テキサス A&M の学生が Moku:Lab を自主的にレビュー

私たちはテキサス A&M の学部生に Moku:Lab を送り、彼らがすぐに使える体験をどのように見つけたかを確認しました。レビュー全文をお読みください。

2020 年 6 月 23 日

ジェファーソン・ファム、アレクサ・ウォップマン、ジョセフ・モーガン博士、マシュー・レナード教授
テキサスA&M大学
電子システムエンジニアリングテクノロジー (ESET)
学際的エンジニアリング技術 (MET)

概要

新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) が猛威を振るう中、Moku:Lab はテキサス州の A&M 学生 XNUMX 名に発送され、彼らが協力して評価できるようになりました。オシロスコープ、波形発生器、周波数応答アナライザ、スペクトラム・アナライザを使用して、学生は開梱時から論文の完成まで自主的に評価を行いました。調査結果の詳細については、レポート全文をご覧くださいt.

抽象

カレッジステーションにあるテキサス A&M 大学の工学技術および産業流通 (ETID) 部門の学生と教員のチームは、Liquid Instruments と協力して、学部工学環境で同社のフレキシブルハードウェア製品 Moku:Lab の機能をテストしました。 Moku:Lab は、14 種類のプロ仕様の電子テストおよび測定機器をシミュレートできる XNUMX つのコンパクトなデバイスとして構築された、ソフトウェアで構成可能なハードウェアプラットフォームです。チームは、学部の研究室でよく行われるブラックボックス分析と実験を完了することによって、Moku:Lab を評価しました。この製品は、使用の柔軟性、機能性、エンジニアリング技術と産業流通クラスの関連性という基準に基づいてテストされました。これらのテスト基準は、学部レベルで Moku:Lab のような製品を使用する可能性を判断するために使用されました。

背景と紹介

テキサス A&M 大学では、エンジニアリングテクノロジープログラムを多数のエンジニアリングプログラムと区別する大きな特徴の 1 つは、実践的で経験的な学習を重視していることです。これは、電子システムおよびメカトロニクスプログラムの両方に当てはまります。2 年生レベルから最終キャップストーン設計体験までのすべての技術コースには、統合された実験室が含まれています。学生は、教室での理論を実際の実験室での実験やプロジェクトに置き換えることで学習と理解を進めます。

このような環境では、テストおよび測定機器の使用が学習プロセス全体の基本となります。幅広い技術的主題をサポートするには、多数の専用の物理実験室が必要であり、各実験室には一連のテスト機器が必要です。業界品質のテストおよび測定機器を調達して維持することは、困難な作業です。さらに、同じ実験台上のある機器と別の機器の間に共通のユーザーインターフェイスが欠如しているため、学生が各ツールを効率的かつ効果的に学習および使用する際の障害となります。

電子システムおよびメカトロニクスプログラムは、さまざまな研究室間でテストおよび測定機器を標準化しようと試みてきましたが、それでも最大 5 ～ 6 台の異なる特殊なテスト機器が必要です。これらはすべてスペース、電力、学生の実験への相互接続を必要とします。

最近、名誉教授のジョセフ・モーガン博士とテキサス宇宙技術応用研究（T STAR）の非常勤教授兼学長のマシュー・レナード教授がリキッド・インスツルメンツから連絡を受けました。この対話の目的は、大手工学部の工学技術プログラムが、共通のグラフィカルユーザーインターフェイスを備えた再構成可能なハードウェアプラットフォームである新しい試験測定デバイス Moku:Lab にどの程度の関心を寄せるかを判断することでした。レナードとモーガンは、宇宙/NASA の利益に関連するキャップストーン設計プロジェクトのスポンサーと実施に多大な労力を注いできました。レナード (T STAR) は通常、プロジェクトのスポンサー/顧客として参加し、モーガンはチームのテクニカルアドバイザーです。両名とも、テストおよび測定機器に関連する問題を認識しており、懸念しています。リキッド・インスツルメンツ社のマーケティング担当副社長であるダグラス・フィリップス氏との話し合いの中で、彼の会社が工学技術の学生からなる小規模なチームに Moku:Lab を貸与し、チームが典型的な研究室の割り当てに対する複数の機器システムの影響を評価することに合意しました。そして、一般的な一連の実験装置と比較した全体的な学習体験。このペーパーでは、Moku:Lab を評価する際に取られた手順と、参加した学生の発見と結論について説明します。

システム概要

Liquid Instruments は、単一のデバイス上で仮想テストおよび測定機器のコレクションを提供するハードウェアプラットフォームである Moku:Lab を設計しました。このツールは、アナログ入力と出力をサポートするフィールドプログラマブルゲートアレイ (FPGA) を利用します[1]。複数のテストおよび測定ツールを XNUMX つのデバイスに統合することで、製品をソフトウェアで構成できるようになり、携帯性と使いやすさが向上するモバイルコントローラーの利点も得られます。これらの機能により、電子信号のテストと記録のプロセスが合理化され、学部での教育体験が向上します。 Moku:Lab は、非常に高価で複雑なテスト機器から、業界グレードの機器のすべての機能を使いやすい単一のコンパクトなプラットフォームに組み合わせた単一ユニットへの移行を可能にするインターフェースを提供します。この評価の執筆時点で現在サポートされている仮想インストゥルメントは次のとおりです。

ロックインアンプ
任意波形発生器
PIDコントローラー
周波数応答アナライザ
レーザーロックボックス
位相計
オシロスコープ
スペクトラムアナライザ
デジタルフィルターボックス
波形発生器
データロガー
FIRフィルタービルダー

Hardware

Moku:Lab は、3 つの高速アナログ入力、200 つの高帯域幅 DC 結合アナログ出力、外部トリガー接続、入力クロックリファレンス、出力クロックリファレンス、SD カードスロット、イーサネットポート、MicroUSB 接続、およびUSB-A ポート [3]。 Liquid Instruments の仕様書には、入力の周波数範囲が最大 300MHz と記載されています [500]。出力ポートの最大周波数帯域幅は 3MHz です。入力は、最大 50MSa/s の入力分解能を維持しながら、AC 結合または DC 結合のいずれかに構成することもできます [1]。出力にはアンチエイリアシングフィルターが装備されており、機器と測定入力間のインターフェースを同時に行うことができます。このデバイスは、3Ω または 500MΩ の業界標準のインピーダンス値を利用できます [3]。このデバイスには、XNUMXppb 以上の精度で安定した内部クロックが含まれています [XNUMX]。これらの機能により、このツールは、高精度のテストおよび測定ツールのセットが必要とされる産業環境で競争力を発揮できます。デバイスの底部には、小さなピンを使用して押すことができる XNUMX つの押しボタンスイッチもあります。 XNUMX つのボタンで工場出荷時の状態にリセットし、もう XNUMX つのボタンで機内モードを切り替えます。デバイスの入出力による LED の点灯はステータスインジケーターとして機能します。 Moku:Lab のロゴの下に XNUMX つの押しボタンスイッチがあり、ステータスインジケータ LED が付いています。この LED は、デバイスが使用できる状態になると青色に点灯し、シャットダウンまたはセットアップするときにオレンジ色に点滅し、デバイスがオフになると消灯します。 Moku:Lab のアプリケーションに変更が加えられているときは、入力と出力の下のライトバーが点滅します。これらの微妙な機能により使いやすさが向上し、単一の実験室に複数のユニットが配置されている場合のデバイス認識が容易になります。 Moku:Lab は WiFi プロトコルを利用して SSID をブロードキャストし、モバイルデバイスがワイヤレス接続を通じて直接インターフェイスできるようにすることもできます。学部生の観点から見ると、Moku:Lab の使いやすさの向上とその小型フォームファクタは、研究室での学習体験を向上させるソリューションを提供します。 Moku:Lab の外部概要は、デバイスのブラックボックス分析を実行することによって作成されました。ブラックボックス分析から生成された図を次に示します。図1.

図1： Moku:Lab の入出力のブラックボックス図

Moku:Lab で実行されたブラックボックス分析により、デバイス内に統合された正確な入力と出力に関する洞察が得られました。コントローラーアプリケーションとデバイス間の接続を可能にするために、ワイヤレス接続を使用できます。デバイスをローカルエリアネットワークに物理的に配線し、デバイスをラボステーションに直接マウントするオプションもあります。また、Liquid Instruments は、ワークステーションにロックするための Kensington セキュリティスロット [2] をデバイスの側面に追加することで、製品のシャーシに安全およびセキュリティコンポーネントを組み込みました。この機能は、トラフィックが多い公共の実験室環境に簡単に導入できるため、製品に付加価値をもたらします。 12 つのアナログ入力、1 つのアナログ出力、外部クロック入出力、およびトリガー接続はすべて BNC スタイルのコネクタです。このスタイルのコネクタは現在、試験および測定機器の業界標準であり、現在商業的に使用されている既存のソリューションおよび機器とうまく統合できます。 MicroUSB 入力を使用してデバイスをコンピュータに直接接続し、MAC または Windows コンピュータでの制御とデータログをサポートすることもできます。後で分析のために取得できるようになるまで、ログデータを内部に保存するための SD カードポートも提供されています。 Moku:Lab は、デバイスの下にあるピンを使用してデバイスを出荷時設定にリセットする方法を提供します。機内モードを切り替えるボタンもあり、個別の SSID をブロードキャストする複数のデバイスからの大量の無線干渉を望まないモバイルアプリケーションや研究室で役立ちます。デバイスに D/C 入力電力を供給するバレルコネクタがあります。 A/C電源からの電力は、電力変換器を使用してXNUMXVD/Cに変換され、Moku:Labに供給されます。ロゴステッカーの下にあるボタンを使用して、デバイスの電源をオンにできます。出力アナログポートは最大 XNUMXV の電圧を供給できます。 LED インジケータライトがシャーシ内に埋め込まれているため、デバイスの状態を簡単に認識できます。デバイスには XNUMX つの USB-A ポートも組み込まれており、接続する外部モバイルデバイスを充電できます。物理デバイスとその外部接続を次の図に示します。図2.

図2： 仕様書からの Moku:Lab の入力と出力 [3]

このデバイスは、物理的な最大直径が 225 mm、高さが 50 mm の小型フォームファクタ製品です。 Moku:Lab はサイズが小さいため、あまり手間をかけずに実験室環境に簡単に適合でき、製品の柔軟性が高まります。

ソフトウェア

Moku:Lab は、iPad アプリケーション、LabVIEW、Python、MATLAB、またはまだベータ版の Windows アプリケーションを使用して制御できます。 Moku:Lab には iPad が付属しており、必要な接続は WIFI だけであるため、使用中にデバイス上部のスロットに置いたり、ラボ内を歩き回るときに持ったりすることができます。イーサネット接続を使用するオプションも利用できます。このレポートは iPad ソフトウェアプラットフォームに焦点を当てます。

iPad アプリケーションは 12 個のバブルを使用しており、各バブルの中にインスツルメンテーションオプションを示すグラフィックが含まれています (図を参照)。図3.

図3： Moku:Lab iPad アプリケーションのユーザーインターフェイス

バブルを押すと使用する機器が選択され、別のバブルを押すと変更されます。ソフトウェアは 2 つのハードウェア入力と 2 つの出力に対応するように設計されていますが、一部の機器では必要に応じてシミュレートされた入力信号を使用できます。各機器のグラフの軸の値は、カスタマイズしたり、受信した入力データ値の範囲に基づいて自動的に設定したりできます。 iPad アプリケーション内には、ソフトウェアとハードウェアの両方のすべての設定をデフォルトに戻す機器リセットボタンがあります。 Moku:Lab には、ソフトウェアアプリケーションでの現在の選択に基づいて各機器を個別に校正する機能があります。ボタンを押すだけで校正がすぐに実行されます。

Dropbox、iCloud、MyFiles、SD カード、電子メールは、Moku:Lab を使用して収集されたデータをエクスポートするためにソフトウェアに統合されたオプションです。このソフトウェアを使用すると、デバイスでのデータ収集に使用される機器に応じて、さまざまな形式のデータを作成およびエクスポートできます。 iPad を使用した PNG スクリーンショット、グラフの JPEG バージョン、および CSV ファイルのオプションがいくつかあります。

Liquid Instruments は、デバイスのソフトウェアアップデートを定期的に提供します。これらの更新には、既存の機器オプションの改善、バグに対するパッチ、Moku:Lab ハードウェアへの変更を必要としない測定用の新しい機器の追加が含まれます。

評価プロセスと評価

Liquid Instruments supplied a Moku:Lab device to Texas A&M University’s Engineering Technology and Industrial Distribution Department for use and evaluation. The device shipped with an iPad, an iPad charger cable, a AC to DC power converter, and Moku:Lab in a hard case. The online documentation indicated the product would ship with an SD card, however, no card was found. The storage capabilities of the Data Logger could not be tested due to this. The setup process was fairly straightforward, however, the power button was difficult to locate as it was hidden under the company logo. There was also no user guide in the box, and information about the device was found from Liquid Instrument’s website [1]. When the device was plugged in and powered on, it completed its initialization cycle. The iPad could be connected to it using an ad-Hoc link initiated by using the SSID broadcast by Moku:Lab. The application on the iPad came preloaded with the full software suite which includes all fourteen instruments currently developed for the device. The pricing changes based on the combination of software and hardware package that is purchased.

Moku:Lab の 3 つの主な評価領域は、使用の柔軟性、機能性、ETID クラスの関連性です。使用の柔軟性は、さまざまな目的に使用できるデバイスの能力と、学部の研究室での使いやすさによって評価されました。デバイスの機能は、デバイスが適切に動作する能力と結果の品質によって決まります。最後に、デバイスが評価されて、ETID クラスで利用できる関連性と機能が判断されました。これらの基準は、学部環境でのデバイスの使用の有効性と品質を評価するために重要です。すべての評価は、同じ Moku:Lab デバイスと iPad アプリケーションを使用して実行されました。

評価プロセスは、学部の研究室でより一般的に使用されているいくつかの機器のベースライン測定を行い、その結果を Moku:Lab の結果と比較することから始まりました。

オシロスコープ

オシロスコープは、電子システムおよびエンジニアリングテクノロジー (ESET) コースで、組み込みシステム、さまざまなアナログおよびデジタル回路、およびその他の多くの研究室での測定に使用されます。オシロスコープを必要とするさまざまなラボプロセスのサンプルが ESET ラボマニュアルから抜粋され、Moku:Lab の評価に使用されました。アナログエレクトロニクス研究所では、オシロスコープを使用して、アナログコンポーネントに波形を印加したときの応答をテストします。無線周波数および電磁気研究所は、オシロスコープを利用して、さまざまな材料の損失と反射に関して高周波での信号の反応を検査します。組み込みシステムのコースでは、マイクロコントローラーによって作成された出力を検証するためにオシロスコープを使用することがよくあります。したがって、さまざまな実験で Moku:Lab を評価することが重要です。それを念頭に置いて、Moku:Lab を ESET 研究所でよく使用されるオシロスコープと比較しました。どちらの機器も外部ソースからの同じ出力信号を測定しました。ソースは、TI MSP432P401R マイクロコントローラーを使用して生成された方形波でした。マイクロコントローラーの使用法とプログラミングは、学科内の 3 つのコンピュータープログラミングコースの範囲でよく研究されます。組み込みシステムソフトウェア、マイクロコントローラーアーキテクチャ、C による組み込みシステム開発はすべて、MSP432 を利用して組み込みシステムの使用法とプログラミング方法を分析します。正しい出力の大きさと周波数を確認するには、オシロスコープを使用できます。周波数とデューティサイクルの変更は、コードを通じて調整し、外部から測定できます。これにより、デューティサイクルに基づいてパルス幅変調 (PWM) 信号を作成できます。測定デバイスは、実際の波形と信号のオフセット電圧を受信するために、AC 結合と DC 結合の両方を使用して測定する機能を備えている必要があります。数学関数を利用して DC 結合入力と AC 結合入力間の DC オフセットを計算する場合、Moku:Lab はこのタスクを問題なく実行しました。マイクロコントローラーから読み取られた波形のアナログ入力は、オシロスコープに表示される波形と一致しました。ただし、Moku:Lab には電圧と時間分割のピンチスケーリングという追加の利点があったため、結果を通常のオシロスコープよりも簡単に iPad に適合させることができました。結果は iPad に記録され、データ処理のためにコンピュータにワイヤレスで送信されます。この柔軟性の追加により、大規模なデータ取得の結果転送がシームレスになります。 Moku:Lab の入力と出力を同時に使用できる柔軟性も追加されています。オシロスコープツールには、デバイスの各アナログ出力の波形発生器を有効にするオプションが統合されています。オシロスコープでのデータ収集のリフレッシュレートは速く、応答性が高く、実行および停止機能は iPad アプリケーションの下部にある一時停止/再生ボタンによって明確に示されます。測定ペインを開くオプションがあり、ソフトウェアは周波数、周期、デューティサイクル、パルス幅、および負の幅を自動的に取得し、さらに多くの測定のオプションを提供します。カーソルは簡単に作成でき、カーソルをスライドさせるだけでカーソルを調整できます。タッチスクリーンディスプレイを備えたハイエンドの Rigol オシロスコープと比較して、iPad アプリケーションはより合理化され、使いやすくなっています。ただし、チャンネルが 2 つしかないという問題があります。 Rigol および Tektronix オシロスコープでは、それぞれ独自の表示スペースを持つより多くのチャンネルが使用されます。 Moku:Lab にはディスプレイが 1 つしかなく、すべての波形が同じプロットを共有する必要があります。電圧オフセットを使用して、異なる波形を分離できます。リアルタイム波形ビデオ記録のための機能は組み込まれていません。現在のバージョンの Moku:Lab での複数の iPad または複数のアプリケーションの使用は、現在サポートされていません。図4.

図4： Moku:Lab の 1 kHz での方形波出力を測定するためのオシロスコープユーザーインターフェイス

Moku:Lab には、アナログ入力を通じて情報を記録しながら、波形出力を生成する機能があります。オシロスコープ用の統合波形発生器は、方形波の予想される特性に一致する波形を出力します。波形の種類とそのパラメータは、同じ画面上のコントロールパネルを使用して調整できます。 Moku:Lab のオシロスコープの適切な機能をテストするために、両端に BNC コネクタが付いた 50 オーム RG58 同軸ケーブルを使用して、アナログ入力をアナログ出力に接続しました。 Moku:Lab の入力を出力に直接接続すると、iPad に表示される信号と予想される出力を比較することでオシロスコープの精度を検証できます。オシロスコープでは、電圧と時間範囲を自動的に追跡するようにカスタマイズできるカーソルを使用できます。カーソルを簡単な読み取り機能と組み合わせて使用すると、入力波形から主要な測定値を迅速に取得できます。簡単な読み出しには、ユーザーが各入力チャンネルに必要な正確な測定値に合わせて個別に調整できる 1 つの同時データインジケーターを追加するオプションが含まれています。出力波形発生器により、グランドを中心にピークからピークまで -1V ～ 1V の電圧が可能になります。 DC オフセットを調整してグランドに対する基準を変更することにより、出力波形をオフセットするオプションもあります。ただし、依然として維持する必要がある 4V の最大出力電圧制限が存在します。図 508.1 は、最大電圧 509 mV と最小電圧 -1.0171 mV を記録したオシロスコープを示しています。 1.7 つの電圧のスパンは合計 1V で、ユーザーが定義した 1Vpp パラメーターとのパーセンテージの差は約 999.1% になります。この差は、入力と出力の間の不確実性の量が比較的小さいことを表します。発生器の周波数は 0.09kHz に設定され、オシロスコープは 1Hz の周波数を測定しました。これは、ユーザー設定値の 50kHz と約 49.9% 異なります。この低いパーセンテージの差は、周波数と周期がユーザー定義の値と一致していることを示しています。選択されたデューティサイクルは 0.02% で、オシロスコープで測定されたデューティサイクルは XNUMX% で、パーセンテージの差は約 XNUMX% になります。学部研究の下位レベルのアプリケーションではデューティサイクルの違いは無視でき、信号はオシロスコープを使用したアナログ信号のテストやデータ収集に使用できるほど安定しています。ただし、周波数が増加すると問題が発生します。図に示すように、波形には高周波で多少の歪みが見られます。図5.

図5： Moku:Lab の高周波出力から記録された方形波

Moku:Lab のアナログ出力の周波数を歪みが現れるまで上げていき、歪みが顕著になった周波数は 10 MHz でした。歪みは、負と正の両方の電圧のオーバーシュートで示されるように、ピーク電圧値で発生します。オシロスコープのカーソルを使用してオーバーシュートを測定したところ、正のオーバーシュート電圧は 567.8 mV でしたが、安定電圧は約 508.8 mV でした。 59 つの値の差により、564.2mV のデルタが得られます。方形波の負のピークでもオーバーシュートが測定されました。負のオーバーシュート電圧は -505.2 mV、安定電圧は約 -59 mV でした。 XNUMX つの値間の絶対差からも、XNUMX mV のデルタが得られます。オーバーシュートは負のピークと正のピークの両方で同じであり、良好なレベルの一貫性を示しています。このオーバーシュートの量も比較的低いですが、周波数の増加に応じて歪みが増加するため、高周波アプリケーションでは注意が必要です。次に、Tektronix オシロスコープを使用して方形波出力を測定したところ、同じ歪みが現れ、伝送線路が高周波で無視できる量の減衰を引き起こしていることが確認されました。出力信号生成の歪みは、Moku:Lab の FPGA ソリューションのハードウェア制限を示しており、方形波出力のピーク値で若干の歪みが発生します。方形波の高周波歪みを正弦波と比較した結果を次の波形に示します。図6.

図6： Moku:Lab の高周波出力からの正弦波入力

測定された周波数は 10.01 MHz、デューティサイクルは 49.97% でした。正弦波にはピークの歪みがありません。また、ピーク電圧における電圧変動もありません。電圧変動がないことは、Moku:Lab の正弦波出力が非常に一貫しており、時間に関して大きな偏差がないことを示しています。最大電圧レベルと最小電圧レベルは 1.016V と -1.016V でした。これにより、ユーザー指定の 0.032Vpp からの合計デルタは約 2V になります。これは非常に小さな偏差であり、Moku:Lab が正弦波の正確な出力を維持できることを示しています。電圧変化の追跡は、カーソルを使用して行うことができます。に示すように、カーソルに対して選択できるオプションは多数あります。図7.

図7： リアルタイムで電圧を追跡するためのカーソル選択

カーソルは入力波形の電圧または時間の変化を自動的に追跡でき、オシロスコープには測定ツールが統合されています。 Moku:Lab のオシロスコープアプリケーションは、同じ画面上で 5 つの同時時間カーソルと 5 つの同時電圧カーソルをサポートします。時間カーソルをドラッグして 2 つのデータポイント間の時間を測定したり、基準時間を追加したりすることもできます。電圧カーソルを変更するためのオプションを以下に示します。図7、および次のものが含まれます。

手動でのカーソルのドラッグ
トラック平均電圧
最大/最小電圧を追跡
最大/最小電圧でホールド
基準電圧を指定する
ユーザー入力電圧レベルを指定する
カーソルチャンネルの切り替え
カーソルを削除

グラフィカルユーザーインターフェイスは、視認性を高めるために暗い背景と明るい背景の間で切り替えることができ、アプリケーションの全体的な外観はすっきりしていて乱雑ではありません。機能は色分けされており、簡単に使用できます。 Moku:Lab の使い方を学ぶのは簡単で、学部生はこのオールインワンツールを研究室環境で問題なく使用できるでしょう。

波形発生器

波形ジェネレーターは、ユーザーが定義した一連のパラメーターに基づいてさまざまな波形を生成する Moku:Lab のもう 1 つの仮想インストゥルメントです。ただし、デバイスには最大電圧出力 1V の制限があります。電圧のピークツーピークは 5V を超える可能性がありますが、この波形を作成するには、電圧は Vref ゼロからのマイナス 3.3 ボルトを利用する必要があります。多くのマイクロコントローラーや集積回路は 1V DC または XNUMXV DC 電源を使用するため、電圧制限は実験室での作業に悪影響を及ぼします。波形発生器の電圧範囲は非常に低いため、XNUMXV を超える電源としては使用できません。生成できる波形は数多くあります。

Moku:Lab の波形ジェネレーターは以下を作成できます。

正弦波
方形波
ランプ波形
パルス波形
直流波形

Liquid Instruments は、現在業界で使用されている計測器の標準に適合する、より高い解像度と精度を備えたアナログ出力を作成することに重点を置いています。出力にはアンチエイリアシングも備わっており、正確な測定を可能にしながら出力に負荷をかけることができます。出力インピーダンスは50オームです。したがって、同じインピーダンスに整合した回路は、電力伝送を最大化する応答を持ちます。各波形の形状は次のようになります。図8.

図8： 波形発生器の 5 つの波形オプション

各波形は、デバイスのアナログ出力を変更する方法を示しています。図 8 のすべての波形は、1 V の DC 出力電圧を除き、1 Vpp で示されています。すべての波形の中心は 8 ボルトです。図 5 の最初の波形は、正弦波とその後に方形波が続いた波形です。次の行には、ランプ波とパルス波のオプションが表示されます。示されている最後の波形は DC 出力波形です。 iPadに表示されるこれらの波形は、パルス波を除き、振幅、電圧、周波数を変更しても変化せず、出力のみが変化します。両方の出力チャンネルを同時に駆動できます。これは、電圧レールを入力電圧から独立して駆動できるため、フィルターを使用する場合に便利です。ただし、両方の出力を同時に駆動する場合、オシロスコープは使用できません。これは装置の欠点です。波形発生器は、アナログ電子機器のテストで最もよく使用されるツールです。電圧出力はどの周波数値でも安定している必要があります。無線周波数および電磁気学の学部コースにおける高周波アプリケーションの一部では、このデバイスを周波数発生器として使用することはできません。図 0.5 に示すように、デバイスにはある程度の高周波減衰があり、この制限に注意する必要があります。ジェネレーターの各波形オプションは 1 および 1 Vpp 出力でテストされ、外部デジタルマルチメーター (DMM) を使用して測定されました。 DC 測定と AC 測定の両方の結果を表 XNUMX に示します。

表1： デジタルマルチメータを使用した波形発生器の評価測定

表 1 の結果は、Moku:Lab で生成できる各波形の波形発生器の精度を示しています。パルス波は 1 つの異なるデューティサイクルでテストされ、AC と DC の間で異なる DMM 結果が示されました。出力から DMM への電圧の変動は、DMM が実効印加電圧を計算するために実行する Vrms 平均化の結果です。表 XNUMX の結果は、予想される電圧値と一致しています。

任意波形発生器

回路は、本質的に必ずしも周期的ではない入力を受け取ることがよくあります。したがって、任意波形発生器は、より不安定な入力をシミュレートする場合に役立ちます。刺激に対する回路の応答は、コンポーネントが適切に機能しているかどうかを検証することもでき、カットオフをテストするフィルターを構築するときによく使用されます。一連のカットオフ周波数に合わせて回路を設計でき、阻止帯域での入力が大きくなるように制御することで、回路が適切に機能するかどうかをテストできます。最悪のシナリオをシミュレーションすることで、不規則な信号入力や過度のストレスに耐えられる回路を設計できます。 Moku:Lab は、信号テストを強化するためにさまざまな波形を作成できます。波形の 1 つは次のとおりです。図9.

図9： 任意波形発生器: ガウス出力 (左) と外部オシロスコープ応答 (右)

Moku:Lab の任意波形発生器から応答波形を取得するために使用されるセットアップには、出力波形をキャプチャするための外部 Tektronix オシロスコープの使用が含まれていました。 Moku:Lab のアナログ出力をオシロスコープの入力に接続し、結果の波形をキャプチャしました。 Moku:Lab が生成できる任意波形の 1 つはガウス曲線です。これはベル曲線と呼ばれることが多く、接地されているデバイスの繰り返しの電圧スパイクをシミュレートします。故障テストでは、デバイスが地絡から保護されているかどうかを判断できます。このテストは電子機器のテストクラスでよく行われ、不適切に接続されたアースや短絡に対する設計に役立ちます。この波形は、電子機器のフォールトトレランスをテストし、設計を改善するために使用できます。 Moku:Lab の任意波形ジェネレーターで作成できるもう 1 つの波形は、図に示すような指数関数的上昇です。 図10.

図10： 任意波形発生器: 外部オシロスコープ応答を備えた指数関数的上昇出力 (左) (右)

アースのない回路に静電荷が蓄積し始めると、指数関数的な上昇が発生する可能性があります。デバイスがより敏感なコンポーネントや MOSFET と統合されると、コンポーネントを通る静電気の放電によってデバイスが破壊される可能性があります。回路の接地が不適切であると静電気が発生すると、デバイスが故障する可能性があります。さらに、AC 回路のコンデンサでは指数関数的な上昇がよく見られるため、この波形を使用したテストでコンデンサの周期的な放電と再充電をシミュレートできます。指数関数的な立ち下がり波形は、次のように生成できます。 図11.

図11： 任意波形発生器: 外部オシロスコープ応答(右)を備えた指数関数的立下り出力(左)

任意波形発生器は、瞬間的な電圧ジャンプが必要なアプリケーションに電圧を印加し、その後基準電圧まで降下させることができます。この基準電圧は、Moku:Lab パラメータを使用して変更できます。別のサブシステムから信号入力を受け取る多くの MOSFET は、安定した Vref で変化する電圧値を利用してクロックを生成できます。クロック生成は、回路内での指数関数的立ち下がり波形のもう 1 つの用途です。クロック周波数は、デジタルシステム、アナログシステム、組み込みシステム、高周波システム、および学部の工学カリキュラムの範囲内で研究されるその他の多くのシステム内の通信の基準として機能するため、学部の電子工学における重要な研究分野です。 Moku:Lab は、直感的なソフトウェアと柔軟でモバイルなハードウェアプラットフォームを組み合わせています。 Moku:Lab の任意波形発生器の心臓波形を以下に示します。 図12.

図12： 任意波形発生器: 心拍出量 (左) と外部オシロスコープ応答 (右)

心臓波形は、心臓のリズムからの寄生電圧応答をシミュレートするためによく使用されます。この波形は、医療機器を評価する際に、救命機器が常に正常に機能することを確認するために必要です。学部の研究はさまざまな専攻に分かれる可能性があり、単なるエレクトロニクスコース以外にも応用できるデバイスを作成することで、Moku:Lab はさまざまな専攻で役立ちます。生物医学、メカトロニクス、ロボット工学、その他多くの分野を含む学部研究で提供されるさまざまな学際コースはすべて、Moku:Lab の多用途性のテストおよび測定機能の恩恵を受けることができます。 Moku:Lab は、ユーザー入力関数に基づいて波形を作成することもできます。関数で生成された波形の例を以下に示します。 図13.

図13： 任意波形発生器の式に基づく出力 (左) と外部オシロスコープ応答 (右)

ユーザーは特定の波形を生成する方程式を生成でき、Moku:Lab の任意波形ジェネレーターでそれを生成できます。これにより、既知のパラメータのセットに基づいた高精度の波形生成が可能になります。関数の例とその変更方法を以下に示します。 図14.

図14： 任意波形発生器: 方程式ベースの出力変更ウィンドウ

図 10 に示す式例 exp(-0.5*(t-2^5)*sin(20*pi*t)^14 は、Moku:Lab の任意波形発生器によって生成され、応答波形は図 13 に記録されています。方程式エディターには関数電卓のレイアウトがあり、波形を簡単に変更できます。複数の方程式を入力して、ジェネレーターが同じ周期内に異なる波形を隣り合わせて生成する機能もあります。任意のカスタム波形をシミュレートする機能任意の波形を生成して回路に周期的に適用できるため、デバイスに別の機能セットを追加します。

周波数応答アナライザ

周波数応答アナライザーは、回路応答、高周波プリント基板の減衰、および同軸ケーブルの周波数応答を測定するために、いくつかの ESET コースで使用されます。周波数応答アナライザーは、Nagoya NA-771 15.6 インチ垂直全方向性アンテナを使用して評価されました。アンテナはデバイスに直接接続され、最大 120 MHz までの周波数範囲に対する応答が測定されました。機能の面では、このアナライザーは使いやすく、ハードウェアのアンテナ接続とソフトウェアの間で正確な測定が行われることを保証します。収集されたデータは、ゲインと位相の関係を周波数の関数として示す XNUMX つのグラフで表されます。印加電力に対するアンテナの応答を次の図に示します。 図15.

図15： 15.6 インチ垂直全方向性アンテナの周波数応答

Moku:Lab の周波数応答アナライザーは、最大 120 MHz の高周波数で効果的に動作できることが確認されました。この機能は、高周波システムが焦点であり、アンテナとプリント基板の標準特性が動作周波数範囲に基づいてどのように変化するかを確認するために高品質の機器が必要とされる、多くの ESET クラスに必要です。ただし、電磁システムの信号テストをさらに進めるには、より高い周波数が必要です。

スペクトラムアナライザ

スペクトラムアナライザは入力信号を受け入れ、特定の周波数での信号の大きさを詳細に示すプロットを作成できます。これは、さまざまな周波数での電力入力が不明なシステムを調べる場合に特に役立ちます [5]。スペクトラムアナライザーは Moku:Lab でテストされ、その結果はアンテナの効果的な動作を検証するのに役立ちました。 15.6 インチの垂直全方向性アンテナをスペクトラムアナライザに取り付け、各周波数での電力入力をプロットしました。ある周波数範囲でのパワー応答が記録され、次のように表示されます。 図16.

図16： 15.6 インチ垂直無指向性アンテナからのフリーエア周波数入力

周波数は、80.1MHz と 108.1MHz の間で電力の増加を示しました。インターネットのドキュメントを参照すると、FM ラジオがこの周波数で放送されるため、信号が増加することがわかりました [4]。電力入力を関数周波数としてプロットする機能は、地域内のどの無線局が最も強い信号を持っているかを確認するのに役立ちます。さらに、スペクトルアナライザは、無線干渉を引き起こしている放送をスキャンする政府機関など、他にも多くの用途があります。 FCC は、公共放送スペースを規制するために、特別なデータロギングおよび追跡システムを備えた多くのスペクトラムアナライザを使用しています。これは学生が商業的に使用される機器に触れる機会が増えるため、学部での研究に役立ちます。スペクトラムアナライザは、多くの場合数百ドルかかります [7]。 Moku:Lab のプラットフォームは、高価なテスト機器やツールに対して費用対効果の高いソリューションを提供します。さまざまな機器を仮想化することで、テストごとに回路を別のツールに再配線することなく、簡単に切り替えることができる多用途のツールの集合体が可能になります。これは、スペースと資金が限られている試験ラボで役立ちます。各ラボステーションには、複数の個別の機器の代わりに独自の Moku:Lab を含めることができます。実験台上の器具を最小限に抑えると、使用する必要があるワイヤリングハーネスの総数も減り、その結果、作業スペースが散らかりにくくなります。

まとめ

Moku:Lab は、専門研究室と学部研究室の両方で一般的に使用される 14 個の試験および測定機器を組み合わせることができます。ソフトウェアとハードウェアの観点から、デバイスの多くの機能とアプリケーションをより深く理解するために、ブラックボックス分析手法を使用してデバイスを評価しました。この理解を基に、学部レベルでのデバイスの有用性を結論付けるために、使用の柔軟性、機能性、および ESET クラスの関連性に基づいてデバイスが評価されました。

評価のために選ばれた機器は、テキサス A&M での学部研究との関連性に基づいて、オシロスコープ、波形発生器、任意波形発生器、周波数応答アナライザ、およびスペクトラムアナライザでした。それぞれのテストは、現在学部コースで実施されている実験室を使用して行われ、結果は標準的な機器と比較されました。 Moku:Lab は、ESET 部門全体の多くのコースで役に立ち、そのパフォーマンスが効果的であることがわかりました。生物医学、メカトロニクス、ロボット工学、その他多くの分野を含む学部研究で提供される幅広い学際コースはすべて、Moku:Lab の多用途性のテストおよび測定機能の恩恵を受けることができます。 Moku:Lab は、直感的なソフトウェアと柔軟でモバイルなハードウェアプラットフォームを組み合わせています。ただし、デバイスの操作にはいくつかの制限があります。制限の 1 つは、方形波を生成するときにアナログ出力の高周波数で発生するわずかな量の歪みです。結論として、Moku:Lab は、その使いやすさ、高品質な結果、およびコースワークへの適用性により、典型的なエンジニアリングプログラムに基づいた学部レベルでの使用に適していると判断されました。

Moku:Lab は、学生が利用できるツールの範囲を拡大し、学生の教育にプラスの影響をもたらす体験的なプロセスを通じて、より広範囲の実験や研究室を学習できるようにします。 Moku:Lab の使いやすさ、合理化されたインターフェイス、および機器の多様性はすべて、全体的な学習体験の向上に役立ちます。

参考文献

[1] Shaddock, D.、Wuchenich, D.、Lam, T.、Rabeling, D.、Altin, P.、および Coughlan, B. (2020 年 1 月 XNUMX 日)。液体器具。 https://www.liquidinstruments.com/ から取得

[2] ケンジントン。 (nd)。セキュリティスロットの仕様 – ClickSafe セキュリティアンカー。 https://www.kensington.com/solutions/product-category/security/kensington-security-slot-specs/ から取得

[3] 液体器具。 (nd)。スペックシート。 http://download.liquidinstruments.com/documentation/specs/hardware/mokulab/MokuLab%20-%20仕様.pdf から取得

[4] Nave、R.、および Hyper-Physics-GSU。 (nd)。 AM および FM ラジオ周波数。 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Audio/radio.html から取得

[5] ミシガン州立大学工学部。 (nd)。 AM、FM、スペクトラムアナライザー。 https://www.egr.msu.edu/emrg/sites/default/files/content/module7_am_fm.pdf から取得

[6] リゴル。 (nd)。 UltraVision II オシロスコープや UltraReal リアルタイムスペクトラムアナライザなどの電子テストおよび測定機器およびソリューション。 https://www.rigolna.com/ から取得

[7] テクトロニクス、およびテスト機器デポ。 (nd)。テクトロニクスのスペクトラム・アナライザ。 https://www.testequipmentdepot.com/tektronix/spectrum-analyzers/index.htm?gclid=CjwKCAjwkun1BRAIEiwA2mJRWdqhvckvmJnyU3D_bgQFFOCQ25TC3NiPg05XyIDlCly aRWAi6gjVFxoCvKIQAvD_BwE から取得

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