Analogni prednji kraj za osciloskop: 6 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Kod kuće imam neke jeftine USB zvučne kartice koje se mogu kupiti za novac. Pitao sam se što ih interesantno mogu koristiti i odlučio sam pokušati napraviti niskofrekventni PC opseg s jednim od njih. Na internetu sam pronašao lijep softver koji se može koristiti kao USB osciloskop i generator signala. Napravio sam neki obrnuti dizajn kartice (opisan u prvom koraku) i odlučio da ako želim imati potpuno funkcionalan opseg - moram također dizajnirati analogni prednji kraj, koji je potreban za pravilno skaliranje napona i pomicanje ulazni signal koji se primjenjuje na ulaz mikrofona audio kartice, jer ulazi mikrofona očekuju maksimalne ulazne napone u redoslijedu od nekoliko desetljeća milivolti. Također sam želio učiniti analogni prednji dio univerzalnim - kako bi se mogao koristiti s Arduinosom, STM32 ili drugim mikrokontrolerima - s rasponom ulaznog signala mnogo širim od ulaznog pojasa audio kartice. Korak po korak upute kako dizajnirati takav prednji dio analognog opsega predstavljene su u ovom radu.

Korak 1: Dizajn i izmjene USB audio kartice poništava

USB kartica se vrlo lako otvara - kućište nije zalijepljeno, samo je djelomično umetnut dio. PCB je dvostrani. Audio priključci i upravljački gumbi nalaze se na gornjoj strani, čip dekodera C-medija, prekriven spojem, nalazi se na donjoj strani. Mikrofon je spojen u mono modu - dva kanala se zajedno skraćuju na PCB -u. Na ulazu mikrofona koristi se AC kondenzator (C7). Osim toga, otpornik od 3K (R2) koristi se za podešavanje vanjskog mikrofona. Uklonio sam ovaj otpornik ostavljajući njegovo mjesto otvorenim. Audio izlaz je također AC spojen za oba kanala.

Naizmjenična sprega na signalnoj putanji sprječava promatranje istosmjernih i niskofrekventnih signala. Iz tog razloga odlučujem ga ukloniti (kratko). Ova odluka ima i nedostataka. Nakon što je kondenzator definiran neka DC radna točka za audio ADC i ako analogni prednji kraj ima drugačiji izlazni DC OP, zbog malog raspona ulaznog signala, ADC može zasititi. To znači - DC OP prednjeg kola mora biti usklađen s onom na ulaznom stupnju ADC -a. Razina istosmjernog izlaznog napona mora biti podesiva kako bi mogla biti jednaka onoj na ulaznom stupnju ADC -a. Način provedbe ove prilagodbe bit će razmotren u sljedećim koracima. Izmjerio sam DC napon od 1,9 V na ulazu ADC -a.

Drugi zahtjev, koji sam definirao za analogni prednji kraj, nije bio zahtijevanje dodatnog izvora napajanja. Odlučio sam upotrijebiti 5V USB napon dostupan na zvučnoj kartici za napajanje i prednjih kola. U tu sam svrhu prekinuo uobičajenu vezu između vrha audio utičnice i prstenastih kontakata. Prsten koji sam odlučio upotrijebiti za signal (bijela žica na zadnjoj slici - premošćuje i kondenzator izmjenične struje), a vrh utičnice odlučio sam koristiti kao priključak za napajanje - u tu svrhu spojio sam ga s USB 5V linija (crvena žica). Time je izmjena audio kartice dovršena. Ponovno sam ga zatvorio.

Korak 2: Dizajn sučelja

Moja odluka je bila imati 3 načina rada za osciloskop:

• DC
• AC
• tlo

Za AC način rada potrebno je da se ulazni / zajednički napon ulaznog pojačala proteže ispod opskrbne šine. To znači - pojačalo mora imati dvostruko napajanje - pozitivno i negativno.

Htio sam imati najmanje 3 raspona ulaznog napona (omjeri slabljenja)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Sve komutacije između načina i raspona unaprijed su izvedene mehaničkim kliznim prekidačima 2P3T.

Za stvaranje negativnog opskrbnog napona za pojačalo koristio sam čip pumpe punjenja 7660. Za stabilizaciju napona napajanja pojačala koristio sam dvostruki linearni regulator TI TPS7A39. Čip ima malo pakiranje, ali nije ga teško lemiti na PCB -u. Kao pojačalo koristio sam AD822 opamp. Njegova prednost - CMOS ulaz (vrlo male ulazne struje) i proizvod s relativno velikom pojačalom pojasa. Ako želite imati još veću propusnost, možete upotrijebiti drugu opamp s CMOS ulazom. Lijepo je imati značajku Input/Output Rail to Rail; niska razina buke, velika brzina nestanka. Korišteni opamp odlučio sam isporučiti s dva napajanja +3.8V / -3.8V. Povratni otpornici izračunati prema podatkovnom listu TPS7A39, koji daju ove napone su:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Ako želite koristiti ovaj sučelje s Arduinom, možda ćete htjeti doseći 5V izlazni napon. U tom slučaju morate primijeniti ulazni napon napajanja> 6V i postaviti izlazni napon dvostrukog regulatora na +5/-5V.

AD822 je dvostruko pojačalo - prvo od njih je korišteno kao međuspremnik za definiranje zajedničkog modovskog napona drugog pojačala koje se koristi za zbrajanje neinvertirajuće konfiguracije.

Za podešavanje zajedničkog napona i pojačanja ulaznog pojačala koristio sam takve potenciometre.

Ovdje možete preuzeti postavku simulacije LTSPICE u kojoj možete pokušati postaviti vlastitu konfiguraciju pojačala.

Može se vidjeti da PCB ima drugi BNC konektor. Ovo je izlaz zvučne kartice - oba kanala su spojena zajedno kroz dva otpornika - njihova vrijednost može biti u rasponu 30 Ohm - 10 K. Na ovaj način ovaj konektor se može koristiti kao generator signala. U svom dizajnu nisam koristio BNC konektor kao izlaz - jednostavno sam zalemio žicu i umjesto toga koristio dva konektora za banane. Crvena - aktivni izlaz, crna - signalna masa.

Korak 3: PCB i lemljenje

PCB je proizveo JLCPCB.

Nakon toga sam počeo lemiti uređaje: Prvo dio za napajanje.

PCB podržava dvije vrste BNC konektora - možete odabrati koji ćete koristiti.

Podrezivanje kondenzatora koje sam kupio na Aliexpressu.

Gerber datoteke dostupne su za preuzimanje ovdje.

Korak 4: Boks

Odlučio sam sve to staviti u malu plastičnu kutiju. Imao sam jedan dostupan u lokalnoj trgovini. Kako bih uređaj bio imuniji na vanjske radio signale, upotrijebio sam bakrenu traku koju sam pričvrstio na unutarnje stijenke kućišta. Kao sučelje za audio karticu koristila sam dvije audio priključnice. Čvrsto sam ih popravio epoksidnim ljepilom. PCB je montiran na određenoj udaljenosti od donjeg kućišta pomoću odstojnika. Kako bih bio siguran da je uređaj pravilno isporučen, dodao sam LED u nizu s 1K otpornikom spojenim na prednju utičnicu za napajanje (vrh bočne utičnice mikrofona)

Korak 5: Uređaj je spreman

Evo nekoliko slika sklopljenog uređaja.

Korak 6: Testiranje

Testirao sam osciloskop pomoću ovog generatora signala. Možete vidjeti neke snimke zaslona napravljene tijekom testova.

Glavni izazov pri korištenju ovog opsega je prilagoditi izlazni napon sučelja uobičajenog načina rada jednak onom na audio kartici. Nakon toga uređaj radi vrlo glatko. Ako koristite ovaj prednji kraj s Arduinom, problem s poravnavanjem napona u zajedničkom načinu rada ne bi trebao postojati-može se slobodno postaviti u raspon 0-5V i nakon toga precizno podesiti na vrijednost, što je optimalno za vaše mjerenje. Pri korištenju s Arduinom predložio bih i još jednu malu promjenu - dvije anti -paralelne zaštitne diode na ulazu pojačala mogu se zamijeniti s dvije 4.7V Zenner diode spojene u seriju, ali u suprotnim smjerovima. Na ovaj način ulazni napon će biti stegnut na ~ 5.3V štiteći opamp ulaze od prenapona.