אחת מתופעות הלוואי של עבודה עם מערכות דיגיטליות היא שהדיוק במתח החשמלי לא ממש מעניין אותנו. נכון, אנחנו לא נרצה לערבב רכיבים שמיועדים ל-5V עם רכיבים ל-3.3V, למשל, אבל עד כמה ה-5V שלנו הוא באמת חמישה וולטים? הנה לוח הערכה עם רכיב שיכול לעזור קצת בבירור העניין.
מתי בפעם האחרונה, אם בכלל, מולטימטר הראה לכם מספר מדויק לגמרי, "לפי הספר", בזמן מדידת מתח? אם נתעלם מהמקרה החריג של מדידת אפס, כמובן, לא זכור לי אף מקרה כזה, אי פעם. לא משנה אם מקור החשמל היה סוללה, ספק כוח, יציאת USB או מייצב מתח שניזון מאחד מהם, המספרים תמיד היו רק קרובים, רק בערך. לדוגמה, מייצבים ל-3.3V תמיד מראים לי, בתנאים אופטימליים, משהו בין 3.28V-3.32V. הצרה היא שאנחנו אפילו לא יכולים לדעת בביטחון אם חוסר הדיוק הוא במקור המתח או במכשיר המדידה, או – מה שהכי סביר – בשניהם גם יחד. במעבדות רציניות יש מכשירי מדידה בשווי אלפי עד מאות אלפי שקלים, שעוברים כיול מקצועי תקופתי שגם הוא בעצמו לא זול. אבל מה אנחנו החובבים יכולים לעשות?
השאלה הראשונה היא האם בכלל אכפת לנו, והתשובה – אף על פי שהיא תכעיס מאוד מהנדסים ותיקים – היא בדרך כלל לא. כל עוד אנחנו מגבילים את עצמנו למעגלים פשוטים, עם רכיבים לוגיים ודיגיטליים נפוצים (כפי שרוב המייקרים עושים), וכל עוד אנחנו מודעים ולוקחים בחשבון שכל מתח "על הנייר" יכול בפועל לנדוד משהו כמו 10% לכל כיוון, הכול יהיה בסדר. מודולים יצליחו לתקשר ביניהם, טרנזיסטורים יצליחו למתג זרמים, לדים יאירו ו… זהו, מה מייקר עוד צריך?
אלא שעולם האלקטרוניקה הרבה יותר גדול ורחב מארגז החול שלנו, ויש בו המון מצבים שבהם ערכים מדויקים הם חיוניים לתפקוד תקין. במצבים כאלה יש לפעמים צורך ברכיב מובנה במעגל עצמו – למשל, הרכיבים מסדרת LTC6655 מבית Analog Devices. אלו הם רכיבי Voltage reference, לא מייצבים, כלומר הם אינם מסוגלים לספק מתח משמעותי להפעלה של רכיבים אחרים. הם רק נותנים מתח מוגדר מראש ויציב מאוד (יחסית), על פני מתחי כניסה שונים ובטווח טמפרטורות רחב. במתח הזה אפשר להשתמש ישירות (כרפרנס לרכיב ADC עצמאי, למשל), או כנקודת ייחוס לבדיקה ותיקון שגיאות בחישובים שנעשים ברכיבים אחרים, פחות מדויקים.
רכיב LTC6655 לבדו עולה כ-10-15 דולר, תלוי בכמות שמזמינים. אני הזמנתי לוח הערכה שלם (סביבות 100 ש"ח), שמגיע מוכן עם רכיב רפרנס 5V, הרכיבים ההיקפיים הדרושים וכן "עמודי" מתכת נוחים לחיבור של תנינים. אין לי צורך ממשי כרגע במתח מדויק, אבל רציתי לדעת עד כמה מכשירי המדידה שלי מדייקים, וחוץ מזה, מי יודע מתי רפרנס כזה כן יהיה רלוונטי.
הלוח הגיע בקופסה הרבה יותר גדולה מהנדרש (כנראה קופסה גנרית של היצרן ללוחות הערכה), עם הרבה ניילון פצפצים, וכיתוב בכתב יד שאפשר לראות בתמונה למעלה. אין עם מה להתעסק – רק לחבר למקור חשמל לפי ההנחיות. לפי ה-Datasheet, הדיוק של הרכיב הוא 0.025% . ל-5V זה אומר ערכים ממשיים של 4.99875 עד 5.00125 וולט. מהנדס אלקטרוניקה ותיק אחד, שמתעסק עם רכיבים מדויקים ביומיום, הגדיר לי את הדיוק הזה כ"נסבל". הדלקתי את כל מכשירי המדידה הרלוונטיים שלי, ואלה התוצאות שקיבלתי:
| מכשיר | מתח נמדד |
| מולטימטר AN870 | 5.006 |
| מולטימטר AN8008 | 4.999 |
| מולטימטר Victor 70C | 5.005 |
| מולטימטר Vichy VC9805A+ (טווח ידני) | 4.99 |
| סקופ Rigol DS1054Z | כ-5.02 |
| לוג'יק אנלייזר Saleae Logic Pro 8, ערוץ אנלוגי | 5.007/5.012 |
הדבר הראשון שצריך לזכור הוא שלכל המכשירים האלה בעצמם יש טווחי שגיאות ידועים וגדולים יותר מזה של הרפרנס. כלומר, אין פה אף אחד שאפשר לומר עליו, בעקבות המדידה הזו, "לא תקין". מה שכן מסקרן, שלא לומר חשוד, זה למה מתוך שישה מכשירים, כל אחד עם הפרובים שלו, ארבעה נתנו ערך גבוה מדי, ורק אחד ניתן לפרש כמצביע על ערך נמוך מדי (אם נניח שה-Vichy עיגל את המדידה שלו לספרה הקרובה ולא סתם קצץ את המספר). כל המדידות האלה בוצעו בטווח של רבע שעה, בעיצומו של יום חם. אנסה למדוד שוב ביום קר, אם יהיה לנו כזה השנה, ולהשוות.
גם בקרב המהנדסים שמתעסקים עם מתחים מדויקים ישנם משוגעים-לדבר ("Voltnuts"), שלא מסתפקים ברכיבים בסיסיים שכאלה ורודפים כל הזמן, בשביל הכיף, אחרי רפרנסים וטכניקות מדויקים יותר ויותר, כאלה שנמדדים בשבע או שמונה ספרות אחרי הנקודה. אחת התופעות שהם לוקחים בחשבון היא התייצבות "סופית" של רכיבי רפרנס מסוימים על ערך קבוע, דבר שקורה בדרך כלל אחרי כמה אלפי שעות פעולה. כאשר מייצרים איתם מעגלים ללקוחות, "תקופת ההרצה" הזו מהווה חלק מהעלות ומזמן האספקה!
יש לכם רעיונות מעניינים, מה עוד אפשר לעשות עם לוח ההערכה הזה?