L'oscilloscopio è senz'altro uno degli strumenti da laboratorio più ambiti dagli appassionati di elettronica, soprattutto se giovani (e quindi, spesse volte, con un budget di spesa limitato). Il mondo dell'elettronica ci viene però incontro, offrendo un modulo integrato con funzionalità di tutto rispetto ad un costo molto competitivo.
Premettiamo subito che il modulo esaminato non si pone l'obiettivo di competere con gli strumenti professionali o semi-professionali, quanto quello di offrire uno strumento di debugging hardware, validazione elettrica, o semplice sperimentazione elettronica per chi opera con circuiti a microcontrollore (Atmel e non), ad un prezzo ultra-competitivo.
Il modulo in oggetto, denominato Xprotolab, rappresenta il primo oscilloscopio a segnali misti con funzionalità di generatore di fome d'onda arbitrarie contenuto in un modulo DIP. Le dimensioni sono estremamente compatte, soltanto 1 x 1,6 pollici (25 x 40 mm), e può essere alloggiato direttamente su di una breadboard (si vedano, al proposito, i due video inclusi nel presente articolo). Dulcis in fundo, il modulo può essere impiegato direttamente come una scheda di sviluppo per il controllore AVR XMEGA, il cuore del modulo stesso.
Le caratteristiche tecniche di questo interessantissimo modulo sono le seguenti:
- oscilloscopio a segnali misti: è perciò in grado di campionare contemporaneamente segnali sia digitali che analogici
- trigger di tipo Normal/Single/Auto, sul fronte di salita o di discesa, e con regolazione del livello di trigger
- modalità multimetro: misure in continua, valore medio, e frequenza
- modalità XY: visualizzazione ellissi di Lissajous o differenze di fase tra due forme d'onda
- analizzatore di spettro
- cursori orizzontale e verticale con misurazione automatica delle forme d'onda
- opzioni di visualizzazione: persistenza e differenti tipi di griglia
Dal punto di vista hardware, il modulino è equipaggiato con un microcontrollore ATXMEGA32A4, dotato di Flash da 32KB, 4KB di SRAM, 1KB di EEPROM. Il display è un OLED da 0,96 pollici (25 mm), con una risoluzione di 128x64 pixel. Per la parte analogica è presente un TL064 (quadruplo amplificatore operazionale). Il modulo è inoltre corredato di 4 pulsantini per il controllo delle funzioni e dei menu, di interfaccia PDI, e di un connettore micro USB per l'alimentazione (è comunque presente anche un pin dedicato per il +5V di alimentazione esterna).
Le caratteristiche specifiche della funzionalità di base dell'oscilloscopio sono le seguenti:
- 2 ingressi analogici
- frequenza massima di campionamento: 2Msps
- ampiezza di banda analogica: 320kHz
- risoluzione su 8 bit
- dimensione buffer per ogni canale: 256
- impedenza di ingresso pari ad 1MΩ
- tensione segnale in ingresso: ±10V
Le caratteristiche relative all'analizzatore di segnali logici sono invece le seguenti:
- 8 ingressi digitali
- velocità massima di campionamento pari a 2Msps
- protocol sniffer per comunicazioni UART, I2C, SPI
- resistenze di pull up o pull down interne
- dimensione del buffer: 256
- livello di tensione pari a 3.3V
Infine, le caratteristiche relative all'AWG (Arbitrary Waveform Generator) sono le seguenti:
- 1 ingresso analogico
- velocità massima di conversione pari ad 1Msps
- banda analogica pari a 44.1kHz
- risoluzione su 8 bit
- dimensione buffer: 256
- tensione di uscita: ±2V
- funzioni sinusoidale, triangolare, ed onda quadra con ampiezza, frequenza, offset e duty-cycle regolabili
Completano il quadro la presenza di una funzionalità di analisi FFT (Fast Fourier Transform), non comune su un dispositivo di questo livello.
Ed il prezzo? Sul sito del produttore (gabotronics) il modulo viene attualmente offerto, per quantità da 1 a 9 pezzi, al prezzo di 49$ (poco più di 30 euro al cambio attuale), spese di spedizione escluse.
Possiamo farci un'idea pratica sulle capacità offerte da questo interessante modulino guardando i due video seguenti. Il primo video offre una panoramica delle varie funzionalità disponibili sul modulo Xprotolab.
Quest'altro video da invece una dimostrazione della funzionalità di "sniffer", in questo caso applicata al protocollo I2C (davvero sorprendente).
Concludendo possiamo senz'altro affermare che Xprotolab rappresenta un dispositivo miniaturizzato ed economico molto interessante per tutti i progettisti (sia hardware che firmware), utilizzabile in tempi rapidissimi (basta una comune breadboard). C'è poi un importante valore aggiunto in questo prodotto (in piena filosofia Elettronica Open Source): sul sito del produttore sono disponibili sia gli schemi elettrici che i sorgenti del firmware.
Non credo che sia impossibile per uno che pratica l’elettronica a livello non industriale (non ho usato apposta l’aggettivo hobbistico, perchè penso che se uno si mette a progettare sistemi di questo tipo non è uno che lo fa solo per passione, ma uno che ha studiato e agisce con cognizione di causa),
infatti basta un’attrezzatura un pò decente e tanto tempo per riuscire a ottenere risultati ottimi. Io affiderei la gestione nel complesso a un microcontrollore, per mantenere il più possibile semplice buona parte dello sviluppo, poi incentrerei le operazioni di calcolo su una FPGA oppure le affiderei a uno di quei chip che operano da coprocessore logico o matematico. La via della FPGA però mi sembra più plausibile. Per il buffer ci sono tutti i moduli di ram che uno vuole, c’è solo l’imbarazzo della scelta. Mouser ad esempio propone oltre 3000 articoli appartenenti alla categoria sram, e oltre mille per le dram, e i tempi di accesso scendono fino a 0,3 nanosecondi, quindi diciamo che non è la scelta che manca. Per l’analogico c’è tutto quello che si vuole. Quando stavo progettando per me avevo trovato a buon mercato un amplificatore operazionale con 800MHz di banda, che è decisamente più di quella necessaria. La difficoltà se così si può dire è realizzare un filtro antialiasing in ingresso, e mantenere costante l’impedenza d’ingresso al variare della frequenza. Per frequenze molto alte è necessario anche uno studio dal punto di vista elettromagnetico del sistema, è facile infatti che venga a crearsi accoppiamento tra le piste del circuito, e a occhio e croce sarebbe meglio evitarlo…
Per quel che riguarda il package dei circuiti integrati, certo io non vorrei trovarmi davanti un BGA, ma entro certi limiti anche il BGA è gestibile con attrezzature casalinghe. La difficoltà maggiore starebbe nell’apporre la quantità giusta di stagno sulle piazzole. Certo se distano tra di loro un decimo di millimetro, è abbastanza improbabile che funzioni tutto, ma se le palline stanno a una distanza ragionevole, non c’è problema. Con un kit ad aria calda si può preriscaldare la basetta e poi effettuare il reflow in un forno tradizionale a una temperatura adeguata. Oh, male che va uno partecipa a marzuino e cerca di vincere il montaggio della AES… 🙂
Comunque se l’idea è veramente valida uno ce li spende dei soldi per stampare presso un’azienda il proprio circuito. Magari ne stampa anche di più e se li rivende…
Per quel che riguarda la sezione visualizzazione io per il mio progetto stavo pensando di utilizzare una televisione, infatti il sistema di comunicazione utilizzato nelle prese scart è molto semplice, e non è difficile accedervi. In realtà ho valutato anche la possibilità di utilizzare un’uscita VGA per collegare un monitor per computer. Credo che questa soluzione sarebbe stata decisamente migliore da tutti i punti di vista, ma mentre mi stavo documentando ho abbandonato tutto. Mi è dispiaciuto molto perchè le idee c’erano, e avevo anche fatto un bel pò di disegni di schemi e scritto un pò di codice, ma la vita da universitario non permette certi lussi. Mi è dispiaciuto molto dover abbandonare tutto, ma non avevo strumenti e tempo. era un’impresa impossibile
Si, è un bel progetto ma solo a livello didattico, perché al di là della banda audio non si misura nient’altro. Come al solito, Atmel è al primo posto tra i microcontrollori per questo genere di applicazioni
Peccato per la banda così ridotta, serve a poco, giusto a verificare qualche segnale, almeno 10 Mhz di banda doveva averli per poterlo utilizzare in qualche applicazione. Comunque per chi inizia non è male il prezzo è abbastanza contenuto e mi sembra facile da utilizzare.
Si, magari è vero che al di la della banda audio non misura nient’altro (lo devo ancora provare) ma come dice nell’articolo questo prodotto non vuole competere con gli strumenti professionali ma piuttosto, vuole dare la possibilità agli “smanettoni dell’hardware” di avere uno strumento di debug simile ad un oscilloscopio ad un prezzo accessibile.
Oltre la banda alquanto ristretta, mi sembra che la risoluzione del display e le sue dimensioni non permettono valutazioni sulle misure attendibili.
Quoto pienamente la tua considerazione sulla risoluzione. Comunque come si faceva notare precedentemente, questo oscilloscopio è nato essenazialmente come progetto didattico per dimostrare cosa sia possibile implementare con l’evaluation board mostrata nell’articolo. infatti, con tutto l’harware disponibile, si potrebbe pensare di realizzare, ad esempio, anche un lettore MP3 oppure un equalizzatore audio che visualizza sul display OLED l’andamento delle bande in terzi di ottava, equipaggiando ed impreziosendo un qualunque amplificatore di un monitor dall’aspetto altamente professionale. L’applicazione dell’oscilloscopio è quella che fa gola a tanti, visto che c’è gente che lavora in ambito audio dove la banda dello strumento proposto è più che sufficiente per le sue misure e valutazioni in questo campo(anche in questo caso non sono assolutamente necessarie risoluzioni da paura, anche perchè è poco risoluto l’andamento grafico, ma tramite dei marker si riesce comunque a tirar fuori i numeri rappresentativi la tua misura). Poi il costo è davvero irrisorio. Se consideri che arduino2009 costa sulle 25 €(non sono aggiornato sui costi attuali della scheda, ma penso che non ci si discosti di tantissimo dalla cifra che ho citato) mentre tutto questo starterkit (perchè mi piace vederlo così) sta all’incirca sulle 30€, diciamo che può convenire acquistarlo pensando anche a tutto ciò che si può riuscire a fare…
Sembra un oggettino davvero interessante. Sarebbe interessante avere qualche parere da qualcuno che l’ha provato! Di sicuro il prezzo non è proibitivo e si prospetta un oscilloscopio dalle buone qualità!!!
Il fatto che il prezzo sia così basso dovrebbe convincerti del contrario se parliamo di qualità dello strumento. Come ho già avuto modo di far notare in precedenza, più che per essere utilizzato come vero e proprio oscilloscopio, questo hardware si presta molto bene ad essere utilizzato come starterkit per sviluppare applicazioni con i micro Atmel. Dispone di tutto il necessario per creare un oscilloscopio a banda molto limitata (non si va oltre la banda audio) ma anche per realizzare dell’altro, come un lettore mp3, un analizzatore di spettro a bande in ottava per poter equipaggiare un qualunque equalizzatore o amplificatore, ecc…insomma, è un hardware pensato per fare del mixed signal analogico / digitale a bassa frequenza…il suo costo sicuramente irrisorio lo rende alla portata di tutte le tasche, addirittura se si pensa alle possibili applicazioni e all’hardware di cui è equipaggiato (prima tra tutti il dispay grafico OLED), questo sistema di sviluppo risulta più economico dello stesso Arduino. Quindi, a meno che non ci si limiti a misurare segnali audio, con questo oscilloscopio non ci fai davvero nient’altro…
se hai letto l’articolo c’è scritto che campiona a 1MS/s e che la banda passante è 320kHz, la banda audio invece si estende fino a 20kHz. Comunque a questa frequenza di campionamento è possibile analizzare molti protocolli di comunicazione seriale! è davvero fico! Poi considera che ha anche la FFT! è un valore aggiunto notevole!
Secondo me il limite principale di questo strumento è la dimensione del display! nelle immagini si vede che è praticamente grande come un coccodrillo… Se il display fosse più grande sarebbe davvero usabile. Certo non in ambito professionale, ma per un uso più o meno hobbistico o didattico potrebbe essere davvero utile. Probabilmente chi tra i lettori ha detto che si limita alla banda audio, sta considerando solo il generatore di segnali, visto che con la frequenza di campionamento di un MS/s riesce a trattare segnali fino a 320kHz. Il limite di 44 kHz riguarda il generatore di segnali. Comunque ripeto: abbinato a un display di dimensioni maggiori sarebbe davvero utile. Bisogna considerare che ha implementati sistemi come la FFT che non è presente nemmeno in oscilloscopi “classici” di fascia bassa, la differenza di fase tra due segnali che secondo me è utilissima per caratterizzare le funzioni di trasferimento e i diagrammi di Bode di un sistema amplificatore. Poi c’è anche il generatore di segnali che non si trova praticamente su nessun oscilloscopio commerciale. Di recente mi pare che la Agilent ha prodotto qualcosa in quel senso, vendendo un oscilloscopio con generatore di forme d’onda arbitrarie, ma sono casi più unici che rari.
Io stesso un pò di tempo fa stavo pensando di mettermi a realizzare un mini oscilloscopio più o meno come questo, ma la carenza di strumentazione e di tempo mi ha impedito di proseguire oltre il disegno di qualche circuito. Tra le varie idee c’era anche quella di usare un tubo catodico come visualizzatore, e infatti mi sono anche procurato un paio di TV usate, ma alla fine non ho più fatto niente 🙁
infatti… andrebbe bene per iniziare con l’elettronica o iniziare a conoscere un oscillposcopio o semplicemente per giocherellare in casa con segnali audio o qualcosina di più… 🙂 per 30 euro ci si possono fare abbastanza cosette, mi piace
Dato il costo proibitivo di un oscilloscopio, anche io tempo fa avevo deciso di costruirmene uno conscio del fatto, però, che non sarebbe mai stato all’altezza di quelli professionali. Il primo problema con cui mi si scontra è la scelta del campionatore. Se si vuole una frequenza di campionamento di almeno 100MS/s (per una banda in analogico non superiore ai 10MHz) è necessario adottare compionatori il cui package è fortemente proibitivo per l’hobbista o per i lavori homemade. Sul sito della Maxim c’è una vasta scelta come anche sul sito della Analog Device, ma ripeto il problema essenziale sta nel fatto che andando su con la frequenza di campionamento, i package di questi componenti si adattano di conseguenza (diventano sempre più piccoli e contenuti). L’idea iniziale era quella di creare un hardware modulare in modo da poter estendere il numero di canali a proprio piacimento fino ad un massimo di 4. Il circuito di trigger avevo deciso di realizzarlo tramite una CPLD, in commercio se ne trovano di economiche e anche l’hardware necessario per configurare questi device non è niente di così costoso o ostico da realizzaare. Ovviamente, come in tutti gli oscilloscopi digitali, occorreva implementare un buffer circolare su cui andare a salvare i campioni acquisiti dal cmpionatore. Avevo pensato ad una Dram o Sram di qualche kbyte, sufficienti per visualizzare su display un’onda con una risoluzione temporale minima più che buona. Il display ancora oggi lo sto definendo, sicuramente uno grafico ma non ho ancora definito la tipologia. Ovviamente, in funzione del display da utilizzare va scelto anche il microcontrollore adatto. Non ho grande dimistichezza con le architetture a 32bit, anche se sono abbastanza sicuro che con un cortex, ad esempio, potrei fare tantissimo, anche la gestione del trigger che precedentemente avevo detto di lasciare ad un CPLD. Sarebbe interessante se più appassionati di elettronica, microcontrollori e programmazione trovassero il tempo per portare avanti la realizzazione di un oscilloscopio totalmente Open SOurce.
Sicuramente ha i suoi difetti.. ma per me, per uno che è davvero ai nastri di partenza è fin troppo evoluto xD