ADALM1000 – narzędzie dla laboratorium aktywnego nauczania elektroniki

W aktualnie stosowanych metodach nauczania coraz częściej praktyka jest zastępowana wirtualną rzeczywistością. Zdarza się, że kontakt uczniów/studentów kierunków technicznych np. z przyrządami pomiarowymi ogranicza się do oglądania ich na ilustracjach prezentacji multimedialnych. Jest to trend pozwalający w znacznym stopniu zmniejszać koszty nauczania, ale czy przypadkiem nie odbija się on niekorzystnie na skuteczności nauczania?

 W metodyce nauczania rozróżniamy dwa zagadnienia: teorię i praktykę. Świeżo upieczeni absolwenci szkół i uczelni technicznych zwykle są naszpikowani rozległą wiedzą teoretyczną, z praktyką natomiast często bywa znacznie gorzej. Możliwą przyczyną tego stanu jest zmniejszanie nacisku na zajęcia praktyczne i przechodzenie na metody wirtualne. Strategia taka ma oczywiste uzasadnienie ekonomiczne. Łatwiej jest wyposażyć laboratorium specjalistyczne w sprzęt informatyczny, który po zastosowaniu odpowiedniego oprogramowania będzie symulował działanie wielu różnych przyrządów pomiarowych, niż zgromadzić w tym laboratorium prawdziwą aparaturę. Czy to nie jest jednak tak, jak czytanie e-booków, które nie pachną przecież prawdziwym papierem? Może jest to sprawa pokoleniowa? Można sądzić, że i za kilkadziesiąt, a może nawet już za kilkanaście lat ludzie zamiast zapachu papieru będą nostalgicznie wspominać brak charakterystycznego kliku przy zmianie czytanej strony. Na razie wydaje się jednak, że kontakt z prawdziwą rzeczywistością powinien odgrywać kluczową rolę w procesie nauczania.

 

ADI University Program

Firma Analog Devices jest znana przede wszystkim jako producent znakomitych elementów elektronicznych, wykorzystywanych nie tylko w technice analogowej, która nawiasem mówiąc już w czystej postaci niemal nie istnieje. Analog Devices to także propagator rozległej wiedzy z zakresu elektroniki i miernictwa. Najwyższa jakość tej wiedzy wynika z olbrzymiego potencjału ludzkiego i technicznego jakim dysponuje AD. Potwierdzeniem tego jest University Program realizowany przez Analog Devices zakładający wykonywanie różnorodnych eksperymentów pomiarowych z wykorzystaniem modułów edukacyjnych opracowanych przy współudziale AD i bazujących na podzespołach tego producenta. Przykładem jest opisywany na naszym portalu zestaw Analog Discovery z zestawem Analog Parts Kit firmy Digilent, czy też bardziej rozbudowany Analog Explorer. Idea tego programu polega na powszechnym udostępnianiu bazy wiedzy dotyczącej poszczególnych dziedzin elektroniki. Tematy i opisy ćwiczeń pozostają otwarte dla wszystkich internautów, ale korzystanie z wymiany doświadczeń wymaga rejestracji w Programie. Nauka polega na indywidualnych konsultacjach ze specjalistami. Analog Devices bezustannie poszukuje inżynierów, którzy mogliby zwiększyć stałe wsparcie dla początkujących adeptów elektroniki. Inną formą wymiany doświadczeń i wiedzy z zakresu elektroniki jest forum Analog Devices Engineer Zone, które powinno stanowić pierwszy krok, przed indywidualnym rozwiązywaniem problemów.

 

Zestaw ADALM1000

Jednym z najnowszym wyrobów firmowanych przez Analog Devices jest zestaw ADALM1000 – element programu aktywnego nauczania. Jest to płytka zawierająca elektronikę niezbędną do wykonania wielu ciekawych eksperymentów. Ich opisy są dostępne w Internecie, ale ćwiczenia mogą być też projektowane przez użytkowników na ich indywidualne potrzeby. Analog Devices przygotował ponadto zestaw różnorodnych elementów elektronicznych – ADALP2000 Analog Parts Kit, które dodatkowo poszerzą tematykę eksperymentów. Zastosowania zestawu ADALM1000 nie ograniczają się wyłącznie do elektroniki, równie ekscytujące będą z pewnością pomiary fizyczne, chemiczne czy inne, zależne od inwencji użytkownika.

Płytkę ADALM1000 należy traktować jak czarną skrzynkę (w rzeczywistości wygląda dużo ładniej) pełniącą różne funkcje w zależności od tego, jak skonfigurowano wyprowadzenia wejść/wyjść. Każdy pin ustawiony jako analogowe wyjście jest programowo przełączany do wbudowanego źródła napięciowego lub prądowego, może też pełnić funkcję wyjścia trójstanowego o oporności 1 MΩ. Po skonfigurowaniu go jako wejście pośredniczy w pomiarach napięcia i wpływającego prądu. Schemat blokowy jednego kanału płytki ADALM1000 przedstawiono na rys. 1.

 

Rys. 1. Schemat blokowy płytki zestawu ADALM1000

 

W zależności od tego, jak skonfigurowano piny, płytka zestawu pełni funkcje:

– 2-kanałowego generatora z wyjściami napięciowymi lub prądowymi,

– 2-kanałowego miernika sygnału wejściowego,

– 2 wyjściowego źródła zasilającego.

Dostępne są ponadto 4 porty cyfrowe. Parametry elektryczne modułu zestawiono w tab. 1. Pamiętamy przy tym, że sygnały analogowe są generowane cyfrowo, za pośrednictwem przetwornika cyfrowo-analogowego.

 

Tab. 1. Podstawowe parametry zestawu ADALM1000

Parametry wejść/wyjść analogowych

Szybkość przetwarzania

100 kSa/s

Rozdzielczość przetwarzania

16 bitów

Zakres napięciowy

0…5 V

Zakres prądowy

-200…200 mA

Metoda próbkowania

ciągły streaming: 100%

Zasilanie

5 V (200 mA)

2,5 V (200 mA)

Cechy funkcjonalne

Regulacja i pomiar prądu

Tak

Hardware typu open-source

Tak

Software typu open-source

GUI, drivery, firmware

Kompatybilność z systemami operacyjnymi

Windows, Linux, OS-X

Pomiary R, L, C

Tak

 

Na płytce ADALM1000 zawarto mikrokontroler ARM (Cortex-M3), którego peryferia mogą być także wykorzystywane podczas ćwiczeń. Są to m.in.: timery/liczniki, generator PWM, interfejs I2C, uniwersalne porty we/wy, 32 kB SRAM, 128 kB NAND Flash. Do wykorzystania wymienionych bloków mogą być potrzebne informacje na temat przyjętych rozwiązań sprzętowych. Nie jest to wiedza tajemna, gdyż zarówno hardware, jak i software są typu Open Source.

 

Koncepcja pomiarów

Rozwiązania układowe zastosowane na płytce ADALM1000 bardzo dobrze sprawdzają się na przykład w pomiarach charakterystyk napięciowych, prądowych lub napięciowo-prądowych różnego rodzaju elementów elektronicznych. Typowe pomiary to badanie charakterystyk diod prostowniczych i detekcyjnych, tranzystorów, diod świecących itp. Możliwe jest też badanie parametrów elementów biernych, takich jak: rezystory, cewki czy kondensatory. Możliwość analizy sygnałów w długim czasie pozwala na badanie krzywej ładowania i rozładowania kondensatora elektrolitycznego, można też zdejmować charakterystyki rozładowywania akumulatorów różnego typu. Równie efektowne są pomiary paneli fotowoltaicznych, w tym określanie ich sprawności i mocy dostarczanej energii.

Szczególnie ciekawe są pomiary różnych wielkości fizycznych. Po przemyślanym zaprojektowaniu eksperymentu można mierzyć zmiany w czasie kwasowości (pH), wyznaczać przyspieszenie ziemskie, stałą Planck’a, stałą Boltzmana. Do takich doświadczeń konieczne jest jednak zgromadzenie odpowiednich czujników i ewentualnie innych akcesoriów. Zestaw ADALM1000 ich nie zawiera.

W niektórych pomiarach ograniczeniem są zakresy pomiarowe wynikające przede wszystkim z zasilania płytki napięciem pochodzącym z gniazda USB. W takich przypadkach konieczne jest stosowanie odpowiednich rezystorowych dzielników napięciowych. Należy jednak pamiętać, że czysty dzielnik złożony z samych oporników zaburzy charakterystykę częstotliwościową układu pomiarowego płytki ADALM1000, konieczne więc będzie kompensowanie go za pomocą odpowiednio dobranych kondensatorów. Jedną z najprostszych metod wyznaczenia ich pojemności jest przeprowadzenie symulacji na przykład za pomocą udostępnianego przez Analoga programu ALICE . Do uruchomienia programu ALICE wymagana jest instalacja interpretera języka Phyton na komputerze użytkownika. Interpreter ten z pewnością będzie przydatny również podczas rozwiązywania innych problemów w ramach ADI University Program, gdyż przyjęto go jako podstawowe narzędzie programowe (Open Source).

Opracowane dla zestawu ADALM1000 ćwiczenia są szczegółowo opisane na stronie laboratorium aktywnego nauczania http://wiki.analog.com/university/courses/alm1k/alm-labs-list. Przed rozpoczęciem zadań praktycznych uczeń może zapoznać się z teorią związaną z tematem zajęć. W dalszej części objaśniony jest cel ćwiczenia uzupełniony wykazem materiałów niezbędnych do wykonania pomiaru. Przed przystąpieniem do badania bardziej zaawansowanych układów konieczne jest wykonanie odpowiednich połączeń na uniwersalnym polu montażowym (fot. 2), wykorzystując do tego na przykład elementy pochodzące z zestawu Analog Parts Kit. W dalszej części dokumentacji ćwiczenia podany jest opis połączeń między płytką ADALM1000 a badanym układem. W końcu przychodzi moment, w którym można przystąpić do pomiarów. Wszystkie związane z tym czynności są również dokładnie opisane.

 

Fot. 2. Układ badany zbudowany na uniwersalnym polu montażowym

 

O autorze

Jarosław Doliński

Jarosław Doliński jest absolwentem Wydziału Elektroniki na Politechnice Warszawskiej. Pracował w Przemysłowymi Instytucie Telekomunikacji oraz Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, gdzie zajmował się konstruowaniem urządzeń transmisji danych. Współpracował z Zakładem Urządzeń Teatralnych m.in. w zakresie konstrukcji interkomów teatralnych i urządzeń dla inspicjentów. Brał także udział w pracach projektowych rejestratorów urządzeń wiertniczych i elektroniki montowanej na żurawiach mobilnych.
Obecnie prowadzi firmę zajmująca się konstruowaniem i produkcją urządzeń elektronicznych dla rehabilitacji i wspomagania treningu sportowego.
Jest autorem czterech książek poświęconych elektronice i mikrokontrolerom, współpracuje ponadto z miesięcznikami „Elektronika Praktyczna”, „Elektronik” oraz „Świat Radio”.