Jefferson Pham, Alexa Woppman, Joseph Morgan 박사, Matthew Leonard 교수
Texas A&M University
전자 시스템 공학 기술(ESET)
종합 엔지니어링 기술(MET)
살펴보기
코로나19가 한창일 때 Moku:Lab은 두 명의 Texas A&M 학생이 함께 작업하고 평가할 수 있도록 배송되었습니다. 오실로스코프, 파형 발생기, 주파수 응답 분석기 및 스펙트럼 분석기를 사용하여 학생들은 개봉부터 논문 마무리까지 스스로 평가를 주도했습니다. 전체 보고서에서 조사 결과에 대해 자세히 알아보세요.t.
추상
칼리지 스테이션 소재 텍사스 A&M 대학의 엔지니어링 기술 및 산업 유통(ETID) 부서의 학생 및 교수진 팀은 Liquid Instruments와 협력하여 학부 엔지니어링 환경에서 회사의 유연한 하드웨어 제품 Moku:Lab의 기능을 테스트했습니다. Moku:Lab은 14가지의 다양한 전문가급 전자 테스트 및 측정 장비를 시뮬레이션할 수 있는 하나의 소형 장치로 구축된 소프트웨어 구성 가능 하드웨어 플랫폼입니다. 팀은 학부 연구실에서 자주 수행되는 블랙박스 분석과 실험을 완료하여 Moku:Lab을 평가했습니다. 본 제품은 사용 유연성, 기능성, 엔지니어링 기술 및 산업 유통 등급 관련성 등의 기준에 따라 테스트되었습니다. 이러한 테스트 기준은 학부 수준에서 Moku:Lab과 같은 제품을 사용할 수 있는 가능성을 결정하는 데 사용되었습니다.
배경 및 소개
Texas A&M University의 엔지니어링 기술 프로그램과 다수의 엔지니어링 프로그램을 차별화하는 주요 특징 중 하나는 실습, 체험 학습에 중점을 둔 것입니다. 이는 2학년부터 최종 최종 설계 경험까지 모든 기술 과정에 통합 실험실이 포함되는 전자 시스템 및 메카트로닉스 프로그램 모두에서 매우 사실입니다. 학생들은 교실 이론을 실제 실험실 실험과 프로젝트로 전환함으로써 학습과 이해를 향상시킵니다.
이러한 환경에서 테스트 및 측정 장비의 사용은 전체 학습 과정의 기본입니다. 광범위한 기술 주제를 지원하려면 수많은 전용 물리적 실험실이 필요하며 각 실험실에는 일련의 테스트 장비가 필요합니다. 업계 품질의 테스트 및 측정 장비를 조달하고 유지하는 것은 어려운 작업입니다. 또한, 동일한 실험실 벤치에 있는 한 장비와 다른 장비 간의 공통 사용자 인터페이스가 부족하여 학생들이 각 도구를 효율적이고 효과적으로 학습하고 사용하는 데 장애물이 됩니다.
전자 시스템 및 메카트로닉스 프로그램은 다양한 실험실에서 테스트 및 측정 장비를 표준화하려고 시도했지만 여전히 최대 5~6개의 특수 테스트 장비가 필요합니다. 모두 공간, 전력 및 학생들의 실험에 대한 상호 연결이 필요합니다.
최근 Liquid Instruments는 명예 교수인 Joseph Morgan 박사와 텍사스 우주 기술 응용 및 연구(T STAR)의 부교수이자 회장인 Matthew Leonard 교수에게 연락을 취했습니다. 이 상호 작용의 목적은 주요 공과 대학의 엔지니어링 기술 프로그램이 공통 그래픽 사용자 인터페이스를 갖춘 재구성 가능한 하드웨어 플랫폼인 Moku:Lab이라는 새로운 테스트 및 측정 장치에 대한 관심 수준을 결정하는 것이었습니다. Leonard와 Morgan은 우주/NASA 이익과 관련된 관석 설계 프로젝트를 후원하고 수행하는 데 상당한 노력을 집중해 왔습니다. Leonard(T STAR)는 일반적으로 프로젝트 후원자/고객으로 참여하고 Morgan은 팀의 기술 고문입니다. 두 사람 모두 테스트 및 측정 장비와 관련된 문제를 인식하고 관심을 갖고 있습니다. Liquid Instruments의 마케팅 담당 부사장인 Douglas Phillips와의 논의에서 그의 회사는 Moku:Lab을 엔지니어링 기술 학생으로 구성된 소규모 팀에 대여한 후 일반적인 실험실 과제에 대한 다중 장비 시스템의 영향을 평가하기로 합의했습니다. 일반적인 실험실 장비 제품군과 비교한 전반적인 학습 경험. 이 문서에서는 Moku:Lab을 평가하는 단계와 관련된 학생들의 결과 및 결론을 설명합니다.
시스템 개요
Liquid Instruments는 단일 장치에서 가상 테스트 및 측정 계측 모음을 제공하는 하드웨어 플랫폼인 Moku:Lab을 설계했습니다. 이 도구는 아날로그 입력 및 출력을 지원하는 FPGA(Field-Programmable Gate Array)를 활용합니다[1]. 여러 테스트 및 측정 도구를 단일 장치에 통합하면 제품을 소프트웨어로 구성할 수 있으며 휴대성과 사용 편의성을 높이는 모바일 컨트롤러의 이점도 있습니다. 이러한 기능은 전자 신호를 테스트하고 기록하는 프로세스를 간소화하여 학부 연구의 교육 경험을 향상시킬 수 있습니다. Moku:Lab은 지나치게 비싸고 복잡한 테스트 장비에서 산업 등급 장비의 모든 기능을 사용하기 쉬운 단일 소형 플랫폼으로 결합한 단일 장치로 전환할 수 있는 인터페이스를 제공합니다. 이 평가판을 작성하는 시점에 현재 지원되는 가상 악기는 다음과 같습니다.
- 락인 증폭기
- 임의 파형 발생기
- PID 컨트롤러
- 진동수 응답 분석기
- 레이저 락 박스
- 위상 계측기
- 오실로스코프
- 스펙트럼 분석기
- 디지털 필터 박스
- 파형 발생기
- 데이터 로거
- FIR 필터 빌더
하드웨어
Moku:Lab은 사용자에게 3개의 고속 아날로그 입력, 200개의 고대역폭 DC 결합 아날로그 출력, 외부 트리거 연결, 입력 클럭 참조, 출력 클럭 참조, SD 카드 슬롯, 이더넷 포트, MicroUSB 연결 및 USB-A 포트[3]. Liquid Instruments의 사양 시트에는 입력 주파수 범위가 최대 300MHz라고 명시되어 있습니다[500]. 출력 포트의 최대 주파수 대역폭은 3MHz입니다. 최대 50MSa/s의 입력 분해능을 유지하면서 입력을 AC 또는 DC 커플링으로 구성할 수도 있습니다[1]. 출력에는 장비와 측정 입력 간의 인터페이스를 동시에 허용하는 앤티앨리어싱 필터가 있습니다. 이 장치는 3Ω 또는 500MΩ의 산업 표준 임피던스 값을 활용할 수 있습니다[3]. 이 장치에는 XNUMXppb 이상의 정확도로 안정적인 내부 시계가 포함되어 있습니다[XNUMX]. 이러한 기능을 통해 도구는 고정밀 테스트 및 측정 도구 세트가 필요한 산업 환경에서 경쟁력을 가질 수 있습니다. 또한 장치 하단에는 작은 핀을 사용하여 누를 수 있는 푸시 버튼 스위치가 XNUMX개 있습니다. 하나의 버튼은 공장 초기화를 실행할 수 있고 다른 버튼은 비행기 모드를 전환합니다. 상태 표시기로 장치 기능의 입력 및 출력에 의해 LED가 켜집니다. 단일 푸시 버튼 스위치는 Moku:Lab 로고 아래에 있으며 장치를 사용할 준비가 되면 파란색으로 켜지고 종료 또는 설정 시 주황색으로 깜박이며 장치가 꺼지면 꺼지는 상태 표시기 LED가 있습니다. Moku:Lab 애플리케이션을 수정하는 동안 입력 및 출력 아래의 표시등 막대가 깜박입니다. 이러한 미묘한 기능은 단일 실험실에 여러 장치를 배포할 때 사용 편의성을 높이고 장치 인식을 돕습니다. Moku:Lab은 또한 WiFi 프로토콜을 활용하고 SSID를 브로드캐스트하여 모바일 장치가 무선 연결을 통해 직접 인터페이스할 수 있도록 합니다. 학부생의 관점에서 Moku:Lab의 향상된 유용성과 작은 크기는 실험실에서의 학습 경험을 향상시킬 수 있는 솔루션을 제공합니다. Moku:Lab의 외부 개요는 장치의 블랙박스 분석을 수행하여 생성되었습니다. 블랙박스 분석을 통해 다이어그램이 생성되었으며 다음과 같습니다. 그림 1.
그림 1 : Moku:Lab의 입력 및 출력에 대한 블랙박스 다이어그램
Moku:Lab에서 수행된 블랙박스 분석은 장치 내에 통합된 정확한 입력 및 출력에 대한 통찰력을 제공했습니다. 컨트롤러 애플리케이션과 장치 간의 연결을 허용하기 위해 무선 연결을 사용할 수 있습니다. 장치를 LAN에 물리적으로 연결하고 장치를 랩 스테이션에 직접 장착하는 옵션도 있습니다. Liquid Instruments는 또한 장치 측면에 Kensington 보안 슬롯[2]을 추가하여 장치를 워크스테이션에 고정함으로써 제품 섀시에 안전 및 보안 구성 요소를 설계했습니다. 이 기능은 트래픽이 많은 공공 연구실 환경에 보다 쉽게 배포할 수 있으므로 제품에 가치를 더해줍니다. 12개의 아날로그 입력, 1개의 아날로그 출력, 외부 클록 입력 및 출력, 트리거 연결은 모두 BNC 스타일 커넥터입니다. 이러한 스타일의 커넥터는 현재 테스트 및 측정 장비의 업계 표준이며 현재 상업적으로 사용되는 기존 솔루션 및 장비와 잘 통합될 수 있습니다. MicroUSB 입력은 장치를 컴퓨터에 직접 연결하여 MAC 또는 Windows 컴퓨터에서 제어 및 데이터 로깅을 지원할 수도 있습니다. 나중에 분석을 위해 검색할 수 있을 때까지 기록된 데이터를 내부적으로 저장하기 위해 제공되는 SD 카드 포트도 있습니다. Moku:Lab은 장치 아래에 있는 핀을 사용하여 장치를 공장 초기화하는 방법을 제공합니다. 개별 SSID를 브로드캐스팅하는 여러 장치로부터의 대량의 무선 간섭을 원하지 않는 실험실이나 모바일 애플리케이션에 유용할 수 있는 비행기 모드를 전환하는 버튼도 있습니다. 장치에 D/C 입력 전원을 공급하는 배럴 커넥터가 있습니다. A/C 전원의 전력은 전력 변환기를 사용하여 XNUMXVD/C로 변환되어 Moku:Lab에 제공됩니다. 그런 다음 로고 스티커 아래에 있는 버튼을 사용하여 장치의 전원을 켤 수 있습니다. 출력 아날로그 포트는 최대 XNUMXV의 전압을 공급할 수 있습니다. LED 표시등이 섀시 내에 내장되어 있어 장치의 상태를 쉽게 확인할 수 있습니다. 또한 단일 USB-A 포트가 장치에 통합되어 있어 연결된 외부 모바일 장치를 충전할 수 있습니다. 물리적 장치와 해당 외부 연결은 다음과 같습니다. 그림 2.
그림 2 : 사양 시트의 Moku:Lab 입력 및 출력 [3]
이 장치는 물리적 최대 직경이 225mm, 높이가 50mm인 소형 폼팩터 제품이다. Moku:Lab의 작은 크기 덕분에 별다른 번거로움 없이 실험실 환경에 쉽게 적응할 수 있으며 제품의 유연성도 높아집니다.
소프트웨어
Moku:Lab은 iPad 애플리케이션, LabVIEW, Python, MATLAB 또는 아직 베타 버전인 Windows 애플리케이션을 사용하여 제어할 수 있습니다. iPad는 Moku:Lab에 포함되어 있으며 사용 중에 장치 상단의 슬롯에 놓거나 WIFI가 필요한 유일한 연결이기 때문에 연구실을 돌아다니는 동안 들고 있을 수 있습니다. 이더넷 연결을 사용하는 옵션도 제공됩니다. 이 보고서는 iPad 소프트웨어 플랫폼에 중점을 둡니다.
iPad 애플리케이션은 다음과 같이 계측 옵션을 나타내는 그래픽이 포함된 12개의 버블을 사용합니다. 그림 3.
그림 3 : Moku:Lab iPad 애플리케이션의 사용자 인터페이스
버블을 누르면 사용할 도구가 선택되고, 다른 버블을 누르면 변경됩니다. 소프트웨어는 2개의 하드웨어 입력과 2개의 출력에 대응하도록 설계되었지만 일부 장비는 원하는 경우 시뮬레이션된 입력 신호를 사용할 수 있습니다. 각 기기의 그래프 축 값은 수신된 입력 데이터 값의 범위에 따라 사용자 정의하거나 자동으로 설정할 수 있습니다. iPad 애플리케이션에는 소프트웨어와 하드웨어 모두의 모든 설정을 기본값으로 되돌리는 기기 재설정 버튼이 있습니다. Moku:Lab은 소프트웨어 애플리케이션의 현재 선택을 기반으로 각 기기를 개별적으로 교정할 수 있는 기능을 갖추고 있습니다. 버튼을 누르면 교정이 빠르게 진행됩니다.
Dropbox, iCloud, MyFiles, SD 카드 및 이메일은 Moku:Lab을 사용하여 수집된 데이터를 내보내기 위해 소프트웨어에 통합된 옵션입니다. 이 소프트웨어를 사용하면 장치에서 데이터 수집에 사용되는 장비에 따라 다양한 형식의 데이터를 생성하고 내보낼 수 있습니다. iPad를 사용한 PNG 스크린샷 옵션, JPEG 버전의 그래프, CSV 파일 등이 있습니다.
Liquid Instruments는 장치에 대한 소프트웨어 업데이트를 정기적으로 제공합니다. 이러한 업데이트에는 기존 장비 옵션 개선, 버그 패치, Moku:Lab 하드웨어 변경이 필요하지 않은 측정을 위한 새로운 장비 추가가 포함됩니다.
평가과정 및 평가
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:Lab의 세 가지 주요 평가 영역은 사용 유연성, 기능 및 ETID 클래스 관련성입니다. 사용 유연성은 다양한 목적으로 사용할 수 있는 장치의 능력과 학부 연구실에서의 사용 용이성에 의해 평가되었습니다. 장치의 기능은 장치의 올바른 작동 능력과 결과의 품질에 따라 결정되었습니다. 마지막으로 해당 장치를 평가하여 ETID 등급에서 활용 가능성과 관련성을 결정했습니다. 이러한 기준은 학부 환경에서 장치 사용의 효과와 품질을 평가하는 데 중요합니다. 모든 평가는 동일한 Moku:Lab 장치 및 iPad 애플리케이션을 사용하여 수행되었습니다.
평가 프로세스는 학부 실험실에서 보다 일반적으로 사용되는 일부 장비의 기본 측정을 수행하여 결과를 Moku:Lab의 결과와 비교하는 것으로 시작되었습니다.
오실로스코프
오실로스코프는 임베디드 시스템, 다양한 아날로그 및 디지털 회로, 기타 여러 실험실의 측정을 위한 전자 시스템 및 엔지니어링 기술(ESET) 과정에서 사용됩니다. 오실로스코프가 필요한 다양한 실험실 프로세스의 샘플은 ESET 실험실 매뉴얼에서 가져와 Moku:Lab을 평가하는 데 사용되었습니다. 아날로그 전자 연구실에서는 오실로스코프를 사용하여 파형이 적용될 때 아날로그 구성 요소의 응답을 테스트합니다. 무선 주파수 및 전자기학 연구소에서는 오실로스코프를 사용하여 다양한 재료의 손실 및 반사와 관련하여 고주파 신호의 반응을 검사합니다. 임베디드 시스템 과정에서는 오실로스코프를 사용하여 마이크로컨트롤러에서 생성된 출력을 확인하는 경우가 많습니다. 따라서 다양한 실험을 통해 Moku:Lab을 평가하는 것이 중요합니다. 이를 염두에 두고 Moku:Lab을 ESET 실험실에서 자주 사용되는 오실로스코프와 비교했습니다. 두 계측기 모두 외부 소스에서 동일한 출력 신호를 측정했습니다. 소스는 TI MSP432P401R 마이크로컨트롤러를 사용하여 생성된 구형파였습니다. 마이크로 컨트롤러의 사용법과 프로그래밍은 종종 학과의 세 가지 컴퓨터 프로그래밍 과정 범위에서 연구됩니다. C의 임베디드 시스템 소프트웨어, 마이크로컨트롤러 아키텍처 및 임베디드 시스템 개발은 모두 MSP432를 활용하여 임베디드 시스템의 사용과 프로그래밍 방법을 분석합니다. 올바른 출력 크기와 주파수를 확인하려면 오실로스코프를 사용할 수 있습니다. 주파수 및 듀티 사이클 수정은 코드를 통해 조정하고 외부에서 측정할 수 있습니다. 이는 듀티 사이클을 기반으로 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 생성할 수 있습니다. 측정 장치에는 신호의 실제 파형과 오프셋 전압을 수신하기 위해 AC 및 DC 커플링을 모두 사용하여 측정할 수 있는 기능이 있어야 합니다. 수학 함수를 활용하여 DC와 AC 커플링 입력 사이의 DC 오프셋을 계산할 때 Moku:Lab은 문제 없이 이 작업을 수행했습니다. 마이크로컨트롤러에서 읽은 파형의 아날로그 입력은 오실로스코프에 표시된 파형과 일치합니다. 그러나 Moku:Lab에는 전압 및 시간 분할에 대한 핀치 스케일링의 추가 이점이 있었기 때문에 일반 오실로스코프보다 결과를 iPad에 더 쉽게 맞출 수 있었습니다. 그런 다음 결과를 iPad에 기록하고 데이터 처리를 위해 컴퓨터에 무선으로 전송할 수 있습니다. 이러한 유연성이 추가되어 대규모 데이터 수집 시 결과 전송이 원활해집니다. Moku:Lab의 입력과 출력을 동시에 사용할 수 있는 유연성도 추가되었습니다. 오실로스코프 도구에는 장치의 각 아날로그 출력에 대해 파형 생성기를 활성화하는 옵션이 통합되어 있습니다. 오실로스코프의 데이터 수집 새로 고침 빈도는 빠르고 반응이 빠르며 실행 및 중지 기능은 iPad 애플리케이션 하단에 있는 재생 일시 중지 버튼으로 명확하게 표시됩니다. 측정 창을 여는 옵션이 있으며 소프트웨어는 더 많은 측정을 위한 옵션과 함께 주파수, 기간, 듀티 사이클, 펄스 폭 및 음수 폭을 자동으로 검색합니다. 커서는 쉽게 생성할 수 있으며 간단히 커서를 밀어서 커서를 조정할 수 있습니다. 터치 스크린 디스플레이를 갖춘 고급형 Rigol 오실로스코프에 비해 iPad 애플리케이션은 더욱 간편하고 사용하기 쉽습니다. 하지만 채널이 2개밖에 없다는 문제가 있습니다. Rigol 및 Tektronix 오실로스코프에서는 각각 자체 디스플레이 공간을 갖춘 더 많은 채널이 사용됩니다. Moku:Lab에는 디스플레이가 하나만 있으며 모든 파형은 동일한 플롯을 공유해야 합니다. 전압 오프셋을 사용하여 서로 다른 파형을 분리할 수 있습니다. 실시간 파형 비디오 녹화 기능이 내장되어 있지 않습니다. 현재 버전의 Moku:Lab에서는 여러 iPad 또는 여러 애플리케이션을 사용하는 것이 현재 지원되지 않습니다. 그림 4.
그림 4 : Moku:Lab의 1kHz에서 사각파 출력 측정을 위한 오실로스코프 사용자 인터페이스
Moku:Lab에는 아날로그 입력을 통해 정보를 기록하는 동시에 파형 출력을 생성하는 기능이 있습니다. 오실로스코프용 통합 파형 발생기는 구형파의 예상 특성과 일치하는 파형을 출력합니다. 파형 유형과 해당 매개변수는 동일한 화면의 제어판을 사용하여 조정할 수 있습니다. Moku:Lab 오실로스코프의 적절한 기능을 테스트하기 위해 양쪽 끝에 BNC 커넥터가 있는 50Ω RG58 동축 케이블을 사용하여 아날로그 입력을 아날로그 출력에 연결했습니다. Moku:Lab의 입력을 출력에 직접 연결하면 iPad에 표시되는 신호와 예상 출력을 비교하여 오실로스코프의 정확도를 확인할 수 있습니다. 오실로스코프를 사용하면 전압과 시간 범위를 자동으로 추적하도록 사용자 정의할 수 있는 커서를 사용할 수 있습니다. 커서를 간편한 판독 기능과 함께 사용하여 입력 파형에서 주요 측정값을 빠르게 얻을 수 있습니다. 쉽게 읽을 수 있는 기능에는 각 입력 채널에 대해 사용자가 필요로 하는 정확한 측정값에 맞게 개별적으로 조정할 수 있는 1개의 동시 데이터 표시기를 추가하는 옵션이 포함되어 있습니다. 출력 파형 발생기는 접지를 중심으로 -1V~1V의 피크 간 전압을 허용합니다. 접지에 대한 기준을 변경하기 위해 DC 오프셋을 조정하여 출력 파형을 오프셋하는 옵션도 있습니다. 그러나 여전히 유지되어야 하는 최대 출력 전압 제한인 4V가 있습니다. 그림 508.1는 최대 509mV, 최소 -1.0171mV를 기록한 오실로스코프를 보여줍니다. 두 전압의 범위는 총 1.7V이며 이는 사용자가 정의한 1Vpp 매개변수와 약 1%의 백분율 차이를 생성합니다. 차이는 상대적으로 낮은 입력과 출력 사이의 불확실성 정도를 나타냅니다. 발생기의 주파수는 999.1kHz로 설정하였고, 오실로스코프는 사용자가 설정한 0.09kHz와 약 1% 차이나는 50Hz의 주파수를 측정하였습니다. 이 낮은 백분율 차이는 빈도와 기간이 사용자 정의 값과 일치함을 나타냅니다. 선택된 듀티 사이클은 49.9%였으며 오실로스코프는 0.02%의 듀티 사이클을 측정하여 약 XNUMX%의 백분율 차이를 가져왔습니다. 듀티 사이클의 차이는 학부 연구의 하위 레벨 애플리케이션에서는 무시할 수 있으며 신호는 오실로스코프를 사용한 아날로그 신호 테스트 및 데이터 수집에 사용할 수 있을 만큼 충분히 안정적입니다. 그러나 빈도가 증가하면 문제가 발생합니다. 파형은 그림과 같이 더 높은 주파수에서 약간의 왜곡을 보여줍니다. 그림 5.
그림 5 : Moku:Lab의 고주파 출력에서 녹음된 구형파
Moku:Lab의 아날로그 출력 주파수는 왜곡이 나타나기 시작할 때까지 증가되었으며, 왜곡이 명백해지는 주파수는 10MHz였습니다. 음의 전압과 양의 전압 모두에서 오버슈트로 표시된 것처럼 피크 전압 값에서 왜곡이 발생합니다. 오실로스코프의 커서를 이용하여 오버슈트를 측정한 결과 양의 오버슈트 전압은 567.8mV였으며 안정된 전압은 약 508.8mV였다. 두 값의 차이로 인해 59mV의 델타가 생성됩니다. 오버슈트는 구형파의 음의 피크에서도 측정되었습니다. 네거티브 오버슈트 전압은 -564.2mV인 반면 안정적인 전압은 약 -505.2mV였습니다. 두 값 사이의 절대 차이도 59mV의 델타를 생성합니다. 오버슈트는 음수 피크와 양수 피크 모두에서 동일하며 양호한 수준의 일관성을 나타냅니다. 이 오버슈트 양은 상대적으로 낮지만, 고주파수 애플리케이션에 대해 주목해야 하는 증가된 주파수의 함수로 왜곡이 증가합니다. 그런 다음 텍트로닉스 오실로스코프를 사용하여 구형파 출력을 측정했는데 전송선이 고주파수에서 무시할 수 있는 양의 감쇠를 유발하고 있음을 확인하는 동일한 왜곡이 나타납니다. 출력 신호 생성의 왜곡은 사각파 출력이 피크 값에서 약간의 왜곡을 발생시키는 Moku:Lab FPGA 솔루션의 하드웨어 제한을 나타냅니다. 구형파의 더 높은 주파수 왜곡을 사인파와 비교했으며 파형은 다음과 같습니다. 그림 6.
그림 6 : Moku:Lab 고주파 출력의 사인파 입력
측정된 주파수는 10.01MHz, 듀티 사이클은 49.97%였다. 사인파는 피크에서 왜곡을 나타내지 않습니다. 또한 피크 전압에서는 전압 변동이 없습니다. 전압 변동이 없다는 것은 Moku:Lab의 사인파 출력이 시간에 따른 편차가 많지 않고 매우 일관적임을 나타냅니다. 최대 및 최소 전압 레벨은 1.016V 및 -1.016V였습니다. 이는 사용자가 지정한 0.032Vpp에서 약 2V의 총 델타를 생성합니다. 이는 Moku:Lab이 사인파에 대한 정확한 출력을 유지할 수 있음을 보여주는 매우 작은 편차입니다. 커서를 사용하여 전압 변화를 추적할 수 있습니다. 다음과 같이 커서에 대해 선택할 수 있는 많은 옵션이 있습니다. 그림 7.
그림 7 : 실시간으로 전압을 추적하기 위한 커서 선택
커서는 입력 파형의 전압 또는 시간 변화를 자동으로 추적할 수 있으며 오실로스코프에는 측정 도구가 통합되어 있습니다. Moku:Lab의 오실로스코프 애플리케이션은 동일한 화면에서 5개의 동시 시간 커서와 5개의 동시 전압 커서를 지원합니다. 시간 커서를 드래그하여 두 데이터 포인트 사이의 시간을 측정할 수 있으며 참조 시간도 추가할 수 있습니다. 전압 커서 수정 옵션은 다음과 같습니다. 그림 7, 포함 :
- 수동 커서 끌기
- 평균 전압 추적
- 최대/최소 전압 추적
- 최대/최소 전압 유지
- 기준 전압 표시
- 사용자 입력 전압 레벨 표시
- 커서 채널 전환
- 커서 제거
그래픽 사용자 인터페이스는 가시성을 높이기 위해 어두운 배경과 밝은 배경 사이를 전환할 수 있으며, 애플리케이션의 전체적인 모양은 깔끔하고 어수선하지 않습니다. 기능은 색상으로 구분되어 있으며 사용이 간편합니다. Moku:Lab 사용법을 배우는 것은 간단하며 학부생이 실험실 환경 내에서 이 올인원 도구를 사용하는 데 아무런 문제가 없습니다.
파형 발생기
파형 생성기는 사용자가 정의한 매개변수 세트를 기반으로 다양한 파형을 생성하는 Moku:Lab의 또 다른 가상 계측기입니다. 그러나 이 장치에는 최대 전압 출력이 1V로 제한되어 있습니다. 전압 피크 대 피크는 1V보다 클 수 있지만 전압은 이 파형을 생성하기 위해 Vref 5에서 음의 3.3V를 사용해야 합니다. 많은 마이크로컨트롤러와 집적 회로가 1V DC 또는 XNUMXV DC 전원을 사용하기 때문에 전압 제한은 실험실 경험에 해롭습니다. 파형 발생기는 전압 범위가 매우 낮으므로 XNUMXV 이상의 전원 공급 장치로 사용할 수 없습니다. 생성할 수 있는 파형은 다양합니다.
Moku:Lab의 파형 생성기는 다음을 생성할 수 있습니다.
- 사인파형
- 구형파
- 경사파형
- 펄스 파형
- DC 파형
Liquid Instruments는 현재 업계에서 사용되는 계측기 표준과 일치하는 더 높은 해상도와 정밀도를 갖춘 아날로그 출력을 생성하는 데 중점을 두었습니다. 출력에는 또한 정확한 측정을 수행하면서 출력에 로드를 배치할 수 있는 앤티앨리어싱 기능도 있습니다. 출력 임피던스는 50옴입니다. 따라서 동일한 임피던스에 일치하는 모든 회로는 전력 전달을 최대화하는 응답을 갖게 됩니다. 각 파형의 모양은 다음과 같습니다. 그림 8.
그림 8 : 파형 발생기를 위한 5가지 파형 옵션
각 파형은 장치의 아날로그 출력을 수정하는 방법을 나타냅니다. 그림 8의 모든 파형은 1V인 DC 출력 전압을 제외하고 1Vpp에서 표시됩니다. 모든 파형의 중심은 8V입니다. 그림 5의 첫 번째 파형은 사인파와 그 뒤의 구형파입니다. 다음 행에는 램프 및 펄스파 옵션이 표시됩니다. 표시된 마지막 파형은 DC 출력 파형입니다. 아이패드에 표시되는 파형은 펄스파를 제외하고 진폭, 전압, 주파수를 변경해도 변경되지 않고 출력만 변경됩니다. 두 출력 채널을 동시에 구동할 수 있습니다. 이는 전압 레일이 입력 전압과 독립적으로 구동될 수 있으므로 필터 작업 시 유용합니다. 그러나 두 출력을 동시에 구동하는 경우 오실로스코프를 사용할 수 없습니다. 이것은 장치의 단점입니다. 파형 발생기는 아날로그 전자 장치 테스트에 가장 자주 사용되는 도구입니다. 전압 출력은 모든 주파수 값에서 안정적이어야 합니다. 무선 주파수 및 전자기학 학부 과정의 일부 고주파 응용 분야의 경우 장치를 주파수 발생기로 사용할 수 없습니다. 그림 0.5에 표시된 것처럼 장치에는 고주파 감쇠량이 있으므로 이 제한 사항에 유의해야 합니다. 발생기의 각 파동 옵션은 1 및 1Vpp 출력에서 테스트되었으며 외부 디지털 멀티미터(DMM)를 사용하여 측정되었습니다. 결과는 DC 및 AC 측정 모두에서 표 XNUMX에 표시됩니다.
표 1 : 디지털 멀티미터를 사용한 파형 발생기 평가 측정
표 1의 결과는 Moku:Lab으로 생성할 수 있는 각 파동에 대한 파형 발생기의 정확도를 보여줍니다. 펄스파는 AC와 DC 사이의 다양한 DMM 결과를 보여주기 위해 1개의 서로 다른 듀티 사이클에서 테스트되었습니다. 출력에서 DMM까지의 전압 변화는 DMM이 유효 인가 전압을 계산하기 위해 수행하는 평균 Vrms의 결과입니다. 표 XNUMX의 결과는 예상되는 전압 값과 일치합니다.
임의 파형 발생기
회로는 본질적으로 항상 주기적이지 않은 입력을 받는 경우가 많습니다. 따라서 임의 파형 발생기는 더 불규칙한 입력을 시뮬레이션할 때 유용할 수 있습니다. 자극에 대한 회로 반응은 구성 요소가 제대로 작동하는지 여부를 확인할 수 있으며 차단 테스트를 위해 필터를 구축할 때 자주 사용됩니다. 차단 주파수 세트에 대해 회로를 설계할 수 있으며 정지 대역에서 입력을 더 크게 제어함으로써 회로의 기능이 제대로 작동하는지 테스트할 수 있습니다. 최악의 시나리오를 시뮬레이션하면 불규칙한 신호 입력과 과도한 스트레스에 맞게 회로를 설계할 수 있습니다. Moku:Lab은 향상된 신호 테스트를 위해 다양한 파형을 생성할 수 있으며, 파형 중 하나는 다음에서 볼 수 있습니다. 그림 9.
그림 9 : 임의 파형 발생기: 외부 오실로스코프 응답(오른쪽)이 포함된 가우스 출력(왼쪽)
Moku:Lab의 임의 파형 발생기에서 응답 파형을 얻는 데 사용된 설정에는 외부 Tektronix 오실로스코프를 사용하여 출력 파형을 캡처하는 것이 포함되었습니다. Moku:Lab의 아날로그 출력은 오실로스코프의 입력에 연결되었으며 결과 파형이 캡처되었습니다. Moku:Lab이 생성할 수 있는 임의 파형 중 하나는 가우스 곡선입니다. 종형 곡선이라고도 하며 접지된 장치에서 반복적인 전압 스파이크를 시뮬레이션합니다. 결함 테스트를 통해 장치가 접지 결함으로부터 보호되는지 여부를 확인할 수 있습니다. 이 테스트는 종종 전자 테스트 수업에서 수행되며 부적절하게 결합된 접지 또는 단락에 대한 설계에 도움이 될 수 있습니다. 이 파형은 전자 장치의 내결함성을 테스트하고 설계를 개선하는 데 사용할 수 있습니다. Moku:Lab의 임의 파형 발생기가 생성할 수 있는 또 다른 파형은 다음과 같은 지수 상승입니다. 그림 10.
그림 10 : 임의 파형 발생기: 외부 오실로스코프 응답(오른쪽)이 포함된 지수 상승 출력(왼쪽)
접지가 없는 회로에 정전기가 쌓이기 시작하면 지수 상승이 발생할 수 있습니다. 장치가 더욱 민감한 구성 요소 및 MOSFET과 통합되면 구성 요소를 통한 정전기 방전으로 인해 장치가 파손될 수 있습니다. 부적절하게 접지된 회로와 관련된 정전기로 인해 장치 고장이 발생할 수 있습니다. 또한 AC 회로의 커패시터에서는 기하급수적인 상승이 자주 나타나므로 이 파형을 사용하여 테스트하면 커패시터의 주기적 방전 및 재충전을 시뮬레이션할 수 있습니다. 지수 하강 파형은 다음과 같이 생성될 수 있습니다. 그림 11.
그림 11 : 임의 파형 발생기: 외부 오실로스코프 응답(오른쪽)이 포함된 지수 하강 출력(왼쪽)
임의 파형 발생기는 순간적인 전압 점프가 필요하고 기준 전압으로 떨어지는 애플리케이션에 전압을 적용할 수 있습니다. 이 기준 전압은 Moku:Lab 매개변수를 사용하여 변경할 수 있습니다. 다른 하위 시스템에서 신호 입력을 받는 많은 MOSFET은 안정적인 Vref로 변화하는 전압 값을 활용하여 클록을 생성할 수 있습니다. 클록 생성은 회로 내에서 지수 하강 파형을 사용하는 또 다른 방법입니다. 클록 주파수는 학부 공학 커리큘럼 범위 내에서 연구되는 디지털 시스템, 아날로그 시스템, 임베디드 시스템, 고주파 시스템 및 기타 여러 시스템 내 통신에 대한 기준 역할을 하기 때문에 학부 전자공학 연구의 중요한 영역입니다. Moku:Lab은 직관적인 소프트웨어와 유연하고 모바일적인 하드웨어 플랫폼을 결합합니다. Moku:Lab의 임의 파형 발생기의 심장 파형은 다음과 같습니다. 그림 12.
그림 12 : 임의 파형 발생기: 외부 오실로스코프 응답(오른쪽)이 포함된 심장 출력(왼쪽)
심장 파형은 종종 심장 박동의 기생 전압 반응을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 이 파형은 생명을 구하는 장비가 항상 정상적으로 작동하는지 확인하기 위해 의료 장비를 평가할 때 필요합니다. 학부 과정은 다양한 전공으로 나누어질 수 있으며, 단순한 전자 과정 이상의 응용 프로그램을 갖춘 장치를 제작함으로써 Moku:Lab은 다양한 전공에서 유용할 수 있습니다. 생물의학, 메카트로닉스, 로봇공학 및 기타 여러 분야를 포함한 학부 연구에서 제공되는 다양한 학제간 과정은 모두 Moku:Lab의 테스트 및 측정 기능의 다양성을 활용할 수 있습니다. Moku:Lab은 사용자 입력 기능을 기반으로 파형을 생성할 수도 있습니다. 함수 생성 파형의 예는 다음과 같습니다. 그림 13.
그림 13 : 외부 오실로스코프 응답(오른쪽)이 포함된 임의 파형 발생기 방정식 기반 출력(왼쪽)
사용자는 특정 파형을 생성하는 방정식을 생성할 수 있으며 Moku:Lab의 임의 파형 생성기는 이를 생성할 수 있습니다. 이를 통해 알려진 매개변수 세트를 기반으로 정밀한 파형 생성이 가능합니다. 예제 함수와 수정 방법은 다음과 같습니다. 그림 14.
그림 14 : 임의 파형 발생기: 방정식 기반 출력 수정 창
그림 10에 표시된 예제 방정식 exp(-0.5*(t-2^5)*sin(20*pi*t)^14은 Moku:Lab의 임의 파형 발생기에 의해 생성되었으며 응답 파형은 그림 13에 기록되었습니다. 방정식 편집기에는 파형을 쉽게 수정할 수 있는 공학용 계산기 레이아웃이 포함되어 있습니다. 또한 여러 방정식을 입력하고 생성기가 동일한 기간에 서로 다른 파형을 생성하도록 하는 기능도 있습니다. 사용자 정의 파형을 시뮬레이션하는 기능 파형을 생성하고 이를 회로에 주기적으로 적용할 수 있으므로 장치에 또 다른 기능 세트를 추가합니다.
진동수 응답 분석기
주파수 응답 분석기는 회로 응답, 고주파 인쇄 회로 기판 감쇠 및 동축 케이블 주파수 응답을 측정하기 위해 몇 가지 ESET 과정에서 사용됩니다. 주파수 응답 분석기는 Nagoya NA-771 15.6” 수직 무지향성 안테나를 사용하여 평가되었습니다. 안테나는 최대 120MHz의 주파수 범위에 대한 응답이 측정된 장치에 직접 연결되었습니다. 기능면에서 이 분석기는 사용이 간편했으며 하드웨어 안테나 연결과 소프트웨어 사이에서 정확한 측정이 수행되도록 보장했습니다. 수집된 데이터는 주파수 함수로서 이득과 위상 관계를 보여주는 두 개의 그래프로 표시됩니다. 적용된 전력에 대한 안테나의 응답은 다음과 같습니다. 그림 15.
그림 15 : 15.6인치 수직 무지향성 안테나의 주파수 응답
Moku:Lab의 주파수 응답 분석기는 최대 120MHz의 고주파수에서 효과적으로 작동할 수 있는 것으로 확인되었습니다. 이 기능은 고주파 시스템이 중점을 두고 작동 주파수 범위에 따라 안테나 및 인쇄 회로 기판의 표준 특성이 어떻게 변하는지 확인하기 위해 고품질 장비가 필요한 여러 ESET 클래스에 필요합니다. 그러나 전자기 시스템의 추가 신호 테스트에는 더 높은 주파수가 필요합니다.
스펙트럼 분석기
스펙트럼 분석기는 입력 신호를 수신하고 특정 주파수에서 신호의 크기를 자세히 설명하는 플롯을 생성할 수 있습니다. 이는 서로 다른 주파수에서 전력 입력을 알 수 없는 시스템을 검사할 때 특히 유용합니다[5]. 스펙트럼 분석기는 Moku:Lab에서 테스트되었으며 그 결과는 안테나의 효과적인 작동을 검증하는 데 도움이 되었습니다. 15.6인치 수직 무지향성 안테나를 스펙트럼 분석기에 부착하고 각 주파수의 전력 입력을 플롯했습니다. 특정 주파수 범위에서의 전력 응답이 기록되어 다음과 같이 표시되었습니다. 그림 16.
그림 16 : 15.6인치 수직 무지향성 안테나의 프리에어 주파수 입력
주파수는 80.1MHz와 108.1MHz 사이의 전력 증가를 나타냅니다. 일부 인터넷 문서를 참조하면 FM 라디오가 이 주파수로 방송되어 신호가 증가하는 것으로 나타났습니다[4]. 전력 입력을 함수 주파수로 표시하는 기능은 해당 지역의 어느 라디오 방송국이 가장 강한 신호를 가지고 있는지 확인하는 데 도움이 됩니다. 또한 스펙트럼 분석기는 무선 간섭을 발생시키는 방송을 검색하는 정부 기관을 포함하여 다른 많은 응용 분야에도 사용됩니다. FCC는 공공 방송 공간을 규제하기 위해 특수 데이터 로깅 및 추적 시스템을 갖춘 많은 스펙트럼 분석기를 사용합니다. 이는 상업적으로 사용되는 악기에 대한 학생의 노출을 증가시키기 때문에 학부 연구에 도움이 됩니다. 스펙트럼 분석기는 종종 수백 달러의 비용이 듭니다[7]. Moku:Lab의 플랫폼은 고가의 테스트 장비 및 도구에 대한 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 다양한 계측기의 가상화를 통해 각 테스트마다 회로를 다른 도구에 다시 배선할 필요 없이 쉽게 전환할 수 있는 다양한 도구 집합이 가능합니다. 이는 공간과 자금이 제한된 테스트 실험실에서 유용합니다. 각 랩 스테이션에는 여러 개의 개별 장비 대신 자체 Moku:Lab이 있을 수 있습니다. 실험실 벤치에서 장비를 최소화하면 사용해야 하는 총 배선 하니스 수도 줄어들어 작업 공간이 덜 어수선해집니다.
결론
Moku:Lab은 전문 실험실과 학부 실험실 모두에서 일반적으로 사용되는 14가지 테스트 및 측정 장비를 결합할 수 있습니다. 소프트웨어 및 하드웨어 측면에서 장치의 다양한 기능과 응용 프로그램에 대한 더 깊은 이해를 얻기 위해 블랙박스 분석 기술을 사용하여 장치를 평가했습니다. 이러한 이해를 바탕으로 장치는 사용 유연성, 기능 및 ESET 클래스 관련성을 기반으로 평가되어 학부 수준에서 장치의 유용성을 결론지었습니다.
평가를 위해 선택된 장비는 Texas A&M의 학부 연구와의 관련성을 기반으로 오실로스코프, 파형 발생기, 임의 파형 발생기, 주파수 응답 분석기 및 스펙트럼 분석기였습니다. 각각은 현재 학부 과정에서 진행되는 실험실을 사용하여 테스트되었으며 결과는 표준 장비와 비교되었습니다. Moku:Lab은 ESET 부서 전체의 많은 과정에서 유용하고 성능면에서 효과적인 것으로 나타났습니다. 생물의학, 메카트로닉스, 로봇공학 및 기타 여러 분야를 포함한 학부 연구에서 제공되는 광범위한 학제간 과정은 모두 Moku:Lab의 테스트 및 측정 기능의 다양성을 활용할 수 있습니다. Moku:Lab은 직관적인 소프트웨어와 유연하고 모바일적인 하드웨어 플랫폼을 결합합니다. 그러나 장치 작동에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 제한 사항 중 하나에는 구형파를 생성할 때 아날로그 출력의 고주파수에서 발생하는 약간의 왜곡이 포함됩니다. 결론적으로, Moku:Lab은 사용 용이성, 우수한 결과 및 교과 과정 적용 가능성으로 인해 일반적인 엔지니어링 프로그램을 기반으로 학부 수준에서 사용 가능한 것으로 판단되었습니다.
Moku:Lab은 학생이 접할 수 있는 도구의 범위를 확장하고 학생의 교육에 긍정적인 영향을 미치는 경험적 과정을 통해 더 넓은 범위의 실험과 실험실을 배울 수 있도록 합니다. Moku:Lab의 사용하기 쉽고 간소화된 인터페이스 및 다양한 도구는 모두 전반적인 학습 경험을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
참고자료
[1] Shaddock, D., Wuchenich, D., Lam, T., Rabeling, D., Altin, P., & Coughlan, B. (2020년 1월 XNUMX일). 액체 기기. https://www.liquidinstruments.com/에서 검색함
[2] 켄싱턴. (nd). 보안 슬롯 사양 – ClickSafe 보안 앵커. https://www.kensington.com/solutions/product-category/security/kensington-security-slot-specs/에서 검색함
[3] 액체 기기. (nd). 스펙 시트. http://download.liquidinstruments.com/documentation/specs/hardware/mokulab/MokuLab%20-%20Specifications.pdf에서 검색함
[4] Nave, R., & Hyper-Physics-GSU. (nd). AM 및 FM 라디오 주파수. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Audio/radio.html에서 검색함
[5] 미시간 주립대학교 공과대학. (nd). AM, FM 및 스펙트럼 분석기. https://www.egr.msu.edu/emrg/sites/default/files/content/module7_am_fm.pdf에서 검색함
[6] 리골. (nd). UltraVision II 오실로스코프 및 UltraReal 실시간 스펙트럼 분석기를 포함한 전자 테스트 및 측정 장비 및 솔루션. https://www.rigolna.com/에서 검색함
[7] 텍트로닉스, 테스트 장비 창고. (nd). 텍트로닉스 스펙트럼 분석기. https://www.testequipmentdepot.com/tektronix/spectrum-analyzers/index.htm?gclid=CjwKCAjwkun1BRAIEiwA2mJRWdqhvckvmJnyU3D_bgQFFOCQ25TC3NiPg05XyIDlCly aRWAi6gjVFxoCvKIQAvD_BwE에서 검색됨
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