Sul banco di lavoro di qualsiasi ingegnere, indipendentemente dal suo settore di attività, sono presenti tre strumenti essenziali: un oscilloscopio, un generatore di segnali e un multimetro digitale (DMM). Queste tre apparecchiature di solito occupano un posto privilegiato su uno scaffale del banco di lavoro e si possono considerare gli "occhi" mediante i quali l'ingegnere esplora il mondo dell'elettronica analogica e digitale.
Introduzione
L'oscilloscopio è lo strumento che probabilmente si è evoluto in misura maggiore negli ultimi anni divenendo lo strumento più utilizzato ed apprezzato. Parecchie generazioni di ingegneri hanno imparato a ruotare le manopole presenti su un oscilloscopio per ottenere la traccia del segnale "perfetta" agganciata al trigger di sincronizzazione. Come ogni apparecchiatura di test, anche l'oscilloscopio ha dovuto tenere il passo, se non addirittura anticipare, con le specifiche richieste dai componenti elettronici. Notevoli progressi sono stati compiuti anche per quanto riguarda l'interfaccia utente, dove tasti e funzioni sono stati raggruppati in modo più razionale e intuitivo attorno al display. Nel momento in cui si è diffuso l'uso dei touchscreen, è stato possibile riunire un numero maggiore di funzionalità sotto il controllo di menu software utilizzando il display LCD dell'oscilloscopio. In periodi successivi alcuni oscilloscopi di fascia alta hanno iniziato a integrare le funzionalità di generatori di segnali, analizzatori logici e DMM e, grazie all'evoluzione dei processori e delle tecnologie di elaborazione, è stato possibile ridurre le dimensioni fisiche. Molti strumenti di collaudo, compresi oscilloscopi a segnali misti ad elevata ampiezza di banda e analizzatori di spettro RF utilizzano sistemi operativi tipici dei computer, come ad esempio Microsoft Windows. In definitiva, i progressi in questo campo sono stati notevoli se si fa un confronto con gli ingombranti oscilloscopi CRT che molti ingegneri hanno utilizzato all'inizio della loro carriera.
Per quanto riguarda gli oscilloscopi, il punto di svolta si è avuto nel momento in cui è stato possibile separare i front-end analogico e digitale dalle funzioni di controllo e di visualizzazione. Gli oscilloscopi basati su USB - dove un'unità compatta e leggera contiene tutta l'elettronica necessaria per il rilevamento del segnale, il trigger, il sincronismo e l'elaborazione - si interfacciano a un computer (che può essere un desktop, un laptop o un tablet) che utilizza un'applicazione per replicare il display di un oscilloscopio: in questo caso per gli input si utilizza il mouse oppure semplici tocchi sullo schermo al posto dei commutatori fisici.
Non molto tempo fa, grazie a un'iniziativa di crowdfunding, è stato sviluppato un approccio di tipo open source per il settore T&M che ha portato alla realizzazione della piattaforma di misura e collaudo STEMlab125 di Red Pitaya.
Disponibili in due modelli, STEMlab125-10 e STEMlab125-14, queste unità integrano un processore dual-core Cortex-A9 di ARM e un SoC FPGA Zynq 7010 di Xilinx. Caratterizzate da una velocità di campionamento di 125 MS/s su ciascuno dei due ingressi analogici, le due versioni si differenziano in termini di ampiezza di banda (40 MHz per il modello -10 e 50 MHz per il modello -14) e di risoluzione della conversione A/D (10 bit per il modello -10 e 14 bit per il modello -14). Il modello a più elevata risoluzione risulta più adatto per un uso professionale. Per entrambe le versioni l'intervallo di ingresso analogico è pari a +/- 1 V. Il sistema operativo utilizzato è GNU/Linux e l'utilizzatore può ottenere i permessi di root (root access) per accedere ai dati memorizzati, generare un segnale o acquisire un segnale d'ingresso.
Red Pitaya HYPERLINK "https://www.redpitaya.com/"STEMlab è un'unità completamente autonoma corredata con un'applicazione di visualizzazione basata su browser Web che gira sulla scheda, mentre per la connettività è possibile utilizzare la porta Ethernet o un adattatore Wi-Fi inserito nel connettore USB.
STEMlab mette a disposizione una serie completa di applicazioni già pronte all'uso, tra cui un oscilloscopio e un generatore di segnali integrati, un analizzatore di spettro e un analizzatore logico base. Oltre a ciò, esiste un mercato open source dove sviluppatori di terze parti possono promuovere un'ampia gamma di altre applicazioni espressamente ideate per le piattaforme STEMlab.
L'esaustivo manuale utente prevede una sezione dedicata agli sviluppatori che descrive l'ambiente hardware e software in cui STEMlab opera, in modo da consentire agli utenti di creare le proprie applicazioni di misura e collaudo.
Figura 1: Applicazioni installate su STEMlab 125-10.
Quando si utilizza la funzione oscilloscopio lo schermo è suddiviso in un certo numero di sezioni differenti.
Figura 2: Display dell'oscilloscopio STEMlab.
Facendo riferimento alla figura 2, (1) evidenzia la funzione autoscale (scala automatica) relativa all'asse X, (2) l'ingresso e il menu di trigger, (3) il pannello di controllo degli assi X/Y e (4) l'intervallo di misura relativo all'asse Y.
Figura 3: Generazione di segnali e oscilloscopio.
La funzione di generazione dei segnali è riportata in figura 3: in questo caso si tratta di un'onda sinusoidale di frequenza pari a 1 kHz e ampiezza di 0,9 V che viene inviata all'uscita OUTPUT 1 e visualizzata sullo schermo (traccia viola). Due canali indipendenti forniscono uscite da 0 a 50 MHz.
L'applicazione "analizzatore di spettro" trasforma STEMlab in un analizzatore DFT a due canali che opera nell'intervallo di frequenza da 0 a 50 MHz (modello -10), che aumenta fino a 62 MHz per il modello -14, come visibile in figura 4. E' possibile visualizzare sia il tradizionale grafico che mostra lo spettro di frequenza in funzione dell'ampiezza sia quello di tipo waterfall (spettro a cascata).
Figura 4: STEMLab 125 nel funzionamento come analizzatore di spettro.
Alcune applicazioni che sono incluse, come ad esempio il misuratore LCR, richiedono hardware aggiuntivo per funzionare. Inoltre vi sono ulteriori applicazioni, come ad esempio l'analizzatore logico base, grazie alle quali è possibile aggiungere applicativi software e un'interfaccia a 8 canali a STEMlab. Queste possono essere acquistate presso un fornitore di prodotti STEMlab e permettono di ampliare le potenzialità di questa versatile apparecchiatura di collaudo.
L'analizzatore logico STEMlab nelle due versioni (Base e PRO) rappresenta un'aggiunta estremamente utile a STEMlab, anche se per le applicazioni embedded di tipo professionale la versione PRO può vantare specifiche migliori. Tra queste si possono segnalare frequenza di ingresso di 50 MHz (max.) con una velocità di campionamento di 125 MS/s, intervallo di tensioni di ingresso compreso tra 2,5 e 5,5 e possibilità di rilevare un impulso della durata di 10 ns (min). Il software fornito a corredo della versione PRO supporta la decodifica dei bus I2C, SPI e UART come riportato in figura 5.
Figura 5: Decodifica del bus I2C effettuata con l'analizzatore logico STEMlab nella versione PRO
Per le applicazioni realizzate da terze parti, una gamma vasta e articolata - che spazia dai transceiver per radio SDR (Software-Defined Radio) ai monitor per la potenza monofase - è reperibile presso il Bazaar Marketplace, .
Sicuramente STEMlab rappresenta un notevole passo in avanti nella direzione di rendere accessibili a tutti apparecchiature di collaudo sofisticate. La versione STEMlab 125-14 risponderà meglio alle esigenze di una platea che ne fa un uso professionale, mentre la versione -10 e ideale per l'uso a scopi didattici e per i maker. STEMlab rappresenta anche un ottimo investimento per gli istituti didattici poiché può essere utilizzato anche per altri scopi compresi l'apprendimento di Linux, la programmazione di linguaggi ad alto livello utilizzando Python e la sperimentazione con controlli di I/O di tipo general purpose.
Tutti coloro che sono coinvolti nell'insegnamento di materie come l'elettronica e le comunicazioni wireless potrebbero anche essere interessati a sistemi simili a STEMlab, come ad esempio il modulo formativo PLUTO SDR di Analog Devices e AnaloHYPERLINK "https://analogdiscovery.com/"g Discovery 2 di Diligent. Dotato di due canali e caratterizzato da una risoluzione di 14 bit, Analog Discovery 2 è uno strumento che fornisce l'accesso a una gamma completa di funzionalità tra cui un oscilloscopio con banda di 30 MHz e frequenza di campionamento di 100 MS/s, un generatore di forme d'onda arbitrarie con banda di 12 MHz, un analizzatore logico a 16 canali (CMOS da 3,3V) e un voltmetro digitale per le misure di tensioni AC/DC fino a +/- 25 V. Le informazioni sono disponibili su un computer collegato mediante un'interfaccia USB sfruttando un'applicazione che supporta i sistemi operativi Microsoft Windows, Mac OSX e Linux.
PLUTO è invece un modulo più specializzato che permette di apprendere come progettare e prototipare applicazioni per radio SDR. Il modulo, che integra il transceiver RF AD9363 di Analog Devices e un FPGA della serie Zynq di Xilinx, copre lo spettro RF da 325 MHz a 3,8 GHz e comprende un certo numero di librerie SDR open source per accelerare lo sviluppo dei primi progetti.
I tool di misura e collaudo di tipo open source si stanno proponendo come un vero e proprio valore aggiunto sia per il banco di lavoro degli ingegneri sia per il toolkit destinato a tutti coloro che operano sul campo. Il crescente interesse verso questi tool non è motivato solo dalla loro portabilità e dalla prestazioni che sono in grado di offrire, ma anche dalla loro capacità di svolgere il lavoro di molti strumenti di misura e collaudo a un costo nettamente inferiore.
A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics - Distributore Autorizzato
