La strumentazione per le misure e il collaudo di sistemi elettronici è una componente fondamentale dei tool che lo sviluppatore ha a disposizione per attuare l’attività di progettazione di sistemi elettronici in maniera efficiente ed efficace. L’evoluzione della strumentazione ha focalizzato la sua attenzione proprio su queste due peculiarità, efficienza ed efficacia, sfruttando al meglio l’evoluzione dell’elettronica cui era destinata la strumentazione stessa. Così, mentre si affermava sempre più la tecnologia digitale ad altissima integrazione e altissime frequenze operative di clock, anche la strumentazione è evoluta dall’analogica al digitale adottando le stesse tecnologie di microcomputing oggetto della progettazione assistita da strumentazione. La strumentazione può essere analogica o digitale, non tanto per la natura dell’elettronica di cui è costituita, quanto per il modo di presentare la misura, in modalità continua (strumentazione analogica) su scala graduata, e in modalità discreta (strumentazione digitale) tramite cifre numeriche. La sostanziale differenza tra le due soluzioni sta nella maggiore corrispondenza della misura alla fisica del processo misurato nel caso della strumentazione analogica e nella maggiore leggibilità della misura del processo misurato nel caso della strumentazione digitale. Ciò anche in conseguenza del fatto che la strumentazione digitale si avvale della tecnologia analogica (front-end analogico) per pervenire alla discretizzazione della misura effettuata e la relativa presentazione numerica o grafica-discreta. Un aspetto fondamentale dell’evoluzione della strumentazione è stato determinato dalla disponibilità di sistemi di computing personali molto potenti e a basso costo. La strumentazione Pc-based è diventata una interessante alternativa alla strumentazione stand-alone, soprattutto quando si sono rese disponibili ampie e variegate famiglie di schede add-on per Pc per acquisizione di segnali. Questo tipo di strumentazione innovativo, anche se con qualche significativo limite di potenza operativa, ha permesso di ottenere un importante avanzamento nel processo di misura, cioè all’automazione delle misure, grazie alle illimitate prerogative di programmazione offerte dalla piattaforma Pc.
Generatori di segnali
I generatori di segnali rappresentano una categoria importante di strumentazione fondamentale per la progettazione e il test dei sistemi, soprattutto quelli di natura embedded. La categoria dei generatori di segnali è molto ampia: dai generatori arbitrari di forme d’onda a quelli generatori di forme d’onda logiche (logic pattern). I primi generano forme d’onda analogiche e servono per il test di circuiti analogici o per simulare segnali catturati dai sensori, i secondi generano forme d’onda digitali (logiche: alto-basso) finalizzate al test dei sottosistemi digitali dei computer, per esempio i bus. I generatori di funzioni, detti anche generatori di forme d’onda generano segnali a forma d’onda semplice come (l’onda quadra, l’onda triangolare, l’onda impulsiva, l’onda sinusoidale, l’onda a rampa (dente di sega), la sweep sinusoidale, tutte utili alla misura della risposta allo stimolo dei sistemi, a caratterizzare i filtri tramite la risposta in frequenza (utilizzando la modalità di generazione a sweep), a generare una sorgente di clock (onda quadra), e per altre tecniche di testing dove sono necessari segnali di stimolo ad onda periodica. I generatori di forme d’onda utilizzano comunque il metodo digitale per la generazione della forma d’onda offrendo in tal modo una grande flessibilità relativamente al controllo dei parametri caratteristici dell’onda generata (frequenza, ampiezza, fase, morfologia - spettro frequenziale). I generatori di funzioni sono in grado di generare un numero limitato di funzioni che implementano la forma d’onda del segnale sintetizzato. La tecnologia più avanzata di generazione di funzioni per la sintesi di segnali è la cosiddetta Direct Digital Synthesys. I generatori di segnali a forma d’onda arbitraria sono una versione particolarmente flessibile che consente all’utilizzatore di definire a piacere la forma d’onda da conferire al segnale sintetizzato. Ciò grazie alla disponibilità di una porzione di memoria editabile anche in maniera grafica, in cui il generatore tiene la descrizione campionata della forma d’onda da generare e vi accede in modalità table look-up. Le famiglie di generatori di segnale Pxi e Pci di National Instruments comprendono generatori di forme d’onda arbitrarie molto versatili, capaci di generare di funzione e segnali vettoriali per il test di sistemi Rf e per generare sinusoidi e segnali di sincronismo o di forme d’onda combinate I/Q complesse per il test di comunicazione. La strumentazione Pxi di National Instruments è di natura modulare in quanto è basata sull’innovativo sistema a bus per la strumentazione, noto appunto come Pxi. Questo approccio alla strumentazione ha svariati vantaggi rispetto alla strumentazione stand-alone, o cosiddetta desktop. Il principale vantaggio è la maggiore semplicità di automazione del processo di misura e test. Un altro vantaggio non trascurabile è quello della maggiore economicità del complesso di misura e test, in quanto ogni modulo svolge una funzione di misura e test completo come uno strumento desktop, ma rispetto a questo risulta meno complesso in quanto non necessita di componenti elettronici dedicati come l’alimentatore, il display, la memoria in quanto disponibili come risorse condivise del sistema di misura modulare e distribuito.
Analizzatori di spettro
Gli analizzatori di spettro rappresentano una categoria di strumenti di misura e test fondamentali per la progettazione dei sistemi elettronici. Questi strumenti consentono al progettista di osservare il comportamento del sistema nel dominio di misura delle frequenze senza gli effetti collaterali che altri strumenti di misura comportano in conseguenza di artefatti di misura tipici dell’analisi frequenziale. Dato che l’analisi frequenziale è un’attività di elaborazione dell’informazione di segnale intensiva e complessa, gli analizzatori di spettro si avvalgono delle più avanzate tecnologie di signal processing, sia nel dominio analogico che in quello digitale. Nel dominio digitale, la frequenza di campionamento del segnale oggetto di misura frequenziale è uno dei parametri di riferimento per valutare l’adeguatezza dello strumento alla natura del sistema cui il processo di analisi e misura deve essere applicato. Per ottenere livelli di precisione soddisfacenti per gli analizzatori di spettro digitali, le frequenze di campionamento devono essere molto superiori a quelle tipiche della banda passante del sistema di riferimento e anche la precisione numerica (numero di bit di quantizzazione) deve essere elevata al fine di garantire un ottimo rapporto segnale/rumore nelle misure. Per offrire queste prestazioni, l’analizzatore di spettro deve adottare tecnologie microelettroniche più avanzate di quelle allo stato dell’arte della microelettronica (in genere soluzioni custom e proprietari) implementate in strumenti di misura dedicati.
Analizzatori di stati logici
Gli analizzatori di stati logici sono strumenti di misura e test di circuiti logici digitali, che catturano e visualizzano la molteplicità dei segnali logici che caratterizzano il funzionamento dei circuiti digitali, soprattutto quelli a microprocessore (attività logica del bus, delle memorie, delle periferiche, delle system clock, ecc.). Il vantaggio dell’analizzatore di stati logici sta nella presentazione grafica delle misure, nella capacità di decodificare i protocolli, di tracciare gli stati della macchina logica, di trascrivere il codice binario di programmazione in codice assembler simbolico (testo), ecc. L’analizzatore di stati logici è quindi uno strumento fondamentale per il debug dei circuiti elettronici digitali e, considerando l’elevata velocità operativa dei circuiti digitali di ultima generazione, per esempio le logiche programmabili di natura Fpga, l’analizzatore di stati logici deve implementare le più avanzate tecnologie di misura da strumentazione allo stato dell’arte. Gli analizzatori di stati logici sono disponibili in varie versioni. La versione modulare prevede sistemi a chassis con modulo display, modulo tastiera e singoli moduli di misura combinabili tra loro per ottenere una configurazione di test e misura adatta allo specifico problema di debug. La versione portatile comprende sistemi di misura completamente integrati che includono in maniera predefinita tutte le opzioni di misura, mentre la versione Pc-based consiste di un hardware per la cattura degli stati logici e il trasferimento a un Pc per la presentazioni grafica, l’elaborazione e la programmazione della misura, tramite interfaccia bus Usb o Ethernet. L’utilizzo dell’analizzatore di stati logici consiste nella cattura di complesse sequenze logiche sulla base di una procedura di triggering.
