عاممقالات

اشترِ جهاز واحد واحصل على ثلاثة: مراجعة الجهاز متعدد المهام “Analog Discovery 2”

شكراً لشركةDigilent لإرسالها نسخة من جهازهم متعدد المهام المُسمى ” Analog Discovery 2 ” أو اختصاراً AD2 وذلك لإجراء مراجعة له.

تُعرف الشركة جهازها على أنهُ ” راسم إشارة oscilloscope عبر منفذ اليو إس بي، ومحلل منطقي logic analyzer وجهاز ذو مهام متعدّدة أخرى تسمح للمستخدم بقياس وتمثيل وتوليد وتسجيل والتحكم بإشارات الدارت متعدّدة أنواع الإشارات Mixed-signal” إن سعر الجهاز $279.00 في وقت كتابة هذه المراجعة ويتوفر خصم للاستخدام الأكاديمي يبدأ من 25%.

إذا كنت ممن اعتاد ملاحظة خلفيات فيديوهات مقدمي اليوتيوب الذين تتابعهم عادة حول الإلكترونيات وذلك لإحصاء الأجهزة الظاهرة من رواسم إشارة أو مولدات جهد أو محللات منطقية فهذه المراجعة لك، وإن كنت ممن لم يتعود ذلك فأيضاً أكمل القراءة!

 Analog Discovery 2
Analog Discovery 2

أذكر منذ حوالي 8 سنوات عندما كنت أشاهد أحد فيديوهات فناة EEVBlog لصاحبها David Jones المبكرة وبعنوان How To Set Up An Electronics Lab، أذكر حينها أنه كان من الصعوبة البالغة تأمين الميزانية الكافية لتجهيز مختبر حقيقي للإلكترونيات. على سبيل المثال، للحصول على جهاز راسم إشارة من نوع Rigol في ذلك الوقت ومن الفئة المتوفرة والبدائية فإن ذلك يكلّف حوالي $400 وحتى في هذه الأيام لا يزال يكلّف $300-400 وأضف لذلك جهاز مولد الإشارة ومولد الجهد وأكثرها أهميّة المحلل المنطقي Logic Analyzer وهو جهاز مهم للغاية في حال الحاجة لكتابة أكواد تتعامل مع طرفيات والعالم الخارجي عبر بروتوكولات مختلفة. لذلك فإن ميزانية من 1000 دولار وربما أكثر يمكن صرفها للوصول إلى تجهيز المختبر المنزلي وهذا بالنسبة للكثيرين ثروة! على الرغم أن هذه الأجهزة أساسية لأي مختبر.

لذلك ولهذه الغاية، فإن فكرة جمع أهم الأدوات التي يحتاجها المختبر في تجهيزة واحدة هي فكرة جيدة بالفعل وهذا ما يحاول الجهاز Analog discovery 2 القيام به.

لنقوم بداية بمراجعة سريعة لأهم الميزات قبل عرض نتيجة المراجعة والإجابة على السؤال هل بالفعل يستحق لقب سكين سويسري.

 Analog Discovery 2  Box and the Included Accessories
علبة Analog Discovery 2 والإكسسوارات الملحقة به

في مايلي فيديو فك تغليف علبة Analog Discovery 2 لأول مرة.

البرنامج: WaveForms

يستخدم Analog Discovery 2 برنامج حاسوبي يُسمى Waveforms والذي يمكن تحميله من الموقع الرسمي. بقوم الـ Waveforms بتحميل برنامج التشغيل Firmware على شريحة الـFPGA الخاصة بـالجهاز عند بداية إقلاعه وما أن يتم برمجته فإنه يبدأ التواصل مع الحاسب والبرنامج عبر اليو إس بي وذلك عبر الشريحة المعروفة FT232H لتحويل الاتصال من تسلسلي إلى يو إس بي. يعمل البرنامج مع الـFPGA للتحكم بكل ميزات الجهاز.

على نحوٍ مشابه فإن البرنامج Saleae Logic  يقوم أيضاً ببرمجة المحلل المنطقي Saleae device في لحظة الإقلاع  وهذا يفسر لماذا البرنامج البديل Sigrok (وأيضاً الدارات المنسوخة)  يمكنها العمل كبديل وذلك بعد استخراج الفيرموير من الملف التنفيذي لـAnalyzer Saleae Logic  .
Waveforms - Main Window
Waveforms – الواجهة الرئيسية

قد لا يكون البرنامج Waveforms هو البرنامج الأكثر تميزاً كتجربة مستخدم كإحساس أولي عند أول استخدام مقارنة برامج أجهزة أخرى مشابهة ولكن الأكثر أهميّة هو الأداء الثابت والجيد له.

كأول استخدام للبرنامج، يمكن اتباع الخطوات الموضحة في دليل البدء. يحوي Waveforms على نمط تشغيل تجريبي Demo وهذا يعني أنه يمكن تجريب الميزات من غير توصيل Analog Discovery 2 .

WaveForms - Demo Mode
WaveForms – Demo Mode

يتوفر Waveforms للأنطمة الثلاثة: لينكس وويندوز و iOS.

الإلكترونيات: الميزات

ميزات ‘كل يوم’

راسم الإشارة Oscilloscope

عدد الأقنية2
الدقة14-bit
معدّل الاعتيان30+ MHz (with Discovery BNC adapter)
9 MHz (with included flywires)
معدل الاعتيان (الزمن الحقيقي) 100 MS/s
ممانعة الدخل 1MΩ||24pF
مجال فولت الدخل±25V (±50V diff) Input protected to: ±50V
حجم ذاكرة الاعتيان16384 Samples/channel

إن الاختبار المبدأي الذي يتم عادة يكون باستخدام الإشارة التجريبية المربعة التي تُرفق في أجهزة راسم الإشارة وتكون بتردد 1 كيلو هرتز ولكن وبما أن Discovery تحوي على مولد إشارة داخلي، فإنه سيتم استخدام إشارات مولدة منه بأشكال وترددات مختلفة، كما هو واضح في المقطع أدناه:

يمكن عرض التحليل الترددي/الطيفي spectrum analyzing للإشارات المحصلة في ضمن تبويب راسم الإشارة نفسه أو باستخدام تبويب المحلل الطيفي وله الميزات التالية:

عدد الأقنية 2 (Shared with Oscilloscope)
المجال الترددي 0Hz to 50MHz 
خوارزميات التحليل FFT, CZT
خيارات النافذة rectangular, triangular, hamming, Cosine, and many others

يجب أن يتم الانتباه أنه وللحصول على التردد الكامل يجب استخدام مجسات الراسم عبر دارة BNC adapter التي لا تأتي عادة مع الجهاز مالم يتم طلب Analog Discovery 2 Pro Bundle من البداية. في حال استخدام الأسلاك التي تأتي مع الدارة فإن التردد الذي يمكن الوصول له هو 9Mhz.

 Fly-wires
Fly-wires
BNC Adapter - Image courtesy to Sparkfun
BNC Adapter – حقوق الصورة لـ Sparkfun

يمكن النفاذ للإشارات المستخدمة مع الجهاز عبر موصل connector من صفين بعدد 30 رجل كلي. 15 رجل في كل صف. في الصورة أدناه مخطط يربط كل رجل مع وظيفتها.

لقد وجدت أن إنجاز نسخة سريعة من BNC adapter ممكن لذلك قمت بطلب المكونات التي أحتاج لها:

  • connector (Manufacturer Part No: 1-1337543)
  • 2×15 female and male headers ( Manufacturer Part No: 2213R-30G and 2214S-30SG-85 )
  • PCB spacer ( Manufacturer Part No: D01468 )

وقمت بطلب مجسات probes P6100 الشائعة والرخيصة بسعر 8 دولار لزوج منها، وبذلك كلفني بناء الدارة كاملة حوالي 17 دولار.

Components Used to DIY the BNC breakout Board
المكونات المستخدمة لصنع BNC breakout Board

وبالفعل قد نجح التصنيع الشخصي لها ! على العموم، من المفضل الحصول على النسخة الجاهزة من الدارة مقابل 20 دولار.

 BNC breakout   - DIY Version
BNC breakout – النسخة الشخصية

مولد الإشارات Arbitrary Waveform Generator

عدد الأقنية2
الدقة14-bit 
معدل الاعتيان100 MS/s
المجال الترددي12 MHz ( باستخدام BNC adapter)
9 MHz (باستخدام flywires)
ممانعة الدخل1 MΩ 
مجال الفولت±5V
ذاكرة العينات16384 Samples/channel
مخارج إضافيةStereo Audio Output Jack

يمكن لـ AD2 توليد أنواع مختلفة من الإشارات مع ميزات يمكن التحكم بها من المطال إلى التردد وعرض تشغيل الإشارة Duty وغير ذلك. هناك العديد من أشكال الإشارات التي يمكن توليدها (الجيبية، والمربعة، والمثلثية ..إلخ) بالإضافة إلى ذلك فإنه من الممكن بناء أشكال إشارات مختلفة إما عبر إدخال قيم النقط أو باستخدام نموذج رياضي.

من المزايا الإضافية هي وجود مخرج صوت، بحيث يمكنك سماع الإشارات التي تقوم بتوليدها! كما هو موضح في الفيديو أدناه:

تنطبق الملاحظة المذكورة في فقرة راسم الإشارة على ميزة توليد الإشارة من حيث اختلاف التردد الأعظمي في حال استخدام الأسلاك العادية فهي إلى حد الـ 9 MHz باستخدام الأسلاك وإلى حد 12 MHz باستخدام الدارة BNC adapter.

محلل الإشارات المنطقي Logic Analyzer 

عدد الأقنية16
البروتوكولات المدعومة UART, SPI, I2C, CAN
سويات الإشارات3.3V/1.2V CMOS, 5V Tolerant
تردد أخذ العينات100 MS/s 
حجم ذاكرة العينات16384 Samples/channel 

أول اختبار لميزة المُحلل المنطقي كانت باستخدام بروتوكول UART بسرعات baud-rate مختلفة وكان الاختبار باستخدام كبل FT232RL.

إرسال كلمة”ATADIAT” عبر UART وإظهارها على WaveForms

وفي التسجيل أدناه خطوات استخدام هذه الميزة

وفي اختبار آخر للمحل المنطقي تم تحليل إشارة CAN ويبدو أن المحلل يستخدم خط واحد من الخطين التفاضليين (CAN_L و CAN_H). تم الاختبار باستخدام كبل PCAN-USB بسرعة 125K ولإرسال المعطيات التالية

0x41 0x54 0x41 0x44 0x49 0x41 0x54 0x7E

وتم إعادة الاختبار بسرعة 1Mhz وأظهر التجربة نجاح أيضاً.

 Sending "ATADIAT" string over CAN and debug it using WaveForms
إرسال كلمة”ATADIAT” عبر CAN وإظهارها على WaveForms

الاختبار الأخير كان للتَسمُع على رسائل SPI من خطوط لدارة ESP32 وذلك لقيادة أحد الشاشات SPI TFT screens.

يستحق الإشارة أيضاً إلى نوع من الملاقظ التي يمكن استخدامها وهي Grabber Test Clips وقد تكون أسهل استخداماً في بعض الأحيان وهي متوفرة من متجر الشركة مقابل 14.99 دولار. كما يمكن إيجاد بدائل أرخص من مواقع صينية مثل Aliexpress .

  Grabber Test Clips
Grabber Test Clips

يوفر برنامج Waveforms وبنفس السياق أداة تسمى Protocol وهي طرفية لإرسال واستقبال الرسائل لأهم البروتوكولات وهي UART, SPI, I2C و CAN. علاوة على ذلك هناك استخدام أكثر أهمية وهو كتابة سكربت للإرسال والاستقبال مما يسمح بإنجاز سريع للتواصل مع الأجهزة الخارجية. وفي الصورة أدناه مثال لتواصل مع شريحة ADXL345 التي تستخدم I2C .

Waveforms Protocol Tab - An I2C Script to Communicate with ADXL345
تبويب Protocol – تواصل مع ADXL345 عبر I2C

مولد الجهد القابل للضبط Programmable Power Supply

جهد الخرج 0.5V…5V and -0.5V…-5V
الطاقة الموزعة الأعظمية500mW للقناة عبر (USB)
2.1W للقناة عبر(External Supply)
التيار الأعظمي700mA عبر القناة

إن استخدام هذه الميزة بسيط ومباشر ولكن يجب التنبُه لمحدوديتها من ناحية الطاقة فهي 500 ميلي واط (مثلاً: 100mA max @5V أو 166mA @3V ) في حال استخدام اليو إس بي فقط للتغذية و 700mA في حال استخدام منبع جهد خارجي.

يستخدم التصميم شريحة ADP1612 دارة رفع Buck-Boost DC-to-DC وأيضاً دارة ADM1270 كدارة حماية من استجرار التيار الزائد وغير ذلك من الحماية الكهربائية.

ميزات ‘ليست لكل يوم’

قد تكون تتطلع لأحد الميزات التالية، ولكنها ميزات أقل استخداماً بالطبع من الميزات في الفقرة السابقة وهذا لا يعني أنها أقل أهمية.

مولّد الأنماط Pattern Generator

عدد الأقنية 16 (مشتركة مع المحلل المنطقي) 
السوية المنطقية3.3V CMOS 
معدل أخذ العينات 100 MS/s
حجم الذاكرة 16384 Samples/channel

إن ميزة pattern generator هي ميزة لتوليد أي نمط لإشارات رقمية لأغراض متعددة منها غرض التنقيح Debugging . يوفرAD2 ستة عشر قناة يمكن استخدام كل قناة على حدى ويمكن تحديد كيفية عمل الأقنية عبر جدول حقيقة Truth Table أو بطرق أخرى، يتم تخزين النمط في ذاكرة وإظهار الإشارات بمعدل يحدده المستخدم.

في المقطع أدناه تجربة لمحاكاة دارة OR عبر تعريف مدخلين ومخرج:

هذه الميزة مفيدة إن لم تكن قوية جداً وذلك لإجراء اختبارات تصرفية behavioral tests للأجهزة الإلكترونية. يمكن كتابة سكربت باستخدام لغة البايثون وتحديداً إطار Behave Framework واستخدام AD2 لتوليد إشارات اختبار مختلفة. يتوفر إطار تطويري SDK للجهاز يسمح بتطوير برمجيات مخصصة للتواصل مع AD2 .

مسجل البيانات Data Logger

عدد الأقنية 2 (مشتركة مع الراسم) 
القياسات المدعومة  DC, True RMS, AC RMS, Custom 

هي ميزة لتحصيل النقاط مثل راسم الإشارة ولكن لفترات زمنية طويلة مثلاً عينة كل ساعة لمدة 24 ساعة أو عينة كل ساعة لمدة 1440 ساعة أو أي توليف تريده ومن ثم لاحقاً استخراج البيانات.

يمكن تطبيق بعض المعادلات الرياضية على النقاط التي يتم تحصيلها كما هو واضح في الصورة أدناه.

Apply Math to Data Logger Captured Data
تطبيق معادلات مختلفة للنقطة المُحصَلة

محلل الممانعة Impedance Analyzer

المداخل / المخارجمشتركة مع الراسم ومولد الإشارات
مجال مسح الترددات 100uHz to 25MHz 
القفزة الترددية 1 to 10000 Plots Impedance, Admittance, Inductance, Capacitance, etc. 

هذه ميزة إضافية أخرى مهمة جداً وهي ميزة تعطي إمكانية تحليل الاستجابة التردُدية للمكونات الإلكترونية وهذا مهم للغاية في دارات الترددات العالية. إن هذه الميزة تستحق مقال منفصل ولذلك سأكتفي بذكر المثال المرفق مع التوثيق الرسمي وذلك لتحليل فلتر تمرير تردد منخفض LFP.

Low-pass Filter - reference.digilentinc.com
Low-pass Filter – reference.digilentinc.com

إن منحني الاستجابة/التخامد المرفق هو من أجل تردد ممسوح من 20 Hz إلى 25 KHz

 Measures the input attenuation -  reference.digilentinc.com
التخامد – reference.digilentinc.com

ليس التخامد وحده ما يمكن تحليله وإنما أنواع مختلفة أخرى وهي:

النوعالوصف
Decibel Measures the input attenuation to the oscilloscope input
Phase Measures the phase adjustment coming into (∠) and from (θ) the system
Ohm Opens the Ohm view of the system including the impedance (|Z|), series resistance (Rs), and series reactance (Xs) over the frequency sweep
Siemens Opens the Siemens view of the system including the admittance (|Y|), parallel conductance (Gp), and parallel susceptance (Bp) over the frequency range
Henry Opens the Henry view showing the series inductance (Ls) and parallel inductance (Lp) of the system over the frequency range
Farad Opens the Farad view to show the series capacitance (Cs) and parallel capacitance (Cp) of the system over the frequency range
Dissipation Shows the dissipation energy ratio of real impedance to the imaginary impedance
Quality Shows the Quality view ratio of stored energy to dissipated energy

المداخل/المخارج العامة Static I/O

عدد الأقنية 16 (مشتركة مع المحلل المنطقي Logic Analyzer) 
الأجهزة الافتراضية التي يمكن محاكاتها LEDs, Buttons, Switches, Sliders, Progress Bars, Seven Segment Displays

يوفر Waveforms والجهاز 16 قناة يمكن التحكم بها كمداخل/مخارج عامة وأيضاً لمحاكاة بعض الأشياء ومنها قيادة شاشة سباعية Seven Segment Displays أو غير ذلك.

السكربت Script

لو تطلَب التطبيق الذي تقوم به سيناريو قياس معقدْ ولا يمكن تنفيذه بشكل يدوي، فعنده يمكن توصيفه على شكل سكربت. هذا السكربت يمكنه الوصول لمعظم ميزات البرنامج Waveforms والحصول على نتائج منها. كما يتوفر حل بديل عن ذلك وهي استخدام برمجة اللابفيو حيث يتوفر إضافة رسمية لـLabview .

في المثال أدناه إرسالة لرسالة عبر أداة Protocol عبر الـSPI موصفة بسكربت

هذا مثال لتحصيل نقاط من راسم الإشارة وثم حساب المحصلة.

Analog Discovery من الداخل

لندأ مع دماغ هذه الأداة وهو شريحة FPGA من شركة وسلسلة Xilinix Spartan 6 Series FPGA وتحديداً XC6SLX16-1L.

Locating XC6SLX16-1L Part from Analog Discovery 2 PCB
العنصر XC6SLX16-1L من الدارة المطبوعة

كما تم ذكره في المقدمة فإن برنامج التشغيل يتم حقنه على الـFPGA خلال إقلاع البرنامج Waveforms وهذا عبر شريحة FT232H.

 Locating  FT232H  Part from Analog Discovery 2 PCB
العنصر FT232H من الدارة المطبوعة

يتوفر في التوثيق الرسمي مخطط صندوقي عام للجهاز ككل

 Analog Discovery 2  Electronics Block Diagram
Analog Discovery 2 Electronics Block Diagram

واحد من أهم شرائح مولدات الإشارة هي دارة مبدل رقمي-تمثايلة DAC وهي شريحة بالمزايا التالية: dual-channel 14-Bit Low Power Digital-to-Analog Converters chip من شركة Analog Devices وتسمى AD9717.

  Locating AD9717 Part from Analog Discovery 2 PCB
العنصر AD9717 من الدارة المطبوعة

إن المبدل التماثلي-الرقمي هو العمود الفقري لأي راسم إشارة ويستخدم الجهاز مبدل بالمواصفات التالية: a 14 -Bit, 125 MSPS/105 MSPS, 1.8 V Dual Analog-to-Digital Converter من شركة Analog Devices ويسمى AD9648.

   Locating AD9648 Part from Analog Discovery 2 PCB
العنصر AD9648 من الدارة المطبوعة

الشريحة الأخيرة التي سنسلط الضوء عليها هي ADN1270 وتوفر الحماية الكهربائية لميزة مولد الجهد.

    Locating ADN1270 Part from Analog Discovery 2 PCB
تحديد ADN1270 من الدارة المطبوعة

وفي ما يلي صورتين عاليتا الدقة للوجه الأمامي والخلفي للدارة المطبوعة

الوجه الأمامي
الوجه الخلفي

لمزيد من التفاصيل الدقيقة والأرقام والمعادلات الكهربائية عن الدارات في الجهاز يمكن قراءتها في التوثيق الرسمي.

خلاصة

نعيش في وقت كتابة هذه المقال فترة انتشار فيروس كورونا على مستوى العالم و قد اتجهت معظم الشركات للعمل عن بعد، ولذلك فإن جهاز كهذا يعتبر حلاً حيث يوفر أدوات متعددة في جهاز واحد.

بناءً على الاختبارات التي قمت بها حتى الآن، فإن هذا الجهاز يستحق لقب سكين سويسري. لقد أظهر البرنامج WaveForms أداءً جيداً حيث عانيت من حالتي اغلاق غير متوقع فقط وكان ذلك في بداية استخدام البرنامج وربما هي بسبب سوء استخدام. قد لا يكون البرنامج هو الأفضل من ناحية التصميم ولكن ريثما تكرر استخدامه فإنك سوف تألفه، على الرغم أني وجدت برنامج شبيه وذو تصميم أفضل من نفس الشركة وهو برنامج سحابي WaveForms Live مخصص للجهاز OpenScope MZ .

 WaveForms Live - Demo Mode
WaveForms Live – نمط التجربة

لقد وجدت أن فكرة عدم تضمين دارة BNC Adapter ومجسات فكرة مزعجة قليلاً حيث ستضطر لشرائهم لاحقاً وهذا سيضيف 20 دولار للدارة و 20 دولار للمجسات Probes هذا لو اشتريتهم من المتجر الرسمي، أو يمكنك شراء النسخة الموسعة Analog Discovery 2 Pro Bundle التي تأتي بالدارة والمجسات بشكل متكامل وبها توفر 20$ إذا أنها كاملة تكلف 300 دولار.

نهاية، لو أعجبتك الميزات والبرنامج ولكنك لا تزال ترى أن السعر مرتفع فعليك بإصدار من نفس الشركة بنفس الميزات ولكن أداء أقل وسعر أقل واسمه OpenScope MZ مقابل 150 دولار. احرص قبل الشراء أن تقرأ هذه مراجعةKnowm التي قارنت الجهاز مع أجهزة أخرى فريبة من شركات أخرى.

ماذا بعد ذلك؟

ما رأيك؟

ما رأيك الآن بهذا الجهاز؟ وهل تقترح شيء آخر أفضل كجهاز ADALM2000 من Analog Devices مثلاً ؟ الرجاء مشاركة ذلك في تعليق.

Yahya Tawil

يحيى هو مدير التحرير في عتاديات ويؤمن بأهمية المحتوى المكتوب المجاني والنوعي والعملي. خبرته في مجال النظم المضمّنة تتركز في كتابة البرامج المضمنة وتصميم الدارات المطبوعة والنظرية وإنشاء المحتوى.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق