Σύγκριση HP 8753 και NanoVNA για σχεδιασμό ιατρικών συσκευών

Αυτό το ιστολόγιο συγκρίνει έναν παραδοσιακό Vector Network Analyzer (VNA), τον HP 8753, με ένα NanoVNA για χρήση από τον μηχανικό με περιορισμένο προϋπολογισμό που αναπτύσσει μια ιατρική συσκευή.

Ένας διανυσματικός αναλυτής δικτύου ή VNA εγχέει ένα γνωστό σήμα σε ένα κύκλωμα και καθορίζει τι άλλαξε σχετικά με το σήμα αφού φύγει από το κύκλωμα. Τα VNA χρησιμοποιούνται κατά τη διαδικασία ανάπτυξης μιας συσκευής, για τον χαρακτηρισμό και την επαλήθευση της απόδοσης κυκλωμάτων όπως ενισχυτές, φίλτρα, κεραίες, καλώδια κ.λπ. Αυτό είναι πολύ συνηθισμένο, ειδικά εάν μια δεδομένη συσκευή λειτουργεί σε υψηλότερες συχνότητες, όπου μπορούν να παίξουν μη ιδεαλότητες έχουν μεγαλύτερο ρόλο και είναι πιο δύσκολο να προβλεφθούν.

Τα VNA υπάρχουν σε πολλά μεγέθη, σχήματα και εύρος τιμών, όλα με ποικίλα χαρακτηριστικά και δυνατότητες. Δύο παραδείγματα VNA είναι τα NanoVNA-H, και το HP 8753. Το NanoVNA-H είναι ένα προσιτό ερασιτεχνικό VNA χειρός και το HP 8753 είναι ένα αξιόπιστο επαγγελματικό εργαστήριο της δεκαετίας του '90. Η αγορά και η προβλεπόμενη θήκη χρήσης του HP 8753 και του NanoVNA-H διαφέρουν θεμελιωδώς. Η μεγάλη γκάμα εξοπλισμού που διατίθεται προς πώληση εγείρει πολλά ερωτήματα, όπως εάν οι εκδόσεις χαμηλού κόστους έχουν ή όχι θέση σε ένα επαγγελματικό περιβάλλον μηχανικής.

Αργότερα σε αυτό το ιστολόγιο θα μετρήσω την απόκριση συχνότητας τεσσάρων θεμελιωδών τοπολογιών φίλτρων από ένα δείγμα PCB και στα δύο VNA.

Αρχική σύγκριση NanoVNA-H και HP 8753

Με την πρώτη ματιά σε αυτές τις συσκευές δίπλα-δίπλα, θα ήταν δίκαιο να πιστέψουμε ότι έκαναν πολύ διαφορετικά πράγματα. Παρά τις σχεδόν κωμικές φυσικές διαφορές, αυτές οι συσκευές έχουν σχεδιαστεί για να κάνουν σχεδόν την ίδια εργασία.

	NanoVNA-H	HP 8753
Ακρίβεια	0.5ppm	10 σελ./λεπτό @ 25 C
Ανάλυση	?	1Hz
φάσμα συχνοτήτων	50 khz έως 1.5 Ghz	30Khz έως 3Ghz
Δυναμικό εύρος	70dB (50kHz-300MHz), 50dB (300-900MHz) και 40dB (900-1500MHz)	110dB (30kHz-3GHz)
Εύρος τιμών	$50-$200 (νέο)	$3000-$8000 (μεταχειρισμένο)

Η σύγκριση των προδιαγραφών μιας συσκευής που παράγεται από μια από τις κορυφαίες εταιρείες οργάνων για δεκαετίες με μια συσκευή ανοιχτού κώδικα μπορεί να είναι δύσκολη. Οι προδιαγραφές που αναφέρονται για το Nano VNA-H πιθανότατα δεν είναι απολύτως ακριβείς και δεν μπόρεσα να βρω μια αξιόπιστη πηγή για την ανάλυση. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι το εύρος συχνοτήτων του NanoVNA μπορεί να ξεπεράσει τα 1.5 Ghz με μια ενημέρωση υλικολογισμικού, ωστόσο η ακρίβεια και η ανάλυση μειώνονται δραματικά με αυτήν την τροποποίηση. Επιπλέον, μπορείτε να δείτε ότι το δυναμικό εύρος του NanoVNA-H πέφτει γρήγορα καθώς αυξάνεται η συχνότητα, επειδή χρειάζεται να μετατρέψει συχνότητες μεγαλύτερες από 300Mhz καθώς ο δέκτης του δεν μπορεί να μετρήσει απευθείας τίποτα πάνω από αυτή τη συχνότητα.

Οι προδιαγραφές ακρίβειας του NanoVNA-H είναι αρκετά εντυπωσιακές και φαίνεται να έχουν επαληθευτεί από ερασιτέχνες ραδιοφωνικούς χειριστές, αλλά, από ό,τι γνωρίζω, δεν έχει επαληθευτεί μέσω μιας αλυσίδας NIST. Καθώς τα NanoVNA και HP 8753 προέρχονται από διαφορετικές εποχές σχεδιασμού, είναι σημαντικό να συζητήσουμε το πλαίσιο γύρω από το γιατί υπάρχουν αυτά τα όργανα. Το NanoVNA είναι ένα έργο ανοιχτού κώδικα, που κυκλοφόρησε για πρώτη φορά το 2019, που προορίζεται για σχεδιασμό και δοκιμή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων χομπίστας. Είναι αρκετά δημοφιλές στην ραδιοερασιτεχνική κοινότητα και αποτελεί βασικό στοιχείο στο γραφείο πολλών χειριστών HAM και τεχνιτών.

Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τον HP 8753, ο οποίος αναπτύχθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1980, που προοριζόταν για χρήση σε επαγγελματικούς χώρους για να χρησιμοποιείται καθημερινά από μηχανικούς που σχεδιάζουν διάφορες μορφές ηλεκτρονικών συσκευών. Πολλές από τις τεχνολογίες και τα εξαρτήματα που χρησιμοποιήθηκαν στο σχεδιασμό του NanoVNA ήταν απλώς ιδέες της δεκαετίας του 1980. Η ανάπτυξη κάθε οργάνου αντανακλά τον χρόνο στον οποίο αναπτύχθηκε.

Πλεονεκτήματα του NanoVNA

Το NanoVNA είναι εξοπλισμένο με πολλά νεότερα πρότυπα επικοινωνίας, όπως κάρτα microSD και θύρα USB-C για φόρτιση και σύνδεση σε περιβάλλον ελέγχου επιφάνειας εργασίας. Αυτό θα μπορούσε να είναι χρήσιμο για την εκτέλεση αυτοματοποιημένων δοκιμών, τη συλλογή μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων ή την αλλαγή ρυθμίσεων χωρίς να χρειάζεται να χρησιμοποιήσετε τη μικρή οθόνη αφής. Είναι επίσης πολύ μικρότερο (βάρος/όγκος) καθιστώντας το πολύ ελκυστικό για φορητές εφαρμογές, ειδικά με την ενσωματωμένη μπαταρία.

Καθώς είναι ανοιχτού κώδικα, το NanoVNA θα μπορούσε να είναι μια πολύ ελκυστική βάση εκτόξευσης για την ανάπτυξη ιατρικών συσκευών που έχουν παρόμοιο τρόπο λειτουργίας ή ως εργαλείο για έναν μηχανικό που θέλει να επεκτείνει την τεχνογνωσία του στο σχεδιασμό κυκλωμάτων υψηλής συχνότητας. Αυτό καθιστά την προσιτή τιμή των $50-200 CAD (ανάλογα με τον προμηθευτή) πολύ ελκυστική για μηχανικούς διαφορετικών επιπέδων εμπειρίας, ειδικά όταν εργάζονται σε εφαρμογές ευαίσθητες στον προϋπολογισμό. Είναι επίσης σε θέση να βαθμονομηθεί από τον τελικό χρήστη μέσω της μεθόδου SLOT. χρησιμοποιώντας βραχείς, ανοιχτούς συνδέσμους και καλώδια φόρτωσης και τερματισμού. Αυτό είναι πολύ απλό και μπορεί να πραγματοποιηθεί σε λίγα λεπτά. Εάν τα χαρακτηριστικά του καλωδίου και των βυσμάτων τερματισμού είναι αξιόπιστα, μπορείτε να πιστεύετε ότι οι κυματομορφές σας είναι σχεδόν αντιπροσωπευτικές αυτού που μετράτε. Τέλος, το NanoVNA χρησιμοποιεί υποδοχές SMA, οι οποίες είναι πολύ φθηνές και ευρέως διαθέσιμες.

 Μειονεκτήματα του NanoVNA

Το μεγαλύτερο μειονέκτημα στη φύση του ανοιχτού κώδικα είναι ότι υπάρχουν πολλοί παράνομοι κλώνοι προς πώληση με διάφορα επίπεδα ποιότητας και ικανότητας. Επιπλέον, δεν υπάρχουν πολλές διαθέσιμες πληροφορίες για την ακρίβεια/επαναληψιμότητα στο εύρος συχνοτήτων του, κάτι που μπορεί να είναι σημαντικός αρνητικός για ευαίσθητες εφαρμογές. Ενώ αυτή η συσκευή μπορεί να βαθμονομηθεί από τον τελικό χρήστη, η αλλαγή του εύρους συχνότητας της οθόνης απαιτεί επαναβαθμονόμηση, η οποία θα μπορούσε να είναι μια ταλαιπωρία εάν γίνει επανειλημμένα. Επιπλέον, το NanoVNA είναι μόνο ικανό να μετρήσει απευθείας τα S11, S21. Όλες οι άλλες παράμετροι υπολογίζονται από αυτές τις δύο μετρούμενες τιμές, οι οποίες θα μπορούσαν να εισάγουν κάποια ανακρίβεια.

Πλεονεκτήματα του HP 8753

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του HP 8753 είναι το εύρος συχνοτήτων του, από 30khz έως 3ghz. Έχει πολλά χαρακτηριστικά που δεν διαθέτει το NanoVNA, όπως η μέτρηση 4 θυρών. Υπάρχουν δύο πτυχές που ο HP 8753 κερδίζει έναντι οποιουδήποτε VNA ανοιχτού κώδικα: συντήρηση και βαθμονόμηση. Ενώ ο HP 8753 κατασκευάστηκε αρχικά από την HP στα τέλη της δεκαετίας του '80, το Keysight (ένα spin-off του τμήματος οργάνων της HP) εξακολουθεί να προσφέρει επισκευή/συντήρησή του, κάτι που μπορεί να είναι μεγάλο όφελος για εταιρείες που δεν διαθέτουν δυνατότητες εσωτερικής επισκευής. Αυτό προφανώς δεν ισχύει για το nanoVNA, καθώς είστε μόνοι σας εάν κάτι καταστραφεί.

Επιπλέον, το HP 8753 μπορεί ακόμα να βαθμονομηθεί επαγγελματικά. Αυτό είναι ένα βασικό πλεονέκτημα, ειδικά στον τομέα των ιατροτεχνολογικών προϊόντων, καθώς το ISO 13485 απαιτεί ο εξοπλισμός να βαθμονομείται όταν χρησιμοποιείται για επαλήθευση και επικύρωση. Αν και το HP 8753 δεν είναι ανοιχτού κώδικα, υπάρχουν σχηματικά σχέδια στα εγχειρίδια σέρβις για ολόκληρη τη συσκευή και μπορείτε να τα βρείτε στο διαδίκτυο. Αυτό είναι επίσης εξαιρετικό για να μάθετε για τη σχηματική σχεδίαση υψηλής συχνότητας, αν και από μια πολύ διαφορετική εποχή σχεδιασμού κυκλωμάτων.

Μειονεκτήματα του HP 8753

Δεν αποτελεί έκπληξη ότι τα περισσότερα από τα αρνητικά για το HP 8753 οφείλονται στην ηλικία και το κόστος του. Είναι ογκώδες, ζυγίζει 34 κιλά, καθιστώντας το λιγότερο από ιδανικό για φορητές εφαρμογές. Λόγω της ηλικίας της, η οθόνη είναι θαμπή, καθιστώντας την ανάγνωσή της πρόκληση. Δεν διαθέτει πιο σύγχρονες διεπαφές επικοινωνίας, με το μοντέλο μας να είναι εξοπλισμένο μόνο με μονάδα δισκέτας και HPIB. Αυτό μπορεί να είναι απογοητευτικό όταν προσπαθείτε να αφαιρέσετε πολλές γραφικές παραστάσεις από το όργανο για αναφορές, παρουσιάσεις κ.λπ. Επιπλέον, η HP 8753 χρησιμοποιεί ομοαξονικές υποδοχές RF τύπου N, οι οποίες μπορεί να είναι αρκετά ακριβές σε σύγκριση με τις υποδοχές BNC ή τη σύνδεση SMA παρόν στο NanoVNA.

Πραγματική δοκιμή

Για να καταλάβω πώς συγκρίνονται αυτά τα όργανα στην πραγματική ζωή, μέτρησα τέσσερα φίλτρα σε ένα δείγμα PCBA: Ένα band pass, band stop, high και low pass φίλτρο. Αυτά τα φίλτρα επιλέχθηκαν λόγω της πανταχού παρουσίας τους, ωστόσο υπάρχουν πολλά άλλα προηγμένα κυκλώματα που μπορεί να αναλύσει το VNA.

Μετά τη δημιουργία και την προβολή αυτών των γραφημάτων, χάρηκα που είδα ότι τα δεδομένα που προέρχονται τόσο από τον HP 8753 όσο και από το NanoVNA ήταν πολύ παρόμοια. Ορισμένες διαφορές θα μπορούσαν να εξηγηθούν από παράγοντες όπως ο χρόνος από τη βαθμονόμηση για το HP και οι μη ιδανικές συνδέσεις/καλώδιο και για τα δύο όργανα. Γενικά, νομίζω ότι τα δεδομένα που προέρχονται και από τις δύο συσκευές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για συγκεκριμένα σημεία στη διαδικασία ανάπτυξης χωρίς κανένα πρόβλημα.

Συμπέρασμα

Δεν αποτελεί έκπληξη, η απάντηση στην ερώτηση που έθεσα στην αρχή αυτού του ιστολογίου δεν είναι τόσο απλή όσο μπορεί να φαίνεται. Εάν ξοδεύετε τον περισσότερο χρόνο σας σε ένα γραφείο ή έναν πάγκο εκτελώντας επαλήθευση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, μια αξιόπιστη συσκευή όπως η HP είναι μια ελκυστική επιλογή. Εάν είστε μηχανικός σε μια εκκίνηση όπου ενδέχεται να μην υπάρχουν διαθέσιμα κεφάλαια για ακριβά όργανα ή κάνετε εργασίες σχεδιασμού που αργότερα θα επαληθευτούν από όργανα ανώτερης ποιότητας, θα σκεφτόμουν σοβαρά μια συσκευή ανοιχτού κώδικα όπως το NanoVNA. Ανεξάρτητα από την επιλογή που θα επιλέξετε να χρησιμοποιήσετε, ένας νέος στη σχεδίαση υψηλών συχνοτήτων θα επωφεληθεί από τη χρήση αυτών των συσκευών για να κατανοήσει τη συμπεριφορά του κυκλώματος υψηλής συχνότητας που δεν είναι εμφανής στα καθημερινά κυκλώματα και από τη μελέτη των σχηματικών και των διαγραμμάτων ροής που διατίθενται και από τους δύο κατασκευαστές .

Εικόνες: StarFish Medical

Ο Mike Ganzert είναι Ηλεκτρονικός Μηχανικός στο Starfish Medical. Έλαβε το Bachelor of Applied Science in Electrical Engineering από το UBC Okanagan το 2021, με εστίαση στις ιατρικές συσκευές.



---

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://starfishmedical.com/blog/comparing-hp-8753-and-nanovna-for-medical-device-design/