Osiloskop için Analog Ön Uç: 6 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Evde, Banggood, Aliexpress, Ebay veya diğer küresel çevrimiçi mağazalardan bir miktar para karşılığında satın alınabilecek bazı ucuz USB ses kartlarım var. Onları ne için kullanabileceğimi merak ediyordum ve bunlardan biriyle düşük frekanslı bir PC kapsamı yapmaya karar verdim. İnternette USB osiloskop ve sinyal üreteci olarak kullanılabilecek güzel bir yazılım buldum. Kartın bazı ters tasarımını yaptım (ilk adımda açıklanmıştır) ve tam olarak işleyen bir kapsama sahip olmak istiyorsam - uygun voltaj ölçeklemesi ve kaydırması için gerekli olan bir Analog ön uç tasarlamam gerektiğine karar verdim. ses kartının mikrofon girişinde uygulanan giriş sinyali, çünkü mikrofon girişleri birkaç on yıllık milivolt düzeyinde maksimum giriş voltajları bekler. Ayrıca analog ön ucu evrensel hale getirmek istedim - Arduinos, STM32 veya diğer mikro denetleyicilerle kullanılabilecek - giriş sinyal bandı bir ses kartının giriş bandından çok daha geniş. Bu tür Analog kapsam ön ucunun nasıl tasarlanacağı adım adım talimatlar bu çalışmada sunulmaktadır.

1. Adım: USB Ses Kartı Tasarım ve Nodifikasyonları Tersine Çevirir

USB kartının açılması çok kolaydır - kasa yapıştırılmamış, sadece kısmen takılmış kısım. PCB çift taraflıdır. Ses jakları ve kontrol düğmeleri üst tarafta, bileşikle kaplanmış C-medya kod çözücü yongası alt tarafta. Mikrofon mono modda bağlanır - iki kanal PCB üzerinde kısa devre yapar. Mikrofon girişinde bir AC bağlantı kapasitörü (C7) kullanılır. Buna ek olarak, harici mikrofonun polarizasyonu için 3K'lık (R2) bir direnç kullanılır. yerini açık bırakarak bu direnci kaldırdım. Ses çıkışı ayrıca her iki kanal için AC bağlantılıdır.

Sinyal yolunda bir AC kuplajına sahip olmak, DC ve düşük frekanslı sinyallerin gözlemlenmesini engeller. Bu nedenle onu kaldırmaya (kısa) karar verdim. Bu kararın dezavantajları da vardır. Kondansatörden sonra, ses ADC'si için bir DC çalışma noktası tanımlanır ve analog ön uç, küçük giriş sinyali aralığı nedeniyle farklı DC OP çıkışına sahipse, ADC doygun hale gelebilir. Bunun anlamı - ön uç devrenin DC OP'si, ADC giriş aşamasınınkiyle hizalanmalıdır. DC çıkış voltajı seviyesi, ADC giriş aşamasına eşit olabilmesi için ayarlanabilir olmalıdır. Bu ayarlamanın nasıl uygulanacağı sonraki adımlarda tartışılacaktır. ADC girişinde yaklaşık 1.9V DC voltaj ölçtüm.

Analog front-end için tanımladığım bir diğer gereklilik ise ek güç kaynağı gerektirmemesiydi. Ön uç devreyi de beslemek için ses kartındaki 5V USB voltajını kullanmaya karar verdim. Bu amaçla, ses jakı ucu ile halka kontakları arasındaki ortak bağlantıyı kestim. Sinyal için kullanmaya karar verdiğim halka (son resimdeki beyaz kablo - AC kondansatörü de köprüler) ve güç kaynağı terminali olarak kullanmaya karar verdiğim jakın ucunu - bu amaçla USB 5V ile bağladım hat (kırmızı tel). Bununla ses kartının modifikasyonu tamamlandı. tekrar kapattım.

Adım 2: Ön Uç Tasarımı

Kararım, osiloskop için 3 çalışma moduna sahip olmaktı:

• DC
• AC
• zemin

AC moduna sahip olmak, giriş amplifikatörünün giriş / ortak mod voltajının besleme rayının altına uzanmasını gerektirir. Bunun anlamı - amplifikatörün çift beslemesi olmalıdır - pozitif ve negatif.

En az 3 giriş voltajı aralığına sahip olmak istedim (zayıflama oranları)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Modlar ve aralıklar arasındaki tüm komütasyonlar, mekanik sürgülü 2P3T anahtarlarla önceden oluşturulmuştur.

Amplifikatör için negatif besleme voltajı oluşturmak için 7660 şarj pompası çipi kullandım. Amplifikatörün besleme voltajlarını dengelemek için TI çift doğrusal regülatör TPS7A39'u kullandım. Çipin küçük bir paketi var, ancak PCB'ye lehimlemek çok zor değil. Amplifikatör olarak AD822 opamp kullandım. Avantajı - CMOS girişi (çok küçük giriş akımları) ve nispeten yüksek kazanç bant genişliği ürünü. Daha da geniş bant genişliğine sahip olmak istiyorsanız, CMOS girişli başka bir opamp kullanabilirsiniz. Demiryolundan Demiryoluna Giriş/Çıkış özelliğine sahip olmak güzel; düşük gürültü, yüksek dönüş hızı. Kullanılan opamp, iki +3.8V / -3.8V sarf malzemesi sağlamaya karar verdim. Bu voltajları veren TPS7A39 veri sayfasına göre hesaplanan geri besleme dirençleri:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Bu frontend'i Arduino ile kullanmak istiyorsanız 5V çıkış voltajına ulaşmak isteyebilirsiniz. Bu durumda giriş besleme gerilimi >6V uygulamanız ve ikili regülatörün çıkış gerilimlerini +5/-5V olarak ayarlamanız gerekir.

AD822 çift amplifikatördür - bunlardan ilki, evirmeyen konfigürasyonun toplanmasında kullanılan ikinci amplifikatörün ortak mod voltajını tanımlamak için tampon olarak kullanılmıştır.

Ortak mod voltajının ayarlanması ve giriş yükselticisinin kazancı için bu tür potansiyometreler kullandım.

Burada, kendi amplifikatör konfigürasyonunuzu kurmaya çalışabileceğiniz bir LTSPICE simülasyon kurulumunu indirebilirsiniz.

PCB'nin ikinci BNC konektörüne sahip olduğu görülebilir. Bu, ses kartının çıkışıdır - her iki kanal iki direnç aracılığıyla birbirine kısa devre yapar - değerleri 30 Ohm - 10 K aralığında olabilir. Bu şekilde bu konektör sinyal üreteci olarak kullanılabilir. Tasarımımda çıkış olarak BNC konektörü kullanmadım - orada sadece bir tel lehimledim ve bunun yerine iki banana konektör kullandım. Kırmızı olan - aktif çıkış, siyah olan - sinyal toprağı.

Adım 3: PCB ve Lehimleme

PCB, JLCPCB tarafından üretildi.

Ondan sonra cihazları lehimlemeye başladım: Önce tedarik kısmı.

PCB iki tip BNC konnektörünü destekler - hangisini kullanacağınızı seçebilirsiniz.

Aliexpress'ten aldığım kırpma kapasitörleri.

Gerber dosyaları buradan indirilebilir.

4. Adım: Boks

Bütün bunları küçük bir plastik kutuya koymaya karar verdim. Yerel dükkandan bir tane aldım. Cihazı harici radyo sinyallerine karşı daha dayanıklı hale getirmek için, iç kasa duvarlarına yapıştırdığım bir bakır bant kullandım. Ses kartına arayüz olarak iki ses jakı kullandım. Epoksi yapıştırıcı ile sağlam bir şekilde sabitledim. PCB, ara parçalar kullanılarak alt kasadan belirli bir mesafeye monte edildi. Cihazın doğru şekilde tedarik edildiğinden emin olmak için, ön uç besleme jakına (mikrofon yan jakının ucu) bağlı 1K dirençli seri bir LED ekledim

Adım 5: Cihaz Hazır

İşte monte edilmiş cihazın bazı resimleri.

6. Adım: Test Etme

Osiloskopu bu sinyal üretecini kullanarak test ettim Testler sırasında yapılan bazı ekran görüntülerini görebilirsiniz.

Bu kapsamı kullanmanın ana zorluğu, ön uç ortak mod çıkış voltajını ses kartınınkiyle aynı olacak şekilde ayarlamaktır. Bundan sonra cihaz çok düzgün çalışıyor. Bu ön ucu Arduino ile kullanıyorsanız, ortak mod voltaj hizalaması ile ilgili sorun olmamalıdır - 0-5V aralığına serbestçe yerleştirilebilir ve bundan sonra ölçümünüz için en uygun olan değere hassas bir şekilde ayarlanabilir. Arduino ile kullanırken küçük bir değişiklik daha öneririm - amplifikatörün girişindeki iki anti-paralel koruma diyotu, seri olarak fakat zıt yönlerde bağlanmış iki 4.7V Zenner diyot ile değiştirilebilir. Bu şekilde, giriş voltajı, aşırı voltajların opamp girişlerini koruyarak ~5.3V'de kenetlenecektir.