Analogový frontend pro osciloskop: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Doma mám nějaké levné zvukové karty USB, které lze za nějaké peníze koupit v Banggood, Aliexpress, Ebay nebo jiných globálních online obchodech. Zajímalo mě, k čemu je mohu použít, a rozhodl jsem se, že zkusím s jedním z nich vytvořit nízkofrekvenční PC rozsah. Na internetu jsem našel pěkný software, který lze použít jako USB osciloskop a generátor signálu. Udělal jsem nějaký reverzní návrh karty (popsaný v prvním kroku) a rozhodl jsem se, že pokud chci mít plně funkční rozsah - musím také navrhnout analogový front -end, který je vyžadován pro správné škálování napětí a posunutí vstupní signál aplikován na mikrofonní vstup zvukové karty, protože mikrofonní vstupy očekávají maximální vstupní napětí v řádu několika desetiletí milivoltů. Chtěl jsem také udělat univerzální analogový frontend - aby jej bylo možné použít s Arduinos, STM32 nebo jinými mikrokontroléry -, který bude mít pásmo vstupního signálu mnohem širší než vstupní pásmo zvukové karty. V této práci jsou uvedeny podrobné pokyny, jak navrhnout takové rozhraní frontendu analogového rozsahu.

Krok 1: USB zvuková karta obrací design a uzly

USB kartu lze velmi snadno otevřít - pouzdro není přilepené, pouze částečně vložená část. DPS je oboustranná. Zvukové konektory a ovládací tlačítka jsou na horní straně, dekodér C-media, zakrytý směsí, je na spodní straně. Mikrofon je připojen v mono režimu - dva kanály jsou na desce plošných spojů zkratovány. Na vstupu mikrofonu je použit kondenzátor AC (C7). Kromě toho je k předpětí externího mikrofonu použit rezistor 3K (R2). odstranil jsem tento odpor a ponechal své místo otevřené. Zvukový výstup je také spojen se střídavým proudem pro oba kanály.

Střídavá vazba na signálové cestě brání pozorování stejnosměrných a nízkofrekvenčních signálů. Z tohoto důvodu jsem se rozhodl jej odstranit (zkrátit). Toto rozhodnutí má také nevýhody. Za kondenzátorem je definován nějaký DC pracovní bod pro audio ADC a pokud má analogový front-end odlišný výstup DC OP, kvůli malému rozsahu vstupního signálu může ADC saturovat. To znamená - DC OP obvodů front -end musí být zarovnáno se vstupním stupněm ADC. Úroveň výstupního napětí DC musí být nastavitelná, aby se mohla rovnat úrovni vstupního stupně ADC. Jak bude tato úprava implementována, bude projednáno v následujících krocích. Na vstupu ADC jsem naměřil asi 1,9 V stejnosměrné napětí.

Další požadavek, který jsem definoval pro analogový front-end, nebyl požadavek na další zdroj energie. Rozhodl jsem se použít dostupné napětí 5V USB zvukové karty k napájení také obvodů front-end. Za tímto účelem jsem přerušil společné spojení mezi špičkou audio jacku a prstencovými kontakty. Prsten, který jsem se rozhodl použít pro signál (bílý vodič na posledním obrázku - přemosťuje také kondenzátor střídavého proudu), a konec konektoru, který jsem se rozhodl použít jako napájecí konektor - za tímto účelem jsem jej připojil pomocí USB 5V vedení (červený vodič). Tím byla dokončena úprava zvukové karty. Znovu jsem to zavřel.

Krok 2: Design frontendu

Moje rozhodnutí bylo mít pro osciloskop 3 režimy práce:

• DC
• AC
• přízemní

Režim AC vyžaduje, aby napětí vstupního / společného režimu vstupního zesilovače zasahovalo pod napájecí lištu. To znamená - zesilovač musí mít duální napájení - pozitivní a negativní.

Chtěl jsem mít alespoň 3 rozsahy vstupního napětí (poměry útlumu)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Všechny komutace mezi režimy a rozsahy jsou předem vytvořeny pomocí mechanických posuvných přepínačů 2P3T.

K vytvoření záporného napájecího napětí pro zesilovač jsem použil čip nabíjecí pumpy 7660. Ke stabilizaci napájecího napětí zesilovače jsem použil duální lineární regulátor TI TPS7A39. Čip má malé balení, ale není příliš obtížné jej pájet na desku plošných spojů. Jako zesilovač jsem použil operační zesilovač AD822. Jeho výhoda - vstup CMOS (velmi malé vstupní proudy) a relativně vysoký zisk šířky pásma. Pokud chcete mít ještě širší šířku pásma, můžete použít jiný operační zesilovač se vstupem CMOS. Je příjemné mít funkci vstupu/výstupu Rail to Rail; nízká hlučnost, vysoká rychlost přeběhu. Použitý operační zesilovač jsem se rozhodl dodávat se dvěma zdroji +3,8V / -3,8V. Zpětnovazební odpory vypočítané podle datového listu TPS7A39, které udávají tato napětí, jsou:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Pokud chcete toto rozhraní používat s Arduinem, můžete dosáhnout výstupního napětí 5 V. V tomto případě musíte použít vstupní napájecí napětí> 6V a nastavit výstupní napětí duálního regulátoru na +5/-5V.

AD822 je duální zesilovač - první z nich byl použit jako vyrovnávací paměť k definování napětí společného režimu druhého zesilovače použitého při součtu neinvertující konfigurace.

Pro úpravu napětí společného režimu a zesílení vstupního zesilovače jsem použil takové potenciometry.

Zde si můžete stáhnout nastavení simulace LTSPICE, ve kterém si můžete zkusit nastavit vlastní konfiguraci zesilovače.

Je vidět, že PCB má druhý BNC konektor. Toto je výstup zvukové karty - oba kanály jsou zkratovány dohromady dvěma odpory - jejich hodnota může být v rozsahu 30 Ohm - 10 K. Tímto způsobem lze tento konektor použít jako generátor signálu. V mém návrhu jsem nepoužil jako výstup konektor BNC - jednoduše jsem tam připájel vodič a místo toho jsem použil dva banánkové konektory. Červený - aktivní výstup, černý - signální zem.

Krok 3: PCB a pájení

Desku plošných spojů vyrobila společnost JLCPCB.

Poté jsem začal pájet zařízení: Nejprve napájecí část.

DPS podporuje dva typy konektorů BNC - můžete si vybrat, který použijete.

Ořezávací kondenzátory jsem koupil od Aliexpress.

Gerber soubory jsou k dispozici ke stažení zde.

Krok 4: Box

Rozhodl jsem se to všechno dát do malé plastové krabičky. Jeden jsem měl k dispozici v místním obchodě. Aby byl přístroj odolnější vůči vnějším rádiovým signálům, použil jsem měděnou pásku, kterou jsem připevnil na vnitřní stěny pouzdra. Jako rozhraní ke zvukové kartě jsem použil dva zvukové konektory. Pevně jsem je zafixoval epoxidovým lepidlem. Deska plošných spojů byla namontována v určité vzdálenosti od spodní skříně pomocí distančních podložek. Abych se ujistil, že je zařízení správně napájeno, přidal jsem LED do série s 1K odporem připojeným ke konektoru napájení na přední straně (špička konektoru na straně mikrofonu)

Krok 5: Zařízení je připraveno

Zde je několik obrázků sestaveného zařízení.

Krok 6: Testování

Otestoval jsem osciloskop pomocí tohoto generátoru signálu. Během testů můžete vidět několik snímků obrazovky.

Hlavní výzvou použití tohoto rozsahu je upravit výstupní napětí společného režimu frontendu tak, aby bylo stejné jako u zvukové karty. Poté zařízení funguje velmi hladce. Pokud používáte tento front-end s Arduinem, problém s vyrovnáváním napětí ve společném režimu by neměl existovat-lze jej volně umístit v rozsahu 0-5V a poté přesně upravit na hodnotu, která je pro vaše měření optimální. Při použití s Arduinem bych navrhl také další malou změnu - dvě antiparalelní ochranné diody na vstupu zesilovače lze propojit dvěma 4,7V Zennerovými diodami zapojenými do série, ale v opačných směrech. Tímto způsobem bude vstupní napětí upnuto na ~ 5,3 V chránící vstupy operačního zesilovače před přepětím.