W poprzednich częściach artykułu dowiedzieliśmy się w jaki sposób przeprowadzać pomiary zużycia baterii za pomocą sondy RT-ZVC02/04(A) firmy Rohde & Schwarz. W tej części znalazła się prezentacja praktycznego przykładu analizy zużycia baterii w urządzeniu IoT.

Autentyczne przykłady badania zużycia mocy

Pomiary poboru prądu za pomocą RT-ZVC i oscyloskopu

Przygotowanie badanego układu

Badanie dotyczy beaconów Bluetooth Low Energy. Są to układy, które działają na zasadzie inteligentnych tagów, umożliwiając różnym urządzeniom – innym tagom oraz smartfonom – wzajemną lokalizację. Łączą się one w regularnych odstępach czasowych ze sparowanym z nimi urządzeniem w celu np. wykrycia kradzieży lub nadania sygnału dźwiękowego kiedy ze smartfona zostanie wysłana odpowiednia komenda.

Zazwyczaj urządzenia IoT zasilane bateryjnie mają dość łatwy dostęp do baterii. Sonda ZVC dostarczana jest z gotowymi kablami do wlutowania w płytkę PCB oraz tradycyjnymi złączami. Inżynier przeprowadzający badanie może też dołączyć kable własnej produkcji. Opcjonalnie, można też skorzystać z końcówek bananowych podłączanych do gniazd BNC.

Układ wyposażony w Bluetooth zasilany jest baterią monetową CR2032 o pojemności ok. 220 mAh i posiada wlutowane wyprowadzenia, których można użyć do pomiaru napięcia i prądu na wyjściu baterii (por. rysunek 13). Zasilanie jest więc odcięte od układu Bluetooth i urządzenie podłączone jest do kanałów I₁ i V₁ urządzenia ZVC. Wspólny potencjał pomiarowy (GND) doprowadzony jest czarnym kablem. Dodatkowo, w pobliże badanego układu doprowadzono sondę zbliżeniową (R&S®HZ-15) i podłączono ją do analogowego kanału oscyloskopu.

Rysunek 13. Zestaw pomiarowy do badania beacona Bluetooth Low Energy. ZVC mierzy całkowity prąd i napięcie badanego układu (w odniesieniu do referencji GND). Oscyloskop wykrywa transmisję radiową na kanale analogowym i steruje ZVC za pośrednictwem interfejsu MSO

Ustawienia programowe

Do oscyloskopu podłączona jest za pośrednictwem cyfrowego interfejsu MSO wielokanałowa sonda mocy¹. Konfiguracja ta pozwala na podłączenie maksymalnie 8 dodatkowych kanałów napięciowych i prądowych, jeśli do oscyloskopu podłączymy 2 urządzenia RT-ZVC04.

Kanały ZVC mogą być włączane poprzez menu Vertical oscyloskopu, dostępnego w dolnym pasku ekranu dotykowego, co widać na rysunku 14. W kolejno pojawiających się oknach można osobno włączać różne kanały, jak również indywidualnie definiować zakresy i offsety.

Wszystkie kanały ZVC dysponują możliwością ustawienia wspólnego pasma oraz trzech różnych trybów decymacji (Sample, Peak detect, High res).

Każdy kanał można niezależnie skalować pionowo, jak również ustalać jego offset i pozycję.

Rysunek 14. Konfiguracja ZVC za pomocą oprogramowania oscyloskopu

Wskazówka: Aby uzyskać szybkie odświeżanie, zaleca się ustawienie na oscyloskopie częstotliwości próbkowania 5 MS/s, gdyż właśnie taka jest wewnętrzna częstotliwość próbkowania ZVC. Wyższe próbkowanie (np. ze względu na obecność kanałów analogowych) prowadzi do interpolacji wyników na kanałach ZVC. Obliczenia te spowalniają działanie oscyloskopu.

Pomiary

Mierzone sygnały to zazwyczaj prąd i napięcie, z których dopiero można wyprowadzić inne wymagane wielkości. Moc można z łatwością obliczyć korzystając z trybu Math i mnożąc prąd przez napięcie. Zużycie energii można z kolei ustalić korzystając z pomiaru „Area” na kanale mocy. Kolejną przydatną wielkością jest pobór ładunku z pojemności baterii, który można obliczyć podobnie jak energię (por. rysunek 15).

Rysunek 15. Na górze: iloczyn prądu i napięcia w trybie Math. Na dole: dwa ograniczone obszary wykresów pomiaru mocy i prądu pozwalają uzyskać wartości energii i ładunku dla trzech kolejnych transmisji urządzenia Bluetooth

Pobór prądu w trybach pracy statycznej

Możliwość oceny bieżącego poboru mocy jest jednym z pierwszych zadań przy badaniach różnych trybów pracy badanego układu. Chodzi tu zarówno o pobór mocy w trybie uśpienia jak i w trybach transmisji i odbioru. Aby uzyskać wiarygodne wyniki pomiarów, układ powinien zostać wprowadzony przez programistę w odpowiedni tryb pracy i dopiero wtedy można mierzyć jego prąd.

Dobrym przykładem mogą być tutaj współczesne konwertery prądu stałego, które w urządzeniach IoT potrafią zredukować pobór prądu w trybie uśpienie do poziomu nA. Sonda ZVC, łącząc swoją wysoką rozdzielczość z filtrem dolnoprzepustowym dla minimalizacji zakłóceń, może wiarygodnie zmierzyć takie wartości.

Ocena dynamicznych zmian prądu i poboru mocy

Szeroki zakres dynamiczny ZVC pozwala na dokonanie pomiaru w momencie przełączania się urządzenia pomiędzy różnymi trybami².

Pomiar taki przedstawiono na rysunku 16, gdzie wykorzystano wewnętrzne boczniki. Pomiar z bocznikiem zewnętrznym przedstawiono na rysunku 17.

Górny wykres przedstawia napięcie badanego układu, jego prąd oraz obliczoną na ich podstawie moc. Dolny wykres to mierzony sygnał radiowy. Z mocy i prądu obliczana jest całka za pomocą funkcji „Area”.

Rysunek 16. Zużycie mocy i konsumpcja prądu w czasie aktywności urządzenia z włączoną funkcją „Area”

Pomiar przedstawiony na rysunku 16 został wykonany przy zasilaniu układu baterią CR2032 i badaniu prądu za pomocą wewnętrznego bocznika ZVC o wartości 10 Ω. Napięcie pasożytnicze (na boczniku i oporze wewnętrznym baterii) wynosi około 670 mV, podczas gdy szczytowa wartość prądu wynosi ok. 15 mA.

Rysunek 17 przedstawia pomiary tego samego układu co wcześniej, ale z wykorzystaniem zewnętrznego bocznika o wartości 1 Ω. Przy małych wartościach rezystancji należy też wziąć pod uwagę złącza i piny (np. zaciski). W tym przykładzie do RTO należy wpisać całkowitą rezystancję 2,1 Ω. Ostatecznie napięcie pasożytnicze spada znacząco z ok. 670 mV do 280 mV. Bateria była jednak wciąż wystarczająco mocna, aby zasilić wewnętrzne układy regulacji badanego układu przy boczniku o wartości 10 Ω, więc obserwowany prąd znacząco się nie zmienił.

Rysunek 17. Pomiar prądu z zewnętrznym rezystorem (1 Ω). Wykresy przedstawiają odpowiednio (od góry do dołu): napięcie, prąd i obliczony pobór mocy badanego układu

ZVC umożliwia dalsze, bardziej szczegółowe pomiary prądu, dzięki funkcji przybliżenia (ang. zoom) wybranego obszaru wykresu (por. rysunek 18) albo ustawieniu układu w określonym stanie i zwiększenia rozdzielczości ZVC tak jak to zasugerowano wyżej.

Rysunek 18. Funkcja powiększania w połączeniu z kursorami umożliwia obserwację przebiegów w odniesieniu do jego stanów

Funkcja przybliżenia może ujawnić najmniejsze nawet wahania prądu, więc może być konieczna redukcja szumów przy ich pomiarze. Można to łatwo osiągnąć poprzez programowe ograniczenie pasma. Rysunek 19 pokazuje porównanie między pasmem 1 MHz a 100 kHz. Zredukowane pasmo zawiera zdecydowanie mniej szumów.\

Rysunek 19. Porównanie pasma 1 MHz (górny rysunek) i 100 kHz (dolny rysunek). Zawężenie pasma zmniejsza szumy przy pomiarze prądu

Szacowanie czasu pracy

Oprogramowanie CMWRun pozwala na bezpośredni pomiar zużycia baterii. Jednak połączenie ZVC z oscyloskopem wymaga pomiaru jednego, powtarzalnego cyklu pracy i ekstrapolacji uzyskanych w ten sposób wyników (ang. current profiling). Ilustruje to poniższy, fikcyjny przykład.

Założenia:

• Rozsyłanie danych jak na rysunku 15, tj. 40,3 μC w odstępach 4,5 ms.
• Pozostały czas bezczynności to 95,5 ms, z poborem prądu 5 μA, co przekłada się na 0,48 μC.
• Co godzinę urządzenie wybudza się, wykonując powyższy cykl 33 razy. W trybie uśpienia pobiera 2 μA.

Pobór energii można prosto obliczyć z poniższych wzorów:

Ten powtarzalny wzorzec poboru Q_1h ładunku będzie się powtarzał aż do wyczerpania baterii, więc wystarczy podzielić pojemność baterii przez jego wartość aby uzyskać czas pracy w godzinach. W przypadku baterii monetowej CR2032 o pojemności 220 mAh mamy do czynienia z czasem pracy (warto zwrócić uwagę na ograniczenia w dostępności ładunku baterii opisane we wcześniejszej części artykułu):

Jak widać na przykładzie powyższych równań pobór mocy w trybie uśpienia jest bardzo istotny. Tryb aktywny jest odpowiedzialny tylko za ok. 16% całkowitego zużycia energii, a prąd w stanie uśpienia pobiera jego zdecydowaną większość. Mimo to, w tym przykładzie, bateria powinna wytrzymać ponad 10 lat.

Związek między poborem prądu a zdarzeniami w sprzęcie i oprogramowaniu

Wielką zaletą połączenia sondy ZVC z oscyloskopem jest możliwość analizy wielopoziomowej. Oprócz zaawansowanych narzędzi analitycznych oscyloskop daje także możliwość wyzwalania pomiarów i dekodowania informacji. Można na przykład wyzwalać pomiar i dekodowanie informacji na szynie I2C i w oparciu o nie mierzyć prąd badanego układu.

Inną możliwością jest użycie funkcji szybkiej transformaty Fouriera (FFT)¹, aby lepiej zinterpretować dane transmitowane drogą radiową. W poniższym przykładzie prąd jest mierzony podczas transmisji sygnału Bluetooth. Jak widać na rysunku 20, pobór prądu jest największy właśnie w momencie takiej transmisji. Transformata Fouriera na fragmencie wykresu pozwala stwierdzić, że pierwszy puls wykorzystuje częstotliwość nośną 2,4021 GHz, a drugi 2,4261 GHz, więc różnica częstotliwości między kanałami wynosi 24 MHz.

Rysunek 20. Pomiary widma fragmentów przebiegów transmisji Bluetooth z wykorzystaniem sondy zbliżeniowej pozwalają określić różnicę częstotliwości między pomiarami na poziomie 24 MHz (na górze: 2,4021 GHz, na dole: 2,4261 GHz)

Przypisy:

1. Przy zastosowaniach z oscyloskopami RTE/RTO/RTP wymagany jest dodatkowo port rozszerzeń cyfrowych RTx-B1E lub układ Mixed Signal Option RTx-B1.
2. R&S®RT-ZVCA pozwala na automatyczne przełączanie wzmocnienia, dostarczając w ten sposób oprogramowaniu CMWRun najlepsze możliwe pomiary prądu. Możliwe jest np. natychmiastowe przełączenie stopni wzmacniania, jeśli układ badany wybudzi się z trybu uśpienia i wejdzie w tryb aktywny. Całkowita rozdzielczość pomiaru jest więc efektywnie dużo większa jeśli użyty zostanie R&S® RT-ZVCA (obecnie kompatybilny jedynie z CMWRun).