Jefferson Pham、Alexa Woppman、Joseph Morgan 博士、Matthew Leonard 教授
得克萨斯州A与M大学
电子系统工程技术 (ESET)
多学科工程技术 (MET)
概述
在 COVID-19 的高峰期，Moku:Lab 被运送给两名德克萨斯 A&M 学生，供他们使用和评估。 学生使用示波器、波形发生器、频率响应分析仪和频谱分析仪，从开箱到论文定稿，自主进行评估。 在完整报告中阅读更多关于他们的发现t.
抽象
来自大学城德克萨斯 A&M 大学工程技术与工业分布 (ETID) 系的师生团队与 Liquid Instruments 合作，在本科工程环境中测试该公司灵活的硬件产品 Moku:Lab 的功能。 Moku:Lab 是一个软件可配置的硬件平台，构建为一个紧凑的设备，能够模拟 14 种不同的专业级电子测试和测量仪器。 该团队通过完成黑盒分析和通常在本科生实验室进行的实验来评估 Moku:Lab。 本产品根据以下标准进行了测试：使用灵活性、功能性以及工程技术和工业分布类相关性。 这些测试标准用于确定在本科阶段使用 Moku:Lab 等产品的可行性。
背景与介绍
在德克萨斯 A&M 大学，将工程技术课程与大量工程课程区分开来的主要特征之一是强调动手实践和体验式学习。 这在电子系统和机电一体化项目中都是如此，从二年级到最终的顶点设计经验，所有技术课程都包括一个综合实验室。 学生通过将课堂理论转化为工作实验室实验和项目来提高他们的学习和理解。
在这样的环境中，测试和测量设备的使用是整个学习过程的基础。 为了支持范围广泛的技术学科，需要大量专门的物理实验室，每个实验室都需要一套测试设备。 采购和维护行业质量的测试和测量设备是一项艰巨的任务。 此外，同一个实验台上的一台设备和另一台设备之间缺乏通用的用户界面，这给学生学习和有效地学习和使用每种工具带来了障碍。
电子系统和机电一体化计划已尝试在其各个实验室中标准化测试和测量设备，但这仍然需要多达五到六个不同的专用测试设备； 所有这些都需要空间、电力和与学生实验的互连。
最近，Liquid Instruments 联系了名誉教授 Joseph Morgan 博士和德州空间技术应用与研究 (T STAR) 兼职教授兼总裁 Matthew Leonard 教授。 这种互动的目的是确定一所主要工程学院的工程技术课程对其新测试和测量设备 Moku:Lab 的兴趣水平，Moku:Lab 是一个具有通用图形用户界面的可重新配置的硬件平台。 Leonard 和 Morgan 将大量精力集中在赞助和开展与太空/NASA 利益相关的顶点设计项目上。 Leonard (T STAR) 通常作为项目发起人/客户参与，而 Morgan 是团队的技术顾问。 两个人都知道并关心与测试和测量设备相关的问题。 在与 Liquid Instruments 营销副总裁 Douglas Phillips 先生的讨论中，双方同意他的公司将 Moku:Lab 借给一个工程技术学生小组，然后他们将评估多仪器系统对典型实验室任务的影响以及与典型的实验室设备套件相比的整体学习体验。 本文描述了评估 Moku:Lab 所采取的步骤以及相关学生的发现和结论。
系统总览
Liquid Instruments 设计了 Moku:Lab，这是一个硬件平台，可在单个设备上提供一组虚拟测试和测量仪器。 该工具使用支持模拟输入和输出的现场可编程门阵列 (FPGA) [1]。 将多个测试和测量工具整合到一个设备中，使该产品可以通过软件进行配置，而且它还具有移动控制器的优势，可增加便携性和易用性。 这些功能可以通过简化测试和记录电子信号的过程来改善本科学习的教育体验。 Moku:Lab 提供了一个接口，允许从过于昂贵和复杂的测试设备过渡到将工业级设备的所有功能组合到一个易于使用的单一紧凑平台的单一单元。 在撰写本评估时当前支持的虚拟仪器是：
- 锁相放大器
- 任意波形发生器
- PID 控制器
- 频率响应分析仪
- 激光锁频/稳频器
- 相位表
- 示波器/电压表
- 频谱分析仪
- 数字滤波器
- 波形发生器
- 数据记录仪
- FIR滤波器生成器
硬件
Moku:Lab 为用户提供两个高速模拟输入、两个高带宽直流耦合模拟输出、一个外部触发连接、输入时钟参考、输出时钟参考、SD 卡插槽、以太网端口、MicroUSB 连接和一个USB-A 端口 [3]。 Liquid Instruments 的规格表规定输入的频率范围最大为 200MHz [3]。 输出端口的最大频率带宽为 300MHz。 输入也可以配置为交流或直流耦合，同时保持高达 500MSa/s 的输入分辨率 [3]。 输出具有抗混叠滤波器，允许同时连接设备和测量输入。 该设备可以使用 50Ω 或 1MΩ [3] 的行业标准阻抗值。 该器件包含一个稳定的内部时钟，精度超过 500ppb [3]。 这些特性使该工具在需要一套高精度测试和测量工具的工业环境中具有竞争力。 设备底部还有两个按钮开关，可以使用小针按下。 一个按钮可以触发恢复出厂设置，另一个按钮将切换飞行模式。 设备输入和输出的 LED 灯用作状态指示器。 一个按钮开关位于 Moku:Lab 的徽标下方，并有一个状态指示灯 LED，当设备准备好使用时，该 LED 指示灯变为稳定的蓝色，在关闭或设置时闪烁橙色，并在设备关闭时熄灭。 在 Moku:Lab 的应用程序上进行修改时，输入和输出下方的灯条会闪烁。 当在单个实验室中部署多个单元时，这些细微的功能增加了易用性并有助于设备识别。 Moku:Lab 还可以利用 WiFi 协议并广播 SSID，以允许移动设备直接通过无线连接进行交互。 从本科生的角度来看，Moku:Lab 增强的可用性及其小巧的外形提供了一种可以改善实验室学习体验的解决方案。 Moku:Lab 的外部概览是通过对设备进行黑盒分析创建的。 从黑盒分析生成的图表显示在 图1.
图1： Moku:Lab 输入输出黑盒图
在 Moku:Lab 上执行的黑盒分析提供了对设备内集成的确切输入和输出的洞察力。 为了允许控制器应用程序和设备之间的连接，可以使用无线连接。 还有一个选项可以将设备物理连接到局域网并将设备直接安装到实验室站。 Liquid Instruments 还通过在设备侧面添加 Kensington 安全插槽 [2] 以将其锁定到工作站，在产品机箱中设计了一个安全和安保组件。 此功能增加了产品的价值，因为它可以更轻松地部署在流量更大的公共实验室环境中。 两个模拟输入、两个模拟输出、外部时钟输入和输出以及触发器连接都是 BNC 型连接器。 这种类型的连接器目前是测试和测量仪器的行业标准，可以与目前商业上使用的现有解决方案和设备很好地集成。 MicroUSB 输入还可以将设备直接连接到计算机，以支持在 MAC 或 Windows 计算机上进行控制和数据记录。 还有一个 SD 卡端口可用于在内部存储记录的数据，直到以后可以检索数据进行分析。 Moku:Lab 提供了一种通过使用设备下方的引脚来恢复出厂设置的方法。 还有一个按钮可以切换飞行模式，这对于移动应用程序或实验室不希望来自多个设备的大量无线干扰都非常有用，这些设备都广播一个单独的 SSID。 有一个筒形连接器为设备提供 D/C 输入电源。 来自 A/C 电源的电力使用电源转换器转换为 12 VD/C 并提供给 Moku:Lab。 然后可以使用徽标标签下方的按钮打开设备电源。 输出模拟端口可以提供最大 1V 的电压。 LED 指示灯嵌入机箱内，便于识别设备所处的状态。设备中还集成了一个 USB-A 端口，可以为连接到它的外部移动设备充电。 物理设备及其外部连接显示在 图2.
图2： Moku:Lab 的输入和输出规格表 [3]
该设备是一款小尺寸产品，物理最大直径为 225 毫米，高度为 50 毫米。 Moku:Lab 的小尺寸使其能够轻松融入实验室环境而不会带来太多麻烦，并增加了产品的灵活性。
软件
Moku:Lab 可以使用 iPad 应用程序、LabVIEW、Python、MATLAB 或仍处于测试阶段的 Windows 应用程序进行控制。 Moku:Lab 附带一个 iPad，在使用时可以放在设备顶部的插槽中，或者在实验室走动时拿着它，因为 WIFI 是唯一需要的连接。 还可以选择使用以太网连接。本报告将重点介绍 iPad 软件平台。
iPad 应用程序使用 XNUMX 个气泡，每个气泡内都有图形，指示仪器选项，如中所示 图3.
图3： Moku:Lab iPad 应用程序的用户界面
通过按下气泡来选择要使用的仪器，并通过按下不同的气泡来改变。 该软件旨在对应 2 个硬件输入和 2 个输出，但如果需要，某些仪器能够使用模拟输入信号。 每个仪器中图表的轴值都可以根据接收到的输入数据值的范围进行定制或自动设置。 iPad 应用程序中有一个仪器重置按钮，可将软件和硬件上的所有设置恢复为默认设置。 Moku:Lab 能够根据软件应用程序中的当前选择单独校准每台仪器。 按下按钮即可快速进行校准。
Dropbox、iCloud、MyFiles、SD 卡和电子邮件是已集成到软件中的选项，用于导出使用 Moku:Lab 收集的数据。 该软件允许创建和导出各种格式的数据，具体取决于设备上用于数据收集的仪器。 有使用 iPad 的 PNG 屏幕截图、JPEG 版本的图表和 CSV 文件等选项。
Liquid Instruments 定期为设备提供软件更新。 这些更新包括对现有仪器选项的改进、错误补丁以及不需要更改 Moku:Lab 硬件的新测量仪器的添加。
评估过程和评估
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 的三个主要评估领域是使用的灵活性、功能性和 ETID 类相关性。 使用的灵活性是通过设备用于不同目的的能力及其在本科实验室中的易用性来评估的。 设备的功能取决于设备正常工作的能力和结果的质量。 最后，对该设备进行了评估，以确定在 ETID 类中使用的相关性和能力。 这些标准对于评估在本科环境中使用该设备的有效性和质量很重要。 所有评估均使用相同的 Moku:Lab 设备和 iPad 应用程序进行。
评估过程首先对本科生实验室中一些更常用的仪器进行基线测量，以将结果与 Moku:Lab 的结果进行比较。
示波器/电压表
该示波器用于电子系统和工程技术 (ESET) 课程，用于测量嵌入式系统、各种模拟和数字电路以及许多其他实验室。 需要示波器的各种实验室过程的样本取自 ESET 实验室手册，用于评估 Moku:Lab。 模拟电子实验室使用示波器测试模拟组件在波形应用时的响应。 射频和电磁实验室利用示波器检查高频信号对不同材料的损耗和反射的反应。 嵌入式系统课程通常使用示波器来验证微控制器创建的输出。 因此，通过各种实验来评估 Moku:Lab 非常重要。 考虑到这一点，将 Moku:Lab 与 ESET 实验室中常用的示波器进行了比较。 两种仪器都测量了来自外部源的相同输出信号。 源是使用 TI MSP432P401R 微控制器生成的方波。 微控制器的使用和编程经常在该系的三门计算机编程课程的范围内学习。 嵌入式系统软件、微控制器架构和 C 语言嵌入式系统开发都使用 MSP432 来分析嵌入式系统的使用和编程方法。 要验证正确的输出幅度和频率，可以使用示波器。 可以通过代码调整频率和占空比的修改并在外部进行测量。 这可以根据占空比创建脉宽调制 (PWM) 信号。 测量设备必须能够使用 AC 和 DC 耦合进行测量，以接收信号的实际波形和偏移电压。 当利用数学函数计算 DC 和 AC 耦合输入之间的 DC 偏移时，Moku:Lab 顺利完成了这项任务。 从微控制器读取的波形模拟输入与示波器上显示的波形相匹配。 然而，Moku:Lab 具有电压和时分的收缩缩放的额外好处，因此与普通示波器相比，结果可以更容易地适应 iPad。 然后可以将结果记录在 iPad 上，并无线传输到计算机进行数据处理。 这种增加的灵活性使得结果传输对于大数据采集来说是无缝的。 同时使用 Moku:Lab 的输入和输出也增加了灵活性。 示波器工具中集成了一个选项，可为设备上的每个模拟输出启用波形发生器。 示波器上数据采集的刷新率快速且反应灵敏，运行和停止功能通过 iPad 应用程序底部的暂停播放按钮清楚地指示。 有一个选项可以打开测量窗格，软件将自动检索频率、周期、占空比、脉冲宽度和负宽度，并提供更多测量选项。 游标很容易创建，游标的可调整性可以通过简单地滑动游标来实现。 与带有触摸屏显示器的高端 Rigol 示波器相比，iPad 应用程序更加精简且易于使用。 但是，存在只有两个通道的问题。 在 Rigol 和 Tektronix 示波器上，使用了更多通道，每个通道都有自己的显示空间。 Moku:Lab 上只有一个显示器，所有波形都必须共享相同的绘图。 可以使用电压偏移来分离不同的波形。 没有用于实时波形视频录制的嵌入式功能。 目前不支持在当前版本的 Moku:Lab 上使用多个 iPad 或多个应用程序。 图4.
图4： Moku:Lab 测量 1 kHz 方波输出的示波器用户界面
Moku:Lab 能够生成波形输出，同时通过模拟输入记录信息。 示波器的集成波形发生器输出与方波的预期特性相匹配的波。 可以使用同一屏幕上的控制面板调整波形类型及其参数。 为了测试 Moku:Lab 示波器的正常功能，使用两端带有 BNC 连接器的 50 欧姆 RG58 同轴电缆将模拟输入连接到模拟输出。 通过将 Moku:Lab 的输入直接连接到输出，可以通过将 iPad 上显示的信号与预期输出进行比较来验证示波器的精度。 示波器支持使用可自定义的光标，以自动跟踪电压和时间跨度。 游标可以与简单的读数结合使用，以快速从输入波形中获取关键测量值。 简单的读出包括添加五个并发数据指示器的选项，每个指示器都可以单独调整为用户对每个输入通道所需的精确测量。 输出波形发生器允许以地为中心的 -1V 至 1V 的峰间电压。 还有一个选项可以通过调整直流偏移来改变对地的参考来偏移输出波形。 但是，仍然必须保持 1V 的最大输出电压限制。 图 4 显示了一个示波器，它记录了 508.1 mV 的最大电压和 -509 mV 的最小电压。 两个电压的跨度总计为 1.0171V，与用户定义的 1.7Vpp 参数产生约 1% 的百分比差异。 差异表示输入和输出之间的不确定性量相对较低。 发生器的频率设置为 1kHz，示波器测得频率为 999.1Hz，与用户设定值 0.09kHz 相差约 1%。 这种低百分比差异表明频率和周期与用户定义的值匹配。 选择的占空比为 50%，示波器测得的占空比为 49.9%，这导致百分比差异约为 0.02%。 占空比的差异在本科学习的低级应用中可以忽略不计，信号足够稳定，可以使用示波器进行模拟信号测试和数据采集。 但是，当频率增加时，问题就出现了。 波形在较高频率下显示出一些失真，如中所示 图5.
图5： 从 Moku:Lab 的高频输出中记录的方波
Moku:Lab 的模拟输出频率增加，直到失真开始出现，失真变得明显的频率是在 10 MHz。 失真发生在峰值电压值处，如负电压和正电压的过冲所示。 使用示波器的游标测量过冲，正过冲电压为567.8 mV，而稳定电压约为508.8 mV。 两个值之间的差异产生 59mV 的增量。 还在方波的负峰值上测量过冲。 负过冲电压为-564.2 mV，而稳定电压约为-505.2 mV。 两个值之间的绝对差也产生 59 mV 的增量。 负峰和正峰的过冲相同，表明一致性水平良好。 这个过冲量也相对较低，但失真会随着频率的增加而增加，这对于高频应用应该注意。 然后使用泰克示波器测量方波输出，出现相同的失真，证实传输线在高频下引起的衰减量可以忽略不计。 输出信号生成的失真表明 Moku:Lab 的 FPGA 解决方案的硬件限制导致方波输出在峰值处有一些轻微失真。 方波的高频失真与正弦波相比，波形如图所示 图6.
图6： 来自 Moku:Lab 高频输出的正弦波输入
测得的频率为 10.01 MHz，占空比为 49.97%。 正弦波在峰值处没有显示失真。 此外，峰值电压没有电压波动。 没有电压变化表明 Moku:Lab 的正弦波输出非常一致，时间偏差不大。 最大和最小电压电平分别为 1.016V 和 -1.016V。 这会从用户指定的 0.032Vpp 产生大约 2V 的总增量。 这是一个非常小的偏差，表明 Moku:Lab 可以保持正弦波的精确输出。 可以使用光标跟踪电压变化。 可以为光标选择许多选项，如下所示 图7.
图7： 实时跟踪电压的光标选择
光标可以自动跟踪输入波形上的电压或时间变化，并且示波器中集成了测量工具。 Moku:Lab 的示波器应用程序支持同屏显示五个并发时间光标和五个并发电压光标。 可以拖动时间光标测量两个数据点之间的时间，也可以添加参考时间。 用于修改电压光标的选项显示在 图7，并包括：
- 手动光标拖动
- 跟踪平均电压
- 跟踪最大/最小电压
- 保持在最大/最小电压
- 指示参考电压
- 指示用户输入电压电平
- 切换光标通道
- 删除光标
图形用户界面可以在深色背景和浅色背景之间切换以增加可见性，应用程序的整体外观干净而不杂乱。 这些功能采用颜色编码且易于使用。 学习使用 Moku:Lab 很简单，本科生在实验室环境中使用这个一体化工具不会有任何问题。
波形发生器
波形发生器是 Moku:Lab 上的另一种虚拟仪器，可根据用户定义的一组参数生成各种波形。 但是，该设备确实对 1V 的最大电压输出有限制。 尽管电压峰峰值可以大于 1V，但电压必须利用 Vref 零的负一伏来创建此波形。 电压限制不利于实验室体验，因为许多微控制器和集成电路使用 5V DC 或 3.3V DC 电源。 波形发生器的电压范围很低，不能用作1V以上的电源。 可以生成许多不同的波形。
Moku:Lab 的波形发生器可以创建：
- 正弦波
- 方波
- 斜坡波形
- 脉冲波形
- 直流波形
Liquid Instruments 专注于创建具有更高分辨率和精度的模拟输出，以符合当前行业使用的仪器标准。 输出还具有抗混叠功能，允许在输出上放置负载，同时仍然能够进行准确的测量。 输出阻抗为 50 欧姆。 因此，任何匹配相同阻抗的电路都会有一个最大化功率传输的响应。 每个波形的形状示于 图8.
图8： 波形发生器的五个波形选项
每个波形都提供了一种修改设备模拟输出的方法。 图 8 中显示的所有波形均为 1 Vpp，但 DC 输出电压为 1 V 除外。所有波形均以零伏为中心。 图 8 中的第一个波形是正弦波，后面是方波。 下一行显示斜坡和脉冲波选项。 显示的最后一个波是直流输出波形。 iPad 上显示的这些波形，除 Pulse 波外，在修改幅度、电压和频率时都不会发生变化，只有输出会发生变化。 可以同时驱动两个输出通道，这在使用滤波器时很有用，因为电压轨可以独立于输入电压驱动。 但是，同时驱动两个输出时，示波器就不能用了。 这是该设备的缺点。 波形发生器是模拟电子测试中最常用的工具。 电压输出必须稳定在任何频率值。 对于射频和电磁学本科课程中的一些高频应用，该设备不能用作频率发生器。 该器件具有一定的高频衰减量（如图 5 所示），应注意这一限制。 发生器的每个波形选项都在 0.5 和 1 Vpp 输出下进行了测试，并使用外部数字万用表 (DMM) 进行了测量。 直流和交流测量的结果如表 1 所示。
表1： 使用数字万用表的波形发生器评估测量
表 1 的结果显示了 Moku:Lab 可以生成的每个波的波形发生器的精度。 脉冲波在六个不同的占空比下进行了测试，以显示交流和直流之间不同的 DMM 结果。 从输出到 DMM 的电压变化是 DMM 为计算有效施加电压而执行的 Vrms 平均的结果。 表 1 中的结果与预期的电压值一致。
任意波形发生器
电路通常会收到本质上并不总是循环的输入。 因此，在模拟更不稳定的输入时，任意波形发生器会很有用。 电路对刺激的反应还可以验证组件是否正常工作，并且在构建滤波器以测试截止时经常使用。 可以针对一组截止频率设计电路，通过控制输入在阻带处更大，可以测试电路的正常功能。 模拟最坏情况将允许针对不规则信号输入和过大压力设计电路。 Moku:Lab 可以创建各种波形来增强信号测试，其中一种波形可以在 图9.
图9： 任意波形发生器：具有外部示波器响应（右）的高斯输出（左）
用于从 Moku:Lab 的任意波形发生器获取响应波形的设置涉及使用外部泰克示波器来捕获输出波形。 Moku:Lab 的模拟输出连接到示波器的输入，并捕获生成的波形。 Moku:Lab 可以生成的任意波形之一是高斯曲线。 它通常被称为钟形曲线，模拟接地设备中的重复电压尖峰。 故障测试可以确定设备是否已针对接地故障进行保护。 该测试通常在电子测试课程中进行，可以帮助针对不正确的接地或短路进行设计。 该波形可用于测试电子设备的容错能力并改进设计。 Moku:Lab 的任意波形发生器可以创建的另一种波形是指数上升，如图所示 图10.
图10： 任意波形发生器：具有外部示波器响应（右）的指数上升输出（左）
当静电荷开始在没有接地的电路中积聚时，可能会导致指数上升。 随着设备与更敏感的组件和 MOSFET 集成，通过组件的静电放电可能会损坏它们。 静电荷与不正确接地的电路一起会导致设备发生故障。 此外，交流电路中的电容器通常呈指数上升，因此使用此波形进行测试可以模拟电容器的循环放电和充电。 可以产生指数下降波形，如下所示 图11.
图11： 任意波形发生器：具有外部示波器响应（右）的指数下降输出（左）
任意波形发生器可以为需要瞬时电压跳跃然后下降到参考电压的应用施加电压。 可以使用 Moku:Lab 参数更改此参考电压。 许多从另一个子系统获取信号输入的 MOSFET 可以利用具有稳定 Vref 的变化电压值来生成时钟。 时钟生成是电路中指数下降波形的另一种用途。 时钟频率是本科电子学的一个重要研究领域，因为它可以作为数字系统、模拟系统、嵌入式系统、高频系统和本科工程课程范围内研究的许多其他系统内通信的参考。 Moku:Lab 将直观的软件与灵活、移动的硬件平台相结合。 Moku:Lab 的任意波形发生器的心脏波形如图所示 图12.
图12： 任意波形发生器：具有外部示波器响应（右）的心输出量（左）
心脏波形通常用于模拟来自心律的寄生电压响应。 在评估医疗设备以确保救生设备每次都能正常运行时，此波形是必需的。 本科学习可以分支到许多不同的专业，并且通过创建一个不仅在电子课程中有应用的设备，Moku:Lab 可以在各种专业中发挥作用。 本科学习中提供的各种跨学科课程，包括生物医学、机电一体化、机器人学和许多其他学科，都可以从 Moku:Lab 的测试和测量功能的多功能性中受益。 Moku:Lab 还可以根据用户输入函数创建波形。 函数生成波形的示例显示在 图13.
图13： 具有外部示波器响应（右）的任意波形发生器基于方程的输出（左）
用户可以生成一个产生特定波形的方程式，而 Moku:Lab 的任意波形发生器将能够产生它。 这允许基于一组已知参数生成精确的波形。 示例函数及其修改方式显示在 图14.
图14： 任意波形发生器：基于方程的输出修改窗口
图 10 中所示的示例方程式 exp(-0.5*(t-2^5)*sin(20*pi*t)^14 是由 Moku:Lab 的任意波形发生器生成的，响应波形记录在图 13 中. 方程式编辑器具有科学的计算器布局，可以轻松修改波形。还可以输入多个方程式，让发生器在同一周期内连续产生不同的波形。能够模拟任何自定义波形向设备添加另一组功能，因为它可以生成任何波形并将其循环应用于电路。
频率响应分析仪
在一些 ESET 课程中使用频率响应分析仪来测量电路响应、高频印刷电路板衰减和同轴电缆频率响应。 使用 Nagoya NA-771 15.6 英寸垂直全向天线对频率响应分析仪进行了评估。 天线直接连接到设备，测量其对频率范围高达 120 MHz 的响应。 在功能方面，该分析仪使用简单，可确保在硬件天线连接和软件之间进行准确测量。 收集的数据由两张图表示，显示增益和相位关系作为频率的函数。 天线对施加功率的响应显示在 图15.
图15： 15.6 英寸垂直全向天线的频率响应
经确定，Moku:Lab 的频率响应分析仪能够在高达 120 MHz 的高频下有效运行。 许多 ESET 类别都需要此功能，其中高频系统是重点，需要优质设备来了解天线和印刷电路板的标准特性如何根据工作频率范围发生变化。 然而，电磁系统的进一步信号测试需要更高的频率。
频谱分析仪
频谱分析仪可以接受输入信号并创建一个图表，详细说明特定频率下信号的幅度。 这在检查不同频率的功率输入未知的系统时特别有用 [5]。 频谱分析仪在 Moku:Lab 上进行了测试，结果有助于验证天线的有效运行。 一个 15.6” 垂直全向天线连接到频谱分析仪，并绘制了每个频率的功率输入。 频率范围内的功率响应被记录并显示在 图16.
图16： 来自 15.6” 垂直全向天线的自由空气频率输入
频率表明 80.1MHz 和 108.1MHz 之间的功率增加。 参考一些 Internet 文档表明，FM 广播以该频率广播，从而导致信号增加 [4]。 将功率输入绘制为函数频率的能力有助于检查该地区哪些无线电台的信号最强。 此外，频谱分析仪还有许多其他应用，包括政府机构扫描正在产生无线电干扰的广播。 FCC 使用许多具有特殊数据记录和跟踪系统的频谱分析仪来规范公共广播空间。 这对本科学习很有帮助，因为它增加了学生对商业仪器的接触。 频谱分析仪通常要花费数百美元 [7]。 Moku:Lab 的平台为昂贵的测试设备和工具提供了一种经济高效的解决方案。 不同仪器的虚拟化允许多种工具的组合，这些工具可以轻松切换，而无需为每次测试将电路重新连接到不同的工具。 这对于空间和资金有限的测试实验室很有用。 每个实验室站都可以拥有自己的 Moku:Lab，而不是多个独立的仪器。 实验室工作台上仪器的最小化也减少了需要使用的线束总数，这也导致工作空间更整洁。
结论
Moku:Lab能够结合专业和本科实验室常用的14种测试和测量仪器。 通过黑盒分析技术对设备进行了评估，从软件和硬件两方面深入了解了设备的诸多功能和应用。 使用这种理解，根据使用的灵活性、功能和 ESET 类相关性对设备进行评估，以得出该设备在本科水平上的实用性。
选择用于评估的仪器是示波器、波形发生器、任意波形发生器、频率响应分析仪和基于德克萨斯 A&M 本科学习相关性的频谱分析仪。 每一个都使用目前在本科课程中进行的实验室进行测试，并将结果与标准设备进行比较。 Moku:Lab 被发现在 ESET 部门的许多课程中都很有用，并且在性能方面很有效。 包括生物医学、机电一体化、机器人学和许多其他学科在内的本科学习中提供的广泛的跨学科课程都可以从 Moku:Lab 的测试和测量功能的多功能性中受益。 Moku:Lab 将直观的软件与灵活、移动的硬件平台相结合。 但是，该设备的操作存在一些限制。 其中一个限制包括生成方波时模拟输出在高频下出现的轻微失真。 总之，由于其易用性、高质量的结果和对课程作业的适用性，确定 Moku:Lab 基于典型的工程项目在本科阶段使用是可行的。
Moku:Lab 扩大了学生接触的工具范围，并通过对学生的教育产生积极影响的体验过程，使学生能够学习更广泛的实验和实验室。 Moku:Lab 的易用性、流线型界面和仪器多样性都有助于改善整体学习体验。
参考资料
[1] Shaddock, D.、Wuchenich, D.、Lam, T.、Rabeling, D.、Altin, P. 和 Coughlan, B.（2020 年，1 月 XNUMX 日）。 液体仪器。 取自 https://www.liquidinstruments.com/
[2] 肯辛顿。 (nd). 安全插槽规格 – ClickSafe 安全锚。 取自 https://www.kensington.com/solutions/product-category/security/kensington-security-slot-specs/
[3] 液体仪器。 (nd). 规格表。 取自 http://download.liquidinstruments.com/documentation/specs/hardware/mokulab/MokuLab%20-%20Specifications.pdf
[4] Nave, R., & Hyper-Physics-GSU。 (nd). AM 和 FM 无线电频率。 取自 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Audio/radio.html
[5] 密歇根州立大学工程学院。 (nd). AM、FM 和频谱分析仪。 取自 https://www.egr.msu.edu/emrg/sites/default/files/content/module7_am_fm.pdf
[6] 里戈尔． (nd). 电子测试与测量仪器和解决方案，包括 UltraVision II 示波器和 UltraReal 实时频谱分析仪。 取自 https://www.rigolna.com/
[7] 泰克和测试设备仓库。 (nd). 泰克频谱分析仪。 从 https://www.testequipmentdepot.com/tektronix/spectrum-analyzers/index.htm?gclid=CjwKCAjwkun1BRAIEiwA2mJRWdqhvckvmJnyU3D_bgQFFOCQ25TC3NiPg05XyIDlCly aRWAi6gjVFxoCvKIQAvD_BwE 检索
