Analoginis osciloskopo priekinis galas: 6 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Namuose turiu keletą pigių USB garso plokščių, kurias už keletą dolerių galima nusipirkti „Banggood“, „Aliexpress“, „Ebay“ar kitose pasaulinėse internetinėse parduotuvėse. Man buvo įdomu, kam įdomiai galiu juos panaudoti, ir nusprendžiau pabandyti su vienu iš jų sukurti žemo dažnio kompiuterio taikymo sritį. Internete radau gražią programinę įrangą, kuri gali būti naudojama kaip USB osciloskopas ir signalų generatorius. Sukūriau atvirkštinį kortelės dizainą (aprašyta pirmame žingsnyje) ir nusprendžiau, kad jei noriu turėti visiškai veikiančią sritį, taip pat turiu sukurti analoginę priekinę dalį, kuri reikalinga tinkamam įtampos mastelio keitimui ir perkėlimui. įvesties signalas, naudojamas garso plokštės mikrofono įvestyje, nes mikrofono įvestys tikisi maksimalios įvesties įtampos, lygios kelis dešimtmečius milivoltų. Taip pat norėjau, kad analoginė priekinė sąsaja būtų universali, kad ją būtų galima naudoti su „Arduinos“, STM32 ar kitais mikrovaldikliais, turinti įvesties signalo juostą daug platesnę nei garso plokštės įvesties juosta. Šiame darbe pateikiamos žingsnis po žingsnio instrukcijos, kaip sukurti tokią analoginės srities priekinę dalį.

1 veiksmas: pakeiskite USB garso plokštės dizainą ir modifikacijas

USB kortelę labai lengva atidaryti - dėklas nėra priklijuotas, tik iš dalies įdėta dalis. PCB yra dvipusis. Garso lizdai ir valdymo mygtukai yra viršutinėje pusėje, C-media dekoderio mikroschema, padengta junginiu, yra apatinėje pusėje. Mikrofonas prijungtas monofoniniu režimu - abu kanalai PCB yra sutrumpinti. Prie mikrofono įvesties naudojamas kintamosios srovės jungiamasis kondensatorius (C7). Be to, išorinio mikrofono šalinimui naudojamas 3K (R2) rezistorius. Aš pašalinau šį rezistorių, palikdamas savo vietą atvirą. Garso išvestis taip pat yra prijungta prie kintamosios srovės abiejuose kanaluose.

Jei signalo kelyje yra kintamosios srovės jungtis, neleidžiama stebėti nuolatinės ir žemo dažnio signalų. Dėl šios priežasties nusprendžiu jį pašalinti (trumpai). Šis sprendimas taip pat turi trūkumų. Po kondensatoriaus yra nustatytas tam tikras garso ADC nuolatinės srovės veikimo taškas, o jei analoginis priekinis skydelis turi skirtingą išėjimą DC OP, dėl mažo įvesties signalo diapazono ADC gali prisotinti. Tai reiškia, kad priekinės grandinės DC OP turi būti suderinta su ADC įvesties pakopos. Nuolatinės srovės išėjimo įtampos lygis turi būti reguliuojamas, kad būtų lygus ADC įvesties etapui. Tolesnis veiksmas bus aptartas, kaip šis koregavimas įgyvendinamas. Aš išmatavau apie 1,9 V nuolatinę įtampą ADC įėjime.

Kitas reikalavimas, kurį apibrėžiau analoginei priekinei daliai,-nereikalauti papildomo maitinimo šaltinio. Aš nusprendžiau naudoti garso plokštėje esančią 5 V USB įtampą, kad galėčiau tiekti ir priekinę grandinę. Tuo tikslu nutraukiau bendrą jungtį tarp garso lizdo antgalio ir žiedinių kontaktų. Žiedą, kurį nusprendžiau naudoti signalui (paskutinėje nuotraukoje esanti balta viela - tiltai taip pat kintamosios srovės kondensatorius), o lizdo galiuką nusprendžiau naudoti kaip maitinimo lizdą - tuo tikslu prijungiau jį prie USB 5V linija (raudona viela). Tuo buvo baigtas garso plokštės modifikavimas. Vėl uždariau.

2 žingsnis: „Frontend“dizainas

Aš nusprendžiau turėti tris osciloskopo darbo režimus:

• DC
• AC
• žemės

Esant kintamosios srovės režimui, įvesties stiprintuvo įėjimo / bendrojo režimo įtampa turi būti po maitinimo bėgeliu. Tai reiškia - stiprintuvas turi turėti dvigubą maitinimą - teigiamą ir neigiamą.

Norėjau turėti bent 3 įėjimo įtampos diapazonus (slopinimo koeficientus)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Visos komutacijos tarp režimų ir diapazonų yra iš anksto suformuotos mechaniniais 2P3T jungikliais.

Norėdami sukurti neigiamą stiprintuvo maitinimo įtampą, naudoju 7660 įkrovimo siurblio mikroschemą. Norėdami stabilizuoti stiprintuvo maitinimo įtampą, naudoju TI dvigubą linijinį reguliatorių TPS7A39. Lustas turi nedidelę pakuotę, tačiau nėra labai sunku jį lituoti ant PCB. Kaip stiprintuvas naudojau AD822 opamp. Jo pranašumas - CMOS įvestis (labai mažos įvesties srovės) ir santykinai didelis pralaidumo pralaidumo produktas. Jei norite turėti dar didesnį pralaidumą, galite naudoti kitą opampą su CMOS įvestimi. Malonu turėti funkciją „Rail to Rail“įvestis/išvestis; mažas triukšmas, didelis pasukimo greitis. Naudotas opampas nusprendžiau tiekti du +3.8V / -3.8V maitinimo šaltinius. Grįžtamojo ryšio rezistoriai, apskaičiuoti pagal TPS7A39 duomenų lapą, kurie suteikia šias įtampas:

R3 22 tūkst

R4 10 tūkst

R5 10 tūkst

R6 33K

Jei norite naudoti šią sąsają su „Arduino“, galbūt norėsite pasiekti 5 V išėjimo įtampą. Tokiu atveju turite įvesti maitinimo įtampą> 6V ir nustatyti dvigubo reguliatoriaus išėjimo įtampą +5/-5V.

AD822 yra dvigubas stiprintuvas - pirmasis iš jų buvo naudojamas kaip buferis, siekiant apibrėžti bendrojo režimo įtampą antrojo stiprintuvo, naudojamo apibendrinant neinvertuojančią konfigūraciją.

Bendro režimo įtampos reguliavimui ir įvesties stiprintuvo stiprinimui naudojau tokius potenciometrus.

Čia galite atsisiųsti LTSPICE modeliavimo sąranką, kurioje galite pabandyti nustatyti savo stiprintuvo konfigūraciją.

Galima pastebėti, kad PCB turi antrą BNC jungtį. Tai yra garso plokštės išvestis - abu kanalai yra sutrumpinti per du rezistorius - jų vertė gali būti 30 omų - 10 K. Tokiu būdu ši jungtis gali būti naudojama kaip signalų generatorius. Kurdamas dizainą aš nenaudojau BNC jungties kaip išvesties - tiesiog ten lituodavau laidą ir vietoj to naudoju dvi bananų jungtis. Raudona - aktyvi išvestis, juoda - signalo įžeminimas.

3 žingsnis: PCB ir litavimas

PCB pagamino JLCPCB.

Po to aš pradėjau lituoti prietaisus: Pirmiausia tiekimo dalis.

PCB palaiko dviejų tipų BNC jungtis - galite pasirinkti, kurią naudoti.

Apipjaustymo kondensatoriai, kuriuos nusipirkau iš „Aliexpress“.

Gerber failus galite atsisiųsti čia.

4 žingsnis: boksas

Aš nusprendžiau visa tai sudėti į mažą plastikinę dėžę. Vieną turėjau iš vietinės parduotuvės. Kad prietaisas būtų labiau apsaugotas nuo išorinių radijo signalų, panaudojau varinę juostą, kurią pritvirtinau prie vidinių korpuso sienų. Kaip garso plokštės sąsaja naudojau du garso lizdus. Aš juos tvirtai pritvirtinau epoksidiniais klijais. PCB buvo sumontuotas tam tikru atstumu nuo apatinio korpuso, naudojant tarpiklius. Kad įsitikintumėte, jog prietaisas tiekiamas tinkamai, aš pridėjau nuoseklų šviesos diodą su 1K rezistoriumi, prijungtu prie priekinio maitinimo lizdo (šoninio mikrofono lizdo galiukas)

5 veiksmas: įrenginys paruoštas

Čia yra keletas surinkto įrenginio nuotraukų.

6 žingsnis: bandymas

Aš išbandžiau osciloskopą naudodami šį signalų generatorių. Galite pamatyti kai kurias bandymų metu padarytas ekrano kopijas.

Pagrindinis šios srities uždavinys yra sureguliuoti priekinės dalies bendrojo režimo išėjimo įtampą, kad ji būtų identiška garso plokštės įtampai. Po to prietaisas veikia labai sklandžiai. Jei naudojate šią priekinę dalį su „Arduino“, bendro režimo įtampos derinimo problema neturėtų kilti-ją galima laisvai įdėti į 0–5 V diapazoną ir po to tiksliai sureguliuoti iki vertės, kuri yra optimali jūsų matavimui. Naudojant su „Arduino“, aš taip pat siūlau dar vieną nedidelį pakeitimą - du anti -lygiagrečius apsaugos diodus prie stiprintuvo įvesties galima pakeisti dviem nuosekliai sujungtais 4,7 V „Zenner“diodais, bet priešingomis kryptimis. Tokiu būdu įėjimo įtampa bus užfiksuota ~ 5,3 V, apsaugant viršįtampių įėjimus.