Analógový frontend pre osciloskop: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Doma mám lacné zvukové karty USB, ktoré sa dajú za pár dolárov kúpiť v Banggood, Aliexpress, Ebay alebo iných svetových internetových obchodoch. Zaujímalo by ma, na čo zaujímavé ich môžem použiť, a rozhodol som sa skúsiť vytvoriť nízkofrekvenčný rozsah pre PC s jedným z nich. Na internete som našiel pekný softvér, ktorý je možné použiť ako USB osciloskop a generátor signálu. Urobil som nejaký reverzný návrh karty (popísaný v prvom kroku) a rozhodol som sa, že ak chcem mať plne funkčný rozsah - musím tiež navrhnúť analógový front -end, ktorý je potrebný na správne nastavenie mierky napätia a posunutie vstupný signál je aplikovaný na vstup mikrofónu zvukovej karty, pretože vstupy pre mikrofón očakávajú maximálne vstupné napätie rádovo niekoľko desaťročí milivoltov. Tiež som chcel urobiť analógový frontend univerzálnym - aby ho bolo možné používať s Arduinos, STM32 alebo inými mikrokontrolérmi -, ktoré bude mať pásmo vstupného signálu oveľa širšie ako vstupné pásmo zvukovej karty. V tejto práci sú uvedené podrobné pokyny, ako navrhnúť taký front-end analógového rozsahu.

Krok 1: USB zvuková karta zmení dizajn a uzly

USB kartu je veľmi ľahké otvoriť - puzdro nie je prilepené, iba čiastočne je vložená časť. DPS je obojstranná. Zvukové konektory a ovládacie tlačidlá sú na hornej strane, dekodérový čip C-media, krytý zmesou, je na spodnej strane. Mikrofón je zapojený v mono režime - dva kanály sú na PCB skratované. Na vstupe pre mikrofón sa používa kondenzátor striedavého prúdu (C7). Okrem toho sa na predpätie externého mikrofónu používa odpor 3K (R2). tento odpor som odstránil a ponechal svoje miesto otvorené. Zvukový výstup je tiež prepojený s striedavým prúdom pre oba kanály.

Striedavá väzba AC na signálovej ceste zabraňuje pozorovaniu jednosmerných a nízkofrekvenčných signálov. Z tohto dôvodu som sa rozhodol ho odstrániť (skrátiť). Toto rozhodnutie má aj nevýhody. Za kondenzátorom je definovaný určitý prevádzkový bod DC pre zvukový ADC a ak má analógový front-end odlišný výstup DC OP, z dôvodu malého rozsahu vstupného signálu môže ADC nasýtiť. To znamená - DC OP obvodov front -end musí byť zarovnaný s obvodom vstupného stupňa ADC. Úroveň výstupného napätia DC musí byť nastaviteľná, aby sa mohla rovnať úrovni vstupného stupňa ADC. Ako sa táto úprava implementuje, bude prediskutované v ďalších krokoch. Na vstupe ADC som nameral asi 1,9 V DC napätie.

Ďalšou požiadavkou, ktorú som definoval pre analógový front-end, nebolo vyžadovať ďalší zdroj energie. Rozhodol som sa použiť dostupné napätie 5 V USB na zvukovej karte na napájanie aj obvodov front-end. Za týmto účelom som prerušil spoločné spojenie medzi špičkou zvukového konektora a prstencovými kontaktmi. Krúžok, ktorý som sa rozhodol použiť pre signál (biely vodič na poslednom obrázku - premosťuje tiež kondenzátor striedavého prúdu), a koniec konektora, ktorý som sa rozhodol použiť ako napájací terminál - na tento účel som ho spojil s USB 5V linka (červený drôt). Tým bola dokončená úprava zvukovej karty. Znova som to zavrel.

Krok 2: Návrh frontendu

Moje rozhodnutie bolo mať pre osciloskop tri režimy práce:

• DC
• AC
• zem

Režim striedavého prúdu vyžaduje, aby napätie vstupného / spoločného režimu vstupného zosilňovača zasahovalo pod napájaciu lištu. To znamená - zosilňovač musí mať dvojité napájanie - pozitívne aj negatívne.

Chcel som mať aspoň 3 rozsahy vstupného napätia (pomery útlmu)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Všetky komutácie medzi režimami a rozsahmi sú vopred vyrobené mechanickými posuvnými prepínačmi 2P3T.

Na vytvorenie záporného napájacieho napätia pre zosilňovač som použil čip nabíjacieho čerpadla 7660. Na stabilizáciu napájacích napätí zosilňovača som použil duálny lineárny regulátor TI TPS7A39. Čip má malé balenie, ale nie je veľmi ťažké ho spájkovať na doske plošných spojov. Ako zosilňovač som použil zosilňovač AD822. Jeho výhoda - vstup CMOS (veľmi malé vstupné prúdy) a relatívne vysoká šírka pásma zisku. Ak chcete mať ešte väčšiu šírku pásma, môžete použiť iný operačný zosilňovač so vstupom CMOS. Je pekné mať funkciu vstupu/výstupu z koľajnice na železnici; nízky hluk, vysoká rýchlosť prehrávania. Použitý operačný zosilňovač som sa rozhodol dodať s dvoma zdrojmi +3,8V / -3,8V. Spätné odpory vypočítané podľa technického listu TPS7A39, ktoré poskytujú tieto napätia, sú:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Ak chcete použiť tento frontend s Arduino, možno budete chcieť dosiahnuť výstupné napätie 5V. V tomto prípade musíte použiť vstupné napájacie napätie> 6V a nastaviť výstupné napätie duálneho regulátora na +5/-5V.

AD822 je duálny zosilňovač - prvý z nich bol použitý ako vyrovnávacia pamäť na definovanie napätia v spoločnom režime druhého zosilňovača použitého pri súčte neinvertujúcej konfigurácie.

Na úpravu napätia v spoločnom režime a zosilnenia vstupného zosilňovača som použil tieto potenciometre.

Tu si môžete stiahnuť nastavenie simulácie LTSPICE, v ktorom sa môžete pokúsiť nastaviť vlastnú konfiguráciu zosilňovača.

Je vidieť, že DPS má druhý BNC konektor. Toto je výstup zvukovej karty - oba kanály sú skratované dohromady cez dva odpory - ich hodnota môže byť v rozsahu 30 Ohm - 10 K. Týmto spôsobom môže byť tento konektor použitý ako generátor signálu. V mojom návrhu som nepoužil ako výstup konektor BNC - jednoducho som tam spájkoval drôt a namiesto neho som použil dva banánové konektory. Červený - aktívny výstup, čierny - signálna zem.

Krok 3: DPS a spájkovanie

PCB bol vyrobený spoločnosťou JLCPCB.

Potom som začal spájkovať zariadenia: Najprv napájaciu časť.

Doska plošných spojov podporuje dva typy konektorov BNC - môžete si vybrať, ktorý chcete použiť.

Orezávacie kondenzátory som kúpil od spoločnosti Aliexpress.

Súbory Gerber sú k dispozícii na stiahnutie tu.

Krok 4: Box

Rozhodol som sa to všetko vložiť do malej plastovej škatule. Jeden som mal k dispozícii v miestnom obchode. Aby bol prístroj odolnejší voči vonkajším rádiovým signálom, použil som medenú pásku, ktorú som pripevnil k vnútorným stenám puzdra. Ako rozhranie k zvukovej karte som použil dva zvukové konektory. Pevne som ich zafixoval epoxidovým lepidlom. DPS bola namontovaná v určitej vzdialenosti od spodnej časti skrinky pomocou rozperiek. Aby som sa ubezpečil, že je zariadenie správne dodávané, pridal som LED diódu v sérii s 1K odporom pripojenú k prednému konektoru napájania (koniec bočného konektora mikrofónu)

Krok 5: Zariadenie je pripravené

Tu je niekoľko fotografií zostaveného zariadenia.

Krok 6: Testovanie

Testoval som osciloskop pomocou tohto generátora signálu. Počas testov môžete vidieť niekoľko snímok obrazovky.

Hlavnou výzvou pomocou tohto rozsahu je nastaviť výstupné napätie spoločného režimu frontendu na rovnaké ako na zvukovej karte. Potom zariadenie funguje veľmi hladko. Ak používate tento front-end s Arduino, problém s vyrovnávaním napätia v spoločnom režime by nemal existovať-môže byť voľne umiestnený v rozsahu 0-5V a potom presne nastavený na hodnotu, ktorá je optimálna pre vaše meranie. Pri použití s Arduino by som navrhol aj ďalšiu malú zmenu - dve antiparalelné ochranné diódy na vstupe zosilňovača je možné zosilniť dvoma 4,7V Zennerovými diódami zapojenými do série, ale v opačných smeroch. Týmto spôsobom bude vstupné napätie upnuté na ~ 5,3 V, čím sa ochránia vstupy operačného zosilňovača pred prepätím.