Equipo esencial de prueba y medición para un laboratorio casero profesional

Para algunos de nosotros, el trabajo en casa puede ser una realidad extendida más allá de 2020. Necesitará las herramientas adecuadas para lograr sus objetivos.

Una de las realidades de 2021 es que muchos ingenieros todavía están atrapados en casa con todos los gadgets y artilugios geniales acumulando polvo en el trabajo. ¿Cómo seguirá siendo productivo en el nuevo mundo en el que vivimos? ¿Cuánto trabajo puede hacer en casa? Eso dependerá de sus proyectos. Necesitará las herramientas adecuadas para lograr sus objetivos.

La logística de llevar equipo de prueba y medición a casa

Muchos maestros de kindergarten que han llevado a su clase a crear esculturas de macarrones le dirán: "Solo hay tanta basura que puedes hacer con basura". Eso también es cierto para herramientas y equipo de prueba. Si no puede ir a trabajar, ya sea usted o su empleador tendrán que abrir la cartera para traer el trabajo a casa.

Si su empleador proporciona un estipendio para el equipo, debería poder conservarlo y depreciarlo en sus impuestos. Pero independientemente de cómo entre el equipo a su casa, podría investigar opciones de seguro; el seguro de propietarios podría no estar interesado en reemplazar un osciloscopio de $50,000 que trajo del trabajo.

Para equipo de prueba de ingeniería eléctrica, recomiendo la filosofía "Cómprelo una vez, llore una vez". Pague por herramientas de calidad que durarán una década o más. Alternativamente, si su empresa tiene un ciclo de desarrollo menos exigente, aproveche una de las muchas empresas de alquiler de equipo de prueba para alquilar el equipo que necesita solo por el tiempo que lo necesite.

Osciloscopios

Trabajo en Advanced Assembly, y mi jefe y yo cada uno tenemos un Tektronix MDO3104 en nuestros talleres caseros. Estos dispositivos multifunción funcionan como osciloscopio, analizador de espectro, generador de funciones, multímetro y algunas otras cosas que aún no he descubierto. Hasta recientemente, este dispositivo valía sustancialmente más que mi auto. Y eso solo porque compré un auto nuevo.

Consecuentemente, soy un poco más conservador con él de lo que probablemente debería ser, y desde que hay un niño nuevo en casa, pasa la mayor parte de su vida encerrado en una caja fuerte a prueba de fuego donde me sirve de poco o nada.

¿Qué ancho de banda necesita?

Su osciloscopio y sonda podrían no tener ancho de banda adecuado para medir cada señal que existe. Por ejemplo, incluso un osciloscopio de 1 GS/s como el MDO3104 no puede realmente capturar un tiempo de subida de 40 ps que sale de un elemento de conmutación GaN.

 

 

Esta captura de un interruptor GaN tiene un tiempo de subida declarado de 40 ps, pero el osciloscopio dice que está más cerca de 280 ps. ¿Pero lo está? Bajemos el ancho de banda y veamos cómo se ve la señal. A 250 MHz de ancho de banda, se ve como una señal completamente diferente, y el osciloscopio tiene un tiempo de subida de 750 ps.

 

 

¿Qué estoy midiendo realmente aquí? Lo único que sé con cierta certeza es que esta es una señal rápida. Está más allá de las capacidades del osciloscopio y las sondas, y mi jefe necesita comprarme un nuevo juguete.

Como regla general muy, muy aproximada, divida su tiempo de subida de componente más rápido entre 0.6 para determinar su ancho de banda necesario (omití pasos sobre discusión de armónicos e incluí solo un pequeño margen de seguridad).

Por ejemplo:

 

$$\text{Ancho de banda osciloscopio} = \frac{0.6}{40\;\text{ps}} = 15\;\text{GHz}$$

 

No tengo idea de por qué he adoptado este dispositivo como mi vaca sagrada. No puede siquiera seguir mis pulsos más rápidos, y las herramientas están hechas para usarse. Pero lo uso cuando se requiere medición cuidadosa, análisis de protocolo o análisis de espectro y sirve bien a su propósito.

Hace un año, estaba montado sobre mi banco de trabajo en un soporte VESA articulado. Y volverá allí de nuevo cuando ya no haya la preocupación de un niño tirando de una sonda de prueba que se ha caído del borde del escritorio.

 

Osciloscopio MDO3104. Imagen cortesía de Tektronix

 

Osciloscopios simples y de bajo costo pueden hacer el trabajo

Afortunadamente, la mayoría de los errores de diseño de placa o errores de soldadura que cometo son estúpidos —un puente de soldadura durante ensamblaje manual, o quizás tengo la huella incorrecta para un IC. Aún no he calculado mal la capacitancia de una línea I2C, y no hay posibilidad, nunca, de que haya conectado un driver UART Tx a un driver UART Tx en otro IC, y cualquiera que diga que lo hice y arruiné la placa es un maldito mentiroso.

Así que el 60% de mis necesidades de depuración pueden ser satisfechas por el más simple de los osciloscopios. Para puesta en marcha de placa, solo necesito saber si hay lógica baja o alta, un voltaje aproximado, o si una línea de datos realmente tiene datos en ella. Para esos propósitos, el más barato de los osciloscopios usualmente puede hacerlo. Cuando la solución de problemas escala a "decodifiquemos algunos paquetes", salen las herramientas de alto nivel.

He llegado a apreciar el tamaño pequeño y utilidad de los osciloscopios de bolsillo. Versiones de 2 canales corren alrededor de $100 y versiones de 4 canales alrededor de $200.

 

 

El osciloscopio digital mini portátil DSO213 de 4 canales. Imagen cortesía de SainSmart

 

Estos dispositivos son pequeños, portátiles y muy limitados en lo que pueden hacer. Suplementan un osciloscopio completamente equipado —no lo reemplazan. Estos no son analizadores lógicos, y no tienen capacidades de análisis de protocolo.

Pero lo bueno es que debido al precio, no tengo reparos en dejar esto alrededor de mi escritorio o llevarlo al garaje para solucionar problemas en mis máquinas CNC. Su trabajo más reciente en la vida fue determinar si la salida en el puerto BNC de una cámara de seguridad era digital o analógica. Eso me dio la idea de que podría ser 3G-SDI.

Una palabra de precaución sobre equipo T&M de bolsillo

Después de que se enamore de los osciloscopios de bolsillo, es probable que sea tentador encontrar todo el equipo de prueba de tamaño de bolsillo en internet y agregarlo a su carrito. Pero le animo a no volverse loco.

Estos dispositivos son más difíciles de usar y son falsificados en masa en el extranjero. También tienen una interfaz de usuario torpe que lleva tiempo acostumbrarse y tienen un rango de frecuencia de operación limitado. Y no puedo imaginar que estén calibrados tan cuidadosamente tampoco.

Analizador de Red Vectorial

Hay analizadores de red vectoriales de tamaño de bolsillo disponibles. Eso significa que son capaces de capturar la amplitud y la fase de una señal. El rango de frecuencia usualmente comienza en 10 kHz y llega hasta 1-1.5 GHz.

Tengo uno para proyectos de antenas de radioaficionado pero no lo uso regularmente para tareas relacionadas con el trabajo. No sé qué tan efectivos o precisos son capturando s-parámetros, pero estoy seguro de que la respuesta es decepcionante. Si tiene experiencia con ellos en un entorno de producción, por favor deje un comentario abajo.

 

El analizador de red vectorial SeeSii (10 kHz–1.5 GHz). Imagen cortesía de SeeSii y Amazon

 

Podría considerar en su lugar el DG8SAQ VNWA 3SE completamente automático, analizador de red vectorial de 2 puertos. Este dispositivo se conecta directamente a su computadora y puede usarse para análisis de dominio temporal, detección de fallas en cables, y coincidencia de red. También tiene alta estabilidad y alto rango dinámico. La frecuencia de operación es de 1 kHz a 1.3 GHz, lo que cubre varias bandas ISM.

 

DG8SAQ VNWA 3 de SDR Kits, un VNA de bajo costo 1.3 GHz. Imagen cortesía de SDR Kits

 

Este es un gráfico S11 de ratio de onda estacionaria (rojo), dB de pérdida (azul), e impedancia (verde). Los gráficos indican que esta antena en particular está sintonizada para 453 MHz, pero debería funcionar adecuadamente a lo largo del rango de 445–455 MHz.

 

Lamentablemente, subir a 3 GHz de frecuencia máxima requiere un equipo serio y requerirá que venda su auto para pagarlo. Subir a 53 GHz requiere que venda un riñón o a su primogénito. Personalmente, recomiendo el niño ya que no puede hacer otro riñón.

Multímetro

El multímetro que elija depende en gran medida del tipo de trabajo que haga. El nivel de precisión, el número de funciones, y registro de datos, entre muchas otras características, son todas opciones disponibles para usted. Pero también debe saber que el multímetro ya no significa simplemente resistencia/capacitancia/voltaje.

¡Existen multímetros con cámaras infrarrojas integradas! FLIR y Fluke ambos tienen modelos disponibles para elegir.

 

El multímetro de imágenes industriales de FLIR, el DM285. Imagen cortesía de FLIR

 

La resolución de la cámara IR podría no ser tan buena como una cámara IR independiente, y el multímetro podría tener especificaciones que no lo presten directamente al trabajo de microelectrónica. Pero si trabaja con dispositivos de voltaje de línea, se puede hacer un argumento convincente para agregar esto a su kit de herramientas.

Si tiene la intención de usar la cámara IR para inspeccionar circuitos electrónicos, debería elegir un modelo diferente con mayor resolución. Una buena regla general es que el ancho mínimo del componente que desea inspeccionar debe ser de 3 píxeles de ancho.

Alternativamente, podría optar por un multímetro de banco capaz de mayor precisión.

 

El multímetro digital de doble pantalla SDM3045X de 4 1/2 dígitos. Imagen cortesía de Siglent Technologies

 

Algo a tener en cuenta es que estos dispositivos, usados con cuidado, duran mucho tiempo. Todavía tengo el mismo multímetro portátil y de banco que compré en RadioShack hace más de dos décadas, y aún funcionan tan bien hoy como cuando eran nuevos —lo cual es decir que puedo verificar voltajes de batería y realizar otras soluciones de problemas básicas.

Considere invertir en algo que planee mantener por mucho tiempo.

Invierta en equipo T&M duradero

Si tiene que solucionar problemas o poner en marcha nuevos diseños, necesita equipo de prueba. No es barato y alguien tiene que pagarlo. Así que su nuevo trabajo es convencer a su jefe de que necesita todas estas herramientas para hacer su trabajo. Eso puede ser difícil, pero tengo una solución simple: solo dígale a su jefe que yo dije que estaba bien.