česky english Vítejte, dnes je pondělí 15. červenec 2024

Jak si navzdory malému rozpočtu vybavit domácí laboratoř

DPS 5/2022 | Články
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics
uvod 2.jpg

V uplynulých dvou letech jsme viděli mnoho techniků pracovat spíše z domova než v laboratoři. Oproti širokému pracovnímu stolu se snadným přístupem ke špičkové měřicí a testovací technice tak museli v nějakém volném pokoji zasednout k malému stolečku a přizpůsobit se nově vzniklé situaci. Svou domácí testovací laboratoř si rovněž zařídili „bastlíři“, kteří si tak mohli osvojit další dovednosti, příp. vyzkoušet nové technologie.

Samozřejmě, že takto nelze duplikovat vybavení, které na pracovišti běžně očekáváte. Pokud ale v práci z domova pokračujete i nadále, vzniká otázka, co bude patřit k základní výbavě, kterou je nutné zakoupit, a kde se také projeví kompromisy mezi jejími rozměry, cenou a přesností?

Jakou měřicí a testovací techniku běžně používáte?

Rozmanitost u testovacích zařízení na pracovním stole zpravidla ovlivňují konkrétní typy projektů, na kterých technici či vývojové týmy pracovali. Tak či onak, mezi standardní přístroje pokrývající potřeby většiny projektů zařadíme tuto čtveřici: digitální multimetry (DMM), osciloskopy, generátory funkcí a čítače. Čas od času se může pochopitelně vyskytnout potřeba speciální techniky, třeba vf spektrálního analyzátoru, ale v podmínkách domácí laboratoře půjde spíše o výjimečné záležitosti. Jediným dalším zařízením, které musí mít vývojáři pracující na vestavných systémech k dispozici, pak bývá logický analyzátor, ovšem takovou možnost zde často nabízí osciloskopy pro práci se smíšenými signály.

Technici si od určitého věku libují v měřicí a testovací výbavě se spoustou tlačítek a regulátorů. Jenže dnes tu máme i zařízení s uživatelsky přívětivým dotykovým rozhraním. Ale nejen to, popularitu si rovněž získává provedení bez jakéhokoli displeje, kdy se místo fyzického rozhraní vše odvíjí od počítačové aplikace zajišťující zobrazování a řídicí funkce. Zmíněný druh testovacího zařízení založeného na USB, které je zpravidla mimořádně kompaktní, zde zahrnuje USB osciloskopy a také další multifunkční přístroje.

Jak přesný by měl multimetr být?

S konkrétními úrovněmi v technických specifikacích se u daného zařízení obvykle pojí též jeho cena. Stolní DMM zde např. běžně změří elektrické veličiny, jako jsou napětí (DC/AC), proud (DC/AC) a odpor. Dnešní multimetry si rovněž poradí s kapacitou, testem vodivosti, kmitočtem, teplotou a dalšími funkcemi, které je pasují do role skutečně univerzálního měřidla. S rozlišením, resp. přesností se u našich DMM zpravidla pojí počet digitů 2½, 5½ nebo 6½, signalizující počet nejméně významných číslic a také základní procentuální přesnost. Preciznější a dražší multimetry pak místo průměrování často počítají s měřením napětí „True RMS“ a nabídnou až 7½místný displej společně se zmiňovanou přesností 0,01 %.

Kompaktnější a také praktičtější alternativou ke stolním DMM se stává příruční zařízení, které lze po skončení měření schovat do šuplíku. Může se stát, že stolní multimetr v laboratoři nabídne vyšší míru přesnosti, nicméně taková úroveň zase tak často vyžadována nebude. V takovém případě pak bude příruční DMM s nižší přesností pro vaše domácí laboratorní podmínky zřejmě dostačující. Pokud ale potřebujete souběžně změřit proud i napětí, budete si muset obstarat multimetry dva.

Obr. 1 Řada profesionálních příručních DMM Extech řady EX400A (zdroj: Extech)

A jak je to s osciloskopem?

Další základní prvek testovací výbavy bude ve vaší domácí laboratoři tvořen osciloskopem. Existují zde dvě různé kategorie – jedná se buď o přístroje digitální, nebo pro práci se smíšenými signály. Jak již může plynout z takového označení, digitální osciloskopy řeší vzorky analogových a také digitálních signálů, včetně funkcí paměťového úložiště, číslicovým způsobem. Zařízení pro práci se smíšenými signály na druhou stranu dále fungují jako logický analyzátor.

Při výběru osciloskopu bude hrát roli především jeho šířka pásma, vzorkovací rychlost a počet vstupních kanálů, které máme k dispozici. Pravda, zvážit musíme též vstupní napěťový rozsah, rozlišení nebo možnosti spouštění, bude se však jednat spíše o druhořadé záležitosti. Dalšími klíčovými parametry budou při volbě osciloskopu pro práci se smíšenými signály počet digitálních vstupů, kterých je obvykle buď 8, 16, či 32, a také schopnost dekódovat u signálu řadu různých protokolů, včetně RS-232, I²C nebo CAN. Podobně jako u multimetrů bude i zde platit, že množství doplňků, kterými je vybaven váš běžný laboratorní osciloskop, nebudete v domácím prostředí zřejmě potřebovat, protože je většinou stejně nevyužijete.

Vzhledem k tomu, že tradiční osciloskopy zabírají na pracovním stole nemálo místa, může se vyplatit alternativní řešení s rozhraním USB. Stejně jako u multimetrů je pak po skončení práce můžete znovu schovat do šuplíku.

Na co se zaměřit u generátoru funkcí, resp. čítače

Při zařizování domácí laboratoře bude poslední položka nákupního seznamu tvořena generátorem funkcí, příp. čítačem. Zmíněné multifunkční prvky zde generují a také měří spoustu různých průběhů signálu. Generované výstupy obvykle pokrývají kmitočtový rozsah do desítek MHz, zatímco dávají na výběr standardní sinus, obdélník a pilu. Pro aplikace vyžadující ryze vlastní průběhy signálu je pak zapotřebí generátor AWG (arbitrary waveform generator). Pro oba typy zařízení bude z pohledu jejich výstupů, resp. vstupů v prvé řadě nutné zvážit počet kanálů a také kmitočtový rozsah.

Vyžadovaných funkcí zde přitom nemusí být mnoho. V řadě případů si během vývoje a návrhu prototypu vystačíme třeba jen s generováním jednoduchého průběhu pro napodobení signálu snímače na vstupu procesoru. Jindy se pak může ve spojitosti s osciloskopem zase jednat o měření vlastností obvodů analogového front-endu. Při vybavování domácí laboratoře zde také zvažte pořízení měřicího zařízení s USB, které by zahrnovalo digitální osciloskop, logický analyzátor a multifunkční generátor signálu, příp. i čítač.

Obr. 2 Digilent Analog Discovery 2 Pro Bundle (zdroj: Digilent)

Co tedy doporučit?

Jak jsme v článku až dosud naznačovali, vše se bude u domácí laboratoře odvíjet od velikosti, funkcí a také cenové dostupnosti přístrojů.

Digitální multimetry

Jako příklad profesionálního příručního multimetru si uveďme řadu EX400A od Extech. Model EX410A [1] s automatickým přepínáním rozsahů nabízí AC/DC měření v rozsahu od 1 mV do 600 V a u proudu pak do 10 A s přesností ±0,5 %. S měřením odporu zde pokrývá oblast od 0,1 Ω do 20 MΩ. Pokud máte k dispozici o něco větší rozpočet, můžete zvážit pořízení modelu EX430A [2], který již bude o trochu dražší. Nabízí přitom vyšší přesnost při měření napětí s True RMS, ±0,3 %, měření proudu již od 0,1 μA nebo další funkce pro měření kapacity (0,01 nF až 100 μF) a kmitočtu (0,001 Hz do 10 MHz).

Osciloskop a další multifunkční kombinace

Analog Discovery 2 [3] umožňuje „sbalit“ celou elektronickou laboratoř do kapesního zařízení s rozhraním USB. Obsahuje totiž 12 přístrojů, včetně osciloskopu, generátoru libovolných průběhů, digitálního logického analyzátoru / analyzátoru sběrnic, obvodového analyzátoru a také spektrálního analyzátoru. Digilent Analog Discovery 2 Pro Bundle [4] pak zahrnuje osciloskopické sondy, systém drobných testovacích vývodů a svorek, desku s adaptérem pro BNC a také přívodní kabel s USB rozhraním.

Analog Discovery 2 a doprovodný, volně dostupný software WaveForms dokážou obvody se smíšenými signály změřit, vizualizovat, generovat zde průběhy, vše zaznamenávat a také řídit. Dostupné funkce proto zahrnují dvoukanálový 30MHz osciloskop s rychlostí 100 Mvzorků/s, dvoukanálový 14bitový generátor libovolných funkcí (12 MHz, ±5 V), 16kanálový digitální logický analyzátor (100 MS/s, 3,3 V) a také 16kanálový generátor číslicových průběhů. Nechybí zde ani dva programovatelné zdroje napájení ±5 VDC společně s jednokanálovým AC/DC voltmetrem (±25 V). Funkce logického analyzátoru pak zahrnují možnosti pro dekódování sběrnic u oblíbených sériových protokolů, jako jsou SPI, I²C a UART. Softwarová sada WaveForms zde zajišťuje virtuální rozhraní pro každé zařízení, takže umožňuje změnit nastavení a sledovat výsledky měření podobně jako u klasického stolního přístroje. Nabízí se rovněž vlastní podpora pro JavaScript za účelem automatizace měření i analýzy dat (Microsoft Windows, Apple Mac OS X a Linux).

Obr. 3 Vnitřní řešení logického analyzátoru Digilent Digital Discovery založeného na FPGA (zdroj: Digilent)

Předpokládejme, že pracujete na vestavném návrhu a potřebujete výkonnější logický analyzátor. V takovém případě vám 32kanálový Digilent Digital Discovery s vysokorychlostním adaptérem [5] nabídne až osminásobek vzorkovací rychlosti, pokud jde o možnosti analyzátoru Analog Discovery.

Systém vyhoví potřebám CMOSové logiky v rozsahu 1,2 V až 3,3 V a nabídne 8 kanálů s rychlostí 800 MS/s, 16 kanálů pro 400 MS/s nebo též 32 kanálů za předpokladu 200 MS/s. K dispozici je rovněž 16kanálový generátor průběhů (100 MS/s). Software WaveForms pak znamená i možnosti 16kanálových, virtuálních číslicových I/O s využitím tlačítek, spínačů a LED. Zařízení Digilent Analog Discovery 2 a Digital Discovery, připojená přes USB, nabízí komplexní soubor funkcí v kompaktním provedení o velikosti pouzdra 80 × 80 × 25 mm, což ani nepřekračuje rozměry talířku, na který si odkládáte hrnek s kávou.

Jako alternativní logický analyzátor s USB rozhraním si ještě uveďme přístroj DSLogic U3Pro16 [6]. Díky 16 číslicovým kanálům bude schopný vzorkovat 8 kanálů s rychlostí až 1 GS/s, zatímco plný počet pak obslouží při 500 MS/s a přizpůsobí se přitom nejčastějším logickým úrovním od 1 V až do 5 V. Na rozdíl od přístroje Digilent Digital Discovery nebude mít k dispozici generátor číslicových průběhů nebo další funkce programovatelných I/O.

Obr. 4 Příklad zachycení signálu VGA s využitím systému Discovery (zdroj: Digilent)

Jdeme na to

Kompaktní zařízení vybavená rozhraním USB a také další příruční technika zmiňovaná v tomto článku představují použitelnou alternativu k dražším stolním variantám. Zřídit si doma vlastní laboratoř proto nemusí být zase tak nákladné a po skončení práce lze navíc vše hezky uklidit zpátky do šuplíku. Na další cestě vás provedou odkazy v textu.

Obr. 5 Ukázka logického analyzátoru DSLogic U3Pro16 v činnosti s využitím aplikace DSLogic View (zdroj: DreamSourceLab)

Odkazy:

[1] https://eu.mouser.com/ProductDetail/Extech/EX410A?qs=vdi0iO8H4N0n54xHe4W1qg%3D%3D&utm_source=publitek-media-for-articles&utm_medium=display&utm_campaign=mra310&utm_content=article

[2] https://eu.mouser.com/ProductDetail/Extech/EX430A?qs=vdi0iO8H4N0T5jfKTPXDYA%3D%3D&utm_source=publitek-media-for-articles&utm_medium=display&utm_campaign=mra310&utm_content=article

[3] https://eu.mouser.com/new/digilent/digilent-analogdiscovery-2/?utm_source=publitek-media-for-articles&utm_medium=display&utm_campaign=mra314&utm_content=article

[4] https://eu.mouser.com/new/digilent/digilent-analog-discovery-2-pro-kit/?utm_source=publitek-media-for-articles&utm_medium=display&utm_campaign=mra314&utm_content=article