Необходимое тестово-измерительное оборудование для профессиональной домашней лаборатории

Для некоторых из нас работа дома может быть длительной реальностью после 2020 года. Вам понадобятся правильные инструменты для достижения ваших целей.

Одна из реальностей 2021 года — многие инженеры все еще застряли дома со всеми крутыми гаджетами и приспособлениями, собирающими пыль на работе. Как вы останетесь продуктивными в новом мире, в котором мы живем? Сколько работы вы можете сделать дома? Это будет зависеть от ваших проектов. Вам понадобятся правильные инструменты для достижения ваших целей.

Логистика принесения тестового и измерительного оборудования домой

Многие воспитатели детского сада, которые вели свой класс к созданию макаронных скульптур, скажут вам: «С хламом можно сделать только столько хлама, сколько хлама у вас есть». Это также верно для инструментов и тестового оборудования. Если вы не можете пойти на работу, либо вы, либо ваш работодатель должны раскрыть кошельки, чтобы принести работу к вам домой.

Если ваш работодатель предоставляет стипендию на оборудование, вы должны иметь возможность сохранить его и амортизировать налоги. Но как бы оборудование ни попало в ваш дом, вы можете исследовать варианты страхования; домашняя страховка может не охотно заменять осциллограф за $50,000, который вы принесли с работы.

Для электротехнического тестового оборудования я рекомендую философию «Купи раз, плачь раз». Платите за качественные инструменты, которые прослужат десятилетие или более. Альтернативно, если у вашей компании менее напряженный цикл разработки, воспользуйтесь одной из множества компаний по аренде тестового оборудования, чтобы арендовать нужное оборудование только на нужное время.

Осциллографы

Я работаю в Advanced Assembly, и мой начальник и я каждый имеем Tektronix MDO3104 в своих домашних мастерских. Эти многофункциональные устройства функционируют как осциллограф, спектральный анализатор, генератор функций, мультиметр и еще несколько вещей, которые я еще не разобрался. До недавнего времени это устройство стоило существенно больше моей машины. И это только потому, что я купил новую машину.

Следовательно, я немного более консервативен с ним, чем, вероятно, должен быть, и так как в доме появился новый ребенок, он проводит большую часть жизни запертым в огнеупорном сейфе, где он мне мало помогает.

Какая полоса пропускания вам нужна?

Ваш осциллограф и зонд могут не иметь адекватной полосы пропускания для измерения каждого сигнала, который там есть. Например, даже 1 GS/s осциллограф вроде MDO3104 не может действительно захватить 40 пс фронт нарастания, исходящий из GaN ключевого элемента.

 

 

Этот захват GaN ключа имеет заявленное время нарастания 40 пс, но осциллограф говорит, что это ближе к 280 пс. Но правда ли это? Давайте снизим полосу пропускания и посмотрим, как выглядит сигнал. На 250 МГц полосы пропускания это выглядит как совершенно другой сигнал, и осциллограф показывает время нарастания 750 пс.

 

 

Так что я на самом деле измеряю здесь? Единственное, что я знаю с некоторой долей уверенности — это быстрый сигнал. Он за пределами возможностей осциллографа и зондов, и моему начальнику нужно купить мне новую игрушку.

Как очень-очень общее правило большого пальца, разделите ваше самое быстрое время нарастания компонента на 0.6, чтобы определить нужную полосу пропускания (я пропустил шаги про обсуждение гармоник и просто включил крошечный запас прочности).

Например:

 

$$\text{Scope BW}\frac{0.6}{40\;\text{ps}}=15\;\text{GHz}$$

 

Я не знаю, почему я принял это устройство как мою священную корову. Оно даже не может поспевать за моими самыми быстрыми импульсами, и инструменты созданы для использования. Но я использую его, когда нужны тщательные измерения, анализ протоколов или спектральный анализ, и он служит своей цели хорошо.

Год назад он был смонтирован над моей верстакой на подвижном VESA-креплении. И он вернется туда снова, когда не будет больше беспокойства о ребенке, дергающем тестовый провод, свисающий с края стола.

 

Осциллограф MDO3104. Изображение любезно предоставлено Tektronix

 

Простые, недорогие осциллографы могут сделать работу

К счастью, большинство ошибок проектирования плат или пайки, которые я совершаю, — глупые — паяной мост при ручной сборке, или, возможно, у меня неправильный фуутпринт для микросхемы. Я еще не ошибся в расчете емкости I2C линии, и нет никакого шанса, что я когда-либо подключил UART Tx драйвер к UART Tx драйверу на другой микросхеме, и кто бы ни говорил, что я это сделал и испортил плату — грязный лжец!

Так что 60% моих потребностей в отладке могут быть удовлетворены простейшими осциллографами. Для ввода платы мне просто нужно знать, есть ли логический ноль или логическая единица, приблизительное напряжение, или есть ли данные на линии данных. Для этих целей самые дешевые осциллографы обычно подходят. Когда отладка переходит к «давайте декодируем пакеты», выходят большие инструменты.

Я пришел к ценности малого размера и полезности карманных осциллографов. 2-канальные версии стоят около $100, а 4-канальные — около $200.

 

 

4-канальный ручной мини-цифровой осциллограф DSO213. Изображение любезно предоставлено SainSmart

 

Эти устройства малы, портативны и очень ограничены в том, что они могут делать. Они дополняют полнофункциональный осциллограф — они не заменяют его. Это не логические анализаторы, и у них нет возможностей анализа протоколов.

Но приятное в том, что из-за цены мне не страшно оставлять это на столе или уносить в гараж для отладки моих станков с ЧПУ. Его последняя работа в жизни была определением, является ли выход на BNC порту камеры безопасности цифровым или аналоговым. Это дало мне идею, что это может быть 3G-SDI.

Слово предостережения о карманном T&M оборудовании

После того как вы влюбитесь в карманные осциллографы, вероятно, будет соблазн найти все карманные тестовые приборы в интернете и добавить их в корзину. Но я призываю вас не уходить слишком далеко.

Эти устройства сложнее в использовании и подделываются за рубежом массово. У них также неуклюжий пользовательский интерфейс, к которому нужно привыкнуть, и ограниченный рабочий частотный диапазон. И я не могу представить, что они калибруются особенно тщательно.

Векторный анализатор цепей

Существуют карманные векторные анализаторы цепей. Это значит, что они способны захватывать амплитуду и фазу сигнала. Частотный диапазон обычно начинается от 10 кГц и пикует около 1–1.5 ГГц.

У меня есть один для проектов антенн любительского радио, но я не использую его регулярно для рабочих задач. Я не знаю, насколько они эффективны или точны в захвате S-параметров, но я уверен, что ответ разочаровывающий. Если у вас есть опыт с ними в производственной среде, оставьте комментарий ниже.

 

Векторный анализатор цепей SeeSii (10 кГц–1.5 ГГц). Изображение любезно предоставлено SeeSii и Amazon

 

Вы можете вместо этого рассмотреть DG8SAQ VNWA 3SE полностью автоматический, 2-портовый векторный анализатор цепей. Это устройство подключается прямо к вашему компьютеру и может использоваться для временного анализа, обнаружения неисправностей кабелей и согласования сети. Оно также имеет высокую стабильность и высокий динамический диапазон. Рабочий частотный диапазон от 1 кГц до 1.3 ГГц, что покрывает несколько ISM-полос.

 

SDR Kits' DG8SAQ VNWA 3, низкозатратный 1.3 ГГц VNA. Изображение любезно предоставлено SDR Kits

 

Это график S11 стоячей волны (красный), дБ потерь (синий) и импеданса (зеленый). Графики указывают, что эта конкретная антенна настроена на 453 МГц, но должна адекватно работать в диапазоне 445–455 МГц.

 

К сожалению, переход до 3 ГГц максимальной частоты требует серьезного комплекта и потребует продать машину, чтобы позволить себе это. Переход до 53 ГГц требует продать почку или первенца. Лично я рекомендую ребенка, так как почку вы не можете сделать другую.

Мультиметр

Выбор мультиметра во многом зависит от типа работы, которую вы делаете. Уровень точности, количество функций, логирование данных — среди многих других функций — все доступны вам. Но вы также должны знать, что мультиметр больше не означает просто сопротивление/емкость/напряжение.

Существуют мультиметры со встроенными инфракрасными камерами! FLIR и Fluke обе имеют модели для выбора.

 

Промышленный образцовый мультиметр FLIR DM285. Изображение любезно предоставлено FLIR

 

Разрешение ИК-камеры может быть не таким хорошим, как у отдельной ИК-камеры, и мультиметр может иметь спецификации, не пригодные напрямую для микроэлектронной работы. Но если вы работаете с линейным напряжением, можно сделать убедительный аргумент в пользу добавления этого в ваш набор инструментов.

Если вы намереваетесь использовать ИК-камеру для инспекции электронных схем, вы должны выбрать другую модель с более высоким разрешением. Хорошее эмпирическое правило: минимальная ширина компонента, который вы хотите инспектировать, должна быть 3 пикселя в ширину.

Альтернативно, вы можете пойти с настольным мультиметром, способным на большую точность.

 

Цифровой мультиметр SDM3045X 4 1/2 разряда двухдисплейный. Изображение любезно предоставлено Siglent Technologies

 

Стоит помнить, что эти устройства, используемые осторожно, служат очень долго. У меня все еще есть те же портативные и настольные мультиметры, которые я купил в RadioShack более двух десятилетий назад, и они все еще работают так же хорошо, как когда были новыми — то есть я могу проверять напряжения батарей и выполнять другую базовую отладку.

Рассмотрите инвестиции в то, что вы планируете держать очень долго.

Инвестируйте в долговечное T&M оборудование

Если вам нужно отлаживать или вводить новые дизайны, вам нужно тестовое оборудование. Это не дешево и кто-то должен за это заплатить. Так что ваша новая работа — убедить вашего шефа, что вам нужны все эти инструменты для выполнения работы. Это может быть сложно, но у меня есть простое решение: просто дайте вашему шефу знать, что я сказал, что это нормально.