Digital Discovery – generator przebiegów cyfrowych i analizator stanów logicznych pod ręką

Po sukcesie Analog Discovery i Analog Discovery 2 przyszła kolej na przyrząd do zastosowań typowo cyfrowych. Producent – Digilent – od czasu swojego debiutu przeszedł wprawdzie przemiany własnościowe, ale nowe wyroby nadal powstają z zachowanym logo. Jednym z najnowszych jest uniwersalny przyrząd zawierający generator przebiegów cyfrowych i analizator stanów logicznych z funkcją analizy protokołów.

Przyrządy cyfrowe znalazły się wprawdzie w urządzeniach Analog Discovery, ale tam wszystkie zasoby były dzielone w obrębie 16 kanałów. W Digital Discovery rozszerzono liczbę wszystkich portów, znacznie przyspieszono szybkość działania analizatora i rozdzielono niektóre funkcje. Ostatecznie Digital Discovery zawiera:

  • 24-kanałowy analizator stanów logicznych pracujący w standardzie napięciowym 1,2…3,3 V CMOS (zachowując tolerancję 5-woltowych sygnałów wejściowych) o szybkości próbkowania do 800 MSa/s,
  • 16-kanałowy generator przebiegów cyfrowych (1,2…3,3 V CMOS, 100 MSa/s),
  • 16-kanałowe wejścia/wyjścia symulujące pracę przycisków, przełączników, diod LED, wskaźnika paskowego, slidera,
  • programowany zasilacz 1,2…3,3 V o wydajności 100 mA,
  • analizator magistral równoległych i protokołów komunikacyjnych.

Wszystkie wyjścia i wejścia Digital Discovery wyprowadzono na gniazda wielostykowe, do których są dołączane standardowe dla wszystkich urządzeń Discovery łączówki z kabelkami (fot. 1). W takim wykonaniu analizator nie będzie jednak dział poprawnie z deklarowanym próbkowaniem 800 MSa/s. Granica leży zresztą znacznie niżej, bo już od szybkości próbkowania powyżej 200 MSa/s niezbędne jest korzystanie z dostarczanego opcjonalnie adaptera dla wyprowadzeń cyfrowych. Dla uściślenia należy też dodać, że maksymalne szybkości próbkowania są możliwe jedynie dla ograniczonej liczby kanałów. I tak szybkość 800 MSa/s może być stosowana tylko dla 8 kanałów, 400 MSa/s dla 16, natomiast wszystkie 24 wejścia są próbkowane z maksymalną szybkością 200 MSa/s.

Fot. 1. Standardowe końcówki pomiarowe Digital Discovery

Można zastanawiać się, jaki cel przyświecał konstruktorom podczas opracowywania nowego urządzenia, wszak już w wersji Analog Discovery wszystkie cyfrowe przyrządy były. Wiadomo jednak, że apetyt rośnie w miarę jedzenia, więc może to głód samych konstruktorów, może postulaty użytkowników zadecydowały o podjęciu prac nad nowym, cyfrowym Discovery. Ulepszanie części cyfrowej Analog Discovery 2 mogłoby się nie powieść z powodu ograniczonego miejsca w obudowie, zwiększyłoby także ustaloną już, dobrą cenę, która dla użytkowników zajmujących się techniką analogową przestałaby być atrakcyjna. Z kolei nowa wersja stwarzała możliwość zwiększenia liczby linii cyfrowych i poprawienia parametrów technicznych. Utrzymano małe, kieszonkowe wręcz wymiary urządzenia, nadające cech przenośności i możliwości wykorzystywania praktycznie w dowolnym miejscu. Nie bez znaczenia w tym kontekście jest również to, że Digital Discovery jest zasilany z portu USB komputera, z którym współpracuje.

 

Digital Discovery od środka

To, co jest zamontowane w środku urządzenia można dostrzec nawet bez otwierania obudowy. Konstruktorzy zachowali tę samą, bardzo efektowną stylistykę, którą znamy z Analog Discovery 2. Można więc powiedzieć, że strona mechaniczna projektu była w zasadzie rozwiązana, nad zagadnieniami sprzętowymi natomiast trzeba się było głęboko pochylić. Praktycznie wyłączną szansę realizacji założeń projektowych dawało oparcie konstrukcji na jakimś układzie FPGA. Wybór padł na układ XC6SLX25-2 należący do rodziny Spartan 6 Xilinksa. Wszystkie dane są zapisywane w szybkiej pamięci DDR3. Urządzenie komunikuje się z komputerem za pośrednictwem interfejsu USB 2.0. Przyrząd jest sterowany z programu WaveForms 2015, tego samego, który współpracował z Analog Discovery 2. Program rozpoznaje jednak urządzenia dołączone do komputera i w zależności od tego modyfikuje swoje okno główne oraz okna poszczególnych wirtualnych przyrządów (rys. 2). Możliwe jest wielokrotne uruchomienie programu WaveForms 2015 na jednym komputerze, co pozwala na jednoczesną obsługę kilku przyrządów w niezależnych oknach. Ograniczeniem jest liczba dostępnych portów USB.

 

a)

b)

Rys. 2. Okno programu WaveForms 2015: a) przy współpracy z Analog Discovery 2, b) przy współpracy z Digital Discovery

Układ FPGA steruje portami wejściowymi (DI) i dwukierunkowymi (DIO) za pośrednictwem kilku banków zasilanych różnymi napięciami. Przykładowo: Bank 0 jest zasilany regulowanym napięciem w zakresie od 1,2 do 3,3 V. Napięcie progowe dla układów logicznych dołączonych do tego banku jest równe ok. 0,45 napięcia zasilającego, Bank 2 jest zasilany ustalonym na sztywno napięciem 3,3 V, a Bank 3 pracuje z napięciem 1,5 V, którego również nie można zmieniać. Sygnały występujące na gniazdach przyrządu są podawane do układu FPGA przez bufory, linie są zabezpieczone przed przepięciami i ładunkiem elektrostatycznym za pomocą diod włączonych pomiędzy zasilanie i masę. W zależności od typu portu zastosowano również rezystory podciągające i szeregowe.

Konstruktorzy w maksymalnym stopniu zadbali o trwałość i bezpieczeństwo przyrządu. Przypomnijmy, że idea urządzeń Digilenta powstała w głowach nauczycieli prowadzących zajęcia z elektroniki na jednej z uczelni amerykańskich. Jednym z podstawowych założeń było maksymalne uproszczenie obsługi przyrządów i uodpornienie ich na błędy użytkowników, a studenci, jak wiadomo, lubią eksperymentować. Digital Discovery monitoruje prądy płynące w poszczególnych obwodach i reaguje w przypadku wykrycia przeciążeń. Na skutek takiego zdarzenia natychmiast jest odłączane zasilanie. Kontrolowana jest ponadto temperatura wewnątrz obudowy.

 

Mapowanie wyprowadzeń

Digital Discovery zawiera 4 przyrządy (generator przebiegów cyfrowych, analizator stanów logicznych, uniwersalne porty I/O i zasilacz), których łączna liczba wyprowadzeń jest równa 40 (rys. 3). Oprócz cyfrowych linii sygnałowych gniazda zawierają również zwielokrotnione wyprowadzenia zasilacza napięciowego i masy. Na płytce urządzenia zamontowano gniazda typu PIN: jedno 16×2 i dwa 6×2, do których jest dołączana fabryczna końcówka z przewodami. Do pinów gniazda mogą być też bezpośrednio dołączane przewody typu breadboard zgodne ze standardem goldpin. Mierząc bardzo szybkie przebiegi konieczne jest korzystanie ze specjalnego adaptera dla sygnałów o wysokich częstotliwościach.

Rys. 3. Schemat blokowy Digital Discovery

Funkcje poszczególnych wyprowadzeń są mapowane dość dowolnie, ale tylko 24 wejścia dostępne na głównym gnieździe mogą pracować z maksymalną szybkością. Przypisanie danego wyprowadzenia do określonego urządzenia blokuje je oczywiście dla innych urządzeń.

Chwilę uwagi należy poświęcić analizatorowi stanów logicznych. W dokumentacji urządzenia czytamy, że Digital Discovery zawiera analizator 24-kanałowy, ale oprogramowanie firmowe pozwala przydzielić do analizatora 32 kanały (od 0 do 31). Przyrząd śledzi tylko 24 sygnały zewnętrzne dołączone do portów 0…23. W kanałach 25…31 widocznych jest natomiast 8 młodszych linii własnego generatora przebiegów cyfrowych (rys. 4).

Rys. 4. Mapowanie portów Digital Discovery

W Digital Discovery w pełni utrzymano zasadę podziału zasobów pomiędzy pozostałe dwa urządzenia wewnętrzne, tj. generator przebiegów cyfrowych i porty wejść/wyjść. Oba te przyrządy mają dostęp wyłącznie do wyprowadzeń o numerach od 24 do 39, ale w jednej chwili dana linia może być wykorzystywana tylko przez jedno urządzenie.

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”.