Manuál PMN (Pokročilé metody návrhu) Cvičení (v1.0) Petr PFEIFER Liberec 2014 TENTO MATERIÁL VZNIKL ZA PODPORY EVROPSKÉHO SOCIÁLNÍHO FONDU A STÁTNÍHO ROZPOČTU ČESKÉ REPUBLIKY.
Obsah Úvod, motivace... 3 Nová sada přípravků do cvičení PMN... 4 PSU - Modul zdroje... 5 GU - Modul generátoru... 5 MU Moduly modelového signálového vedení... 6 XOR Moduly výstupů a moduly logických hradel... 6 Digitální osciloskopy ve cvičení PMN... 7 Digitální osciloskop GW Instek řady GDS 2000 (GDS-2072)... 7 Digitální osciloskop Agilent DSO9254A... 9 Nová koncepce pracoviště... 10 Závěr... 11 Citovaná literatura... 11 Seznam obrázků... 12 Petr Pfeifer 2
Úvod, motivace Rychlý vývoj nových technologii si vyžádal i reflexi v modernizaci předmětů vyučovaných na naší univerzitě, jmenovitě ve vytvoření zcela nového předmětu PMN (Pokročilé metody návrhu). V místnosti AP9 byla realizována rozsáhlá modernizace pracovišť studentů ve cvičení a především přístrojového parku. Nové pracoviště studenta se skládá především z: - starší stavebnice DOMINO a zcela nové sady přípravků pro cvičení PMN, na které se zapojují jednotlivé úlohy - sady propojovacích vodičů a kabelů - několika napájecích zdrojů vč. zabudovaných - k dispozici jsou různé multimetry, voltmetry a další základní přístroje - samostatný generátor signálu - digitální osciloskop GW Instek řady GDS 2000 (GDS-2072) u každého studentského pracoviště - unikátní digitální osciloskop Agilent DSO9254A na vyhrazeném pracovišti - standardní PC s displejem, myší a klávesnicí, obsahuje rovněž různá vstupně /výstupní rozhraní Petr Pfeifer 3
Nová sada přípravků do cvičení PMN Nová sada přípravků do cvičení je řešena jako zcela modulární stavebnice, využívající moderní technologie, a která se skládá s jednotlivých funkčně vyhrazených částí, přičemž jednotlivé moduly je možné libovolně spojovat pomocí robustních konektorů a v zapojení úlohy měnit nebo libovolně nahrazovat. Následující obrázek ukazuje vyvinutou základní sadu modulů. Jednotlivé moduly i sada samotná obsahuje četné prvky ochrany, které by měly prodloužit životnost přípravků a snížit náklady na jejich údržbu. Rovněž každý modul obsahuje zelenou indikační LED, která svítí při jediném správném zapojení modulů, je tak možná rychlá a nenáročná kontrola zapojení ze strany pedagoga. Jednotlivé prvky měřicího řetězce a celé sady přípravků jsou (na obrázku od levého prvního modulu): vstupní modul zdroje (PSU), který zajišťuje potřebné napájení celého řetězce, včetně účinného galvanického oddělení vysoce variabilní modul generátoru (GU) pro generování až 4 signálů dlouhý modul měřicí linky (MU, MUAX, MUX), pro měření různých typů vedení a plošných spojů malé úzké moduly pro účely terminace a připojení osciloskopu moduly AU-XOR (zobrazen) pro jednotlivé a DU-XOR (rozměrově podobný) pro diferenciální úpravu signálu pomocí základních logických hradel. Nejdelší modul je k dispozici ve více variantách (pro jednoduchost jsou zobrazeny pouze 2), které umožňují různé typy pokročilých měření, především na vedení s různou délkou, různých impedancích, s nebo bez stínění nebo zemnící plochy. V současnosti je v celé stavebnici k dispozici až 10 různých typů modulů pro 12 studentských pracovišť. Obr. 1 Fotografie prvků základní sady nových přípravků do cvičení PMN. Petr Pfeifer 4
PSU - Modul zdroje Tento modul obsahuje především galvanicky oddělený zkratu vzdorný DC/DC zdroj 5 V/ 200 ma pro napájení celé konfigurace. Na vstupu modulu se požaduje napětí 5 V ± 20 %, které je možné připojit pomocí kabeláže shodné s původní stavebnicí DOMINO. Vstup obsahuje ochrannou diodu proti přepólování napájení, taktéž na výstupu. Při správné funkci a zapojení svítí na modulu malá zelená LED. GU - Modul generátoru Obr. 2 Detail modulu zdroje. Modul generátoru vytváří až 4 různé signály. Pomocí červené konfigurační propojky se volí základní frekvence signálu, černé propojky určují fázi jednotlivých signálů, které je možné pomocí zelených propojek vyvést na konektor (jak ukazuje obrázek), nebo příslušný výstup připojit na společný signál GND (poloha blíže ke konektoru). Při správné funkci a zapojení na modulu svítí malá zelená LED. Obr. 3 Detail modulu generátoru. Petr Pfeifer 5
MU Moduly modelového signálového vedení Tyto moduly obsahují různé provedení modelových signálových vedení a provedení plošných spojů, případně s konektory nebo terminační rezistory pro příslušné signály. Obrázek ukazuje případ modulu pro měření na diferenciálních signálových vedeních a příklad a měření vlivu různých délek vodičů. Při správné funkci a zapojení opět svítí na modulu malá zelená LED. Obr. 4 Detail modulu modelů signálového vedení a provedení obrazců nebo desek plošných spojů. XOR Moduly výstupů a moduly logických hradel Tyto moduly obsahují konektory nebo terminační rezistory pro příslušné signály. Dále tyto moduly logických hradel zajišťují převod a úpravu vstupních signálů dle příslušné použité technologie (zde HCT). Při správné funkci a zapojení svítí na modulu malá zelená LED. Obr. 5 Detail modulů výstupů a modulů logických hradel. Petr Pfeifer 6
Digitální osciloskopy ve cvičení PMN V této krátké kapitole je uvedeno seznámení a přehled základních parametrů digitálních osciloskopů v předmětu PMN, které budete pro měření na přípravcích používat. Využití dvou typů přístrojů bylo nutné především z investiční důvodů neúměrně vysokých nákladů na pořízení, údržbu i servis pouze špičkových typů přístrojů. Proto jsou levnější osciloskopy GW Instek instalovány na každém studentském pracovišti (vždy pro jednoho až dva studenty) a efektivně užívány v případě většiny úloh, přičemž investičně náročný a vlastnostmi špičkový a ve cvičení jediný přístroj firmy Agilent je využíván v případě úloh, na které není již levnější osciloskop možné použít. Měření a úlohy jsou tak prezentovány pedagogem na vyhrazeném přípravku a promítány projektorem připojeným k přístroji přímo nebo dálkově v testované konfiguraci. Studenti mají poté možnost si úlohu zapojit a změřit ve větších skupinách, a následně porovnat dosažené výsledky s výsledky pedagoga. Digitální osciloskop GW Instek řady GDS 2000 (GDS-2072) Osciloskopy GW Instek jsou základním prvkem přístrojového parku AP9 a jsou instalovány na každém studentském pracovišti. Obrázek ukazuje základní prvky klíčového přístroje. S detaily možností osciloskopů je ale nutné se seznámit v [1] a [2]. Základní parametry přístroje jsou: technicky aktuální koncepce založená na jednoduchém HW a dedikovaném uzavřeném OS, které umožnují jednoduché nastavení a znemožňuje napadení systému např. viry mají dva vstupy (kanály), s možností dalších externího spouštěcího vstupu a signálu mají šířku pásma 70 MHz (pokles o 3 db), vzorkování až 2 GSa/s v reálném čase hloubka paměti (délka záznamu) je až 2 miliony bodů pro jeden kanál v režimu jednorázového vzorkování, jinak 1 Mpts, resp. 500 kpts pro oba z kanálů v případě volby dlouhé paměti, a 5000 bodů v případně standardní krátké délky záznamu mají integrován 8" (203 mm) LCD TFT displej 800 x 600 bodů s LED podsvícením mají možnost připojení, přenosu dat a konfigurace pomocí USB některé přístroje jsou rozšířeny o moduly LAN, GPIB, VGA a modul generátoru signálu a funkcí, případně logický analyzátor (MSO) 8 nebo 16 kanálů. Petr Pfeifer 7
Obr. 6 Detail přístroje GW Instek (zdroj: GW Instek) Petr Pfeifer 8
Digitální osciloskop Agilent DSO9254A Nový digitální osciloskop Agilent se stal významným moderním prvkem našeho přístrojového parku. Tento přístroj se v rámci předmětu PMN používá zejména v úlohách měření na moderních rozhraních a sběrnicích, jako jsou USB, PCIe a SATA, kde se přenáší velké množství dat a/nebo na vysokých přenosových rychlostech, které nutně vyžadují velkou šířku pásma, tedy i mnohem výkonnější a pokročilejší přístroje, které jsou schopné příslušné signály a komunikaci zachytit. Následující obrázek ukazuje typickou sestavu přístroje. Jeho základní parametry jsou: - moderní koncepce založená na kvalitním HW a Windows OS, kombinující rovněž výkonný HW pro měření analogových signálů s možností rozšíření o další čistě digitální vstupy, množství konektorů a rozhraní (GLAN, USB, VGA, atd.) a velký dotykový LCD displej - 4 citlivé vstupy (kanály) a velké množství možností zachycení, spouštění, analýzy nebo zobrazení signálů - základní šířka pásma 2,5 GHz (pokles o 3 db), programově rozšiřitelná na 4 GHz, při maximální vzorkovací rychlosti 10 GSa/s v reálném čase pro všechny 4 kanály nebo 20 GSa/s pro kanály 1 a 3 - unikátní velmi dlouhá paměť vzorků 500 Mpts na každý ze 4 kanálů, nebo dokonce extrémně dlouhý záznam 1 Gpts v případě využití dvou kanálů 1 a 3. S detaily možností osciloskopu je nutné se seznámit v [3] a [4]. Obr. 7 Detail přístroje Agilent (zdroj: Agilent - Keysight) Petr Pfeifer 9
Nová koncepce pracoviště Nové moderní typy přístrojů, včetně těch, které se podařilo zakoupit, mají mnoho pokročilých, často standardizovaných nebo kompatibilních funkcí, modulů a možností obecně. Všechny použité typy osciloskopu umožňují doplnit základní model o různé moduly, včetně modulu Ethernet. Ale již v samotném základu je přístroj dodáván s možností ovládání pomocí RS232 nebo USB. V případě USB se jedná de facto o virtuální sériový tunel, včetně možnosti použití standardizovaných formátů příkazů, což skýtá nové možnosti a příležitost další modernizace učebny za současného významného snížení nákladů. Následující obrázek ukazuje základní zapojení klíčových prvků. Je využíváno především rychlejší spojení osciloskopu pomocí USB kabelu s PC u každého pracoviště. Toto PC je samozřejmě již propojeno do sítě pomocí Ethernet twist kabelu. Osciloskop Agilent je do sítě připojen pouze pomocí Ethernetu (GLAN). Obr. 8 Základní zapojení klíčových prvků pracoviště Petr Pfeifer 10
Závěr Tento dokument ukázal základní koncepci a použití přístrojů a nové sady přípravků a modulů do cvičení PMN, včetně prvků řešení modernizace výuky a pracovišť studentů ve cvičení v místnosti AP9. Nastavení přístrojů pracovišť je možné realizovat dálkově z jednotného místa počítače pedagoga pomocí unikátních řešení, vyvinutých v rámci našeho ústavu na půdě Technické university v Liberci. Citovaná literatura [ 1 ] Informace o přístroji dostupné na http://www.gwinstek.com/en/product/productdetail.aspx?pid=3&mid=7&id=1349. [ 2 ] Uživatelský manuál přístroje (GDS-2000A User Manual, 7747K) ve složce Download, V1 z 2012/11/20. [ 3 ] Informace o přístroji dostupné na http://www.keysight.com/en/pd-1632427-pn- DSO9254A/oscilloscope-25-ghz-4-analog-channels?cc=CZ&lc=eng [ 4 ] Manuál přístroje DSO řady 9000 (5990-3746EN) a další dokumentace z http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5990-3746en.pdf Petr Pfeifer 11
Seznam obrázků Obr. 1 Fotografie prvků základní sady nových přípravků do cvičení PMN.... 4 Obr. 2 Detail modulu zdroje.... 5 Obr. 3 Detail modulu generátoru.... 5 Obr. 4 Detail modulu modelů signálového vedení a provedení obrazců nebo desek plošných spojů.... 6 Obr. 5 Detail modulů výstupů a modulů logických hradel.... 6 Obr. 6 Detail přístroje GW Instek (zdroj: GW Instek)... 8 Obr. 7 Detail přístroje Agilent (zdroj: Agilent - Keysight)... 9 Obr. 8 Základní zapojení klíčových prvků pracoviště... 10 Poděkování: Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně. Petr Pfeifer 12