Apprenez à maîtriser les signaux et les systèmes avec l'Analog Discovery 2

Êtes-vous un utilisateur du boitier Analog Discovery 2 qui l'exploitez uniquement comme outil pour la mesure sur vos circuits ? Ou avez-vous l'impression que l'Analog Discovery 2 est exclusivement destiné à être utilisé dans des cours d'introduction à l'ingénierie?
 
Si l'une des situations ci-dessus vous concerne, il se peut que vous ne tiriez pas parti des capacités complètes de la découverte analogique. Selon un article d'une équipe de professeurs de la  Milwaukee School of Engineering, de nombreux utilisateurs ne sont pas conscients du plein potentiel de l'Analog Discovery 2
  
L'article, qui met en évidence la prévalence de la découverte analogique dans les cours de circuits d'introduction, remet en question l'idée de la découverte analogique comme un simple outil de première année. Il illustre le potentiel de l'Analog Discovery 2 en démontrant l'efficacité de l'utilisation du même outil dans les cours de niveau supérieur, y compris l'électromagnétisme, le traitement numérique du signal, les signaux et les systèmes, les cours sur les systèmes de communication et de contrôle. 

«La littérature sur la formation des ingénieurs a montré beaucoup d'intérêt pour le boitier Analog Discovery 2, bien qu'à ce jour l'accent ait été mis sur les cours de niveau inférieur. Un accent particulier a été mis sur les circuits d'introduction et les cours de logique numérique, où cet outil est utilisé comme un simple substitut d'oscilloscope / générateur de signal. Steven S. Holland, Cory J. Prust, Richard W. Kelnhofer et Jay Wierer

Les auteurs affirment que la portabilité et les fonctionnalités avancées du boitier Analog Discovery 2 sont ce qui lui permet d'être un outil si puissant dans le programme d'études. Cependant, la mise en œuvre réussie de l'outil dépend de la compréhension des limites techniques de la découverte analogique, de la façon de concevoir des expériences dans ses limites et de lier l'expérience à l'endroit où elle est appropriée dans les cours. Cet article détail tous ces éléments en détail.
 
L'attractivité de l'Analog Discovery 2 dans le programme éducatif a augmenté ces dernières années, en grande partie en raison de l'omniprésence des ordinateurs portables et des ordinateurs sur les campus (ce n'est plus autant un obstacle pour les étudiants d'avoir un ordinateur). L'usage en tant qu'instrument abordable s'interfaçant via USB à un ordinateur ou un «studio mobile» s'est déjà avéré efficace dans de nombreux cours sur les systèmes embarqués utilisant des plates-formes de microcontrôleur à faible coût. La portabilité permet l'expérimentation en cours et les devoirs pour les cours qui peuvent ne pas avoir avoir lieu dans un laboratoire. De plus, l'interfaçage direct avec un ordinateur présente certains avantages: les données de mesure peuvent être facilement exportées vers des fichiers de données sur un ordinateur, ce qui permet de traiter ou de tracer des données et les étudiants peuvent écrire des scripts pour automatiser les mesures.
  
 

 
 
Les limites techniques doivent être prises en considération lors de la conception des expériences, mais il est important de noter que pour de nombreuses expériences, ces spécifications sont acceptables. Chaque expérience en génie électrique ne nécessite pas de capacité de mesure calibrée de qualité industrielle et les avantages pédagogiques du boitier Analog Discovery 2 l'emportent sur la nécessité d'une fidélité absolue dans les mesures.
  
 
Cet article passe ensuite en revue des exemples directs de cas où les fonctionnalités de la découverte analogique correspondent bien aux cours de niveau supérieur. Les auteurs donnent un exemple, puis une expérience en laboratoire avec chacun des cours.
 
Voici quelques exemples:
 

En électromagnétique:
 
Objectif : Les élèves visualisent et comprennent les concepts de ligne de transmission (ligne T).

Fonctions de découverte analogique nécessaires :  oscilloscope, générateur de forme d'onde et analyseur de réseau.
 

Exemple d'usage en laboratoire:
les élèves mesurent l'impédance d'entrée sur un câble coaxial de 50 ohms dans le domaine temporel. Ceci explore le sondage des câbles, les réflexions et les retards à l'aide de diverses charges de résistance. Les élèves expliquent pourquoi un multimètre ne mesure pas l'impédance caractéristique correcte d'un câble. L'expérience ouvre des opportunités pour démontrer le retard du câble, sa relation avec la longueur, les changements d'amplitudes des ondes dues aux concepts d'impédance de charge et de réflectométrie temporelle (TDR). L'auteur propose d'autres tests à ajouter en incluant des emplacements de défauts inconnus le long d'un câble coaxial. Utilisation de la fonction Network Analyzer sur le boitier Analog Discovery 2, les élèves peuvent mesurer l'amplitude et la phase. Ils peuvent également utiliser cette fonction pour observer d'autres phénomènes électromagnétiques tels que le couplage dans des bobines inductives, la diaphonie entre des lignes T parallèles étroitement espacées et l'impédance parasite. La seule contrainte dans ces expériences est de sélectionner des composants avec des fréquences auto-résonnantes inférieures à la bande passante [30 MHz]. L'auteur énumère cette limitation comme une opportunité pour le renforcement d'approximations de composants localisés qui sont souvent considérés comme acquis à des fréquences plus basses. 
     
 
Captures d'écran d'expériences électromagnétiques utilisant la découverte analogique.
  
  
  
En électronique: 
 
Objectif: Les étudiants approfondissent leur compréhension des circuits redresseurs et des concepts d'amplificateurs. 
 
Fonctions de découverte analogique requises :  oscilloscope, générateur de forme d'onde, analyseur de réseau, analyseur de spectre et alimentations (si vous utilisez l'Analog Discovery 2).
 

Exemple de laboratoire :
Les élèves commencent par mesurer la fonction de transfert avec un ampli op et avec l'analyseur de réseau du boiter Analog Discovery 2 (une tâche qui est normalement fastidieuse car les élèves doivent prendre point par point, mais avec l'analyseur, cela ne prend que quelques secondes). Ensuite, les élèves peuvent expérimenter différents types d'amplificateurs, en comparant les résultats mesurés aux résultats théoriques. L'analyseur de réseau possède plusieurs fonctions intégrées pour les filtres, qui permettent aux étudiants de voir la dépendance en fréquence de la résistance de sortie en boucle fermée de l'ampli op. Les étudiants suivants peuvent étudier la distorsion de la forme d'onde (THD) d'un amplificateur de tension. Les étudiants doivent évaluer différents niveaux d'écrêtage sur le THD afin de développer une compréhension des amplificateurs pratiques (la plupart des amplificateurs sont non linéaires dans une certaine mesure, ce qui diffère des amplificateurs linéaires théoriques souvent axés sur les cours). Ensuite, les élèves peuvent examiner les redresseurs en pont pleine onde du point de vue des fréquences, à l'aide de l'analyseur de spectre. En combinant le générateur de forme d'onde avec l'analyseur de spectre, les élèves peuvent expérimenter avec des filtres, renforcer les concepts de Fourier et souligner comment le circuit redresseur génère de nouvelles composantes de fréquence.
 

   


En traitement numérique du signal:
 
Objectif : les étudiants accèdent aux caractéristiques et aux performances de leurs implémentations de filtres par rapport aux prédictions théoriques et aux simulations. Les fonctions analyseur de réseau et générateur de forme d'onde du boitier Analog Discovery 2 seront nécessaires. 
  
Exemple de laboratoire:  Pendant le cours DSP, les étudiants sont invités à concevoir des implémentations et des tests de filtres numériques fonctionnant sur du matériel DSP en temps réel. Les étudiants utilisent la fonction Network Analyzer de l'analog Discovery 2 pour tester leurs conceptions et déboguer leurs implémentations. Les élèves explorent les concepts de limites de bande passante imposées par les filtres anti-alias et étudient les réponses de phase dans le système par rapport à la théorie. 
 
 
  
 
 
Dans les signaux et les systèmes: 
   
Objectif:  Dans l'établissement des auteurs, ce cours n'a pas de volet laboratoire. Cependant, permettre aux étudiants de visualiser l'intégrale de convolution et d'utiliser les capacités FFT permet d'augmenter l'expérience de cours.
  
Fonctions de découverte analogique nécessaires: analyseur de réseau, générateur de forme d'onde et oscilloscope.
 
Exemple de laboratoire: les élèves peuvent appliquer un signal d'impulsion basse fréquence, avec de courtes impulsions à l'entrée d'un système afin d'approximer la réponse impulsionnelle d'un système. Ensuite, les étudiants peuvent utiliser la capacité FFT du programme Oscilloscope pour analyser le spectre de certains signaux périodiques.

 

  

 
Dans les systèmes de communication :
  
Objectif: aider les élèves à visualiser les techniques de modulation du signal (par exemple, l'amplitude, la fréquence, la modulation de phase) pour comprendre à la fois dans le domaine temporel et fréquentiel.
 
Fonctions de découverte analogique nécessaires:  générateur de forme d'onde, analyseur de spectre et fonction d'exportation.
   
Exemple de laboratoire: les élèves visualiseront de nombreuses formes d'onde modulées à l'aide de la fonction Analyseur de spectre. En utilisant le générateur de forme d'onde, l'étudiant peut modifier les paramètres de forme d'onde et visualiser le signal dans l'analyseur de spectre. Si l'étudiant souhaite visualiser davantage la forme d'onde, les données peuvent être exportées vers un logiciel de visualisation (tel que MatLAB ou Multisim). La création d'exemples interactifs de devoirs peut aider à illustrer les concepts de modulation de fréquence.

 
 
 
Dans les systèmes de contrôle:
 
Objectif: Permettre aux élèves de modéliser en générant des graphiques de réponse en fréquence expérimentaux pour un système particulier.
 
Fonctions de découverte analogique requises:  générateur de forme d'onde, oscilloscope et analyseur de réseau.
  
Exemple de laboratoire: dans la configuration étudiante des auteurs, ils utilisent un laboratoire de contrôle doté d'un système de contrôle de servomoteur. Certaines expériences ont amené les élèves à construire des contrôleurs analogiques pour s'interfacer avec l'amplificateur de puissance et les capteurs de l'usine. Les élèves sont invités à modéliser des systèmes et peuvent utiliser l'analyseur de réseau pour afficher les réponses en fréquence et caractériser les servomoteurs. Toutes les données peuvent être exportées et envoyées à d'autres logiciels de visualisation.
  

    
Lorsque nous examinons tous les cours mentionnés dans cet article, nous voyons que l'utilisation de la découverte analogique peut potentiellement s'étendre sur plusieurs années à l'intérieur d'un programme, des cours d'introduction jusqu'aux classes de niveau supérieur. 
 
 

  

Bien que les auteurs détaillent le potentiel inexploité de l'appareil, ils  ne préconisent pas d'utiliser le boitier Analog Discovery 2 pour remplacer entièrement l'équipement de banc, en particulier lorsque les limitations de la bande passante ou du bruit sont un facteur. Cependant, en tant que méthode pour ajouter des expériences de laboratoire aux salles de conférence où l'espace est limité ou pour permettre aux étudiants d'accéder gratuitement à l'équipement au-delà des espaces de bureau physiques, l'Analog Discovery 2 est un outil pédagogique puissant à considérer pour les enseignants.
  
Après avoir examiné l'article et les affirmations qu'il a faites, Digilent, peut déclarer officiellement que nous ne pouvons pas être plus d'accord.

Après tout, Digilent a conçu l'Analog Discovery 2 pour être un outil qu'un étudiant porterait dans son sac à dos de sa première année à sa carrière professionnelle.
 
C'est pourquoi Digilent l'a conçu avec du matériel haute performance, comme un convertisseur 14 bits, et inclus des outils avancés dans le logiciel (y compris un analyseur de réseau vectoriel et un analyseur de spectre). Digilent a également ouvert un moteur de script permettant aux utilisateurs d'interagir avec le matériel d'une manière qui va au-delà de ce que nous avions initialement fourni. L'Analog Discovery 2 était destiné à être le compagnon portable incontournable pour quiconque nécessitant une instrumentation électronique et non seulement à être une alternative bon marché à un équipement de paillasse pour un cours de circuits.

 
  
 
Le plein potentiel de l'Analog Discovery 2 semble être l'un de ses secrets les mieux gardés , mais avec un travail perspicace  tel que ce document, il devient de plus en plus connu. Ce n'est pas seulement l'outil par lequel un étudiant peut commencer, mais c'est un outil qui peut être utilisé tout au long de sa carrière dans l'industrie. 
 
 
Pour lire le document complet et obtenir plus d'informations sur:
 
- Les expériences spécifiques.
- Contraintes en détail.
- Analyse technique.
- Recommandations des auteurs sur les considérations de conception de l'expérience à faire.
 
Veuillez visiter : https://peer.asee.org/effective-utilization-of-the-analog-discovery-board-across-upper-division-electrical-engineering-courses
  
 

 
 
Remarque:  Si vous avez hâte d'explorer la découverte analogique par vous-même, n'hésitez pas à l'acheter sur notre site web. De plus, vous pouvez utiliser une démo du logiciel WaveForms gratuitement et voir par vous - même les véritables capacités de cet appareil étonnant !

Crédit : @Digilent Inc
Traduction du blog de Larissa Swanland 
https://blog.digilentinc.com/your-analog-discovery-may-be-underperforming-in-your-curriculum/