Analog Discovery 3 - mały, ale wariat

W EP2/16 zaprezentowany został nieziemski przyrząd pomiarowy, jakim jest Analog Discovery 2. To bardzo funkcjonalne i dostępne w akceptowalnej cenie, wspomagane komputerem laboratorium pomiarowe. W czerwcu firma Digilent zdecydowała się wprowadzić do sprzedaży udoskonaloną wersję przystawki oznaczoną numerem 3. Jak zwykle w takim momencie pojawia się pytanie, czy zmiany są wystarczające, aby wysupłać z budżetu pieniądze na unowocześnienie?

Analog Discovery 3 (AD3), zachował dalej swoją funkcjonalność, jaką jest łączenie kilku absolutnie niezbędnych w pracowni elektronika przyrządów pomiarowych: oscyloskopu, generatora, grupy cyfrowych GPIO oraz niewielkiego zasilacza, które zostały zamknięte w estetycznej kompaktowej obudowie. Podobnie jak poprzednik, AD3 nie jest urządzeniem samodzielnym, lecz przystawką pomiarową do komputera, pracującą pod kontrolą oprogramowania WaveForms w wersji wyższej od 3,20. Do pracy wymagane jest podłączenie z komputerem wyposażonym w interfejs USBC i zainstalowanym Windows, Linux lub MacOSX.

Akcesoria

Przyrząd w wersji podstawowej SKU:471-415 został wyceniony na 379$. W pudełku znajdziemy oprócz AD3, przewód USBC, 30-pinowy przewód GPIO, kilka 6-pinowych złącz szpilkowych oraz etykietki sygnałów GPIO. Za 409$ oferowany jest zestaw SKU:471-060, w którym dodatkowo znajdują się dwie uniwersalne sondy oscyloskopowe typu P6100 z dzielnikiem 1:10 (100 MHz), płytka BNC-Adapter SKU:410-263, 6 szt. miniaturowych chwytaków pomiarowych. Szkoda, że w przypadku zestawu nie pomyślano jednak o tym, aby wszystkie oferowane akcesoria zmieściły się w dostarczanym z AD3 pudełku albo miały swój identyczny pojemnik. Zdecydowanie ułatwiłoby to przechowywanie i transportowanie przyrządu, a tak mamy pudełko i chaos kilku woreczków kompletnie nie stanowiących zabezpieczenia zestawu.

Obie wersje po zakupie i rejestracji umożliwiają korzystanie z rocznej licencji na symulator Multisim Live oraz z wersji próbnej EveryMeasure z limitem 5 użytkowników z udostępnionym miejscem o rozmiarze 5 GB. Opcjonalne akcesoria zgodne także z AD2 dostępne są w formie rozszerzeń złącza GPIO to: tester tranzystorów SKU:410-413 (49$), analizator impedancji SKU:410-378 (25$), adapter do płytek stykowych SKU:410-361 (20$) oraz adapter audio+ SKU:410-418 (29$). Nie polecam używania AD3 z starszą płytką adaptera płytek stykowych SKU:410-373. Konstrukcja adaptera jest nieprzemyślana i taka konfiguracja nie ma prawa być stabilna mechanicznie, gdyż AD3 jest większy i cięższy od AD2, który już stanowił spore wyzwanie dla płytek stykowych. AD3 działa także z opisaną w EP6/17 płytką złącz BNC. Dla studentów po pozytywnej kwalifikacji statusu, proponowana jest specjalna cena AD3 wynosząca 249$.

Parametry

Deklarowane przez producenta parametry Analog Discovery 3 są następujące:

Blok przetwornika AD (oscyloskop):

• dwa różnicowe kanały przetwornika AD 14-bitowe,
• częstotliwość próbkowania do 125 MS/s,
• maksymalny bufor 32,768 k/kanał,
• pasmo przenoszenie 9 MHz, –3 dB,
• napięcie wejściowe ±25 V, impedancja wejściowa 1 M || 24 pF,
• pasmo przenoszenia z adapterem BNC, 30 MHz.

Blok przetwornika DA (generator):

• dwa kanały przetwornika AD 14-bitwe,
• częstotliwość próbkowania do 125 MS/s,
• maksymalny bufor 32,768 k/kanał,
• pasmo przenoszenia 9 MHz,
• napięcie wejściowe ±5 V.

Blok GPIO (analizator i generator cyfrowy):

16 cyfrowych GPIO,

częstotliwość próbkowania do 125 MS/s,

napięcie wejściowe 3,3 V, tolerancja do 5 V,

analiza protokołów min.: I²C, SPI, UART, CAN, JTAG.

Blok wyzwalania:

• dwa wejścia/wyjścia wyzwalające TRIG umożliwiające sterowanie pracą AD3.

Blok zasilania:

• programowany zasilacz symetryczny ±0,5...5 V obciążalność do 800 mA, 2,4 W na kanał z zewnętrznym zasilaczem 5 V, opcja śledzenia zasilaczy +/–.

Budowa

Przyrząd zbudowany jest na bazie FPGA Xilinx Spartan 7, elementy części analogowej zgodnie z deklaracjami Digilent dostarcza TI, co jest zmianą z Analog Devices w wersji AD2. Niestety ze względów gwarancyjnych zrobienie zdjęć środka AD3 nie odbyło się, zdjęcia nie są też dostępne w sieci, ani na oficjalnej stronie producenta, wynika być może z ograniczonej (jeszcze) dostępności na rynku nowej wersji.

Komunikacja z komputerem nadrzędnym odbywa się poprzez interfejs USBC, który podobnie jak dodatkowe gniazdo zasilania 5,5 mm umieszczone jest z tyłu AD3. Wymiary zewnętrzne przyrządu bez płytek rozszerzeń do 100×100×20 mm. Na tylnej ściance umieszczona jest także dioda sygnalizująca zasilanie AD3, jednak jej położenie nie jest do końca przemyślane, gdyż najzwyczajniej jej nie widać, ponieważ obudowa nie jest przeźroczysta jak w AD2, a przyrząd raczej użytkowany jest od strony złącza GPIO. Myślę, że ukłonem w stronę użytkowników komputerów Apple, było by podświetlane logo Digilent na górze obudowy, a reszta też nie pogardziłaby czytelnym wskaźnikiem zasilania.

Konstrukcja rozszerzeń nie zmieniła się, płytki dalej wiszą na złączu GPIO, podpierając się jedynie na kołkach montażowych, które w przypadku adaptera BNC są zbyt długie i wszystko jest najzwyczajniej jest krzywe. Nie jest też wielkim problemem wyciągnięcie płytki adaptera z AD3 podczas manipulacji sondami oscyloskopowymi – mechanizm dźwigni robi swoje szczególnie, gdy używane są wszystkie cztery gniazda BNC z niespecjalnie elastycznymi przewodami koncentrycznymi. W moim odczuciu na podłączone adaptery przydałaby się obudowa lub osłona z plexi, chociażby przed przypadkowym zwarciem elementami, dla których podczas eksperymentów biurko jest zawsze za małe i zawsze znajdują sposób na dotarcie do miejsc, gdzie narobią najwięcej szkód… Ciekawe jest też, dlaczego Digilent tak broni się przed umieszczeniem gniazd BNC w obudowie AD3, jak to ma miejsce w wersjach PRO, jest teraz przecież znacznie większa, według mnie znaczaco poprawiłoby to funkcjonalność przyrządu, nawet gdyby były to tylko kanały oscyloskopu, a przyrząd miałby być o kilka dolarów droższy.

Funkcjonalność

Na bazie sprzętu AD3 oferowane są następujące programowe przyrządy pomiarowe:

• analizator widma, 2 kanały, zakres częstotliwości 0...62,5 MHz, metody analizy min.: Hamming, Hann, Blackman-Harris, Flat Top, Kaiser,
• analizator obwodów, zakres częstotliwości 20 μHz...9 MHz, 1...10001 kroków analizy,
• analizator impedancji, zakres częstotliwości 20 μHz...31,25 MHz, 1...10001 kroków analizy, min.: analiza impedancji, admitancji, indukcyjności, pojemności,
• analizator protokołów, min.: I²C, SPI, UART, CAN, JTAG,
• konfigurowane i sterowane niezależnie statycznyne 16×GPIO,
• rejestrator, 2 kanały współdzielone z oscyloskopem,
• woltomierz, 2 kanały współdzielone z oscyloskopem.

AD3 może zostać dostosowany do automatyzacji pomiarów, poprzez skrypty w C, C++, Python, wspierana jest także obsługa LabVIEW i Matlab.

Podsumowanie

Porównując do AD2, najbardziej widoczną zmianą jest większa obudowa oraz wyposażenie przyrzadu w współczesny interfejs komunikacyjny USBC. Niestety usunięte zostało gniazdo Jack Audio, które ułatwiało pomiary audio, jest ono teraz dostępne jako opcjonalny adapter nazwany AudioAdapter+. Adapter wyposażony jest bufory sygnałowe oraz w 4 szt. gniazd Jack 3,5 mm, na które wyprowadzone są sygnały oscyloskopu i generatora, w możliwej do ustalenia zworami konfiguracji mono/stereo. Chociaż wydaje się, że łatwiej mimo wszystko w pomiarach audio używać gniazd typu RCA/Cinch lub BNC. Reszta zmian nie jest widoczna i wymaga porównań dokumentacji.

Najistotniejszą zmianą i najbardziej reklamowaną jest zwiększenie częstotliwości próbkowania z 100 MS/s do 125 MS/s i dwukrotne zwiększenie pojemności bufora z 16384 do 32768 próbek. Ułatwi to analizę szybszych i dłuższych sekwencji sygnału. Nie jest to może wartość imponująca w porównaniu z oscyloskopami stacjonarnymi, ale każda zmiana na plus daje zawsze większe możliwości pomiarowe. Zwiększony został minimalny bufor próbek dla przyrządów pomiarowych podczas pracy wspólnej, każdy z nich do dyspozycji będzie miał minimum 2048 próbek.

Poprawiono także parametry generatora dla modulacji FM/PM/AM, tutaj także minimalny bufor to 2048 próbek. Wejścia oscyloskopu pracują z rozdzielczością 14 bitów, przy zmniejszeniu częstotliwości próbkowania o połowę można uzyskać rozdzielczość do 15 bitów, a dalsze zmniejszenie do 25% zwiększy rozdzielczość do pełnych 16 bitów. Zmiana częstotliwości próbkowania jest nową cechą AD3 i dostępna jest w opcjach programu WaveForms. Pewnie jest to nie do końca zaimplementowane poprawnie, gdyż częstotliwość próbkowania można zmniejszyć jedynie do 50 MHz.

Intrygującą nowością jest, że AD3 wydaje z siebie podczas pracy stuki, nie należy się tym zjawiskiem na szczęście niepokoić, gdyż wynika ono ze zmiany sposobu sterowania dzielnikami wejściowymi, które z kluczy FET ADG612 zostały zastąpione przekaźnikami.

Bardzo funkcjonalnym usprawnieniem jest także opcja cyfrowego przechwytywania (pętla) danych pomiędzy generatorem arbitralnym, a oscyloskopem działająca w dwóch kierunkach oraz sprzętowe filtry FIR. Efekt sprzęgnięcia generatora z oscyloskopem został pokazany na rysunku 1. Niestety to sprzężenie nie obejmuje analizatora widma, a szkoda, byłoby to przydatne podczas nauki o sposobach modulacji sygnałów. Być może ja nie potrafię tego sprzężenia uzyskać, ale pytanie zostało zadane producentowi i czekam na odpowiedź, a do tego czasu wejście oscyloskopu w trybie analizatora i generatora musi pozostać połączone fizycznie.

Rysunek 1. Oprogramowanie WaveForm

W trybie GPIO dodano możliwość konfiguracji rezystorów Pull-Up, ale usunięto zgodność z sygnałami LVCMOS 1,8 V, co może zmartwić osoby eksperymentujące z układami niskonapięciowymi – bez konwertera poziomów 1,8/3,3 V się nie obejdzie.

Zmiana interfejsu na USBC umożliwiła zwiększenie częstotliwości rejestracji z 1 MS/S do 10 MS/s. Niestety nie wykorzystano możliwości jakie daje USBC-PD, w celu poszerzenia zakresu dostępnych napięć zasilania. Przykładowo można by zwiększyć zakres generowanych napięć do ±15 V, nawet przy zachowaniu ich niewielkiej obciążalności <200 mA, ułatwiłoby to bezpośrednie testowanie układów z wzmacniaczami operacyjnymi, podobnie jak zwiększenie obciążalności zasilacza +5 V.

W przypadku zasilaczy nowością jest opcja wolnozmiennej modulacji napięć wyjściowych w zakresie częstotliwości 100 μHz...2,5 Hz, typowymi przebiegami uzyskiwanymi z generatora. Szkoda, że zakres modulacji nie został poszerzony do 50/100 Hz, co przydałoby się przy ocenie odporności układu na zakłócenia sieciowe, ale pewnie wbudowane przetwornice impulsowe nie mają szansy z nadążaniem i regulacją tak szybko zmodulowanego napięcia. Zasilacze mają w opcjach definiowane maksymalne dostarczane moce, jak i limit temperaturowy jaki mogą osiągnąć bez ryzyka przegrzania AD3.

Producent chwali się także 98% zgodnością aplikacji z AD2, ograniczenia dotyczą głównie braku zgodności z sygnałami 1,8 V oraz usunięciem gniazda Jack Audio – oby były to wszystkie niezgodności, jak wyglądać będzie to w rzeczywistości pokaże dłuższa eksploatacja.

Niestety nie będzie aktualizacji podręcznika Hardware Design Guide, opisującego z szczegółowym komentarzem konstrukcję AD2, tłumaczone jest to dużym obciążeniem działu projektowego, szkoda, ponieważ było to cenne źródło informacji o praktycznej realizacji dosyć nowoczesnego przyrządu pomiarowego.

Podsumowując AD3 nie wnosi rewolucyjnych zmian, jest to tylko naturalny rozwój zarówno części sprzętowej jak i programowej. Szkoda, że Waveforms nie wspiera Androida, ponieważ zwykły smartfon z aplikacją mógłby stać się bardzo przenośnym interfejsem użytkownika, nawet gdyby zakres obsługiwanych funkcji był ograniczony. W dalszym ciągu AD3 jest jednak przyrządem bardzo pomocnym, a w przypadku rozpoczynających kontakt z elektroniką, może zostać solidną bazą do zbudowania małego laboratorium, tym bardziej, że jego cena oscyluje (szczególnie dla studentów) w okolicach ceny smartfona. AD3 jest na pewno lepszym wyborem niż inwestowanie w używane i bardzo często rozkalibrowane kilkunastoletnie przyrządy pomiarowe wycofane z eksploatacji lub zakup efemerycznych konstrukcji dalekowschodnich oferowanych bez lub z mocno ograniczonym wsparciem technicznym i nagminnym brakiem aktualizacji oprogramowania, bez których w krótkim czasie stają się najzwyklejszymi elektrośmieciami.

Adam Tatuś, EP