Osciloskopa analogā priekšpuse: 6 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Mājās man ir dažas lētas USB skaņas kartes, kuras par dažiem dolāriem var iegādāties Banggood, Aliexpress, Ebay vai citos pasaules tiešsaistes veikalos. Es domāju, kādam interesantam es tos varu izmantot, un nolēmu ar vienu no tiem izveidot zemfrekvences datora darbības jomu. Internetā esmu atradis jauku programmatūru, ko var izmantot kā USB osciloskopu un signālu ģeneratoru. Veicu apgrieztu kartes dizainu (aprakstīts pirmajā solī) un nolēmu, ka, ja vēlos, lai darbības joma būtu pilnībā funkcionējoša, man ir jāizstrādā arī analogā priekšpuse, kas nepieciešama pareizai sprieguma mērogošanai un kartes maiņai. Ievades signāls tiek pielietots audio kartes mikrofona ieejā, jo mikrofona ieejas paredz maksimālu ieejas spriegumu dažu desmitu milivoltu secībā. Es arī vēlējos padarīt analogo priekšpusi universālu - lai to varētu izmantot ar Arduinos, STM32 vai citiem mikrokontrolleriem -, lai ievades signāla josla būtu daudz plašāka nekā audio kartes ievades josla. Šajā darbā ir sniegti soli pa solim norādījumi, kā izveidot šādu analogās darbības jomas priekšpusi.

1. darbība: USB audio karšu dizains un izmaiņas

USB karti ir ļoti viegli atvērt - korpuss nav pielīmēts, tikai daļēji ievietota daļa. PCB ir abpusēja. Audio ligzdas un vadības pogas atrodas augšējā pusē, C-multivides dekodētāja mikroshēma, kas pārklāta ar savienojumu, ir apakšējā pusē. Mikrofons ir pievienots mono režīmā - abos kanālos PCB ir īssavienojums. Pie mikrofona ieejas tiek izmantots maiņstrāvas savienojuma kondensators (C7). Papildus tam ārējā mikrofona novirzei tiek izmantots 3K (R2) rezistors. Es esmu noņēmis šo rezistoru, atstājot savu vietu atvērtu. Arī audio izeja ir maiņstrāvas savienota abiem kanāliem.

Ja maiņstrāvas savienojums atrodas signāla ceļā, tas neļauj novērot līdzstrāvas un zemas frekvences signālus. Šī iemesla dēļ es nolemju to (īsi) noņemt. Šim lēmumam ir arī trūkumi. Pēc kondensatora audio ADC ir definēts kāds līdzstrāvas darbības punkts, un, ja analogā priekšpusei ir atšķirīga DC OP izeja, mazā ieejas signāla diapazona dēļ ADC var piesātināt. Tas nozīmē - priekšpuses shēmas līdzstrāvas OP ir jāsaskaņo ar ADC ievades pakāpes. Līdzstrāvas izejas sprieguma līmenim jābūt regulējamam, lai tas būtu vienāds ar ADC ievades pakāpes līmeni. Šīs korekcijas īstenošana tiks apspriesta turpmākajos posmos. Esmu izmērījis aptuveni 1,9 V līdzstrāvas spriegumu pie ADC ieejas.

Vēl viena prasība, ko es definēju analogajam priekšgalam, nebija prasīt papildu barošanas avotu. Es nolēmu izmantot skaņas kartē pieejamo 5 V USB spriegumu, lai piegādātu arī priekšējās shēmas. Šim nolūkam es pārtraucu kopējo savienojumu starp audio ligzdas galu un gredzena kontaktiem. Gredzenu, kuru nolēmu izmantot signālam (baltais vads pēdējā attēlā - savieno arī maiņstrāvas kondensatoru), un domkrata galu, kuru nolēmu izmantot kā strāvas padeves spaili - šim nolūkam es to savienoju ar USB 5V līnija (sarkanais vads). Līdz ar to audio kartes modifikācija tika pabeigta. Es to atkal aizvēru.

2. solis: priekšējās daļas dizains

Mans lēmums bija trīs osciloskopa darba režīmi:

• DC
• AC
• zemes

Maiņstrāvas režīmam ir nepieciešams, lai ieejas / pastiprinātāja ieejas / kopējā režīma spriegums būtu zem barošanas sliedes. Tas nozīmē - pastiprinātājam jābūt divkāršam - pozitīvam un negatīvam.

Es gribēju, lai būtu vismaz 3 ieejas sprieguma diapazoni (vājinājuma koeficienti)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Visi komutācijas starp režīmiem un diapazoniem ir iepriekš sagatavoti ar mehāniskiem 2P3T slēdžiem.

Lai izveidotu pastiprinātāja negatīvo barošanas spriegumu, es izmantoju 7660 uzlādes sūkņa mikroshēmu. Lai stabilizētu pastiprinātāja barošanas spriegumu, es izmantoju TI divkāršo lineāro regulatoru TPS7A39. Mikroshēmai ir neliels iepakojums, taču nav ļoti grūti to pielodēt uz PCB. Kā pastiprinātājs es izmantoju AD822 opamp. Tās priekšrocība - CMOS ieeja (ļoti nelielas ieejas strāvas) un salīdzinoši augsts pastiprinājuma joslas platuma produkts. Ja vēlaties iegūt vēl lielāku joslas platumu, varat izmantot citu opamp ar CMOS ievadi. Patīkami, ja ir ieeja/izeja no dzelzceļa līdz dzelzceļam; zems trokšņa līmenis, augsts griešanās ātrums. Izmantotais opamp es nolēmu piegādāt ar diviem +3.8V / -3.8V avotiem. Atgriezeniskās saites rezistori, kas aprēķināti saskaņā ar TPS7A39 datu lapu, sniedzot šādus spriegumus:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Ja vēlaties izmantot šo priekšgalu ar Arduino, iespējams, vēlēsities sasniegt 5 V izejas spriegumu. Šajā gadījumā jums jāpieliek pievades spriegums> 6V un jāiestata dubultā regulatora izejas spriegums uz +5/-5V.

AD822 ir divkāršs pastiprinātājs - pirmais no tiem tika izmantots kā buferis, lai definētu otrā pastiprinātāja kopējā režīma spriegumu, ko izmanto, summējot neinvertējošu konfigurāciju.

Kopējā režīma sprieguma un ieejas pastiprinātāja pastiprinājuma regulēšanai es izmantoju šādus potenciometrus.

Šeit jūs lejupielādējat LTSPICE simulācijas iestatījumu, kurā varat mēģināt iestatīt savu pastiprinātāja konfigurāciju.

Var redzēt, ka PCB ir otrs BNC savienotājs. Šī ir skaņas kartes izeja - abi kanāli ir saīsināti kopā caur diviem rezistoriem - to vērtība var būt robežās no 30 omi līdz 10 K. Tādā veidā šo savienotāju var izmantot kā signāla ģeneratoru. Savā dizainā es neizmantoju BNC savienotāju kā izeju - es vienkārši tur pielodēju vadu un tā vietā izmantoju divus banānu savienotājus. Sarkanā - aktīvā izeja, melnā - signāla zemējums.

3. solis: PCB un lodēšana

PCB ražoja JLCPCB.

Pēc tam es sāku lodēt ierīces: Vispirms piegādes daļa.

PCB atbalsta divu veidu BNC savienotājus - jūs varat izvēlēties, kuru izmantot.

Apgriešanas kondensatori, kurus es nopirku no Aliexpress.

Gerber faili ir pieejami lejupielādei šeit.

4. solis: Bokss

Es nolēmu to visu ielikt nelielā plastmasas kastītē. Man bija pieejams viens no vietējiem veikaliem. Lai padarītu ierīci neaizsargātāku pret ārējiem radiosignāliem, es izmantoju vara lenti, kuru piestiprināju pie korpusa iekšējām sienām. Kā saskarni audio kartei es izmantoju divas audio ligzdas. Es tos stiprināju ar epoksīda līmi. Izmantojot starplikas, PCB tika uzstādīts kādā attālumā no apakšējā korpusa. Lai pārliecinātos, ka ierīce tiek piegādāta pareizi, es sērijveidā pievienoju gaismas diodi ar 1K rezistoru, kas pievienots priekšpuses barošanas ligzdai (mikrofona sānu ligzdas gals).

5. darbība: ierīce ir gatava

Šeit ir daži saliktās ierīces attēli.

6. darbība: pārbaude

Esmu pārbaudījis osciloskopu, izmantojot šo signālu ģeneratoru. Jūs varat redzēt dažus ekrānuzņēmumus, kas veikti testu laikā.

Galvenais izaicinājums, izmantojot šo darbības jomu, ir noregulēt frontend kopējā režīma izejas spriegumu, lai tas būtu identisks audio kartes spriegumam. Pēc tam ierīce darbojas ļoti gludi. Ja izmantojat šo priekšgalu ar Arduino, problēmas ar parasto režīmu sprieguma izlīdzināšanu nevajadzētu pastāvēt-to var brīvi novietot 0-5 V diapazonā un pēc tam precīzi noregulēt uz vērtību, kas ir optimāla jūsu mērījumam. Lietojot ar Arduino, es ieteiktu arī vēl vienu nelielu izmaiņu - abas paralēlās aizsardzības diodes pie pastiprinātāja ieejas var novietot ar divām 4,7 V Zenner diodēm, kas savienotas virknē, bet pretējos virzienos. Tādā veidā ieejas spriegums tiks fiksēts pie ~ 5,3 V, aizsargājot pārsprieguma opamp ieejas.