Analog Front End para sa Oscilloscope: 6 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Sa bahay mayroon akong ilang mga murang mga USB sound card, na mabibili sa Banggood, Aliexpress, Ebay o iba pang mga pandaigdigang online shop para sa ilang mga pera. Nagtataka ako kung anong kagiliw-giliw na maaari kong gamitin ang mga ito at nagpasyang subukan na gumawa ng isang mababang dalas ng saklaw ng PC sa isa sa mga ito. Sa Internet nakakita ako ng magandang software, na maaaring magamit bilang USB oscilloscope at signal generator. Gumawa ako ng ilang baligtad na disenyo ng kard (inilarawan sa unang hakbang) at nagpasya na kung nais kong magkaroon ng ganap na paggana ng saklaw - kailangan ko ring mag-disenyo ng isang Analog na front-end, na kinakailangan para sa tamang pag-scale ng boltahe at paglilipat ng inilapat ang signal ng input sa input ng mikropono ng audio card, dahil inaasahan ng mga input ng mikropono ang pinakamataas na voltages ng pag-input sa pagkakasunud-sunod ng ilang dekada ng mga millivolts. Nais ko ring gawing unibersal ang analog na frontend - upang magamit sa Arduinos, STM32 o iba pang mga microcontroller - pagkakaroon ng input signal band na mas malawak kaysa sa input band ng isang audio card. Ang mga sunud-sunod na tagubilin kung paano mag-disenyo ng naturang Analog saklaw na front-end ay ipinakita sa gawaing ito.

Hakbang 1: Ang USB Audio Card Revers Disenyo at Nodipikasyon

Napakadaling buksan ang USB card - ang kaso ay hindi nakadikit, naipasok lamang ang bahagi sa bahagi. Dobleng panig ang PCB. Ang mga audio jack at ang mga control button ay nasa tuktok na bahagi, ang C-media decoder chip, na sakop ng compound ay nasa ilalim na bahagi. Ang mikropono ay konektado sa mono mode - ang dalawang mga channel ay naikli magkasama sa PCB. Ang isang AC coupling capacitor (C7) ay ginagamit sa input ng mikropono. Karagdagan sa na ang isang risistor ng 3K (R2) ay ginagamit para sa bias ng panlabas na mikropono. Inalis ko ang risistor na ito na iniiwan ang lugar nito na bukas. Ang audio output ay AC din na isinama para sa parehong mga channel.

Ang pagkakaroon ng isang pagkabit ng AC sa path ng signal ay pumipigil sa pagmamasid ng DC at mga signal ng mababang dalas. Sa kadahilanang iyon nagpasya akong alisin ito (maikli) ito. Ang desisyon na ito ay mayroon ding mga kalamangan. Matapos ang kapasitor mayroong tinukoy na ilang operating point ng DC para sa audio ADC at kung ang analog na front-end ay may iba't ibang output DC OP, dahil sa maliit na saklaw ng input signal, maaaring mababad ang ADC. Nangangahulugan iyon - ang DC OP ng front-end circuitry ay dapat na nakahanay sa yugto ng pag-input ng ADC. Ang antas ng boltahe ng output ng DC ay dapat na maiakma upang maging pantay sa yugto ng pag-input ng ADC. Kung paano ipinatupad ang pagsasaayos na ito ay tatalakayin sa mga susunod na hakbang. Sinukat ko ang tungkol sa 1.9V DC boltahe sa pag-input ng ADC.

Ang isa pang kinakailangan, na tinukoy ko para sa analog na front-end ay hindi nangangailangan ng karagdagang mapagkukunan ng kuryente. Napagpasyahan kong gamitin ang magagamit sa boltahe ng sound card 5V USB upang ibigay din ang front-end circuitry. Para sa hangaring iyon ay pinutol ko ang karaniwang koneksyon sa pagitan ng tip ng audio jack at mga contact sa singsing. Ang singsing ay napagpasyahan kong gamitin para sa signal (ang puting kawad sa huling larawan - mga tulay din ang AC capacitor), at ang dulo ng jack ay nagpasya akong gamitin bilang terminal ng supply ng kuryente - para sa hangaring iyon ay ikinonekta ko ito sa USB 5V linya (ang pulang kawad). Sa pamamagitan nito ay nakumpleto ang pagbabago ng audio card. Sinara ko ulit ito.

Hakbang 2: Disenyo ng Frontend

Ang aking desisyon ay magkaroon ng 3 mga mode ng trabaho para sa oscilloscope:

• DC
• AC
• lupa

Ang pagkakaroon ng AC mode ay nangangailangan na ang input / karaniwang mode ng boltahe ng input amplifier ay umaabot sa ilalim ng supply rail. Nangangahulugan iyon - ang amplifier ay dapat magkaroon ng dalawahang supply - positibo at negatibo.

Nais kong magkaroon ng hindi bababa sa 3 mga saklaw ng boltahe ng pag-input (mga ratios ng pagpapalambing)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Ang lahat ng mga pagbawas sa pagitan ng mga mode at saklaw ay preformed bu mechanical slide 2P3T switch.

Upang likhain ang negatibong boltahe ng suplay para sa amplifier ginamit ko ang 7660 charge pump chip. Upang patatagin ang mga supply voltages para sa amplifier ginamit ko ang TI dual linear regulator na TPS7A39. Ang maliit na tilad ay may maliit na pakete, ngunit hindi napakahirap na maghinang ito sa PCB. Bilang amplifier ginamit ko ang AD822 opamp. Ang kalamangan nito - CMOS input (napakaliit na mga alon ng pag-input) at medyo mataas na produkto ng gainbandwidth. Kung nais mong magkaroon ng kahit na mas malawak na bandwidth, maaari kang gumamit ng isa pang opamp na may CMOS input. Magandang magkaroon ng tampok na Rail to Rail Input / Output; mababang ingay, mataas na rate ng pagpatay. Ang ginamit na opamp ay nagpasya akong magbigay ng dalawang + 3.8V / -3.8V na mga supply. Ang mga resistors ng feedback ay kinakalkula ayon sa datasheet ng TPS7A39, na nagbibigay ng mga voltages na ito ay:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Kung nais mong gamitin ang frontend na ito sa Arduino, baka gusto mong maabot ang 5V output voltage. Sa kasong ito kailangan mong mag-apply ng input supply voltage> 6V at upang itakda ang mga output voltages ng dalawahang regulator na maging + 5 / -5V.

Ang AD822 ay dalawahang amplifier - una sa kanila ay ginamit bilang buffer upang tukuyin ang karaniwang boltahe ng mode ng pangalawang amplifier na ginamit sa pag-summing ng hindi pagsasaalang-alang na pagsasaayos.

Para sa pag-aayos ng karaniwang boltahe ng mode at ang pagkakaroon ng input amplifier ginamit ko ang mga naturang potentiometers.

Dito mo na-download ang isang pag-set up ng simulasi ng LTSPICE, kung saan maaari mong subukang i-set up ang iyong sariling pagsasaayos ng amplifier.

Makikita na ang PCB ay mayroong pangalawang konektor ng BNC. Ito ang output ng sound card - ang parehong mga channel ay pinaikling magkasama sa pamamagitan ng dalawang resistors - ang kanilang halaga ay maaaring nasa saklaw na 30 Ohm - 10 K. Sa ganitong paraan ang konektor na ito ay maaaring magamit bilang signal generator. Sa aking disenyo ay hindi ako gumamit ng konektor ng BNC bilang output - Pasimpla lang ako ng isang kawad doon at sa halip ay gumamit ng dalawang mga konektor ng saging. Ang pula - aktibong output, ang itim - signal ground.

Hakbang 3: PCB at Paghihinang

Ang PCB ay ginawa ng JLCPCB.

Pagkatapos nito nagsimula akong maghinang ng mga aparato: Una ang bahagi ng supply.

Sinusuportahan ng PCB ang dalawang uri ng mga konektor ng BNC - maaari mong piliin kung alin ang gagamitin.

Ang binasag na mga capacitor na binili ko mula sa Aliexpress.

Magagamit ang mga gerber file upang mai-download dito.

Hakbang 4: Boksing

Napagpasyahan kong ilagay ang lahat ng ito sa isang maliit na kahon ng plastik. Mayroon akong isang magagamit mula sa lokal na tindahan. Upang gawing mas immune ang aparato sa mga panlabas na signal ng radyo, gumamit ako ng isang tape na tanso, na ikinabit ko sa mga panloob na dingding ng kaso. Bilang interface sa Audio card gumamit ako ng dalawang audio jacks. Inayos ko sila ng malakas gamit ang epoxy glue. Ang PCB ay naka-mount sa ilang distansya mula sa ilalim ng kaso ng paggamit ng mga spacer. Upang matiyak na ang aparato ay wastong ibinigay, nagdagdag ako ng isang LED sa serye na may 1K risistor na nakakonekta sa front-end supply jack (ang dulo ng microphone side jack)

Hakbang 5: Handa na ang Device

Narito ang ilang mga larawan ng binuo aparato.

Hakbang 6: Pagsubok

Nasubukan ko ang oscilloscope gamit ang signal generator na ito Maaari mong makita ang ilang mga screenshot na tapos na sa panahon ng mga pagsubok.

Ang pangunahing hamon gamit ang saklaw na ito ay upang ayusin ang frontend karaniwang mode output voltage na magkapareho sa audio card. Pagkatapos nito gumagana ang aparato napaka-makinis. Kung ginagamit ang front-end na ito sa Arduino, ang problema sa karaniwang pag-align ng boltahe ng mode ay hindi dapat na mayroon - maaari itong mailagay nang malaya sa saklaw na 0-5V at tiyak na nababagay pagkatapos nito sa halaga, na pinakamainam para sa iyong pagsukat. Kapag gumagamit ng Arduino magmumungkahi din ako ng isa pang maliit na pagbabago - ang dalawang anti-parallel na diode ng proteksyon sa pag-input ng amplifier ay maaaring i-raplaced ng dalawang 4.7V Zenner diode na konektado sa serye, ngunit sa kabaligtaran ng mga direksyon. Sa ganitong paraan ang input boltahe ay mai-clamp sa ~ 5.3V na nagpoprotekta sa mga input ng opamp ng mga overvoltage.