כיצד לבנות מעבדת בדיקה ביתית משלכם בתקציב קטן?

באיזה ציוד בדיקה ומדידה אתם משתמשים באופן שוטף?

סוגי הפרויקטים שעליהם עובד צוות תיכון והנדסה מכתיבים בדרך כלל את מגוון ציוד הבדיקה שעל שולחן העבודה. אולם, ארבעת המכשירים הסטנדרטיים הנדרשים לרוב הפרויקטים הם רבי-מודדים דיגיטליים (‎DMM‎‏), אוסצילוסקופים, מחוללי פונקציות ומונים. לעיתים יידרש ציוד ייעודי נוסף, כגון מנתח ספקטרום ‎RF‎‏, אך בדרך כלל אין בו צורך בסביבה של מעבדה ביתית. מנתח לוגי הוא המכשיר הנוסף היחיד שנדרש למהנדס פיתוח העובד על תכן משובץ, אם כי יכולת זו זמינה לעיתים קרובות באוסצילוסקופים התומכים באותות מעורבים.

מהנדסים ותיקים אוהבים להשתמש בציוד בדיקה ומדידה המצויד בחוגות ובלחצנים רבים, וחלק מהציוד הנ”ל משלב כיום גם ממשק ידידותי למשתמש הכולל מסך מגע. אולם, עבודה ללא תצוגה הופכת לפופולארית יותר, ומסתמכת על יישום מחשב שמספק את פונקציות התצוגה והבקרה במקום ממשק פיזי. סוג זה של ציוד בדיקה מבוסס ‎USB‎‏, שהוא בדרך כלל קומפקטי ביותר, כולל אוסצילוסקופים המבוססים על ‎USB‎‏ ומכשור רב-תכליתי אחר.

עד כמה משוכלל צריך להיות רב-מודד דיגיטלי?

המפרט הטכני של ציוד מכתיב ברוב המקרים את עלותו. לדוגמה, רב-מודד דיגיטלי שולחני מודד בדרך כלל ערכים חשמליים, לרבות וולט (‎DC/AC‎‏), אמפר (DC/AC) ואוהם. רבי-מודדים דיגיטליים מודרניים מסוגלים למדוד גם קיבוליות, רציפות, תדירות, טמפרטורה ועוד, תכונות ההופכות אותם לרב-תכליתיים ביותר. דיוק הרזולוציה של רבי-מודדים דיגיטליים אלה הוא לרוב ‎2½‎‏, ‎5½‎‏ או ‎6½‎‏ ספרות, ערך המציין את מספר הספרות הפחות משמעותיות ואת הדיוק הבסיסי כאחוז. רבי-המודדים הדיגיטליים המשוכללים והיקרים יותר מספקים לעיתים קרובות מדידת מתח ‘‎RMS‎‏ אמיתי’ במקום להשתמש במיצוע, ועשויים לכלול תצוגה של עד ‎7½‎‏ ספרות בדיוק רזולוציה של ‎0.01%‎‏.

איור 1 :סדרת רבי-המודדי הדיגיטליים המקצועיים והנישאים 400 Extech. מקור: Extech

חלופה קומפקטית ושימושית יותר לרב-מודד דיגיטלי שולחני היא מכשיר נישא, שניתן לאחסן במגירה של שולחן כאשר אינו בשימוש. ייתכן שרב-המודד הדיגיטלי השולחני במעבדת הבדיקה יציע דיוק רזולוציה גבוה, אך רמת דיוק זו אינה נדרשת לעיתים קרובות. במקרה זה, ייתכן שרב-מודד דיגיטלי נישא ופחות מדויק יספיק למעבדת הבדיקה הביתית שלכם. אולם, אם אתם צריכים למדוד בו-זמנית זרם ומתח תצטרכו לקנות שני רבי-מודדים דיגיטליים.

מהן האפשרויות הזמינות עבור אוסצילוסקופ?

ציוד בדיקה חיוני נוסף הנדרש למעבדה הביתית שלכם הוא אוסצילוסקופ. קיימות שתי קטגוריות שונות – אוסצילוסקופים דיגיטליים או אוסצילוסקופים התומכים באותות מעורבים. כפי ששמם מרמז, אוסצילוסקופים דיגיטליים דוגמים אותות אנלוגיים ודיגיטליים ושומרים אותם באופן דיגיטלי. לעומת זאת, אוסצילוסקופ אותות מעורבים מתפקד גם כמנתח לוגי.

הקריטריונים העיקריים לבחירת אוסצילוסקופ הם רוחב הפס, קצב הדגימה ומספר ערוצי הכניסה הזמינים שלו. למרות שטווח מתח הכניסה, הרזולוציה ויכולות ההפעלה הם גורמים חשובים שיש להתייחס אליהם, הם משניים יחסית. מספר הכניסות הדיגיטליות (בדרך כלל 8, 16 או 32) והיכולת לפענח מגוון פרוטוקולי אותות שונים, לרבות ‎RS-232‎‏, ‎I²C‎‏ ו-‎CAN‎‏, הם פרמטרים חיוניים נוספים בבחירה של אוסצילוסקופ התומך באותות מעורבים. בדומה לבחירה של רב-מודד דיגיטלי, ייתכן שהפונקציות המתקדמות שבהן תומך האוסצילוסקופ במעבדת הבדיקה שלכם לא יידרשו באוסצילוסקופ שבו תבחרו להשתמש במעבדה הביתית שלכם כיוון שרוב הזמן אינכם צריכים להשתמש בהן.

כיוון שאוסצילוסקופים שולחניים רגילים תופסים שטח שולחן גדול, ייתכן שכדאי לשקול חלופה המבוססת על ‎USB‎‏, שבדומה לרב-מודד דיגיטלי ניתן להכניס למגירה בשולחן לאחר השימוש.

נקודות שיש לקחת בחשבון כשמחפשים מחולל פונקציות / מונה

במהלך הקמת המעבדה הביתית, הפריט האחרון ברשימת הקניות הוא מחולל פונקציות / טיימר. יחידות רב-תכליתיות אלו מחוללות ומודדות תבניות רבות ושונות של צורות גל. האותות הנוצרים מכסים בדרך כלל טווח תדרים של כמה מאות הרץ עד עשרות מגה-הרץ במבחר תבניות רגילות של צורות גל – סינוס, מרובע ושן מסור. יישומים הדורשים תבניות מותאמות של צורות גל מחייבים שימוש במחולל צורות גל שרירותיות (‎AWG‎‏). לגבי שני סוגי הציוד, קריטריוני הבחירה העיקריים שיש לקחת בחשבון הם מספר ערוצי הפלט וטווח התדירות/מונה של אותות הקלט. ברוב המקרים, הפונקציות הנדרשות למונה/טיימר עשויות להיות מעטות. משימות רבות של יצירת אב טיפוס ותיכון עשויות לדרוש יצירה של צורת גל פשוטה בלבד כדי לדמות קלט חיישן למעבד; או, בשילוב אוסצילוסקופ, כדי למדוד את הביצועים של מעגל אכשור אותות קדמי אנלוגי. כאמור, כדאי לשקול הוספה של מכשיר מדידה מבוסס ‎USB‎‏, המשלב אוסצילוסקופ דיגיטלי, מנתח לוגי ומחולל אותות / מונה רב-תכליתי, למעבדה הביתית.

איור 2: חבילת Digilent Analog Discovery 2 Pro. מקור: Digilient

המלצות

כפי שנדון עד כה במאמר זה, כשמדובר על מעבדה ביתית, השיקולים העיקריים הם גודל, פונקציונאליות וזמינות. דוגמה לרב-מודד מקצועי ונישא היא סדרת ‎EX400A‎‏ מבית ‎Extech‎‏.

רבי-מודדים דיגיטליים

רב-המודד ‎EX410A‎‏ מבית ‎Extech‎‏, התומך בקביעת טווח אוטומטית, הוא דוגמה מצוינת לרב-מודד דיגיטלי מקצועי ונישא. הוא מספק טווח מדידה ממוצע (‎AC/DC‎‏) של ‎1 mV‎‏ עד ‎600 V‎‏ ומדידת זרם של עד ‎10 A‎‏ בדיוק של ‎±0.5%‎‏. במדידות התנגדות, הוא מכסה טווח של 0.1 אוהם עד 20 מגה-אוהם. אם התקציב העומד לרשותכם קצת יותר גבוה, שקלו לבחור ב-‎EX430A‎‏ היקר במקצת. הוא מציע מדידת מתח בדיוק משופר של ‎±0.3%‎‏ (‎RMS‎‏ אמיתי), מדידת זרם עד ‎0.1 µA‎‏ ומדידות נוספות של קיבוליות (‎0.01 nF‎‏ עד ‎100 µF‎‏) ותדירות (‎0.001 Hz‎‏ עד ‎10 MHz‎‏).

אוסילוסקופ ושילובים רב-תכליתיים

המכשיר ‎Analog Discovery 2‎‏ מאפשר לכם לשאת מעבדת אלקטרוניקה שלמה בהתקן ‎USB‎‏ המותאם לכיס. הוא כולל 12 מכשירים, לרבות אוסצילוסקופ, מחולל צורות גל שרירותיות, מנתח לוגיקה/אפיק דיגיטלי, מנתח רשת ומנתח ספקטרום. חבילת ‎Digilent Analog Discovery 2 Pro‎‏ כוללת בחוני אוסצילוסקופ, מהדקים ומוליכים זעירים לבדיקה, לוח מתאם ‎BNC‎‏ וכבל ממשק ‎USB‎‏.

המכשיר ‎Analog Discovery 2‎‏ והתוכנה החינמית הנלווית ‎WaveForms‎‏ יכולים למדוד, להמחיש, לחולל, לתעד ולשלוט על מעגלי אותות מעורבים. הפונקציות כוללות אוסצילוסקופ דו-ערוצי של ‎30 MHz‎‏ ו-100 מגה-דגימות/שנייה, מחולל פונקציות שרירותיות דו-ערוצי של ‎14-bit‎‏, ‎12 MHz ±5V‎‏, מנתח לוגי דיגיטלי (16 ערוצים) של ‎100 Ms/s 3.3 V‎‏ ומחולל תבניות דיגיטליות של 16 ערוצים. החבילה כוללת גם שני מקורות מתח ניתנים לתכנות של ‎±5 VDC‎‏ ומד מתח ‎AC/DC‎‏ חד-ערוצי של ‎±25 V‎‏. פונקציית המנתח הלוגי כוללת יכולות פענוח אפיק של פרוטוקולים טוריים פופולאריים, כגון ‎SPI‎‏, ‎I²C‎‏ ו-‎UART‎‏.

חבילת התוכנה ‎WaveForms‎‏ מספקת ממשק וירטואלי לכל מכשיר, המאפשר לכם לשנות הגדרות ולהציג תוצאות מדידה – בדיוק כמו מכשיר מדידה שולחני קלאסי. חבילה זו, הזמינה למערכות ההפעלה ‎Microsoft Windows‎‏, ‎Apple Mac OS X‎‏ ו-‎Linux‎‏, כוללת גם תמיכה מובנית ב-‎Javascript‎‏, המאפשרת לבצע אוטומציה של מדידות וניתוח נתונים.

איור 3 – דוגמה להפעלה של היישום ‎Waveforms ‎‏ עם פונקציות אוסצילוסקופ, מחולל צורות גל ואספקת מתח (מקור: ‎Digilent‎‏)

נניח שאתם עובדים על תכן משובץ וזקוקים למנתח לוגי מתקדם יותר. במקרה זה, ‎Digilent Digital Discovery with a High-Speed Adapter‎‏ בעל 32 הערוצים מציע קצב דגימה גבוה עד פי-8 מקצב הדגימה של המנתח ‎Analog Discovery‎‏.

איור 4 – החלק הפנימי של המנתח הלוגי הדיגיטלי מבוסס ה-‎FPGA‎‏ ‎Digilent Digital Discovery‎‏ (מקור: ‎Digilent‎‏)

הוא כולל ‎CMOS‎‏ של ‎1.2 V‎‏ עד ‎3.3 V‎‏, המציע 8 ערוצים של ‎800 Ms/s‎‏, 16 ערוצים של ‎400 Ms/s‎‏ או 32 ערוצים של ‎200 Ms/s‎‏, וכן מחולל תבניות בן 16 ערוצים התומך ב-‎100 Ms/s‎‏. התוכנה ‎WaveForms‎‏ מציעה גם יכולת ‎I/O‎‏ דיגיטלית וירטואלית של 16 ערוצים באמצעות לחצנים, מתגים ונורות ‎LED‎‏.

המכשירים המחוברים ב-‎USB‎‏ ל-‎Digilent Analog Discovery 2‎‏ ול-‎Digital Discovery‎‏ מציעים סדרה מקיפה של תכונות במארז קומפקטי של 80×80×25 מ”מ, שאינו גדול מתחתית של ספל קפה.

איור 5 – דוגמת צילום מסך של אות ‎VGA‎‏ ב-‎Digilent Discovery‎‏ (מקור: ‎Digilent‎‏)

מנתח לוגי חלופי המבוסס על ‎USB‎‏ הוא ‎DSLogic U3Pro16‎‏. מכשיר זה, המצויד ב-16 ערוצים דיגיטליים, מסוגל לדגום 8 ערוצים במהירות של עד ‎1 G/s‎‏ ו-16 ערוצים במהירות של עד ‎500 Ms/s‎‏ ותואם לרוב רמות הלוגיקה הפופולאריות שבין ‎1 V‎‏ ל-‎5 V‎‏. בניגוד ל-‎Diligent Digital Discovery‎‏, מכשיר זה אינו כולל מחולל תבניות דיגיטליות או תכונות ‎I/O‎‏ אחרות הניתנות לתכנות.

איור 6 – דוגמה של המנתח הלוגי ‎DSLogic U3Pro16‎‏ בפעולה, המשתמש ביישום ‎DSLogic View‎‏ (מקור: ‎DreamSourceLab‎‏)

הבה נתחיל

מכשירים קומפקטיים מבוססי ‎USB‎‏ ונישאים כדוגמת אלו הנדונים במאמר זה מספקים חלופה זולה ומעשית לגרסאות שולחניות יקרות. משמעות הדבר היא שהקמת מעבדה ביתית אינה חייבת להיות משימה יקרה, וניתן לסדר אותה בסוף היום במגירה של שולחן העבודה. למידע נוסף על מחירים, עקבו אחר הקישורים שבמאמר.