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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Kod kuće imam neke jeftine USB zvučne kartice, koje se mogu kupiti u Banggoodu, Aliexpressu, Ebayu ili drugim globalnim internetskim trgovinama za nešto novca. Pitao sam se što ih interesantno mogu upotrijebiti 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 dizajnirati i 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 desetina milivolti. Takođe sam hteo da analogni interfejs bude univerzalan - da se može koristiti sa Arduinosom, STM32 ili drugim mikrokontrolerima - sa opsegom ulaznog signala mnogo širim od ulaznog opsega 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

USB kartica se vrlo lako otvara - kućište nije zalijepljeno, samo je djelomično umetnut dio. PCB je dvostrani. Audio priključci i kontrolni gumbi nalaze se na gornjoj strani, čip dekodera C-medija, prekriven slojem, 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 postavljanje 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. Nivo istosmjernog izlaznog napona mora biti podesiv kako bi mogao biti jednak onom na ulaznom stupnju ADC -a. Kako će se ovo prilagođavanje provesti raspravljat će se 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 svrhu sam prekinuo uobičajenu vezu između vrha audio priključka i kontakata u prstenu. Prsten koji sam odlučio upotrijebiti za signal (bijela žica na posljednjoj slici - premošćuje i kondenzator naizmjenične struje), a vrh utičnice odlučio sam koristiti kao priključak za napajanje - u tu svrhu spojio sam ga na USB 5V linija (crvena žica). Time je izmjena audio kartice završena. Ponovo sam ga zatvorio.

Korak 2: Prednji dizajn

Moja odluka je bila imati tri načina rada za osciloskop:

• DC
• AC
• tlo

Za AC način rada potrebno je da se ulazni / zajednički mod napona ulaznog pojačala proteže ispod dovodne 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 rada i raspona su unaprijed izvedene pomoću mehaničkih kliznih 2P3T prekidača.

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

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 je korišteno kao međuspremnik za definiranje napona zajedničkog moda drugog pojačala koje se koristi za zbrajanje neinvertirajuće konfiguracije.

Za podešavanje napona zajedničkog moda 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 lemio 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.

Kondenzatori za podrezivanje koje sam kupio na Aliexpressu.

Gerber datoteke su dostupne za preuzimanje ovdje.

Korak 4: Boks

Odlučio sam sve ovo staviti u malu plastičnu kutiju. Imao sam jedan dostupan u lokalnoj trgovini. Da bi uređaj bio imuniji na vanjske radio signale, upotrijebio sam bakrenu traku koju sam pričvrstio na unutrašnje zidove kućišta. Kao interfejs za audio karticu koristio sam dva audio priključka. 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 ekrana napravljene tokom testova.

Glavni izazov pri korištenju ovog opsega je prilagoditi izlazni napon prednjeg zajedničkog moda tako da bude identičan 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 antiparalelne zaštitne diode na ulazu pojačala mogu se zamijeniti s dvije 4.7V Zenner diode povezane serijski, ali u suprotnim smjerovima. Na ovaj način ulazni napon će biti stegnut na ~ 5.3V štiteći opamp ulaze od prenapona.