Analog frontend for oscilloskop: 6 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Hjemme har jeg noen billige USB -lydkort, som kan kjøpes i Banggood, Aliexpress, Ebay eller andre globale nettbutikker for noen dollar. Jeg lurte på hvor interessant jeg kan bruke dem til og bestemte meg for å prøve å lage et lavfrekvent PC -omfang med en av dem. På Internett har jeg funnet en fin programvare, som kan brukes som USB -oscilloskop og signalgenerator. Jeg gjorde en omvendt utforming av kortet (beskrevet i det første trinnet) og bestemte meg for at hvis jeg vil ha fullt fungerende omfang - må jeg også designe en analog front -end, som er nødvendig for riktig spenningsskalering og forskyvning av inngangssignal som brukes på mikrofoninngangen på lydkortet, fordi mikrofoninngangene forventer maksimale inngangsspenninger i størrelsesorden noen tiår med millivolt. Jeg ønsket også å gjøre den analoge frontenden universell - for å kunne brukes med Arduinos, STM32 eller andre mikrokontrollere - som har inngangssignalbånd mye bredere enn inngangsbåndet til et lydkort. Trinn for trinn instruksjoner for hvordan du designer en slik analog front-front, presenteres i dette arbeidet.

Trinn 1: USB -lydkort reverserer design og nodifiseringer

USB -kortet er veldig enkelt å åpne - saken er ikke limt, bare satt inn delvis. PCB er tosidig. Lydkontaktene og kontrollknappene er på oversiden, C-media-dekoderbrikken, dekket av sammensatte, er på undersiden. Mikrofonen er tilkoblet i monomodus - de to kanalene er kortsluttet sammen på kretskortet. En AC -koblingskondensator (C7) brukes ved mikrofoninngangen. I tillegg til det brukes en motstand på 3K (R2) for forspenning av den eksterne mikrofonen. Jeg har fjernet denne motstanden og lar stedet stå åpent. Lydutgangen er også AC -koblet for begge kanalene.

Å ha en vekselstrømskobling ved signalbanen forhindrer observasjon av likestrøm og lavfrekvente signaler. Av den grunn bestemmer jeg meg for å fjerne (kort) den. Denne avgjørelsen har også ulemper. Etter kondensatoren er det definert et DC-driftspunkt for lyd-ADC, og hvis den analoge frontenden har forskjellig DC-utgang på grunn av det lille inngangssignalområdet, kan ADC mette. Det betyr - DC OP for front -end -kretsene må være på linje med ADC -inngangstrinnet. DC -utgangsspenning må være justerbar for å kunne være lik ADC -inngangstrinnet. Hvordan denne justeringen implementeres skal diskuteres i de neste trinnene. Jeg har målt omtrent 1,9V DC spenning ved inngangen til ADC.

Et annet krav, som jeg definerte for den analoge front-end, var ikke å kreve ekstra strømkilde. Jeg bestemte meg for å bruke den tilgjengelige i lydkortets 5V USB-spenning for å forsyne også front-end kretsene. For det formålet kuttet jeg den vanlige forbindelsen mellom lydkontaktspissen og ringkontaktene. Ringen jeg bestemte meg for å bruke til signalet (den hvite ledningen på det siste bildet - broer også AC -kondensatoren), og tuppen av kontakten bestemte jeg meg for å bruke som strømforsyningsterminal - for det formålet koblet jeg den til med USB 5V linje (den røde ledningen). Med det ble modifikasjonen av lydkortet fullført. Jeg lukket den igjen.

Trinn 2: Frontend -design

Min beslutning var å ha tre arbeidsmåter for oscilloskopet:

• DC
• AC
• bakke

Å ha AC -modus krever at inngangs- / fellesmoduspenningen til inngangsforsterkeren strekker seg under forsyningsskinnen. Det betyr - forsterkeren må ha dobbel forsyning - positiv og negativ.

Jeg ønsket å ha minst 3 inngangsspenningsområder (dempningsforhold)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Alle kommutasjoner mellom moduser og områder er forhåndsformede bu mekaniske lysbilde 2P3T brytere.

For å lage den negative forsyningsspenningen for forsterkeren brukte jeg 7660 ladepumpebrikke. For å stabilisere forsyningsspenningene for forsterkeren brukte jeg TI dual lineær regulator TPS7A39. Brikken har liten pakke, men er ikke veldig vanskelig å lodde den på kretskortet. Som forsterker brukte jeg AD822 opamp. Dens fordel - CMOS -inngang (veldig små inngangsstrømmer) og et relativt høyt forsterkningsbåndbreddeprodukt. Hvis du vil ha enda bredere båndbredde, kan du bruke en annen opamp med CMOS -inngang. Fint å ha funksjon Rail to Rail Input/Output; lav støy, høy svinghastighet. Opampen jeg brukte bestemte jeg meg for å forsyne med to +3.8V / -3.8V forsyninger. Tilbakemeldingsmotstandene beregnet i henhold til databladet til TPS7A39, som gir disse spenningene er:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Hvis du vil bruke denne frontenden med Arduino, kan det være lurt å nå 5V utgangsspenning. I dette tilfellet må du bruke inngangsspenning> 6V og sette utgangsspenningene til den doble regulatoren til å være +5/-5V.

AD822 er en dobbel forsterker - den første ble brukt som buffer for å definere fellesmoduspenningen til den andre forsterkeren som ble brukt ved summering av ikke -inverterende konfigurasjon.

For justering av vanlig modus spenning og forsterkning av inngangsforsterkeren brukte jeg slike potensiometre.

Her kan du laste ned et LTSPICE -simuleringsoppsett, der du kan prøve å sette opp din egen forsterkerkonfigurasjon.

Det kan sees at kretskortet har den andre BNC -kontakten. Dette er utgangen til lydkortet - begge kanalene er kortsluttet sammen gjennom to motstander - verdien kan ligge i området 30 Ohm - 10 K. På denne måten kan denne kontakten brukes som signalgenerator. I mitt design brukte jeg ikke BNC -kontakt som utgang - jeg loddet ganske enkelt en ledning der og brukte to banankontakter i stedet. Den røde en -aktive utgangen, den svarte signalet bakken.

Trinn 3: PCB og lodding

PCB ble produsert av JLCPCB.

Etter det begynte jeg å lodde enhetene: Først forsyningsdelen.

Kretskortet støtter to typer BNC -kontakter - du kan velge hvilken du vil bruke.

Trimmekondensatorene kjøpte jeg fra Aliexpress.

Gerber -filene er tilgjengelig for nedlasting her.

Trinn 4: Boksing

Jeg bestemte meg for å legge alt dette i en liten plastboks. Jeg hadde en tilgjengelig fra den lokale butikken. For å gjøre enheten mer immun mot de eksterne radiosignalene, brukte jeg en kobberbånd, som jeg festet til de innvendige veggene. Som grensesnitt til lydkortet brukte jeg to lydkontakter. Jeg fikset dem sterkt med epoksylim. Kretskortet ble montert i en viss avstand fra bunnhuset ved bruk av avstandsstykker. For å være sikker på at enheten er riktig levert, la jeg til en LED i serie med 1K-motstand koblet til front-end-forsyningskontakten (spissen av mikrofonens sidekontakt)

Trinn 5: Enheten er klar

Her er noen bilder av den monterte enheten.

Trinn 6: Testing

Jeg har testet oscilloskopet ved hjelp av denne signalgeneratoren. Du kan se noen skjermbilder tatt under testene.

Hovedutfordringen ved å bruke dette omfanget er å justere utgangsspenningen for frontend -vanlig modus til å være identisk med lydkortet. Etter det fungerer enheten veldig jevnt. Hvis du bruker denne front-end med Arduino, bør ikke problemet med den vanlige spenningsjusteringen for modus eksistere-den kan plasseres fritt i området 0-5V og justeres nøyaktig etter det til verdi, noe som er optimalt for din måling. Ved bruk med Arduino vil jeg også foreslå en annen liten endring - de to antiparallelle beskyttelsesdiodene ved inngangen til forsterkeren kan raplaced med to 4,7V Zenner -dioder koblet i serie, men i motsatte retninger. På denne måten blir inngangsspenningen klemt til ~ 5.3V og beskytter opamp -inngangene til overspenninger.