Analog frontend til oscilloskop: 6 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Hjemme har jeg nogle billige USB -lydkort, som kan købes i Banggood, Aliexpress, Ebay eller andre globale online butikker for nogle penge. Jeg spekulerede på, hvad interessant jeg kan bruge dem til og besluttede at prøve at lave et lavfrekvent pc -omfang med en af dem. På Internettet har jeg fundet en dejlig software, som kan bruges som USB -oscilloskop og signalgenerator. Jeg lavede noget omvendt design af kortet (beskrevet i det første trin) og besluttede, at hvis jeg vil have et fuldt fungerende omfang - jeg også har brug for at designe en analog front -end, som er nødvendig for korrekt spændingsskalering og forskydning af indgangssignal, der anvendes på mikrofonindgangen på lydkortet, fordi mikrofonindgangene forventer maksimale indgangsspændinger i størrelsesordenen få årtier med millivolt. Jeg ville også gøre den analoge frontend universel - for at kunne bruges sammen med Arduinos, STM32 eller andre mikrokontrollere - med indgangssignalbånd meget bredere end inputbåndet på et lydkort. Trin for trin instruktioner om, hvordan man designer sådan en analog front-front, præsenteres i dette arbejde.

Trin 1: USB -lydkort vender design og nodifikationer

USB -kortet er meget let at åbne - sagen er ikke limet, kun indsat delvist. PCB er dobbeltsidet. Lydstikkene og kontrolknapperne er på oversiden, C-mediedekoderchippen, der er dækket af sammensatte, er på undersiden. Mikrofonen er tilsluttet i monotilstand - de to kanaler er kortsluttet sammen på printkortet. Der bruges en AC -koblingskondensator (C7) ved mikrofonindgangen. Derudover bruges en modstand på 3K (R2) til forspænding af den eksterne mikrofon. Jeg har fjernet denne modstand og efterlader sin plads åben. Lydudgangen er også AC koblet til begge kanaler.

At have en vekselstrømskobling ved signalvejen forhindrer observation af DC- og lavfrekvente signaler. Af den grund beslutter jeg mig for at fjerne (kort) det. Denne beslutning har også ulemper. Efter kondensatoren er der defineret et eller andet DC-driftspunkt for lyd-ADC'en, og hvis den analoge frontend har forskellig DC-udgang på grund af det lille indgangssignalområde, kan ADC'en mætte. Det betyder - DC OP i frontend -kredsløbet skal justeres med ADC -indgangstrinnets. DC -udgangsspændingsniveauet skal være justerbart for at kunne være lig med ADC -indgangstrinnet. Hvordan denne justering gennemføres, skal diskuteres i de næste trin. Jeg har målt omkring 1,9V DC spænding ved indgangen til ADC.

Et andet krav, som jeg definerede for den analoge front-end, var ikke at kræve yderligere strømkilde. Jeg besluttede at bruge den tilgængelige i lydkortets 5V USB-spænding til også at levere front-end kredsløb. Til det formål afbrød jeg den fælles forbindelse mellem lydstikspidsen og ringkontakterne. Ringen besluttede jeg mig for at bruge til signalet (den hvide ledning på det sidste billede - broer også AC -kondensatoren), og spidsen af stikket besluttede jeg mig for at bruge som strømforsyningsterminal - til det formål sluttede jeg den til USB 5V linje (den røde ledning). Hermed blev ændringen af lydkortet afsluttet. Jeg lukkede den igen.

Trin 2: Frontend -design

Min beslutning var at have 3 arbejdsmåder til oscilloskopet:

• DC
• AC
• jord

At have AC -tilstand kræver, at input / common mode spændingen for inputforstærkeren strækker sig under forsyningsskinnen. Det betyder - forstærkeren skal have dobbelt forsyning - positiv og negativ.

Jeg ville have mindst 3 indgangsspændingsområder (dæmpningsforhold)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Alle kommutationer mellem tilstande og områder er præformede bu mekaniske slide 2P3T switches.

For at skabe den negative forsyningsspænding til forstærkeren brugte jeg 7660 ladningspumpechip. For at stabilisere forsyningsspændingerne til forstærkeren brugte jeg TI dual lineær regulator TPS7A39. Chippen har en lille pakke, men er ikke særlig vanskelig at lodde den på printkortet. Som forstærker brugte jeg AD822 opamp. Dens fordel - CMOS -input (meget små inputstrømme) og et relativt højt forstærkningsbåndbreddeprodukt. Hvis du vil have endnu større båndbredde, kan du bruge en anden opamp med CMOS -input. Dejligt at have funktion Rail to Rail Input/Output; lav støj, høj svinghastighed. Den opamp, jeg brugte, besluttede jeg at levere med to +3.8V / -3.8V forsyninger. Feedback -modstandene beregnet i henhold til databladet til TPS7A39, som giver disse spændinger er:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Hvis du vil bruge denne frontend med Arduino, vil du måske nå 5V udgangsspænding. I dette tilfælde skal du anvende indgangsspændingen> 6V og indstille udgangsspændingen på den dobbelte regulator til +5/-5V.

AD822 er en dobbelt forstærker - den første af dem blev brugt som buffer til at definere den almindelige tilstandsspænding for den anden forstærker, der blev brugt til at opsummere ikke -inverterende konfiguration.

Til justering af common mode -spændingen og forstærkningen af inputforstærkeren brugte jeg sådanne potentiometre.

Her kan du downloade en LTSPICE -simuleringsopsætning, hvor du kan prøve at konfigurere din egen forstærkerkonfiguration.

Det kan ses, at printkortet har et andet BNC -stik. Dette er lydkortets output - begge kanaler er kortsluttet sammen gennem to modstande - deres værdi kan ligge i området 30 Ohm - 10 K. På denne måde kan dette stik bruges som signalgenerator. I mit design brugte jeg ikke BNC -stik som output - jeg lod bare en ledning der og brugte to bananstik i stedet. Den røde en - aktive udgang, den sorte - signal jord.

Trin 3: PCB og lodning

PCB blev produceret af JLCPCB.

Derefter begyndte jeg at lodde enhederne: Først forsyningsdelen.

Printkortet understøtter to typer BNC -stik - du kan vælge, hvilket du vil bruge.

Beskæringskondensatorerne købte jeg fra Aliexpress.

Gerber -filerne kan downloades her.

Trin 4: Boksning

Jeg besluttede at lægge alt dette i en lille plastikæske. Jeg havde en tilgængelig fra den lokale butik. For at gøre enheden mere immun over for de eksterne radiosignaler brugte jeg et kobberbånd, som jeg fastgjorde til de indre kassevægge. Som grænseflade til lydkortet brugte jeg to lydstik. Jeg fikserede dem stærkt med epoxylim. PCB blev monteret i en vis afstand fra bundkassen ved hjælp af afstandsstykker. For at være sikker på, at enheden er korrekt leveret, tilføjede jeg en LED i serie med 1K modstand tilsluttet front-supply-stikket (spidsen af mikrofonens sidestik)

Trin 5: Enheden er klar

Her er nogle billeder af den samlede enhed.

Trin 6: Test

Jeg har testet oscilloskopet ved hjælp af denne signalgenerator Du kan se nogle skærmbilleder udført under testene.

Den største udfordring ved hjælp af dette anvendelsesområde er at justere udgangsspændingen i frontend -common mode til at være identisk med lydkortets. Herefter fungerer enheden meget glat. Hvis du bruger denne front-end med Arduino, bør problemet med common mode spændingsjustering ikke eksistere-den kan placeres frit i området 0-5V og præcist justeres derefter til værdi, hvilket er optimalt for din måling. Ved brug med Arduino vil jeg også foreslå en anden lille ændring - de to anti -parallelle beskyttelsesdioder ved indgangen til forstærkeren kan omløbes med to 4,7V Zenner -dioder forbundet i serie, men i modsatte retninger. På denne måde bliver indgangsspændingen fastspændt til ~ 5.3V for at beskytte opamp -indgangene for overspændinger.