Изучаем Analog Discovery 2: снимаем АЧХ фильтра шаг за шагом

в 14:16, , рубрики: analog discovery, DIY, VNA, аналоговая электроника, ачх, векторный анализатор, фильтр нижних частот, цифровая обработка сигнала, электроника

Введение

Мне нужно было снять АЧХ фильтра в схеме измерения тока на основе дифференциального усилителя. Требование — ≥3 dB ослабление на частоте 1 kHz. Однако имеющийся в распоряжении лабораторный спектроанализатор с векторным анализатором не подошел, так как измеряет s-параметры только от 2 MHz.

Для решения задачи я использовал Analog Discovery 2 (сокращенно AD2) от Digilent — универсальный инструмент для тестирования и анализа сигналов. Я настоятельно рекомендую его инженерам. В нашей компании он появился благодаря директору, который активно интересуется новинками в электронике. Digilent на смену AD2 уже вывели на рынок Analog Discovery 3, но они взаимозаменяемы, поэтому инструкция подойдет и для AD3.

В этой статье я покажу, как использовать AD2 для построения АЧХ фильтра. Уверен, что эта инструкция будет полезна и познакомит вас с возможностями устройства.

Для выполнения задачи я буду использовать векторный анализатор цепей (VNA), который позволяет увидеть, как схема реагирует на входные сигналы разной частоты. Векторный анализатор тестирует цепь, подавая на нее сигнал, и измеряет, как она его меняет.

Analog Discovery 2 DIGILENT

Analog Discovery 2 DIGILENT

Сборка стенда

Принцип работы стенда на базе AD2: генератор сигнала формирует опорный сигнал, который подается одновременно на вход схемы и первый осциллограф. Выходной сигнал схемы подключается ко второму осциллографу. Важно объединить земли схемы c операционным усилителем, AD2 и негативных выводов обоих осциллографов на AD2.

Для сборки стенда подготовьте 6 проводов с разъемом “мама” (Arduino-совместимые). Подключение выполняется по приведенной ниже схеме.

Схема подключений тестового стенда

Схема подключений тестового стенда

Подключение проводов (пронумерованы кружочками разных цветов):

  1. Провод №1 (синий) — припаять к выходу операционного усилителя, другой конец вставить в AD2 («2+», положительный вход второго осциллографа).

  2. Провод №2 (синий) — припаять к земле схемы, другой конец вставить в AD2 («2-», отрицательный вход второго осциллографа).

  3. Провод №3 (оранжевый) — припаять к верхней точке шунта, другой конец вставить в AD2 («1+», положительный вход первого осциллографа).

  4. Провод №4 (оранжевый) — припаять к земле схемы, другой конец вставить в AD2 («1-», отрицательный вход первого осциллографа).

  5. Провод №5 (желтый) — припаять к верхней точке шунта, другой конец вставить в AD2 («W1», выход генератора сигнала).

  6. Провод №6 (желтый) — припаять к земле схемы, другой конец вставить в AD2 («↓», земля).

После подключения подаем питание на схему. Можно использовать AD2 (выход «V+») или внешний лабораторный источник. В завершение подключаем AD2 к компьютеру через USB и открываем программу для работы с AD2 WaveForms.

Настройка программы

Открываем раздел “Network” главного окна.

Стартовое окно приложения Waveforms

Стартовое окно приложения Waveforms

Попадаем в окно “Network”. В этом окне изменяем только следующие параметры:

Окно "Network" приложения Waveforms

Окно "Network" приложения Waveforms
  1. Амплитуда сигнала генератора

    Генератор AD2 используется как источник напряжения. В начале цепи установлен шунт 4.99 Ohm, образующий источник тока. Максимальный входной ток схемы — 250 mA. Выбираю амплитуду 1 V, что дает мне ток 200 mA, что в рамках диапазона 250 mA.

I=frac{V}{R}=frac{1V}{4.99Ω} approx 0.2A

  1. Частотный диапазон: от 1 Hz до 1 MHz.

  2. Фаза сигнала: галочку снимаю, строить график фазы мне не требуется.

  3. Настройки осциллографа: выбираю Auto и оставляю вывод только второго канала, чтобы отслеживать изменения сигнала после прохождения схемы.

    Перед стартом стоит задуматься о том, что мы ожидаем увидеть в результате.

Перед началом измерений

«Если не знаешь, что хочешь увидеть, то увидишь что угодно» (с)

Перед любым экспериментом важно задать себе вопрос: «Что я ожидаю увидеть?»
Это поможет:

  • Проверить правильность подключений

  • Исключить ошибки в методике проведения теста

  • Объективно оценить результаты

Часто хочется просто собрать схему, нажать пару кнопок и получить график. Однако без четких целей эксперимент теряет смысл — оценить результат становится невозможно.

Итак, что я ожидаю увидеть:

  1. Я исследую фильтр нижних частот. Значит на низких частотах график должен оставаться плато. При увеличении частоты ожидаю спад амплитуды и изменение угла наклона, что укажет на ослабление высоких частот.

  2. Схема усиливает напряжение в 1.125 раз (K = 18 kOhm / 16 kOhm). Это приведет к смещению графика на 1.02 dB вверх. То есть график стартует не с 0 dB, а с 1.02 dB:

20 log_{10} left(frac{V_{text{out}}}{V_{text{in}}}right)=20 log_{10} (1.125)=1.02 text{ dB}

  1. На частоте среза 884 Hz ожидаю ослабление сигнала на -3 dB:

f_c=frac{1}{2pi R C}=frac{1}{2pi times 18kΩ times 10nF} approx 884 Hz

Кстати, ослабление сигнала на -3 dB также означает уменьшение мощности в 2 раза или снижение амплитуды на 30%. Погнали тестить.

Проведение измерений

Нажимаем Single и ждем 5 минут — получаем график. Если выбрать Run, измерения будут выполняться циклически без остановки. Нам нужен один проход, поэтому используем Single.

Панель инструментов окна "Network"

Панель инструментов окна "Network"

Для анализа графика включаем курсор кнопкой X в левом нижнем углу. Значения курсора отображаются во вкладке X Cursors.

Панель "X Cursors" окна "Network"

Панель "X Cursors" окна "Network"

Анализ результатов

  1. В области низких частот график смещен на ~1 dB, что соответствует ожиданиям.

  2. При начальном смещении 1 dB, искомое ослабление -3 dB отсчитывается от уровня 1 dB, то есть требуемый результат -2 dB.

  3. На частоте 1 kHz ослабление составляет -2.57 dB.

  4. Полученное значение -2.57 dB ≥ -2 dB (эквивалентно -3.57 dB ≥ -3 dB) соответствует требованиям.

АЧХ фильтра

АЧХ фильтра

Заключение

В этой статье я продемонстрировал, как с помощью Analog Discovery 2 можно снять АЧХ фильтра в схеме измерения тока. Мы разобрали процесс сборки стенда, настройки программы и анализа результатов. Использование AD2 оказалось удобным инструментом для таких задач, а его гибкость делает его полезным в повседневной работе инженера.

В своем telegram-канале Embeddemy я делюсь инженерными лайфхаками и реальными задачами. Если вам понравился этот разбор – заглядывайте, там еще больше полезного контента!

Автор: Embeddemy

Источник

* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js