Array
(
    [0] => stdClass Object
        (
            [id] => 13407
            [title] => Lipiec 2019
            [categories_id] => 3421
            [ulubionykiosk_id] => 3305
            [categories_type_id] => 1170
            [alias] => lipiec-2019
            [introtext] => 
            [ordering] => 0
            [date_publish] => 2019-07-01 00:00:00
            [categoryTitle] => Magazyn
            [categoryAlias] => magazyn
            [parent_id] => 1
            [categoryParentId] => 1
            [categoryParentTitle] => ROOT
            [categoryAddressTitle] => 
            [categoryId] => 3421
            [date_start] => 0000-00-00 00:00:00
            [date_end] => 0000-00-00 00:00:00
            [disqus_likes] => 0
            [disqus_posts] => 0
            [content_id] => 12931
            [images] => Array
                (
                    [0] => stdClass Object
                        (
                            [content_id] => 13407
                            [id] => 24646
                            [width] => 651
                            [height] => 900
                            [alias] => lidowe
                            [src] => /images/2019/07/06/24646-elektronika-praktyczna-2019-07-okladka.jpg
                            [title] => 
                            [description] => 
                            [zrodlo] => 
                        )

                    [1] => stdClass Object
                        (
                            [content_id] => 13407
                            [id] => 24647
                            [width] => 651
                            [height] => 900
                            [alias] => lidowe
                            [src] => /images/2019/07/06/24647-004.jpg
                            [title] => 
                            [description] => 
                            [zrodlo] => 
                        )

                )

            [linkRoute] => index.php?option=com_avtcontent&view=article&id=13407&alias=lipiec-2019&catid=3421&type=1170&Itemid=833
            [link] => /archiwum/13407-lipiec-2019
            [fields] => stdClass Object
                (
                    [item] => Array
                        (
                        )

                )

        )

)

Symulacja i pomiar, czyli LTspice i Analog Discovery 2 w rękach konstruktora - zapowiedź cyklu

Symulacja i pomiar, czyli LTspice i Analog Discovery 2 w rękach konstruktora - zapowiedź cyklu

Czytelnicy "Elektroniki Praktycznej" doskonale znają opracowany w firmie Digilent niewielki przyrząd pomiarowy Analog Discovery 2. Urządzenie zadebiutowało na naszym rynku i na łamach naszego pisma w roku 2016, zastępując nie mniej udaną wcześniejszą wersję Analog Discovery. Ze względu na swoje cechy funkcjonalne i edukacyjne przyrząd ten doskonale nadaje się do rozwiązywania wielu problemów zarówno teoretycznych, jak i praktycznych. W kolejnych odcinkach cyklu przedstawimy różne pomiary i eksperymenty z użyciem AD2 oraz symulatora LTspice.

Fotografia 1. Przyrząd Analog Discovery 2

W skład Analog Discovery 2 wchodzi szereg bardzo przydatnych w praktyce elektronika-konstruktora urządzeń laboratoryjnych. Jednym z najważniejszych jest cyfrowy oscyloskop 2-kanałowy, nie mniej przydatne są też: 2-kanałowy generator arbitralny, regulowany zasilacz napięcia dodatniego i ujemnego, logger (rejestrator przebiegów wolnozmiennych), 16-kanałowy analizator stanów logicznych, 16-kanałowy generator wzorcowych przebiegów cyfrowych, 16 programowalnych wejść/wyjść cyfrowych (statyczne przełączniki stabilne i astabilne z wyjściami push-pull lub HZ, wirtualne diody LED, wskaźnik 7-segmentowy), analizator widma (rozwinięcie funkcji FFT oscyloskopu), przyrząd do badania charakterystyk częstotliwościowych czwórników, analizator impedancji i analizator protokołów komunikacyjnych. Dostępny jest ponadto edytor skryptów użytkownika umożliwiający wykonywanie złożonych pomiarów. Analog Discovery 2 jest wykonany jako przystawka USB do komputera (fotografia 1). Nie należy jednak w związku z tym a priori odrzucać tego przyrządu, gdyż parametry techniczne, chociaż nie dorównują przyrządom profesjonalnym, w wielu przypadkach są wystarczające do rozwiązywania podstawowych zagadnień. Biorąc pod uwagę zarówno funkcjonalność, jak i parametry techniczne Analog Discovery 2, trudno by było znaleźć wyrób dla niego konkurencyjny. Aby jednak nie popadać w nadmierny optymizm, tam, gdzie będzie to konieczne, Czytelnicy będą powiadamiani o ewentualnych ograniczeniach lub niedokładnościach pomiarów. Dotyczyć to będzie również symulatora. Jak się zapewne okaże, różnice między wynikami symulacji i pomiarów nie będą czymś wyjątkowym i nie powinny dziwić. Są one konsekwencją niedoskonałości modeli stosowanych w programie LTspice, tolerancji wartości elementów, z których jest montowany układ rzeczywisty, z ograniczeń częstotliwościowych i zakłóceń wynikających czasami z dość poplątanych połączeń na breadboardzie itd.

Założenia cyklu

Założeniem niniejszego cyklu artykułów jest pokazanie przykładowych metod rozwiązywania pewnych problemów występujących podczas projektowania urządzeń elektronicznych. Omówione będą zasady działania wybranych układów elektronicznych w formie ułatwiającej zrozumienie niektórych występujących w nich zjawisk. Duży nacisk położymy na praktykę. Do każdego omawianego zagadnienia teoretycznego zostanie zaprezentowany eksperyment potwierdzający (miejmy nadzieję) teorię. Jak już powiedziano, bazą sprzętową jest wielofunkcyjny przyrząd Analog Discovery 2 oraz symulator LTspice. Będę się starał pokazywać pewne triki pomiarowe pozwalające wyjaśnić wyniki niektórych pomiarów, zwłaszcza wtedy, gdy nie będą one oczywiste. Pozwala na to duża uniwersalność Analog Discovery 2 i współpracującego z nim oprogramowania (Waveforms).

Powszechna dostępność programów symulacyjnych takich jak LTspice wraz z coraz doskonalszymi modelami elementów sprawiają, że zmieniają się nieco metody projektowania. Można na przykład wyobrazić sobie proces projektowania jakiegoś układu elektronicznego bez wykonywania obliczeń z kalkulatorem w ręku. Nie brzmi to wiarygodnie, ale w przypadku prostych aplikacji jest możliwe. Dobór elementów układu zostaje wówczas przerzucony na symulator, który metodą iteracyjną oblicza (jednak) poszczególne wartości, a projektant wybiera tylko jeden z kilku ewentualnych wariantów wyników. Mimo wszystko będę się starał zamieszczać takie ręczne obliczenia, nawet gdy będą one wręcz trywialne. Nie należy jednak wykluczyć, że pojawią się w nich też różniczki i całki. Takie przedstawienie problemów pozwoli przypomnieć sobie związane z nimi zagadnienia teoretyczne, a czasami wręcz je zrozumieć. Czytelnicy niezainteresowani obliczeniami spokojnie mogą pomijać stosowne akapity.

Przykładowy przebieg działań związanych z projektowaniem urządzenia elektronicznego przebiega mniej więcej następująco:

Fotografia 2. Prosty układ zbudowany na płytce stykowej

  1. Pomysł. To dość oczywisty punkt. Czasami sami wpadamy na genialny pomysł zrobienia czegoś, czego jeszcze nikt wcześniej nie zbudował. Chyba częściej kopiujemy pomysły innych projektantów i nie ma w tym nic złego, gdyż przy okazji zwykle ulepszamy lub rozwijamy konstrukcję. Zdarza się też, że opracowujemy urządzenie na czyjeś zlecenie, wykorzystując pomysł zamawiającego i konstruując jedynie fizyczne urządzenie.
  2. Założenia wstępne. Opracowujemy je pod kątem wymagań, jakie powinno spełniać konstruowane urządzenie. Uwzględniamy możliwości technicznej realizacji tych wymagań. Oceniamy koszty.
  3. Opracowanie schematu.
  4. Obliczenia elementów.
  5. Symulacja. W wyniku tej operacji mogą okazać się konieczne zmiany schematu, a nawet korekta założeń.
  6. Ewentualne naniesienie poprawek na schemacie i przeliczenie układu. Czynności 3...6 wykonujemy cyklicznie dotąd, aż uzyskany wynik będzie satysfakcjonujący.
  7. Montaż prototypu. Najwygodniej wykorzystać do tego płytkę prototypową. Jeśli układ nie jest bardzo skomplikowany, można stosować popularny breadbard pozwalający uniknąć połączeń lutowanych i wykonać wszystkie czynności w bardzo krótkim czasie (fotografia 2). Połączenia za pomocą przewodów wciskanych w otworki z kontaktami nie zawsze są jednak dobrej jakości, wówczas konieczne może okazać się jednak lutowanie elementów na płytce prototypowej. Do wykonania połączeń w tej wersji wykorzystywane są najczęściej przewody typu Kynar, a różne modele płytek prototypowych można znaleźć w każdym sklepie oferującym podzespoły elektroniczne.
  8. Pomiary i weryfikacja założeń konstrukcyjnych. Do pomiarów będziemy używać wspomnianego już przyrządu Analog Discovery 2, który powinien spełnić większość naszych oczekiwań. Zakładamy, że nie będziemy budować radarów ani superszybkich układów cyfrowych wykorzystujących najpotężniejsze procesory i pamięci DDR4.

Skoro już jesteśmy przy podziale urządzeń elektronicznych na analogowe i cyfrowe, to choć Analog Discovery 2 ma wewnętrzne przyrządy przeznaczone do pomiarów w technice cyfrowej, naszą uwagę skoncentrujemy raczej na urządzeniach analogowych.

Na tym etapie kończymy rozważania dotyczące procesu projektowania urządzenia elektronicznego. W praktyce dochodzą etapy związane z projektem i produkcją PCB, montażem końcowym urządzenia i ponownymi jego pomiarami i oczywiście badaniami certyfikacyjnymi, które... mogą cofnąć nas do kroku 3.

Wymagania dla Czytelników

Artykuły niniejszego cyklu stanowią zaproszenie do powtarzania opisanych w nich pomiarów i eksperymentów przez Czytelników. Założeniem jest wprawdzie posiadanie Analog Discovery 2, ale wprawny elektronik powinien poradzić sobie, korzystając z innych podobnych zestawów wirtualnych laboratoriów pomiarowych, a nawet pojedynczych przyrządów. Niezbędne w takim przypadku będą: regulowany zasilacz napięcia dodatniego i ujemnego (co najmniej 5 V), multimetr, oscyloskop 2-kanałowy i 2-kanałowy generator arbitralny. Multimetr będzie przydatny niezależnie od tego, czy Czytelnik będzie używał Analog Discovery 2, czy innych przyrządów.

Od Czytelnika wymagana jest co najmniej elementarna wiedza z zakresu elektroniki, podstawowa znajomość symulatora LTspice, umiejętność obsługi przyrządu Analog Discovery 2 za pomocą dedykowanego oprogramowania Waveforms oraz Excela. Wymienione programy powinny być zainstalowane na komputerach Czytelników. Opis LTspice i Analog Discovery 2 zamieszczaliśmy w EP 2...4/2019, zachęcam do zapoznania się z nimi. Prezentowane w niniejszym cyklu zagadnienia nie będą wyjaśniane od podstaw, przynajmniej nie wszystkie. Po prostu nie będzie na to miejsca w ograniczonej objętości artykułu.

Fotografia 3. Stałe połączenie wejść „1-” i „2-” oscyloskopu z masą

Czytelnicy zamierzający powtarzać pomiary powinni dysponować uniwersalną płytką montażową. Najwygodniejszy będzie jakiś bread-board, czy mówiąc poprawniej po polsku, płytka stykowa. Płytki takie są dostępne na rynku w różnych wersjach, warto zadbać o dobrą jakość tego elementu. W eksperymentach, w których będzie wykonywana duża liczba połączeń, breadboard słabej jakości może być źródłem niepotrzebnych, często również trudnych do zlokalizowania problemów. Konieczny będzie też zestaw czynnych i biernych elementów elektronicznych zastosowanych w ćwiczeniach. Dopuszczalne są pewne odstępstwa w odniesieniu do elementów uytych w przykładach, ale w takich przypadkach należy liczyć się z uzyskiwaniem nieco innych wyników. Różnice takie mogą zresztą powstawać nie tylko z powodu zastosowania innych typów tranzystorów czy wzmacniaczy operacyjnych, ale też być konsekwencją tolerancji elementów (rezystancji, pojemności, indukcyjności, współczynników b tranzystorów itp.). Połączenia będą wykonywane kabelkami do płytek stykowych. Warto mieć po kilkanaście sztuk każdego rodzaju, tj.: męsko-męskich, męsko-żeńskich i żeńsko-żeńskich. Mogą być też przydatne specjalne złączki do płytek stykowych, a także podwójna listwa z długimi szpilkami gold-pin (fotografia 3). Szpilki takie przydadzą się np. do łączenia wejść „1-” i „2-” z masą.

W następnym odcinku

To tyle uwag ogólnych. Od następnego odcinka zabieramy się już ostro do pracy. Zaczynamy od zaprojektowania prostego wzmacniacza w układzie ze wspólnym emiterem (OE). Przeprowadzimy jego symulację, zmontujemy na płytce prototypowej, a następnie zmierzymy za pomocą Analog Discovery 2. Sprawdzimy, czy wyniki obliczeń pokryją się z symulacjami, a co najważniejsze z pomiarami układu rzeczywistego. Postaramy się odpowiedzieć na pytanie, czy zastosowane metody pomiarowe są prawidłowe.

Jarosław Doliński, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
lipiec 2019
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik grudzień 2019

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio grudzień 2019

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje grudzień 2019

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna listopad 2019

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich grudzień 2019

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów