Front Front analog pentru osciloscop: 6 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Acasă am niște plăci de sunet USB ieftine, care pot fi cumpărate în Banggood, Aliexpress, Ebay sau în alte magazine online globale pentru câțiva dolari. Mă întrebam pentru ce interesant le pot folosi și am decis să încerc să creez un scop pentru PC cu frecvență joasă cu unul dintre ele. În Internet am găsit un software frumos, care poate fi folosit ca osciloscop USB și generator de semnal. Am făcut un design invers al cardului (descris în primul pas) și am decis că, dacă vreau să funcționez pe deplin, trebuie să proiectez un front-analog analogic, care este necesar pentru scalarea și deplasarea corectă a tensiunii. semnal de intrare aplicat la intrarea microfonului plăcii audio, deoarece intrările de microfon așteaptă tensiuni maxime de intrare în ordinea a câteva decenii de milivolți. De asemenea, am vrut să fac frontendul analogic universal - să pot fi folosit cu Arduinos, STM32 sau alte microcontrolere - având o bandă de semnal de intrare mult mai largă decât banda de intrare a unei plăci audio. În această lucrare sunt prezentate instrucțiuni pas cu pas despre cum să proiectezi un astfel de front-end pentru domeniu analogic.

Pasul 1: Proiectarea și nodificarea inversării plăcii audio USB

Cardul USB se deschide foarte ușor - carcasa nu este lipită, doar inserată parțial. PCB-ul este pe două fețe. Mufele audio și butoanele de comandă sunt în partea superioară, cipul decodor C-media, acoperit de compus este în partea inferioară. Microfonul este conectat în modul mono - cele două canale sunt scurtcircuitate împreună pe PCB. Un condensator de cuplare AC (C7) este utilizat la intrarea microfonului. În plus, un rezistor de 3K (R2) este utilizat pentru polarizarea microfonului extern. Am îndepărtat acest rezistor lăsându-i locul deschis. Ieșirea audio este, de asemenea, cuplată în CA pentru ambele canale.

Având o cuplare de curent alternativ la calea semnalului împiedică observarea semnalelor de curent continuu și de frecvență joasă. Din acest motiv, decid să îl elimin (scurt). Această decizie are și dezavantaje. După condensator este definit un anumit punct de funcționare DC pentru ADC audio și dacă front-end-ul analogic are o ieșire diferită DC OP, din cauza intervalului redus de semnal de intrare, ADC se poate satura. Asta înseamnă - opțiunea de curent continuu a circuitelor front-end trebuie să fie aliniată cu cea a etapei de intrare ADC. Nivelul tensiunii de ieșire DC trebuie să fie reglabil pentru a putea fi egal cu cel al etapei de intrare ADC. Modul în care este implementată această ajustare va fi discutat în etapele următoare. Am măsurat aproximativ 1,9V tensiune continuă la intrarea ADC.

O altă cerință, pe care am definit-o pentru front-end-ul analogic, a fost aceea de a nu necesita o sursă de alimentare suplimentară. Am decis să folosesc tensiunea USB 5V disponibilă pe placa de sunet pentru a furniza și circuitele front-end. În acest scop am întrerupt conexiunea obișnuită dintre vârful mufei audio și contactele de apel. Inelul pe care am decis să îl folosesc pentru semnal (firul alb de pe ultima imagine - punte și condensatorul de curent alternativ), iar vârful mufei am decis să îl folosesc ca terminal de alimentare - în acest scop l-am conectat cu USB 5V linie (firul roșu). Cu aceasta s-a finalizat modificarea plăcii audio. Am închis-o din nou.

Pasul 2: Design frontend

Decizia mea a fost de a avea 3 moduri de lucru pentru osciloscop:

• DC
• AC
• sol

Dacă aveți modul AC, tensiunea de intrare / modul comun al amplificatorului de intrare se extinde sub șina de alimentare. Asta înseamnă - amplificatorul trebuie să aibă o sursă dublă - pozitiv și negativ.

Am vrut să am cel puțin 3 game de tensiune de intrare (rapoarte de atenuare)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Toate comutările dintre moduri și intervale sunt preformate cu comutatoare cu diapozitive mecanice 2P3T.

Pentru a crea tensiunea de alimentare negativă pentru amplificator, am folosit cipul de pompă de încărcare 7660. Pentru a stabiliza tensiunile de alimentare pentru amplificator am folosit regulatorul dual liniar TI TPS7A39. Cipul are un pachet mic, dar nu este foarte dificil să-l lipiți pe PCB. Ca amplificator am folosit AD822 opamp. Avantajul său - intrare CMOS (curenți de intrare foarte mici) și produs cu lățime de bandă relativ mare. Dacă doriți să aveți o lățime de bandă și mai mare, puteți utiliza un alt opamp cu intrare CMOS. Este plăcut să ai funcții de intrare / ieșire Rail to Rail; zgomot redus, rată mare de rotire. Opampul folosit am decis să alimentez cu două consumabile + 3,8V / -3,8V. Rezistențele de feedback calculate conform fișei tehnice a TPS7A39, care dau aceste tensiuni sunt:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Dacă doriți să utilizați acest frontend cu Arduino, poate doriți să atingeți tensiunea de ieșire de 5V. În acest caz, trebuie să aplicați tensiunea de alimentare de intrare> 6V și să setați tensiunile de ieșire ale regulatorului dual la + 5 / -5V.

AD822 este un amplificator dual - primul dintre ele a fost folosit ca tampon pentru a defini tensiunea de mod comun a celui de-al doilea amplificator utilizat la sumarea configurației fără inversare.

Pentru reglarea tensiunii în modul comun și a câștigului amplificatorului de intrare am folosit astfel de potențiometre.

Aici puteți descărca o configurare de simulare LTSPICE, în care puteți încerca să configurați propria configurație a amplificatorului.

Se poate vedea că PCB-ul are al doilea conector BNC. Aceasta este ieșirea plăcii de sunet - ambele canale sunt scurtcircuitate împreună prin două rezistențe - valoarea lor poate fi cuprinsă între 30 Ohm - 10 K. În acest fel acest conector poate fi utilizat ca generator de semnal. În proiectarea mea nu am folosit conector BNC ca ieșire - pur și simplu am lipit un fir acolo și am folosit în schimb doi conectori pentru banane. Cel roșu - ieșire activă, cel negru - semnal de masă.

Pasul 3: PCB și lipire

PCB-ul a fost produs de JLCPCB.

După aceea am început să lipesc dispozitivele: Mai întâi partea de aprovizionare.

PCB acceptă două tipuri de conectori BNC - puteți alege pe care să îl utilizați.

Condensatoarele de tundere le-am cumpărat de la Aliexpress.

Fișierele Gerber sunt disponibile pentru descărcare aici.

Pasul 4: Box

Am decis să pun toate acestea într-o cutie mică de plastic. Am avut unul disponibil de la magazinul local. Pentru a face dispozitivul mai imun la semnalele radio externe, am folosit o bandă de cupru, pe care am atașat-o pe pereții interni ai carcasei. Ca interfață pentru placa audio, am folosit două mufe audio. Le-am fixat puternic cu lipici epoxidic. PCB-ul a fost montat la o anumită distanță de carcasa inferioară prin utilizarea de distanțiere. Pentru a fi sigur că dispozitivul este furnizat corect, am adăugat un LED în serie cu rezistență 1K conectat la mufa de alimentare frontală (vârful mufei laterale a microfonului)

Pasul 5: Dispozitivul este gata

Iată câteva imagini ale dispozitivului asamblat.

Pasul 6: Testare

Am testat osciloscopul folosind acest generator de semnal Puteți vedea câteva capturi de ecran făcute în timpul testelor.

Principala provocare folosind acest scop este de a regla tensiunea de ieșire în modul comun frontend pentru a fi identică cu cea a plăcii audio. După aceea, dispozitivul funcționează foarte bine. Dacă utilizați acest front-end cu Arduino, problema cu alinierea tensiunii în modul comun nu ar trebui să existe - poate fi plasată liber în intervalul 0-5V și ajustată cu precizie după aceea la valoare, ceea ce este optim pentru măsurarea dvs. Atunci când se utilizează cu Arduino, aș sugera, de asemenea, o altă mică modificare - cele două diode de protecție antiparalel la intrarea amplificatorului pot fi raclate cu două diode Zenner de 4,7 V conectate în serie, dar în direcții opuse. În acest fel, tensiunea de intrare va fi fixată la ~ 5,3V protejând intrările opamp de supratensiuni.