Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.

zgierzman 10 Dec 2021 20:41 1806 15
Tespol
  • Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.

    O pomiarach prądów małych i dużych było już sporo powiedziane, ale co zrobić, kiedy potrzebujemy mierzyć prądy o dużej dynamice, zmieniające się od od pojedynczych µA do setek mA? Na przykład pobór podczas wybudzenia jakiegoś układu z głębokiego uśpienia i włączenia WiFi?

    Dzięki uprzejmości znajomego miałem okazję pobawić się urządzeniem Power Profiler Kit II od Nordic Semiconductor.

    Według deklaracji producenta oferuje ono pomiar prądu od 200 nA do 1 A, szczegóły techniczne, schematy itp. dostępne są tutaj:
    https://www.nordicsemi.com/Products/Development-hardware/Power-Profiler-Kit-2
    Dorzucam też dokumentację w formie załącznika dla tych, którym nie chce się grzebać na stronie producenta, a chcą poznać szczegóły budowy tego gadżetu.

    Na pierwszy rzut oka urządzenie wygląda na bardzo solidne DIY, z pewnością do wykonania przemysłowego czy laboratoryjnego sporo mu brakuje. Wszystkie złącza to goldpiny, popularne właśnie w samoróbkach albo sprzęcie z Aliexpress. No, ale nie jest to sprzęt za tysiące dolarów, jak jakieś Keysighty czy inne HP, więc nie ma co wybrzydzać. Cena w Mouser to ok 400 PLN.

    Software jest przyjemny dla oka, działa płynnie i robi robotę. Mnie spodobała się funkcja ZOOM. Podczas kręcenia kółkiem myszki wykres rozciąga się i zwęża na boki, jednocześnie automatycznie skalowana jest oś Y. Można to zablokować, wtedy kręcenie kółkiem działa tylko na oś X. Oczywiście jest też kursor, możliwość zapisu danych do pliku, zapisu wykresu w postaci grafiki, itp.

    PPK2 może mierzyć prąd podawany z zewnętrznego źródła (np. bateria), ale również sam może być źródłem zasilania. Napięcie wyjściowe może zawierać się w zakresie 0,8 - 5 V. To bardzo wygodne, bo zmniejsza plątaninę przewodów. W skrajnym wypadku podłączamy badany układ dwużyłowym kabelkiem i to wszystko.

    Do dyspozycji jest też ośmiobitowe wejście cyfrowe, które może pomóc w ustalaniu punktów w czasie. Jeśli nasz układ na przykład zaczyna jakieś obliczenia, to zmieniając stan jakiegoś pinu I/O możemy zaznaczyć ten moment, a potem na wykresie zobaczyć, czy wpłynęło to na pobór prądu.

    Pora więc na test praktyczny, bo to Tygryski lubią najbardziej. Wyciągnąłem swój klon nadajnika do termometru zaokiennego i podłączyłem do PPK2. Miałem kilka pinów I/O wolnych, więc podpiąłem wejścia cyfrowe, ale okazało się to niepotrzebne.

    Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.

    Jako źródło zasilania pracuje PPK2 z napięciem wyjściowym 3,3 V. Termometr to: ATTiny84, czujnik STS30 i jakieś chińskie radio 433 MHz.
    Procesor jest w stanie IDLE, bo inaczej trudno go wybudzić i nie działają liczniki, a pomiar czasu w trakcie uśpienia jest kluczowy.

    Już po chwili na ekranie miałem taki oto obrazek. Widać z niego, że średni pobór prądu to 6,68 mA, maksymalny 44,77 mA, ładunek pobrany ze źródła to 4,28 mC, a całość trwała mniej niż 500 ms.

    Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.

    Wszystko jest jak na dłoni, zoomując można oglądać poszczególne fazy aktywności termometru.

    Początek, to wybudzenie z IDLE (pobór prądu ok 200 µA, co jest zgodne z darasheet, który mówi, że dla zegara 1 MHz, zasilania 3 V prąd wynosi 0,075 - 0,2 mA)
    Czujnik zasilany jest z pinu kontrolera, ale nie widać momentu jego włączenia.
    Dalej są drobne szpilki, to jest transmisja do czujnika temperatury.
    Następnie szersze schody - to z pewnością okres przetwarzania czujnika.
    Znów szpilki, czyli transmisja podczas której odbieram zmierzoną temperaturę.
    Po wyłączeniu czujnika kontroler przygotowuje ramkę do wysłania, i tu można dopatrzeć się różnicy w poborze prądu z czujnikiem włączonym i wyłączonym. Linia pomiędzy przetwarzaniem danych przez czujnik a drugą transmisją jest nieznacznie wyżej niż ta po wyłączeniu czujnika. Raptem 10 czy 20 µA... :-)

    Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.

    Następnie włącza się radio i rozpoczyna nadawanie ramki. Włączenie radia to spory pik, a w czasie transmisji całkowity pobór prądu to średnio 10 mA.

    Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.

    Po wyłączeniu radia procesor jeszcze chwilę działa, ponieważ wysyła dane softwarowym UARTem. Na poniższym obrazku, na dole, widać transmisję na kanale cyfrowym, bo jedno z cyfrowych wejść PPK2 podpiąłem właśnie do tego pinu.
    I po tej sekwencji kontroler znów przechodzi w stan IDLE.

    Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.

    Jak napisałem, pomiary można zapisać w formie plików graficznych, oraz zachować dane do dalszej analizy - w formacie .ppk właściwym dla tego programu, lub wyeksportować do .csv

    Warto wspomnieć, że oprócz logera jest jeszcze tryb REAL TIME, ale w powyższym zastosowaniu jest on mało użyteczny. Albo po prostu nie umiem z niego korzystać. Trudno mi nawet było się zorientować, jak on konkretnie działa, bo szerokość okna to maksymalnie 55 ms, a odświeżane ono jest kiedy prąd przekracza nastawioną wartość. Można też włączyć tryb "single" i wtedy działanie jest analogiczne do trybu "single" w oscyloskopie.

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    zgierzman
    Level 30  
    Offline 
    zgierzman wrote 1591 posts with rating 1193, helped 86 times. Live in city Zgierz. Been with us since 2005 year.
  • Tespol
  • #2
    spec220
    Level 28  
    Taki bajer byłby dobry jakby posiadał jeszcze slot na kartę micro SD, no i możliwość konfiguracji np. na zworkach pomiaru prąd, bądź napięcia.
    Można by wtedy z jakiegoś aku. zasilić rejestrator oraz monitorować nieprawidłowości przez całą dobę...
  • Tespol
  • #3
    Marek_Skalski
    VIP Meritorious for electroda.pl
    W urządzeniu opisanym w temacie podoba mi się większy zakres pomiarowy prądu i większy zakres napięciowy względem tego, które aktualnie posiadam. Poza tym, jest to klasyczny 4-zakresowy wzmacniacz różnicowy, doposażony w ujemne napięcie sterujące bramkami tranzystorów przełączających zakresy. A to powoduje, że napięcie na wyjściu skacze w funkcji prądu obciążenia. Dołożenie kondensatorów w celu złagodzenia skutków maskuje krótkie impulsy prądowe. Ale ogólnie narzędzie wygląda dość dobrze.

    A ja korzystam z tego: Nucleo-LPM01A.
    Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.

    Od 2017 roku LPM01A jest używane oficjalnie do testów CoreMark Low Power, więc można przyjąć to jako pewien standard. Link
    Zakres pomiaru prądu od pojedynczych nA do 50 mA dynamicznie i 200 mA w trybie statycznym. Efektywna częstotliwość próbkowania 3,2 MHz, a pasmo pomiarowe 100 kHz. Od razu wylicza też moc i energię. Ma wejście wyzwalające pomiar i sensowną komunikację z komputerem. Po modyfikacji programu dane można zapisywać na karcie pamięci lub dodać inne funkcje. Kod źródłowy jest dostępny. Napięcie wyjściowe jest regulowane w zakresie od 1,8 V do 3,3 V. Koszt w okolicach 300 PLN z VAT. Podaję tę informację tutaj, ponieważ warto zebrać takie informacje w jednym temacie. Pracuję od roku (w wolnych chwilach) nad podobnym urządzeniem o większej funkcjonalności i wiem już, że zbudowanie ustrojstwa o dużym zakresie pomiarowym w sensie napięciowym, dynamice pomiaru prądu rzędu 1 nA-1 A, z zachowaniem sensownego pasma przenoszenia, nie jest wcale proste. A może ktoś z Was też pracuje nad podobnym urządzeniem?

    edit: Poprawiłem literówki.
  • #4
    zgierzman
    Level 30  
    Zastanawiałem się kiedyś nad użyciem wzmacniacza logarytmicznego. Można byłoby uzyskać duży zakres bez przełączania boczników. I mnie osobiście skala logarytmiczna by nie przeszkadzała.
    Ale zrobienie takiego wzmacniacza od zera to nie moja liga, więc myślałem o czymś takim:
    https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8310.pdf
    I do tego zasilacz, który ma sprzężenie zwrotne na zaciskach wyjściowych, więc spadek napięcia na boczniku nie będzie miał wpływu. Niezależnie, czy układ bierze 1 µA, czy 1 A, na wyjściu będzie zadane napięcie, nie ważne, ile odłoży się na boczniku pomiarowym.
    Zakres od 1 nA do 1 A to ambitne zadanie.
  • #5
    spec220
    Level 28  
    zgierzman wrote:
    Zakres od 1 nA do 1 A to ambitne zadanie.

    Bez wątpienia, zwłaszcza na jednym zakresie pomiarowym oraz dużym próbkowaniu.
    Generalnie tutaj można by podzieli skalę na trzy dynamiczne zakresy 1nA-1uA, 1uA-1mA, i 1mA-1A . Z tym że potrzebny szybki procesor, oraz odpowiedni algorytm który by przełączał zakresy z delikatnym wyprzedzeniem poprzez mostkowanie boczników.
  • #6
    Marek_Skalski
    VIP Meritorious for electroda.pl
    @spec220 Piszesz o rzeczach oczywistych, szczególnie dla klasycznego podejścia z pojedynczym wzmacniaczem różnicowym, którego wyjście jest podłączone do ADC. Dokładnie tak to jest zrealizowane w Power Profiler Kit II. Dla odmiany, w LPM01A znajdziemy 3 wzmacniacze różnicowe i sygnały wyjściowe są podawane na wejścia niezależnych ADC. Dopiero w programie wybierany jest kanał. Ale LPM01A ma dodatkowy układ dynamicznej kompensacji napięcia zasilania, aby zasilany układ nie zauważał spadków napięcia na rezystorach pomiarowych, ponieważ spowoduje to niestabilną pracę, restarty lub wręcz uniemożliwi wykonanie jakichkolwiek pomiarów.
    Poza tym podział zakresów jaki zaproponowałeś nie sprawdzi się w realnych warunkach, ponieważ najmniejsza mierzona wartość to zaledwie 1/1000 zakresu pomiarowego. Nawet dla 16-bitowego przetwarzania oznacza to około 60 wartości, z czego przynajmniej 3 bity to szum. A jeszcze trzeba zostawić margines na offset i zakładkę na kolejny zakres, aby nie przełączać intensywnie zakresów na granicy. Zauważalnie lepsze wyniki otrzymamy przy dynamice zakresu 300:1 lub 240:1.
    Trudności nie wynikają tylko z przełączania zakresów. Jest kilka innych rzeczy, które trzeba wyważyć. Przykładem niech będzie konieczności znalezienia rozsądnego kompromisu między rezystancją kanału tranzystora (dla dużych prądów) i ścieżek, jego prądu zerowego (krytyczny dla pomiarów małych prądów), czasu przełączania (dynamika pomiaru), itp. Inna rzecz to stabilność układu pomiarowego. Mierząc prądu rzędu nA, wystarczy zbliżyć rękę lub umieścić układ w pobliżu źródeł pola elektromagnetycznego i w słabo skompensowanym i zekranowanym układzie pojawią się niestabilne odczyty lub wręcz oscylacje. Podobnie się dzieje, gdy mierzony układ często zmienia tryby pracy skutkujące znaczną zmianą wartości prądu zasilania.
    @zgierzman Też korzystam ze skali logarytmicznej, ponieważ pozwala na wizualizację wielu rzędów wielkości. We wstępnych pomiarach interesuje mnie nie tyle dokładna wartość prądu (2-3 cyfry znaczące mi wystarczają), co możliwość obserwacji prawdziwego cyklu pracy i porównanie różnych algorytmów. Na przykład w niektórych układach bardziej opłaca mi się obsługiwać pomiary z kilku kanałów ADC programowo, niż korzystać z pożerającego prąd DMA.
    Moduły radiowe lub czujniki analogowe podczas włączenia na ogół potrzebują dużo prądu w impulsie i takie urządzenie pozwala mi oszacować wielkość pojemności buforowych.
  • #7
    spec220
    Level 28  
    Marek_Skalski wrote:
    Piszesz o rzeczach oczywistych, szczególnie dla klasycznego podejścia z pojedynczym wzmacniaczem różnicowym, którego wyjście jest podłączone do ADC. Dokładnie tak to jest zrealizowane w Power Profiler Kit II. Dla odmiany, w LPM01A znajdziemy 3 wzmacniacze różnicowe i sygnały wyjściowe są podawane na wejścia niezależnych ADC. Dopiero w programie wybierany jest kanał. Ale LPM01A ma dodatkowy układ dynamicznej kompensacji napięcia zasilania, aby zasilany układ nie zauważał spadków napięcia na rezystorach pomiarowych, ponieważ spowoduje to niestabilną pracę, restarty lub wręcz uniemożliwi wykonanie jakichkolwiek pomiarów.

    Generalnie tak, z tym że kompensacja spadków napięć na rezystorach pomiarowych też ma swoje minusy, lepiej odpowiednio dobrać rezystor na danym zakresie tak ażeby przy maksymalnym prądzie tego zakresu powodował akceptowalny spadek napięcia. Oczywiście nie ukrywam, że kompensacja tego spadku to zły pomysł, aczkolwiek wolałbym aby ten parametr był definiowany przez użytkownika. (kompensacja/ bez kompensacji)
    Co do kilku równoległych linii pomiarowych gdzie odpowiednia linia przejmuje pomiar przy odpowiednim progu mierzonej wartości też jest dobrym rozwiązaniem jak również stosowanym od dawna.

    Natomiast co do sugestii z postu #5 miałem na myśli trochę inny układ niż kolega sugeruje. Najprostszą ilustrację można przedstawić w taki sposób jak na poniższym rysunku... Nie wiem czy do końca to rozwiązanie sprawdzi się przy nA, albo pA, aczkolwiek dla większych wartości nie powinno być problemów...
    Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.
  • #8
    Marek_Skalski
    VIP Meritorious for electroda.pl
    @zgierzman Patrząc na wykresy widać przerzuty sygnału, szczególnie podczas spadku mierzonych wartości. Czy testowałeś dynamikę tego układu za pomocą generatora przebiegu prostokątnego?
    Ciekawi mnie też na ile dokładne są pomiary prądu, mocy i energii. Do takich pomiarów mam baterię superkondensatorów o pojemności od 3 F do 30 F, naładowanych do napięcia 3,3 V. Zestaw został skalibrowany ze stałą rezystancją wzorcową i na podstawie porównania wyników z pomiarów rzeczywistego układu mogę określić jak duży jest błąd pomiaru zużycia energii w układzie pomiarowym (nie tym mierzonym). Czy robiłeś na przykład testy porównawcze z pojemnością wzorcową na wejściu i rezystorem na wyjściu?
  • #9
    zgierzman
    Level 30  
    Marek_Skalski wrote:
    Czy testowałeś dynamikę tego układu za pomocą generatora przebiegu prostokątnego?
    Ciekawi mnie też na ile dokładne są pomiary prądu, mocy i energii. Do takich pomiarów mam baterię superkondensatorów o pojemności od 3 F do 30 F, naładowanych do napięcia 3,3 V.
    (...)
    Czy robiłeś na przykład testy porównawcze z pojemnością wzorcową na wejściu i rezystorem na wyjściu?


    Nie, pobawiłem się chwilę i tyle. Ale jeżeli powstanie jakaś lista parametrów do sprawdzenia, to postaram się jakoś zorganizować pomiary w rozsądnej przyszłości. Chociaż ani ja, ani właściciel przyrządu, nie mamy wzorcowanych rezystorów, ogromnych superkondensatorów o ogromnej pojemności i tym podobnych...
  • #10
    spec220
    Level 28  
    zgierzman wrote:
    Chociaż ani ja, ani właściciel przyrządu, nie mamy wzorcowanych rezystorów, ogromnych superkondensatorów i tym podobnych...

    Rezystory wzorcowe nie są mega drogie, i można je nabyć chociażby dla własnego użytku, natomiast superkondensatory rzędu 3-30F nie są aż takie ogromne jakby się wydawało...
    Power Profiler Kit II - mały i użyteczny analizator prądu zasilania.

    No chyba że mowa o jakiś wzorcowych superkondensatorach..
  • #11
    zgierzman
    Level 30  
    spec220 wrote:
    superkondensatory rzędu 3-30F nie są aż takie ogromne jakby się wydawało...


    Nie ma to jak niedzielne czepianie się słówek... :-) Chodziło mi o pojemność, nie rozmiar - edytuję poprzedni post, jeśli kogoś może on wprowadzić w błąd.

    Podeślesz linki do tanich wzorcowanych rezystorów? Oczywiście ze świadectwami wzorcowania z jakiegoś uznanego laboratorium, bo inaczej to nie ma sensu.
  • #12
    spec220
    Level 28  
    zgierzman wrote:
    Podeślesz linki do tanich wzorcowanych rezystorów? Oczywiście ze świadectwami wzorcowania z jakiegoś uznanego laboratorium, bo inaczej to nie ma sensu.

    Heh Niby po co Ci rezystory z laba, skoro ilość energii będziesz określać poprzez naładowanie kondensatorów z tolerancją +/- 20%. ? Nie wystarczą takie bezindukcyjne 0,1%, albo z demontażu z jakiś klasycznych przyrządów 0,01% bo bywały też i 0,001% ?
  • #13
    zgierzman
    Level 30  
    Nie widzisz różnicy pomiędzy wzorcowaniem a tolerancją. Używasz tych pojęć wymiennie...

    spec220 wrote:
    Rezystory wzorcowe nie są mega drogie


    to nie to samo, co "rezystory o małej tolerancji nie są mega drogie"
  • #14
    spec220
    Level 28  
    Ale ja nie pisałem o rezystorach wzorcowanych, tylko wzorcowych... Chyba jest jakaś tolerancja możliwej odchyłki w % która określa ten parametr... To czy rezystory są kalibrowane w laboratorium, czy przez automat zależy też od wartości tolerancji, tak więc do tego ćwiczenia o którym wspomniał kolega w poście #8 nie potrzeba specjalnych dekadówek/ rezystorów z laba, zwłaszcza że będziemy ładować pojemność która wykazuje tolerancję w zakresie 20% ...
  • #15
    przemo_ns
    Level 10  
    Podczepię się i wrzucę link do zestawienia kilku komercyjnych rozwiązań: https://pallavaggarwal.in/dc-current-analyzer-for-embedded-iot-product-development/. Macie jakieś doświadczenia z pozostałymi rozwiązaniami? Dla zainteresowanych poprzednia wersja projektu ZS-2102-A IOT Power Profiler (649$) jest open hardware https://github.com/zscircuits/zs1100a