Analog Front End dla oscyloskopu: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

W domu mam kilka tanich kart dźwiękowych USB, które można kupić w Banggood, Aliexpress, Ebay lub innych globalnych sklepach internetowych za parę groszy. Zastanawiałem się, do jakich celów mogę je wykorzystać i postanowiłem zrobić z jednym z nich lunetę PC o niskiej częstotliwości. W internecie znalazłem fajne oprogramowanie, które może służyć jako oscyloskop USB i generator sygnału. Zrobiłem trochę odwrotnego projektu karty (opisane w pierwszym kroku) i zdecydowałem, że jeśli chcę mieć w pełni sprawny zakres - muszę również zaprojektować interfejs analogowy, który jest wymagany do prawidłowego skalowania napięcia i przesuwania sygnał wejściowy jest podawany na wejście mikrofonowe karty dźwiękowej, ponieważ wejścia mikrofonowe oczekują maksymalnych napięć wejściowych rzędu kilkudziesięciu miliwoltów. Chciałem również, aby interfejs analogowy był uniwersalny - aby mógł być używany z Arduino, STM32 lub innymi mikrokontrolerami - mając pasmo sygnału wejściowego znacznie szersze niż pasmo wejściowe karty dźwiękowej. W pracy przedstawiono instrukcję krok po kroku, jak zaprojektować taki front-end zakresu analogowego.

Krok 1: Odwracanie projektu karty audio USB i nodyfikacje

Karta USB jest bardzo łatwa do otwarcia - obudowa nie jest sklejona, tylko włożona częściowo w części. Płytka jest dwustronna. Gniazda audio i przyciski sterujące znajdują się na górze, chip dekodera C-media, pokryty mieszanką, znajduje się na dole. Mikrofon podłączony jest w trybie mono - dwa kanały są zwarte na płytce drukowanej. Na wejściu mikrofonu zastosowano kondensator sprzęgający AC (C7). Dodatkowo do polaryzacji zewnętrznego mikrofonu używany jest rezystor 3K (R2). usunąłem ten rezystor, pozostawiając jego miejsce otwarte. Wyjście audio jest również sprzężone AC dla obu kanałów.

Sprzężenie AC na ścieżce sygnału zapobiega obserwacji sygnałów DC i niskiej częstotliwości. Z tego powodu postanawiam go usunąć (skrócić). Ta decyzja ma również wady. Po kondensatorze jest określony punkt pracy DC dla audio ADC i jeśli analogowy front-end ma inny wyjściowy DC OP, ze względu na mały zakres sygnału wejściowego, ADC może się nasycić. Oznacza to, że DC OP obwodu front-end musi być wyrównany ze stopniem wejściowym ADC. Poziom napięcia wyjściowego DC musi być regulowany, aby był równy poziomowi wejściowemu ADC. Sposób wdrożenia tego dostosowania zostanie omówiony w kolejnych krokach. Zmierzyłem napięcie około 1,9V DC na wejściu ADC.

Kolejnym wymaganiem, które zdefiniowałem dla analogowego front-endu, było niewymaganie dodatkowego źródła zasilania. Postanowiłem wykorzystać dostępne w karcie dźwiękowej napięcie USB 5V do zasilania również obwodów front-end. W tym celu odciąłem wspólne połączenie między końcówką gniazda audio a stykami pierścieniowymi. Pierścień postanowiłem wykorzystać do sygnału (biały przewód na ostatnim zdjęciu - mostkuje również kondensator AC), a końcówkę gniazda postanowiłem wykorzystać jako końcówkę zasilania - w tym celu połączyłem ją z USB 5V linia (czerwony przewód). Tym samym zakończono modyfikację karty dźwiękowej. Znowu go zamknąłem.

Krok 2: Projekt frontendu

Moją decyzją było posiadanie 3 trybów pracy oscyloskopu:

• DC
• AC
• grunt

Tryb AC wymaga, aby napięcie wejściowe/wspólne wzmacniacza wejściowego rozciągało się pod szyną zasilającą. To znaczy – wzmacniacz musi mieć podwójne zasilanie – dodatni i ujemny.

Chciałem mieć co najmniej 3 zakresy napięcia wejściowego (współczynniki tłumienia)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Wszystkie komutacje między trybami i zakresami są wstępnie wykonane za pomocą mechanicznych przełączników suwakowych 2P3T.

Do wytworzenia ujemnego napięcia zasilania wzmacniacza użyłem układu pompy ładunkowej 7660. Do stabilizacji napięć zasilających wzmacniacz wykorzystałem podwójny regulator liniowy TI TPS7A39. Układ ma małą obudowę, ale nie jest trudno go wlutować na płytce drukowanej. Jako wzmacniacz użyłem opamp AD822. Jego zaleta - wejście CMOS (bardzo małe prądy wejściowe) i stosunkowo duża przepustowość produktu. Jeśli chcesz mieć jeszcze szerszą przepustowość, możesz użyć innego wzmacniacza operacyjnego z wejściem CMOS. Miło mieć funkcję wejścia/wyjścia Rail to Rail; niski poziom hałasu, wysoka szybkość narastania. Użyty wzmacniacz operacyjny postanowiłem dostarczyć z dwoma dostawami +3,8 V / -3,8 V. Rezystory sprzężenia zwrotnego obliczone zgodnie z kartą katalogową TPS7A39, które dają te napięcia to:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Jeśli chcesz używać tego interfejsu z Arduino, możesz chcieć osiągnąć napięcie wyjściowe 5V. W takim przypadku należy podać wejściowe napięcie zasilania >6V i ustawić napięcia wyjściowe podwójnego regulatora na +5/-5V.

AD822 jest wzmacniaczem podwójnym – pierwszy z nich służył jako bufor do określenia napięcia wspólnego drugiego wzmacniacza używanego w konfiguracji sumującej nieodwracającej.

Do regulacji napięcia wspólnego i wzmocnienia wzmacniacza wejściowego użyłem takich potencjometrów.

Tutaj możesz pobrać konfigurację symulacji LTSPICE, w której możesz spróbować ustawić własną konfigurację wzmacniacza.

Widać, że PCB ma drugie złącze BNC. Jest to wyjście karty dźwiękowej - oba kanały są zwarte przez dwa rezystory - ich wartość może zawierać się w przedziale 30 Ohm - 10 K. W ten sposób złącze to może służyć jako generator sygnału. W moim projekcie nie używałem złącza BNC jako wyjścia - po prostu przylutowałem tam przewód i zamiast tego użyłem dwóch złącz bananowych. Czerwony - wyjście aktywne, czarny - masa sygnałowa.

Krok 3: PCB i lutowanie

PCB została wyprodukowana przez JLCPCB.

Potem zacząłem lutować urządzenia: Najpierw część zasilająca.

Płytka PCB obsługuje dwa typy złączy BNC – możesz wybrać, którego chcesz użyć.

Kondensatory dostrajające kupiłem od Aliexpressa.

Pliki gerber są dostępne do pobrania tutaj.

Krok 4: Boks

Postanowiłem umieścić to wszystko w małym plastikowym pudełku. Miałem jeden dostępny w lokalnym sklepie. Aby urządzenie było bardziej odporne na zewnętrzne sygnały radiowe, użyłem taśmy miedzianej, którą przykleiłem do wewnętrznych ścianek obudowy. Jako interfejs do karty audio wykorzystałem dwa gniazda audio. Mocno je naprawiłem klejem epoksydowym. Płytka została zamontowana w pewnej odległości od dolnej obudowy za pomocą podkładek dystansowych. Aby mieć pewność, że urządzenie jest prawidłowo zasilane, dodałem diodę LED szeregowo z rezystorem 1K podłączoną do front-endowego gniazda zasilania (końcówka bocznego gniazda mikrofonu)

Krok 5: Urządzenie jest gotowe

Oto kilka zdjęć zmontowanego urządzenia.

Krok 6: Testowanie

Przetestowałem oscyloskop za pomocą tego generatora sygnału. Możesz zobaczyć kilka zrzutów ekranu wykonanych podczas testów.

Głównym wyzwaniem przy użyciu tego oscyloskopu jest dostosowanie napięcia wyjściowego trybu wspólnego frontendu tak, aby było identyczne z napięciem karty dźwiękowej. Potem urządzenie działa bardzo płynnie. Jeśli używasz tego front-endu z Arduino, problem z wyrównaniem napięcia wspólnego trybu nie powinien istnieć - można go dowolnie ustawić w zakresie 0-5V, a następnie precyzyjnie dopasować do wartości, która jest optymalna dla twojego pomiaru. Przy współpracy z Arduino sugerowałbym jeszcze jedną małą zmianę - dwie antyrównoległe diody zabezpieczające na wejściu wzmacniacza można zastąpić dwiema diodami Zennera 4,7V połączonymi szeregowo, ale w przeciwnych kierunkach. W ten sposób napięcie wejściowe zostanie ograniczone do ~ 5,3 V, chroniąc wejścia opamp przed przepięciami.