Аналогов преден край за осцилоскоп: 6 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Вкъщи имам евтини USB звукови карти, които могат да бъдат закупени в Banggood, Aliexpress, Ebay или други глобални онлайн магазини за някои пари. Чудех се за какво интересно мога да ги използвам и реших да опитам да направя нискочестотен компютър с един от тях. В Интернет намерих хубав софтуер, който може да се използва като USB осцилоскоп и генератор на сигнали. Направих някакъв обратен дизайн на картата (описан в първата стъпка) и реших, че ако искам да имам напълно функциониращ обхват - трябва да проектирам и аналогов интерфейс, който е необходим за правилното мащабиране на напрежението и изместване на входен сигнал, подаден на входа на микрофона на аудио картата, тъй като входовете на микрофона очакват максимални входни напрежения от порядъка на няколко десетилетия миливолта. Исках също да направя аналоговия интерфейс универсален - за да може да се използва с Arduinos, STM32 или други микроконтролери - с обхват на входния сигнал много по -широк от входния обхват на аудио карта. В тази работа са представени стъпка по стъпка инструкции как да се проектира такъв интерфейс на аналоговия обхват.

Стъпка 1: Проектиране и модификации на USB аудио картата

USB картата се отваря много лесно - калъфът не е залепен, а само частично вмъкната част. Печатната платка е двустранна. Аудио жаковете и бутоните за управление са от горната страна, чипът за декодиране на C-media, покрит със съединение, е от долната страна. Микрофонът е свързан в моно режим - двата канала се късо съединяват на печатната платка. На входа на микрофона се използва променливо свързващ кондензатор (C7). Освен това се използва резистор от 3K (R2) за отклонение на външния микрофон. махнах този резистор, оставяйки мястото му отворено. Аудио изходът също е AC свързан за двата канала.

Наличието на AC свързване на сигналния път предотвратява наблюдението на DC и нискочестотни сигнали. Поради тази причина решавам да го премахна (кратко). Това решение има и недостатъци. След кондензатора е определена някаква постоянна работна точка за аудио ADC и ако аналоговият интерфейс има различен изход DC OP, поради малкия обхват на входния сигнал, ADC може да се насити. Това означава - DC OP на предната верига трябва да бъде подравнен с този на входния етап на ADC. Нивото на DC изходно напрежение трябва да бъде регулируемо, за да може да бъде равно на това на входния етап на ADC. Как ще се приложи тази корекция ще бъде обсъдено в следващите стъпки. Измерил съм около 1.9V DC напрежение на входа на ADC.

Друго изискване, което определих за аналоговия интерфейс, беше да не се изисква допълнителен източник на захранване. Реших да използвам наличното в звуковата карта 5V USB напрежение, за да захранвам и предната верига. За тази цел прекъснах общата връзка между върха на аудио жака и пръстеновите контакти. Пръстенът, който реших да използвам за сигнала (белият проводник на последната снимка - свързва и променливотоковия кондензатор), а върхът на жака реших да използвам като захранващ терминал - за тази цел го свързах с USB 5V линия (червената жица). С това модификацията на аудио картата беше завършена. Затворих го отново.

Стъпка 2: Дизайн на интерфейса

Решението ми беше да имам 3 режима на работа за осцилоскопа:

• DC
• AC
• земя

Наличието на AC режим изисква напрежението на входния / общия режим на входния усилвател да се простира под захранващата шина. Това означава - усилвателят трябва да има двойно захранване - положително и отрицателно.

Исках да имам поне 3 диапазона на входното напрежение (коефициенти на затихване)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Всички комутации между режими и диапазони са предварително оформени чрез механични плъзгащи се 2P3T превключватели.

За да създам отрицателно захранващо напрежение за усилвателя, използвах чип с помпа за зареждане 7660. За стабилизиране на захранващите напрежения за усилвателя използвах двойния линеен регулатор TI TPS7A39. Чипът има малък пакет, но не е много трудно да се запои върху печатната платка. Като усилвател използвах AD822 opamp. Неговото предимство - CMOS вход (много малки входни токове) и продукт с относително висока честотна лента на усилване. Ако искате да имате още по -широка честотна лента, можете да използвате друг opamp с CMOS вход. Приятно е да имате функция Rail to Rail Input/Output; нисък шум, висока скорост на нарастване. Използваната опампа реших да доставя с две +3.8V / -3.8V захранвания. Резисторите за обратна връзка, изчислени съгласно листа с данни на TPS7A39, които дават тези напрежения са:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Ако искате да използвате този интерфейс с Arduino, може да искате да достигнете 5V изходно напрежение. В този случай трябва да приложите входно захранващо напрежение> 6V и да настроите изходното напрежение на двойния регулатор на +5/-5V.

AD822 е двоен усилвател - първият от тях беше използван като буфер за определяне на общото напрежение на режима на втория усилвател, използван при сумиране на неинвертираща конфигурация.

За регулиране на напрежението в общия режим и усилването на входния усилвател използвах такива потенциометри.

Тук можете да изтеглите настройка за симулация на LTSPICE, в която можете да опитате да настроите своя собствена конфигурация на усилвател.

Може да се види, че печатната платка има втори BNC конектор. Това е изходът на звуковата карта - и двата канала са съкратени заедно през два резистора - стойността им може да бъде в диапазона 30 Ohm - 10 K. По този начин този конектор може да се използва като генератор на сигнал. В моя дизайн не използвах BNC конектор като изход - просто запоявах жица там и вместо това използвах два бананови конектора. Червеният - активен изход, черният - заземяване на сигнала.

Стъпка 3: ПХБ и запояване

ПХБ е произведен от JLCPCB.

След това започнах да запоявам устройствата: Първо захранващата част.

Печатната платка поддържа два вида BNC конектори - можете да изберете кой да използвате.

Подрязващите кондензатори, които купих от Aliexpress.

Гербер файловете са достъпни за изтегляне тук.

Стъпка 4: Бокс

Реших да сложа всичко това в малка пластмасова кутия. Имах един наличен от местния магазин. За да направя устройството по -устойчиво на външни радиосигнали, използвах медна лента, която прикрепих към вътрешните стени на корпуса. Като интерфейс към аудио картата използвах два аудио жака. Закрепих ги здраво с епоксидно лепило. ПХБ е монтирана на известно разстояние от долния корпус с помощта на дистанционни елементи. За да се уверя, че устройството е правилно доставено, добавих последователно светодиод с 1K резистор, свързан към предния жак за захранване (върхът на страничния жак на микрофона)

Стъпка 5: Устройството е готово

Ето няколко снимки на сглобеното устройство.

Стъпка 6: Тестване

Тествал съм осцилоскопа с помощта на този генератор на сигнали Можете да видите някои екранни снимки, направени по време на тестовете.

Основното предизвикателство при използването на този обхват е да се настрои изходното напрежение на общия режим на интерфейса да бъде идентично с това на аудио картата. След това устройството работи много гладко. Ако използвате този интерфейс с Arduino, проблемът с подравняването на напрежението в общия режим не трябва да съществува-той може да бъде поставен свободно в диапазона 0-5V и след това точно да се регулира до стойност, която е оптимална за вашето измерване. При използване с Arduino бих предложил и още една малка промяна - двата антипаралелни защитни диода на входа на усилвателя могат да бъдат заменени с два последователно свързани диода от 4,7 V Zenner, но в противоположни посоки. По този начин входното напрежение ще бъде захванато при ~ 5.3V, защитавайки входовете на opamp на пренапрежения.