Analog Discovery – laboratorium pomiarowe na dłoni: przekuwanie prostokąta w sinus

Digilent Inc. oferuje doskonałe zestawy bardzo pomocne w nauce elektroniki, w pomiarach i testowaniu różnych układów elektronicznych. W artykule przedstawiamy współpracę przyrządów wchodzących w skład zestawu Analog Discovery, na przykładzie eksperymentu przeprowadzonego z użyciem elementów zestawu Analog Parts Kit.

Analog Discovery to zestaw wirtualnych przyrządów pomiarowych o doskonałych, jak dla urządzeń tej klasy parametrach i możliwościach. Ocena tego urządzenia wypada szczególnie korzystnie w odniesieniu do jego ceny.

 

 

Elektronika urządzenia Analog Discovery mieści się w obudowie o wymiarach 68×82×19 mm. W tak małej objętości zmieszczono bardzo atrakcyjne przyrządy stanowiące podstawowe wyposażenie stanowiska pomiarowego. Są to:

  • 2-kanałowy oscyloskop z wejściami różnicowymi,
  • 2-kanałowy generator arbitralny,
  • zasilacz dostarczający napięcia +5 i –5 V,
  • generator przebiegów cyfrowych o konfigurowalnej liczbie linii wyjściowych (maksymalnie 16),
  • analizator stanów logicznych, także o konfigurowanej liczbie wejść,
  • analizator widma (oryginalna nazwa Network Analyzer) służący do zdejmowania charakterystyk częstotliwościowych w zakresie do 10 MHz,
  • 2-kanałowy woltomierz cyfrowy DC, True RMS, AC RMS,
  • rejestr statycznych wejść/wyjść cyfrowych.

W zestawie Analog Parts Kit znajdują się podzespoły elektroniczne, które mogą być wykorzystane do przeprowadzenia wielu ciekawych eksperymentów z elektrotechniki, teorii obwodów, elektroniki itp. Ważnym elementem jest uniwersalne pole montażowe, na którym w ciągu kilku minut, bez używania lutownicy można połączyć układ elektroniczny (fotografia 1).

 

Fot. 1. Układ eksperymentalny zmontowany z elementów zestawu Analog Parts Kit

Fot. 1. Układ eksperymentalny zmontowany z elementów zestawu Analog Parts Kit

 

Przykład praktyczny – generowanie przebiegu sinusoidalnego przez odfiltrowanie harmonicznych przebiegu prostokątnego

Większość przyrządów pomiarowych zestawu Analog Discovery może pracować jednocześnie. Dzięki temu możliwe jest wykonanie wszechstronnych pomiarów urządzeń elektronicznych z uwzględnieniem sygnałów cyfrowych i analogowych. Z urządzeniami tymi zapoznamy się w praktycznym eksperymencie polegającym na uzyskaniu przebiegu sinusoidalnego przez odpowiednią filtrację przebiegu prostokątnego.

W eksperymencie będziemy korzystać z przyrządów zestawu Analog Discovery, takich jak: generator arbitralny, analizator widma (Network Analyzer) i oscyloskop 2-kanałowy. Przebieg sinusoidalny powstanie na wyjściu wzmacniacza z filtrem „podwójne T” umieszczonym w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Filtr „podwójne T” (dalej będziemy stosować oznaczenie TT), którego schemat ideowy przedstawiono na rysunku 2, tłumi selektywnie jedną częstotliwość wyznaczoną zależnością: f0 = 1/(2*Π*R*C). Charakterystykę częstotliwościową badanego filtru przedstawiono na rysunku 3. Jak widać, jest to układ charakteryzujący się dobrą selektywnością. Warunkiem jest jednak stosowanie elementów o bardzo dokładnie dobranych wartościach, zgodnych z obliczeniami teoretycznymi. Każde, nawet niewielkie odstępstwo od tej zasady będzie skutkowało znacznym pogorszeniem parametrów filtru. Nam nie chodzi jednak o uzyskanie wyśmienitych parametrów badanych układów, lecz o zademonstrowanie możliwości zestawu pomiarowego Analog Discovery. Eksperyment został tak zaplanowany, aby do budowy badanych układów wykorzystywać tylko elementy elektroniczne znajdujące się w zestawie Analog Parts Kit. I tak, zamiast kondensatorów 50 nF (pojemności wynikające z obliczeń) zastosowano kondensatory 47 nF. Przy okazji można zaobserwować, jak bardzo taka zmiana pogarsza parametry układu fizycznego. W praktyce albo musimy godzić się z takim pogorszeniem parametrów, albo stosować precyzyjnie dobierane elementy, często z typoszeregów o najmniejszej tolerancji, a więc droższych i czasami trudno dostępnych.

 

Rys. 2. Schemat ideowy filtru TT

Rys. 2. Schemat ideowy filtru TT

 

Rys. 3. Charakterystyka częstotliwościowa idealnego filtru TT

Rys. 3. Charakterystyka częstotliwościowa idealnego filtru TT

 

Pomiar 1

W pierwszym pomiarze będzie wyznaczana charakterystyka częstotliwościowa filtru TT. Eksperyment podzielono na symulację układu wykorzystującą obliczenia teoretyczne i program symulacyjny LTspice IV, a następnie weryfikację teorii polegającą na pomiarach układu fizycznego zmontowanego z elementów zestawu Analog Parts Kit. Do pomiarów wykorzystano wirtualny przyrząd Network Analyzer, będący w zestawie Analog Discovery. Jego nazwa może być nieco myląca, ale to urządzenie służy właśnie do wyznaczania charakterystyk częstotliwościowych czwórników. Pomiar jest uruchamiany po wprowadzeniu parametrów symulacji: zakres częstotliwości, tłumienie, liczba kroków pomiarowych itp. Charakterystyka jest kreślona w miarę przemiatania częstotliwości. Czas pomiaru jest zależny od liczby kroków. Wartość równa 100 wydaje się w miarę dobrym kompromisem między dokładnością a czasem oczekiwania na wynik. Uzyskaną charakterystykę przedstawiono na rysunku 4. Można ją porównać z charakterystyką idealną z rysunku 3.

 

Rys. 4. Charakterystyka częstotliwościowa rzeczywistego filtru TT

Rys. 4. Charakterystyka częstotliwościowa rzeczywistego filtru TT

 

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”.