginn stellt dieses Kapitel sicher, dass alle Leserinnen und Leser ein gemeinsames Grundwissen über die reale Welt der Elektronik haben. Die Leserinnen und Leser erfahren, dass Elektronik nicht ideal ist, dass akademische Vereinfachungen in die Irre führen können, dass die Impedanz von Verbindungen die Leistung beeinflusst, dass es Probleme mit parasitären Kopplungen gibt, dass die Erdung nicht ideal ist und dass Komponenten nicht ideal sind, und vieles mehr.

Kapitel 2, "Architektur des Systems" (Architektur)

Wie passt das alles zusammen? Welchen Prozessor solltest du verwenden? In jedem System gibt es Dinge zu überwachen, Dinge zu steuern und Signale zu verarbeiten. In diesem Kapitel geht es um allgemeine Überlegungen, wie z. B. das Verständnis der Eigenschaften digitaler Controller, die Auswahl geeigneter digitaler Steuerungsmethoden und die Aufteilung eines Systems. Außerdem geht es um Signalverarbeitungsmethoden, den Einsatz von Chipsätzen und den Aufbau einer "überwiegend digitalen" Architektur.

Kapitel 3, "Robuste digitale Kommunikation" (Digital)

Die Übertragung digitaler Informationen zwischen Geräten kann viele verschiedene Strategien erfordern, je nach Datenrate, zurückgelegter Entfernung und Anwendungsumgebung. Sowohl drahtgebundene als auch drahtlose digitale Schnittstellen werden auf ihre Möglichkeiten und Grenzen hin untersucht.

Kapitel 4, "Stromversorgungssysteme" (Strom)

Alle Systeme brauchen eine zuverlässige, sichere Stromversorgung und Energieeffizienz. Zu den Themen gehören Wechselstromsicherheit, geerdete und doppelt isolierte Wechselstromsicherheit, Schwachstellenschutzmethoden, AC/DC-Wandler, lineare Spannungsregler, Low-Dropout-Regler, Buck-Schaltregler, Boost-Schaltregler, die Konfiguration von Multiregulatorsystemen, Bypass- und Entkopplungsmethoden, Rauschoptimierung für Leistungswandler, die besonderen Herausforderungen digitaler Stromtransienten, Hochfrequenzstabilisierung von Stromnetzen und kontrollierte Leistungssequenzierung für das gesamte System.

Kapitel 5, "Batteriebetrieb" (Batterie)

Akkus sind für moderne Geräte unverzichtbar, auch für steckerfertige Geräte, die häufig über interne Batterien verfügen, um wichtige Systeme bei Stromausfällen zu schützen. Hier geht es um Batterietypen, aufladbare und Einwegbatterien, die Stromstärke, die voraussichtliche Batterielebensdauer, die Berechnung von Zeit- und Entladeprofilen und die Planung eines Batteriepacks und eines Ladesystems.

Kapitel 6, "Elektromagnetische Interferenz und elektrostatische Entladung" (EMI & ESD)

Die meisten elektronischen Systeme erzeugen elektronisches Rauschen und strahlen Rauschenergie ab. Jedes kommerzielle Produkt muss die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte für die abgestrahlte Geräuschenergie einhalten. Es werden Techniken vorgestellt, um ein System leiser zu machen und andere Geräte nicht zu stören. Außerdem sind die Systeme elektronischem Rauschen und ESD-Ereignissen ausgesetzt. Deshalb wird auch der Entwurf eines Systems behandelt, das gegen Rauschen immun ist und ESD-Ereignisse unbeschadet übersteht.

Kapitel 7, "Datenumwandler: ADCs und DACs" (ADC & DAC)

Wichtige Leistungsparameter für Datenwandler werden diskutiert. Die Grenzen der gängigen PWM-DACs werden untersucht und Schaltungstechniken zur Verbesserung der Leistung vorgestellt.

Kapitel 8, "Ansteuerung von Peripheriegeräten" (Drive)

Es werden Methoden zur Steuerung von Motoren, Aktoren, Lichtern, Bildschirmen, Lautsprechern und anderen Geräten behandelt. Außerdem werden der Einsatz von Leistungstransistoren und die Auswahl anwendungsgerechter Geräte besprochen.

Kapitel 9, "Sensing Peripheral Devices" (Sense)

Es werden Möglichkeiten zur Messung von Parametern wie Temperatur, Luftdruck, Kraft, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Standort und anderen untersucht. Sensorinformationen können aufgrund der Anwendungsumgebung verrauscht oder inkonsistent sein. Es werden Methoden vorgestellt, mit denen die Rohdaten der Sensoren so verarbeitet werden können, dass sie für einen digitalen Controller verwertbar und zuverlässig sind.

Kapitel 10, "Digitale Rückkopplungssteuerung" (Steuerung)

Peripheriegeräte zum Steuern und Erfassen können als Teil eines Regelkreises eingesetzt werden. Klassische analoge Steuerungsmethoden sind weitgehend veraltet, und die meisten modernen Geräte verwenden digitale Methoden. Es werden branchenübliche Methoden der digitalen PID-Regelung und des Trajektorienmanagements untersucht.

Kapitel 11, "Vom Schaltplan zur Leiterplatte" (PCB)

Die Umsetzung eines PCB-Designs erfordert eine geeignete Erdungs- und Stromversorgungsstrategie, eine gute Signalintegrität und Rauschunterdrückung sowie eine integrierte Prüfstrategie. Es werden die Organisation des Schaltplans, die Auswahl der Komponenten, die Erstellung des Footprints, die mechanische Montage, die PCB-Lagen, die physikalischen Designregeln, die Platzierungsstrategie, die RLC-Verbindungen, die Durchkontaktierungen zwischen den Lagen, die Übertragungsleitungen, die Fertigungshinweise und die Fertigungsdateien besprochen.

Kapitel 12, "Software und Kodierung" (Code)

Die Themen Echtzeitbetriebssysteme, Port- und Prozessorkonfiguration, Entwicklung von Gerätetreibern, Code für die Kommunikation mit Peripheriegeräten, defensive Codierungsmethoden, Techniken zur Selbstwiederherstellung nach Fehlern, Watchdog-Timer und Multicontroller-Codierung werden behandelt.

Kapitel 13, "Spezielle Systeme und Anwendungen" (Spezial)

Nicht alle elektronischen Systeme werden mit den gleichen Methoden und Prioritäten entwickelt. In vielen Bereichen sind gesetzliche Vorschriften und deren Einhaltung ausschlaggebend für die Entwicklung. Spezielle Anforderungen in der Avionik, Astrionik, Militär, Medizintechnik, Automobilindustrie, Konsumgüterindustrie und Industrieautomation werden untersucht.

Kapitel 14, "Großartige Produkte schaffen" (Great Products)

Nachdem in den vorangegangenen Kapiteln Lösungen für die technischen Herausforderungen erörtert wurden, werden in diesem Kapitel einige nichttechnische Fragen behandelt, wie z. B. Marketing und Produktnachfrage, Verständnis des Zielmarktes, Produkte, die das Problem des Kunden lösen, praktikable Produktpreise, durch Zeitfenster begrenzte Märkte, Benutzerfreundlichkeit des Produkts, Überlegungen des Entwicklungsteams, minimales Design zur Vermeidung von "Feature Creep", einfache Herstellung und Einholung von Kundenfeedback.

All diese Themen sind wichtig für ein erfolgreiches, robustes und zuverlässiges elektronisches System. Ein Konstrukteur kann eine Reihe von Peripheriegeräten an einen digitalen Controller anschließen, aber das System wird nicht zuverlässig funktionieren, wenn er sich nicht mit den wichtigen Themen beschäftigt, die hier behandelt werden. Häufig lernen Designer/innen dies auf die harte Tour: Wenn ein neues Design nicht funktioniert, treten im Feld Ausfälle auf oder eine Produkteinführung verzögert sich aufgrund von Fehlern bei den behördlichen Prüfungen.

In Diskussionen über Elektroniktechnologie werden viele Akronyme verwendet, und dieses Buch bildet da keine Ausnahme. Die meisten Akronyme sind allgemein gebräuchlich und müssen von den meisten Lesern nicht definiert werden. Wenn du das Buch als Nachschlagewerk für Antworten zu bestimmten Themen verwendest, musst du es nicht unbedingt von vorne bis hinten lesen. Deshalb sind die Akronyme in einem Glossar zusammengefasst, damit du sie leicht nachschlagen kannst.

Lass uns loslegen!

Jerry Twomey
San Diego, Oktober 2023
effectiveelectrons.com

In diesem Buch verwendete Konventionen

In diesem Buch werden die folgenden typografischen Konventionen verwendet:

Kursiv

Weist auf neue Begriffe, URLs, E-Mail-Adressen, Dateinamen und Dateierweiterungen hin.

Constant width

Wird für Programmlistings sowie innerhalb von Absätzen verwendet, um auf Programmelemente wie Variablen- oder Funktionsnamen, Datenbanken, Datentypen, Umgebungsvariablen, Anweisungen und Schlüsselwörter hinzuweisen.

Constant width bold

Zeigt Befehle oder anderen Text an, der vom Benutzer wortwörtlich eingetippt werden sollte.

Constant width italic

Zeigt Text an, der durch vom Benutzer eingegebene Werte oder durch kontextabhängige Werte ersetzt werden soll.

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Danksagungen

Die erste Hälfte dieses Buches wurde während der COVID-19-Absperrungen geschrieben. Ein besonderer Dank gilt daher dem Gesundheitspersonal, den Ersthelfern und den Mitarbeitern an der Front, die nicht zu Hause bleiben konnten. Ihr alle habt dazu beigetragen, dass wir leben und sicher sind. Wir danken euch!

Ein großer Dank geht an das O'Reilly-Team und die technischen Prüfer, die geholfen haben, alles zusammenzubringen. Ohne euren Einsatz hätte ich es nicht geschafft. Ich danke euch!

Ich möchte mich bei all meinen Freunden und meiner Familie bedanken, die meine "eingeschränkte Teilnahme am Leben" geduldet haben, während ich mich so lange um die Fertigstellung dieses Buches bemüht habe. Es war ein hartes Stück Arbeit und ich weiß eure Geduld und Unterstützung sehr zu schätzen. Vielen Dank dafür!

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