Analizator obwodów

Charakterystyka częstotliwościowa jest jednym z ważniejszych parametrów wszelkiego rodzaju wzmacniaczy, filtrów i układów kształtujących. Dysponując generatorem sinusoidalnym i oscyloskopem charakterystykę taką daje się względnie łatwo wyznaczyć. Wykreślenie jej w klasycznej postaci wiąże się jednak ze żmudnymi pomiarami punkt po punkcie. Można wyobrazić sobie też metodę polegającą na płynnym przestrajaniu generatora i obserwowaniu obwiedni napięcia wyjściowego (rys. 13). Problem polega na tym, że przy liniowym przestrajaniu generatora skala częstotliwości też będzie liniowa, podczas gdy charakterystyki tego typu są rysowane na ogół w skali logarytmicznej. Ponadto, przy szerokim zakresie badanych częstotliwości szybkość próbkowania może okazać się zbyt mała, aby na jednym wykresie przedstawić całą charakterystykę.

Rys. 13. Uproszczona metoda oscyloskopowa pomiaru charakterystyki częstotliwościowej czwórnika

Wszystkie te niedogodności są bez znaczenia dla użytkowników Analog Discovery 2. Jeden z jego wirtualnych przyrządów – analizator obwodów ( Network Analyzer ) jest przeznaczony do zdejmowania charakterystyk częstotliwościowych (Bode plote ). Urządzenie to zajmuje jeden kanał generatora arbitralnego i oba kanały oscyloskopu. Generator wytwarza sygnał sinusoidalny o przemiatanej częstotliwości i stałej (ustalanej przez użytkownika) amplitudzie. Przemiatanie jest realizowane automatycznie z odpowiednio obliczonymi krokami zapewniającymi wykreślanie wykresu w logarytmicznej skali częstotliwości. Jednocześnie nanoszony jest wykres przesunięcia fazowego w funkcji częstotliwości (rys 14). Na podstawie danych pomiarowych wyznaczana jest transmitancja badanego czwórnika wykreślana następnie na wykresie Nicolsona (Ku[dB]=f(φ) i Nyquista (wykres transmitancji na płaszczyźnie zmiennej zespolonej). Na rys. 14a przedstawiono wyniki symulacji pewnego układu, którą przeprowadzono w programie LT Spice w zestawieniu z pomiarami analogicznego układu rzeczywistego wykonanymi analizatorem obwodów Analog Discovery 2.

Rys. 14. Pomiar charakterystyki częstotliwościowej czwórnika z użyciem analizatora obwodów Analog Discovery 2, a) schemat badanego obwodu i jego symulacja w programie LT Spice, b) pomiar układu rzeczywistego

Analizator widma

Użytkownicy oscyloskopów cyfrowych przyzwyczaili się do tego, że obecnie jest w nich standardowo implementowana funkcja FFT wykorzystywana do pomiarów widma. Funkcję taką jak wiemy ma także oscyloskop Analog Discovery 2. Konstruktorzy tego zestawu zdecydowali się jednak wyodrębnić dodatkowy wirtualny analizator widma. Przyrząd ten jest wzorowany pod względem funkcjonalnym na analizatorach stosowanych w pomiarach radiowych. Decyzja o wprowadzeniu dodatkowego przyrządu do zestawu wiąże się z nieco odmienną zasadą doboru parametrów stosowaną w oscyloskopie i analizatorze widma. W oscyloskopie parametry są dobierane pod kątem uzyskania jak najlepszego wyglądu przebiegu czasowego wyświetlanego na ekranie. Decyduje o tym podstawa czasu. Wygląd oscylogramu i szerokość mierzonego pasma kłócą się ze sobą. Do uzyskania dużego zakresu mierzonych częstotliwości konieczne jest duże zwężenie skali czasu (wybranie szybkiej podstawy). Dobierając tak nastawy wykres czasowy staje się zupełnie nieczytelny, jest zbyt gęsty. Zasadniczo można przecież powiedzieć, że w pomiarze widma kształt sygnału jest mało interesujący. Po części jest to prawda, w podświadomości jednak chcielibyśmy mieć oba wykresy (w dziedzinie częstotliwości i czasu) czytelne.

W analizatorze widma podejście jest odwrotne. Tu wygląd wyświetlanego widma decyduje o doborze parametrów, a przebieg czasowy jest bez znaczenia. Najważniejszym parametrem analizatora widma jest zakres częstotliwości, nie funkcjonuje w ogóle pojęcie podstawy czasu. Z wyboru tego parametru wynika pośrednio rozdzielczość częstotliwościowa. Analizator widma Analog Discovery 2 dysponuje pięcioma standardowymi zakresami: 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 1 MHz i 10 MHz. Odpowiadają im rozdzielczości: 1,221 Hz, 12,21 Hz, 122,1 Hz, 1,221 kHz, 12,21 kHz. Istnieje też uwielbiana przez użytkowników opcja automatycznego wyboru zakresu.

Mimo, że wygląd sygnału jest mało istotny pozostawiono możliwość jego podglądu. Opcja ta jest przydatna na przykład w celu sprawdzenia czy w czasie pomiaru widma nie doszło do przesterowania badanego układu (rys. 15).

Rys. 15. Pomiar widma analizatorem widma Analog Discovery 2

Mimo, że analizator widma zestawu Analog Discovery 2 opracowano na wzór analizatorów widma stosowanych w technice radiowej zabrakło w nim typowych dla tego rodzaju przyrządów markerów. Są jedynie kursory ekranowe i tzw. Hot Tracki .

Cyfrowy miernik uniwersalny

Mimo, że parametry sygnałów elektrycznych są z powodzeniem wykonywane za pomocą oscyloskopu, w zestawie Analog Discovery 2 jest też prosty 2-kanałowy miernik cyfrowy mierzący napięcia stałe (DC) i zmienne (True RMS i AC RMS). Jeżeli są to sygnały z różnych czujników, to możliwe jest przeliczanie w czasie rzeczywistym napięć na mierzone wielkości fizyczne. Wykorzystywane są wówczas wyrażenia matematyczne, które użytkownik musi wcześniej przygotować we własnym zakresie.

Wyświetlane w postaci liczbowej wyniki są uzupełniane wykresem zmian (trendów) (rys. 16). Parametrami wykresów jest częstość odświeżania, liczba próbek, długość wyświetlanej historii. Dodatkowo w czasie pomiaru wyznaczane mogą być minimalne i maksymalne wartości zmierzone.

Rys. 16. Pomiary miernikiem uniwersalnym zawierające wartości liczbowe uzupełnione wykresem trendu

Zasilacz

O zmianach w konstrukcji zasilacza zestawu Analog Discovery 2 była już mowa. Należy dodać, że obie sekcje zasilacza mają wspólną masę. Szkoda, że nie są od siebie odseparowane całkowicie. Stwarzałoby to większą swobodę w zasilaniu urządzeń zewnętrznych. Przyjęte rozwiązania można jednak usprawiedliwić określonymi ograniczeniami konstrukcyjnymi. Napięcie wejściowe jest pobierane z gniazda USB komputera lub z zewnętrznego zasilacza.

Pomiary z wykorzystaniem skryptów

Jedną z ważniejszych nowości programu WafeForms2015 są wykonywalne skrypty pisane w Javie. Za ich pomocą użytkownik może nawet automatyzować pomiary. Bardzo prawdopodobne jest, że wkrótce powstanie baza gotowych skryptów realizujących nietypowe pomiary. Zwykle opracowania takie są udostępniane poprzez różne fora tematyczne. Jednym z nich jest firmowe https://forum.digilentinc.com/forum/8-scopes-instruments.

Czy „lepsze” nie jest wrogiem „dobrego”?

Postęp w elektronice jest tak dynamiczny, że zdarzają się przypadki celowego opóźniania wprowadzania nowych wersji urządzeń, po to, by dać szansę osiągnięcia planowanych zysków z wersji poprzednich. Takiego stanu nie można jednak utrzymywać zbyt długo, gdyż brak postępu oznacza de facto regres. Można też spotkać się z działaniem przeciwnym – obawa przed konkurencją wymusza przyspieszanie wprowadzania nowych konstrukcji. Czasami liczą się wręcz godziny. Z dwojga złego druga strategia jest dla użytkowników chyba gorsza, gdyż do ich rąk trafiają urządzenia niedopracowane, zawierające sporo błędów.

Można odnieść wrażenie, że urządzenie Analog Discovery 2 stało się ofiarą zbyt szybkich działań konstruktorów, przy czym trudno podejrzewać producenta, firmę Digilent, o strach przed działaniami jakiejś konkurencji. O ile nie można sformułować żadnych zarzutów dotyczących sprzętu, to najwyraźniej coś poszło nie tak w zakresie oprogramowania komputerowego. Wygląda na to, że WafeForms2015 zostało napisane od nowa, nie wiadomo tylko dlaczego, gdyż pierwsza wersja praktycznie nie zawierała błędów i była świetnie przemyślana pod względem funkcjonalnym. Być może zadecydowały o tym wymagania sprzętowe. W nowym oprogramowaniu (testowana była wersja 2015 3.1.5) pojawiło się sporo mniejszych lub większych niedociągnięć. Niektóre decyzje są absolutnie niezrozumiałe. Są to na przykład: rezygnacja z ręcznego definiowania przebiegów arbitralnych, rezygnacja z markerów w analizatorze widma, brak numeracji stanów w edytorze przebiegów cyfrowych, brak możliwości płynnego przesuwania tych przebiegów za pomocą myszki i niestety wiele innych. Nie można usprawiedliwiać konstruktorów urządzenia Analog Discovery 2 tym, że nie jest to sprzęt dla profesjonalistów. Parametry techniczne, chociaż wyżyłowane do maksimum dla tej klasy urządzeń i naprawdę robiące wrażenie, są zbyt słabe do bardzo poważnych zastosowań.

Pomijając błędy i niedociągnięcia testowanej wersji oprogramowania, które miejmy nadzieję zostaną wyeliminowane w kolejnych wersjach, należy pochylić czoła przed konstruktorami za przełożenie niebanalnych koncepcji i założeń na działające urządzenie. Świadczy to o dużym profesjonalizmie autorów. Użytkownik dostaje urządzenie wszechstronne, łatwe w obsłudze i relatywnie tanie.

A to czy Analog Discovery 2 nie przyda się nawet profesjonalistom zależy od nich samych. Z dużym prawdopodobieństwem można sądzić, że w wielu prostszych pomiarach wykonywanych na co dzień będzie to urządzenie bardzo pomocne i wygodne w użyciu.

Jarosław Doliński