Analog frontänd för oscilloskop: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:37

Hemma har jag några billiga USB -ljudkort, som kan köpas i Banggood, Aliexpress, Ebay eller andra globala onlinebutiker för en del pengar. Jag undrade vad intressant jag kan använda dem till och bestämde mig för att försöka göra en lågfrekvent PC -omfattning med en av dem. På Internet har jag hittat en trevlig programvara, som kan användas som USB -oscilloskop och signalgenerator. Jag gjorde en omvänd design av kortet (beskrivs i det första steget) och bestämde att om jag vill ha fullt fungerande omfång - måste jag också designa en analog front -end, som krävs för korrekt spänningsskalning och växling av insignal som appliceras på mikrofoningången på ljudkortet, eftersom mikrofoningångarna förväntar sig maximala ingångsspänningar i storleksordningen några decennier med millivolt. Jag ville också göra den analoga frontänden universell - för att kunna användas med Arduinos, STM32 eller andra mikrokontroller - med insignalband mycket bredare än ingångsbandet på ett ljudkort. Steg för steg instruktioner om hur du utformar en sådan Analog scope front-end presenteras i detta arbete.

Steg 1: USB -ljudkort vänder design och kodningar

USB -kortet är mycket lätt att öppna - fodralet är inte limmat, bara isatt delvis. Kretskortet är dubbelsidigt. Ljuduttagen och kontrollknapparna finns på ovansidan, C-media-dekoderchipet, täckt av sammansatt, finns på undersidan. Mikrofonen är ansluten i monoläge - de två kanalerna kortas ihop på kretskortet. En AC -kopplingskondensator (C7) används vid mikrofoningången. Dessutom används ett motstånd på 3K (R2) för förspänning av den externa mikrofonen. Jag har tagit bort detta motstånd och lämnat sitt ställe öppet. Ljudutgången är också AC -kopplad för båda kanalerna.

Att ha en AC -koppling vid signalvägen förhindrar observation av DC- och lågfrekvenssignaler. Av den anledningen bestämmer jag mig för att ta bort (korta) det. Detta beslut har också nackdelar. Efter kondensatorn finns en viss DC-driftpunkt för ljud-ADC definierad och om den analoga fronten har olika utgång DC OP, på grund av det lilla insignalområdet, kan ADC mättas. Det betyder - DC OP i front -end -kretsarna måste vara i linje med ADC -ingångsstegets. DC -utspänningsnivån måste vara justerbar för att kunna vara lika med ADC -ingångssteget. Hur denna justering genomförs ska diskuteras i nästa steg. Jag har mätt cirka 1,9 V likspänning vid ingången till ADC.

Ett annat krav, som jag definierade för den analoga fronten, var att inte kräva ytterligare strömkälla. Jag bestämde mig för att använda den tillgängliga i ljudkortets 5V USB-spänning för att också leverera front-end-kretsarna. För det ändamålet bryter jag den gemensamma anslutningen mellan ljudkontakten och ringkontakterna. Ringen som jag bestämde mig för att använda för signalen (den vita ledningen på den sista bilden - överbryggar också AC -kondensatorn) och spetsen på uttaget jag bestämde mig för att använda som strömförsörjningsterminal - för det ändamålet anslöt jag den med USB 5V linje (den röda tråden). Därmed slutfördes modifieringen av ljudkortet. Jag stängde den igen.

Steg 2: Frontend -design

Mitt beslut var att ha tre arbetssätt för oscilloskopet:

• DC
• AC
• jord

Att ha AC -läge kräver att ingångs- / common mode -spänningen för ingångsförstärkaren sträcker sig under matningsskenan. Det betyder - förstärkaren måste ha dubbelmatning - positiv och negativ.

Jag ville ha minst 3 ingångsspänningsområden (dämpningsförhållanden)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Alla kommutationer mellan lägen och intervall är förformade bu mekaniska skjut 2P3T switchar.

För att skapa den negativa matningsspänningen för förstärkaren använde jag 7660 laddningspumpchip. För att stabilisera matningsspänningarna för förstärkaren använde jag TI dubbel linjär regulator TPS7A39. Chippet har ett litet paket, men det är inte särskilt svårt att löda det på kretskortet. Som förstärkare använde jag AD822 opamp. Dess fördel - CMOS -ingång (mycket små ingångsströmmar) och en relativt hög förstärkningsbandbreddsprodukt. Om du vill ha ännu bredare bandbredd kan du använda en annan opamp med CMOS -ingång. Trevligt att ha funktionen Rail to Rail Input/Output; lågt ljud, hög svänghastighet. Opampen som jag använde bestämde jag mig för att leverera med två +3.8V / -3.8V förbrukningsmaterial. Återkopplingsmotstånden beräknade enligt databladet för TPS7A39, som ger dessa spänningar är:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Om du vill använda denna frontend med Arduino kanske du vill nå 5V utspänning. I det här fallet måste du ange matningsspänning> 6V och ställa in utspänningen för den dubbla regulatorn till +5/-5V.

AD822 är en dubbel förstärkare - först av dem användes som buffert för att definiera den gemensamma modspänningen för den andra förstärkaren som används för att summera icke -inverterande konfiguration.

För justering av common mode -spänningen och förstärkningen för ingångsförstärkaren använde jag sådana potentiometrar.

Här kan du ladda ner en LTSPICE -simuleringsinställning, där du kan försöka konfigurera din egen förstärkarkonfiguration.

Det kan ses att kretskortet har en andra BNC -kontakt. Detta är ljudkortets utgång - båda kanalerna kortas ihop genom två motstånd - deras värde kan ligga i intervallet 30 Ohm - 10 K. På så sätt kan denna kontakt användas som signalgenerator. I min design använde jag inte BNC -kontakt som utgång - jag lödde helt enkelt en tråd där och använde två banankontakter istället. Den röda en -aktiva utgången, den svarta en -signaljorden.

Steg 3: PCB och lödning

Kretskortet producerades av JLCPCB.

Efter det började jag löda enheterna: Först leveransdelen.

Kretskortet stöder två typer av BNC -kontakter - du kan välja vilken du vill använda.

Trimningskondensatorerna köpte jag från Aliexpress.

Gerber -filerna finns att ladda ner här.

Steg 4: Boxning

Jag bestämde mig för att lägga allt detta i en liten plastlåda. Jag hade en tillgänglig från den lokala butiken. För att göra enheten mer immun mot yttre radiosignaler använde jag en koppartejp som jag fäst vid de inre väggarna. Som gränssnitt till ljudkortet använde jag två ljuduttag. Jag fixade dem starkt med epoxilim. Kretskortet monterades på ett avstånd från bottenhuset med hjälp av distanser. För att vara säker på att enheten är korrekt levererad lade jag till en LED i serie med 1K-motstånd anslutet till front-end-uttaget (spetsen på mikrofonsidans uttag)

Steg 5: Enheten är klar

Här är några bilder på den monterade enheten.

Steg 6: Testning

Jag har testat oscilloskopet med denna signalgenerator. Du kan se några skärmdumpar gjorda under testerna.

Den största utmaningen med detta omfång är att justera frontend -utgångsspänningen för vanligt läge för att vara identisk med ljudkortets. Efter det fungerar enheten mycket smidigt. Om du använder denna front-end med Arduino, bör problemet med common mode-spänningsjusteringen inte finnas-den kan placeras fritt i intervallet 0-5V och justeras exakt efter det till värde, vilket är optimalt för din mätning. Vid användning med Arduino skulle jag också föreslå en annan liten förändring - de två antiparallellda skyddsdioderna vid ingången till förstärkaren kan omplaceras med två 4,7V Zenner -dioder anslutna i serie, men i motsatta riktningar. På detta sätt kommer ingångsspänningen att klämmas till ~ 5.3V och skydda opampingångarna för överspänningar.