Analogni sprednji del za osciloskop: 6 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Doma imam nekaj poceni zvočnih kartic USB, ki jih je za nekaj dolarjev mogoče kupiti v Banggoodu, Aliexpressu, Ebayu ali drugih svetovnih spletnih trgovinah. Spraševal sem se, za kaj zanimivega jih lahko uporabim, in se odločil, da bom z enim izmed njih poskusil narediti nizkofrekvenčni računalnik. Na internetu sem našel lepo programsko opremo, ki se lahko uporablja kot USB osciloskop in generator signalov. Naredil sem nekaj obratnega oblikovanja kartice (opisano v prvem koraku) in se odločil, da če želim imeti popolnoma delujoč obseg - moram oblikovati tudi analogni sprednji del, ki je potreben za pravilno skaliranje napetosti in premikanje vhodni signal, ki se uporablja na vhodu mikrofona zvočne kartice, ker vhodi mikrofona pričakujejo največje vhodne napetosti v nekaj desetletjih milivoltov. Prav tako sem želel narediti analogni vmesnik univerzalen - za uporabo z Arduinosom, STM32 ali drugimi mikrokrmilniki - ki ima vhodni signalni pas veliko širši od vhodnega pasu zvočne kartice. Navodila po korakih, kako oblikovati takšen vmesnik analognega obsega, so predstavljena v tem delu.

Korak 1: Oblikovanje in spremembe USB zvočne kartice

Kartico USB je zelo enostavno odpreti - ohišje ni zlepljeno, le delno je vstavljen del. PCB je dvostranski. Zvočni priključki in gumbi za upravljanje so na zgornji strani, čip dekoderja C-media, prekrit s spojino, pa na spodnji strani. Mikrofon je priključen v mono načinu - oba kanala sta skupaj skrajšana na tiskanem vezju. Na vhodu mikrofona se uporablja AC kondenzator (C7). Poleg tega se za odmik zunanjega mikrofona uporablja upor 3K (R2). Odporil sem ta upor in pustil odprto mesto. Zvočni izhod je za oba kanala povezan tudi z izmeničnim tokom.

AC priključek na signalni poti preprečuje opazovanje enosmernih in nizkofrekvenčnih signalov. Zato se odločim, da ga odstranim (na kratko). Ta odločitev ima tudi slabosti. Po kondenzatorju je določena ena DC delovna točka za avdio ADC in če ima analogni vhod drugačen izhod DC OP, zaradi majhnega vhodnega signala lahko ADC nasiči. To pomeni - DC OP vhodnega vezja mora biti poravnan z vhodom ADC. Raven izhodne napetosti enosmernega toka mora biti nastavljiva, da je lahko enaka ravni vhodne stopnje ADC. Kako se ta prilagoditev izvede, bomo obravnavali v naslednjih korakih. Izmeril sem približno 1,9 V enosmerne napetosti na vhodu ADC.

Druga zahteva, ki sem jo opredelil za analogni vmesnik, je bila, da ne potrebujem dodatnega vira napajanja. Odločil sem se, da uporabim 5V napetost USB, ki je na voljo na zvočni kartici, za napajanje tudi vezja sprednjega dela. V ta namen sem prekinil skupno povezavo med konico zvočnega priključka in obročnimi kontakti. Obroč, ki sem se ga odločil uporabiti za signal (bela žica na zadnji sliki - premosti tudi izmenični kondenzator), in konico vtičnice sem se odločil uporabiti kot napajalni terminal - v ta namen sem ga povezal z USB 5V linija (rdeča žica). S tem je bila sprememba zvočne kartice zaključena. Spet sem zaprl.

2. korak: Oblikovanje prednjega dela

Moja odločitev je bila, da imam za osciloskop tri načine dela:

• DC
• AC
• tla

Način AC zahteva, da se vhodna / skupna napetost vhodnega ojačevalnika razteza pod napajalno tirnico. To pomeni - ojačevalnik mora imeti dvojno napajanje - pozitivno in negativno.

Želel sem imeti vsaj 3 razpone vhodne napetosti (razmerja dušenja)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Vse komutacije med načini in območji so vnaprej oblikovane z mehanskimi drsnimi stikali 2P3T.

Za ustvarjanje negativne napajalne napetosti za ojačevalnik sem uporabil čip polnilne črpalke 7660. Za stabilizacijo napajalnih napetosti ojačevalnika sem uporabil dvojni linearni regulator TI TPS7A39. Čip ima majhen paket, vendar ga ni težko spajkati na tiskano vezje. Kot ojačevalnik sem uporabil opamp AD822. Njegova prednost - vhod CMOS (zelo majhni vhodni tokovi) in izdelek z relativno visoko pasovno širino dobička. Če želite še širšo pasovno širino, lahko uporabite drug opamp z vhodom CMOS. Lepo je imeti funkcijo Železniški vhod/izhod; nizek hrup, visoka stopnja obračanja. Uporabil sem opamp, ki sem ga odločil dobavljati z dvema napajalnikoma +3.8V / -3.8V. Upori povratne zveze, izračunani v skladu s podatkovnim listom TPS7A39, ki dajejo te napetosti:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Če želite uporabljati to zunanjo stran z Arduinom, boste morda želeli doseči 5V izhodno napetost. V tem primeru morate uporabiti vhodno napajalno napetost> 6V in nastaviti izhodne napetosti dvojnega regulatorja na +5/-5V.

AD822 je dvojni ojačevalnik - prvi je bil uporabljen kot varovalka za definiranje skupne napetosti drugega ojačevalnika, uporabljenega pri seštevanju neinvertirne konfiguracije.

Za nastavitev skupne napetosti in dobička vhodnega ojačevalnika sem uporabil takšne potenciometre.

Tukaj lahko prenesete simulacijsko nastavitev LTSPICE, v kateri lahko poskusite nastaviti svojo konfiguracijo ojačevalnika.

Vidimo lahko, da ima tiskana vezja drugi BNC konektor. To je izhod zvočne kartice - oba kanala sta skupaj skrajšana prek dveh uporov - njihova vrednost je lahko v območju 30 Ohm - 10 K. Na ta način se lahko ta priključek uporablja kot generator signala. V svoji zasnovi nisem uporabil priključka BNC kot izhod - preprosto sem spajkal žico in namesto tega uporabil dva priključka za banane. Rdeča - aktivni izhod, črna - signalna masa.

3. korak: PCB in spajkanje

PCB je izdelal JLCPCB.

Po tem sem začel spajkati naprave: Najprej napajalni del.

PCB podpira dve vrsti priključkov BNC - sami se lahko odločite, katero boste uporabili.

Obrezovalni kondenzatorji, ki sem jih kupil pri Aliexpressu.

Datoteke gerber so na voljo za prenos tukaj.

4. korak: Boks

Odločil sem se, da bom vse to dal v majhno plastično škatlo. Imel sem eno na voljo v lokalni trgovini. Za večjo odpornost naprave na zunanje radijske signale sem uporabil bakreni trak, ki sem ga pritrdil na notranje stene ohišja. Kot vmesnik za avdio kartico sem uporabil dva avdio priključka. Močno sem jih popravil z epoksi lepilom. PCB je bil nameščen na razdalji od spodnjega ohišja z distančniki. Da sem prepričan, da je naprava pravilno priložena, sem dodal LED zaporedno z 1K uporom, priključenim na sprednji napajalni priključek (konica stranskega priključka mikrofona)

5. korak: Naprava je pripravljena

Tukaj je nekaj slik sestavljene naprave.

6. korak: Testiranje

Z uporabo tega generatorja signalov sem preizkusil osciloskop. Med preskusi si lahko ogledate nekaj posnetkov zaslona.

Glavni izziv pri uporabi tega področja je prilagoditev izhodne napetosti sprednjega običajnega načina, ki je enaka napetosti zvočne kartice. Po tem naprava deluje zelo gladko. Če uporabljate ta vmesnik z Arduinom, problem pri poravnavi napetosti v skupnem načinu ne bi smel obstajati-lahko ga prosto postavite v območje 0-5V in po tem natančno prilagodite vrednosti, ki je optimalna za vaše meritve. Pri uporabi z Arduinom bi predlagal še eno majhno spremembo - dve proti vzporedni zaščitni diodi na vhodu ojačevalnika lahko nadomestimo z dvema zaporedno povezanima diodama 4,7 V Zenner, vendar v nasprotnih smereh. Na ta način bo vhodna napetost vpeta pri ~ 5.3V, ki ščiti opamp vhode prenapetosti.