Przyrządy pomiarowe dla IoT

Rys. 1. Jednoczesny pomiar sygnałów w dziedzinie czasu oraz częstotliwości za pomocą oscyloskopu Tektronix MDO4000C

Niniejszy artykuł przedstawia kilka nowości z oferty firm Tektronix oraz Keithley, na które warto zwrócić uwagę w kontekście pomiarów urządzeń IoT. Są to przyrządy bardzo precyzyjne, ale jednocześnie na tyle uniwersalne, że ich wykorzystanie nie ograniczy się wyłącznie do projektów związanych z takimi aplikacjami.

Oscyloskop

Wymagania stawiane oscyloskopom dawno wykroczyły poza prostą prezentację sygnałów analogowych bądź analogowo-cyfrowych w prostokątnym układzie współrzędnych amplituda-czas. Obecnie staje się już standardem, że przyrządy te pozwalają na dekodowanie danych w magistralach szeregowych, pomiary w dziedzinie częstotliwości czy korzystanie z aplikacji automatyzujących wykonywane testy.

Specyfika urządzeń IoT sprawia, że dobrym wyborem może okazać się tak zwany oscyloskop sygnałów mieszanych. Łączenie oscyloskopów z dodatkową aparaturą to pomysł nienowy. Już kilkadziesiąt lat temu dostępne były wersje z wbudowanym analizatorem stanów logicznych. Z obecnej oferty warto zwrócić uwagę na serię Tektronix MDO4000C integrującą w jednej obudowie:

• oscyloskop cyfrowy z dekodowaniem popularnych magistral szeregowych, jak np. I²C, SPI, CAN, USB czy RS232/485. Pamięć w każdym kanale mieści 20 mln próbek, a obwód wyzwalania pozwala ustalić moment wyzwolenia na elemencie wybranego protokołu (np. bitu startu, potwierdzenia odbioru, przy wysyłaniu konkretnej danej czy wystąpieniu określonego tokena dla transmisji USB),
• analizator widma, który nie stanowi jedynie dodatkowej funkcjonalności w postaci obliczania transformaty FFT z próbek kanału pomiarowego oscyloskopu, ale jest osobnym przyrządem, z oddzielnym obwodem wejściowym;
• analizator stanów logicznych, pozwalający np. zweryfikować poprawność relacji czasowych pomiędzy cyfrowymi sygnałami sterującymi,
• generator arbitralny (generator sygnałów dowolnych), którego bardzo interesującą funkcję stanowi możliwość wygenerowania sygnału zarejestrowanego przez oscyloskop.

Rys. 2. Wizualizacja spektrogramu w oscyloskopie Tektronix MDO400C

Istotna zaleta takiej konfiguracji to wspólny obwód wyzwalania, dzięki któremu możliwe staje się uchwycenie korelacji pomiędzy sygnałami mierzonymi w różnych dziedzinach: analogowymi, cyfrowymi oraz widmem. Na etapie prototypowania umożliwia to np. sprawdzenie wzajemnego wpływu części radiowej oraz sterującej urządzenia.

Sposób prezentacji wyników analizy widmowej poszerzono tu o wizualizację spektrogramu (rys. 2). Mimo że zastosowany analizator nie jest urządzeniem czasu rzeczywistego, to oferowana możliwość obserwacji w układzie częstotliwość-czas jest nieoceniona przy pomiarach toru radiowego.

Analizator widma

Rys. 3. Klasyczna konstrukcja heterodynowego analizatora widma

W najprostszym przypadku do wykonania pomiarów w dziedzinie częstotliwości wykorzystać można oscyloskop cyfrowy z funkcją FFT. Jednak takie rozwiązanie ma kilka istotnych wad. Dynamika kanału pomiarowego typowego oscyloskopu, a także jego pasmo mogą okazać się niewystarczające. Większa rozdzielczość częstotliwościowa wymaga odpowiednio długiego rekordu, co z kolei implikuje wydłużenie czasu potrzebnego na wykonanie niezbędnych obliczeń.

W efekcie, pomiędzy dwoma kolejnymi wykreśleniami widma, jego rzeczywisty kształt mógł zmienić się wielokrotnie. W skrajnym przypadku np. nadawanie krótkich impulsów może w ogóle nie być zauważone. Ponieważ pamięć próbek ma skończony rozmiar, a czas ich pobierania określa podstawa czasu, wraz ze zmianą nastaw skali poziomej oscyloskopu próbki będą pobierane z różną częstotliwością.

A zatem, zgodnie z teorią próbkowania, zmianie ulegnie także pasmo pomiarowe. Jednak pasmo przenoszenia kanału oscyloskopu pozostanie bez zmian. Dlatego pojawi się dodatkowy problem z aliasingiem i wykreślaniem nieistniejących w rzeczywistości fragmentów widma. Poza tym typowa analiza FFT w oscyloskopie cyfrowym zapewni jedynie kilka lub kilkanaście wykreśleń widma w ciągu sekundy.

Opisanych wyżej problemów można częściowo uniknąć, wykorzystując do pomiaru analizator o innej zasadzie działania. Budowę klasycznego analizatora widma przedstawia rysunek 3. Jest to w gruncie rzeczy odbiornik radiowy z przemianą częstotliwości, przestrajany płynnie i automatycznie w zadanych granicach.

Przetwornik analogowo-cyfrowy próbkuje w tym przypadku sygnał o stałej częstotliwości pośredniej. Ponieważ jest ona względnie mała, zastosowanie przetwornika 12- czy nawet 16-bitowego nie stanowi problemu. W danym momencie analizator mierzy poziom sygnału na określonej częstotliwości. Następnie przestrojony zostaje o elementarny krok i powtarza pomiar.

Czas T, jaki potrzeba na wykreślenie całego widma w zadanym paśmie Df, zależy od liczby elementarnych pomiarów, czyli od ustalonej szerokości filtru częstotliwości pośredniej B:

Współczynnik proporcjonalności k zależy od typu filtru p.cz. i związany jest z czasem ustalania odpowiedzi na jego wyjściu. Dla powszechnie wykorzystywanych w analizatorach filtrów Gaussa k = 2,5. Niestety czas wykreślania widma rośnie z kwadratem wymaganej rozdzielczości. W wielu zastosowaniach może okazać się to czynnikiem dyskwalifikującym taką metodę pomiaru.

Rys. 4. Schemat analizatora widma pracującego w czasie rzeczywistym

Najnowszą metodą pomiarów widma jest zastosowanie tzw. analizatora widma pracującego w czasie rzeczywistym. Zasadę działania takiego przyrządu ilustruje rysunek 4. W klasycznej konstrukcji szerokość filtru p.cz. definiuje rozdzielczość częstotliwościową i pożądane jest, aby była dostatecznie mała. Tutaj jednak szerokość pasma p.cz. może wynosić nawet kilkadziesiąt MHz.

Sygnał jest próbkowany w całym tym paśmie. Z pobranych kolejnych zestawów próbek obliczane są transformaty FFT, a ich wyniki magazynowane w pamięci. Następnie tworzony jest obraz z zachowaniem gradacji koloru tak, aby częściej występujące fragmenty widma były bardziej widoczne oraz wykreślane w cieplejszych barwach.

Dla przykładu, analizator widma Tektronix serii RSA306B oblicza 10 tys. transformat FFT w ciągu sekundy, w paśmie o szerokości do 40 MHz. Pozwala to obserwować realny kształt widma w rzeczywistym czasie wykonywanego pomiaru. Analizator ten wykorzystuje możliwości obliczeniowe współpracującego z przyrządem komputera, komunikując się poprzez interfejs USB3.0. Analizę sygnału umożliwia oprogramowanie SignalVu-PC, znane chociażby ze stacjonarnych analizatorów serii RSA5000/6000.

Symulator baterii

Rys. 5. Ten sam sygnał zmierzony analizatorem heterodynowym z przemiataniem (z lewej) oraz za pomocą analizatora widma pracującego w czasie rzeczywistym (po prawej)

Urządzenia IoT to w dużej mierze obwody zasilane z baterii bądź akumulatorów. Aby podczas testów uzyskać takie parametry zasilania jak w warunkach rzeczywistych, a bez konieczności oczekiwania na doładowanie akumulatora, warto rozważyć zastosowanie symulatora baterii.

Produkowany przez Keithley symulator 2281S realizuje dwie główne funkcje. Po pierwsze stanowi źródło zasilania dla badanego obwodu i w tym zakresie pracuje jak programowalny zasilacz. Może także być wykorzystany jako symulator ładowania akumulatora, a więc stanowić programowalne obciążenie.

Charakterystykę baterii zapisuje się w postaci prostego pliku *.csv z podaną pojemnością oraz odpowiadającymi jej wartościami napięcia i rezystancji wewnętrznej źródła. Można zarówno zadać wymagane parametry, jak też zmierzyć je dla rzeczywistego akumulatora (symulator realizuje taką funkcję). Do dokładnego opisania charakterystyki wykorzystuje się krok co 1% pojemności, ale można także posłużyć się opisem zgrubnym co 10%.

Możliwości symulatora w zakresie maksymalnych wartości prądu to 6 A w przypadku wykorzystania go jako źródła i 1 A dla symulacji ładowania, przy maksymalnym napięciu 20 V. Dodatkowo, w odróżnieniu od typowego zasilacza programowalnego, wewnętrzny pomiar napięć i prądów wykonywany jest przyrządem o rozdzielczości 6,5 cyfry, co zapewnia bardzo wysoką precyzję symulacji.

Multimetr

Rys. 6. Prąd pobierany przez urządzenie zmierzony za pomocą multimetru DMM7510. W stanie aktywnym wartość maksymalna wynosi 27 mA, podczas uśpienia jedynie 70 nA

Pomiar tak podstawowych parametrów urządzenia, jak pobór prądu czy napięcie zasilania wykonać można oczywiście multimetrem. Nie zapominajmy jednak, że w przypadku np. bezprzewodowych czujników różnice poboru prądu w poszczególnych stanach pracy to relatywnie bardzo małe wartości, zmieniające się w zakresie od pA do mA.

Wykorzystany do pomiaru prądu przyrząd musi cechować odpowiednio mała rozdzielczość. Jednym z bardzo ciekawych rozwiązań w tym zakresie jest 7,5-cyfrowy multimetr Keithley DMM7510, pozwalający mierzyć napięcie z rozdzielczością rzędu dziesięciu nV oraz prąd przy rozdzielczości nawet pojedynczych pA.

Duża pamięć próbek umożliwia wykorzystanie go w charakterze rejestratora. Przy próbkowaniu 1 MSa/s czas rejestracji to rząd pół minuty, co w przypadku bezprzewodowych czujników stanowi wystarczający zapas na wykonanie pomiaru poboru prądu podczas całej sekwencji związanej z przesłaniem danych poprzez tor radiowy.

Andrzej Kamieniecki
Tespol Sp. z o.o.
www.tespol.com.pl