Изучаем Analog Discovery 2: снимаем АЧХ фильтра шаг за шагом

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.

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.

Подключение проводов (пронумерованы кружочками разных цветов):

Провод №1 (синий) — припаять к выходу операционного усилителя, другой конец вставить в AD2 («2+», положительный вход второго осциллографа).
Провод №2 (синий) — припаять к земле схемы, другой конец вставить в AD2 («2-», отрицательный вход второго осциллографа).
Провод №3 (оранжевый) — припаять к верхней точке шунта, другой конец вставить в AD2 («1+», положительный вход первого осциллографа).
Провод №4 (оранжевый) — припаять к земле схемы, другой конец вставить в AD2 («1-», отрицательный вход первого осциллографа).
Провод №5 (желтый) — припаять к верхней точке шунта, другой конец вставить в AD2 («W1», выход генератора сигнала).
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.

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

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.

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

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

4. 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:

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.
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:

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

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.

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

Анализ результатов

В области низких частот график смещен на ~1 dB, что соответствует ожиданиям.
При начальном смещении 1 dB, искомое ослабление -3 dB отсчитывается от уровня 1 dB, то есть требуемый результат ≥ -2 dB.
На частоте 1 kHz ослабление составляет -2.57 dB.
Полученное значение -2.57 dB ≥ -2 dB (эквивалентно -3.57 dB ≥ -3 dB) соответствует требованиям.

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!