Analoginen etupää oskilloskoopille: 6 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Kotona minulla on halpoja USB -äänikortteja, joita voi ostaa Banggoodista, Aliexpressistä, Ebaysta tai muista maailmanlaajuisista verkkokaupoista. Mietin, mihin mielenkiintoiseen voin käyttää niitä, ja päätin yrittää tehdä matalataajuisen PC -laajuuden yhden kanssa. Internetistä olen löytänyt mukavan ohjelmiston, jota voidaan käyttää USB -oskilloskoopina ja signaaligeneraattorina. Tein jonkin verran käänteistä kortin suunnittelua (kuvattu ensimmäisessä vaiheessa) ja päätin, että jos haluan täysin toimivan ulottuvuuden - minun on myös suunniteltava analoginen käyttöliittymä, jota tarvitaan jännitteen skaalaamiseen ja äänikortin mikrofonituloon syötetty tulosignaali, koska mikrofonitulot odottavat maksimaalista tulojännitettä muutaman vuosikymmenen millivoltin luokkaa. Halusin myös tehdä analogisesta käyttöliittymästä universaalin - jotta sitä voidaan käyttää Arduinojen, STM32: n tai muiden mikro -ohjaimien kanssa - ja että tulosignaalikaista on paljon laajempi kuin äänikortin tulotaajuus. Tässä työssä esitetään vaiheittaiset ohjeet tällaisen analogisen laajuuden käyttöliittymän suunnittelusta.

Vaihe 1: USB -äänikortti kääntää suunnittelun ja muutokset

USB -kortti on erittäin helppo avata - koteloa ei ole liimattu, vain osa on asetettu paikalleen. Piirilevy on kaksipuolinen. Ääniliittimet ja ohjauspainikkeet ovat yläpuolella, C-media-dekooderisiru, joka on yhdisteen peittämä, on alhaalla. Mikrofoni on kytketty monotilaan - kaksi kanavaa on oikosuljettu yhteen piirilevyllä. Mikrofonitulossa käytetään AC -kytkentäkondensaattoria (C7). Lisäksi 3K (R2) -vastusta käytetään ulkoisen mikrofonin esijännitykseen. olen poistanut tämän vastuksen jättäen paikkansa auki. Äänilähtö on myös AC -kytketty molemmille kanaville.

Vaihtovirtakytkimen käyttäminen signaalitiellä estää DC- ja matalataajuisten signaalien havaitsemisen. Tästä syystä päätän poistaa (lyhyen) sen. Tällä päätöksellä on myös haittoja. Kondensaattorin jälkeen audio-ADC: lle on määritelty DC-toimintapiste ja jos analogisella etupuolella on eri lähtö DC OP, pienen tulosignaalin alueen vuoksi ADC voi kyllästyä. Tämä tarkoittaa - etupiirin DC OP: n on oltava linjassa ADC: n tulovaiheen kanssa. DC -lähtöjännitetason on oltava säädettävissä, jotta se voi olla sama kuin ADC -tulovaiheen. Seuraavassa vaiheessa keskustellaan siitä, miten tämä säätö toteutetaan. Olen mitannut noin 1.9V DC -jännitteen ADC: n tulosta.

Toinen vaatimus, jonka määritin analogiselle käyttöliittymälle, ei ollut vaatia lisävirtalähdettä. Päätin käyttää äänikortin käytettävissä olevaa 5 V: n USB-jännitettä myös etupuolen piirien syöttämiseen. Tätä tarkoitusta varten katkaisin audioliitännän kärjen ja rengaskoskettimien välisen yhteisen yhteyden. Rengas, jonka päätin käyttää signaaliin (valkoinen johto viimeisessä kuvassa - siltaa myös vaihtovirtakondensaattorin), ja liittimen kärki, jonka päätin käyttää virtalähteenä - liitin sen USB 5V linja (punainen lanka). Äänikortin muutos saatiin päätökseen. Suljin sen uudelleen.

Vaihe 2: Käyttöliittymän suunnittelu

Päätös oli saada oskilloskoopille kolme toimintatilaa:

• DC
• AC
• maahan

AC -tila edellyttää, että tulovahvistimen tulo- / yhteismoodijännite ulottuu syöttökiskon alle. Tämä tarkoittaa - vahvistimessa on oltava kaksi syöttöä - positiivinen ja negatiivinen.

Halusin vähintään kolme syöttöjännitealuetta (vaimennussuhteet)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Kaikki kommutoinnit tilojen ja alueiden välillä ovat esimuodostettuja mekaanisia liukukytkimiä 2P3T.

Vahvistimen negatiivisen syöttöjännitteen luomiseksi käytin 7660 -latauspumpun sirua. Vahvistimen syöttöjännitteiden vakauttamiseksi käytin kaksois lineaarista TI -säädintä TPS7A39. Sirulla on pieni pakkaus, mutta sen juottaminen piirilevylle ei ole kovin vaikeaa. Vahvistimena käytin AD822 opampia. Sen etu - CMOS -tulo (hyvin pienet tulovirrat) ja suhteellisen suuri vahvistuskaistanleveys. Jos haluat saada vielä laajemman kaistanleveyden, voit käyttää toista opampia, jossa on CMOS -tulo. Kiva, että on ominaisuus Rail to Rail Input/Output; alhainen melu, korkea kaatumisnopeus. Käytetty opamp päätin toimittaa kaksi +3.8V / -3.8V -tarjontaa. Takaisinkytkentävastukset, jotka on laskettu TPS7A39: n tietolomakkeen mukaan, jotka antavat nämä jännitteet, ovat:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Jos haluat käyttää tätä käyttöliittymää Arduinon kanssa, saatat haluta saavuttaa 5 V: n lähtöjännitteen. Tässä tapauksessa sinun on syötettävä syöttöjännite> 6 V ja asetettava kaksoissäätimen lähtöjännitteeksi +5/-5 V.

AD822 on kaksivahvistin - ensimmäistä niistä käytettiin puskurina määritettäessä toisen vahvistimen yhteistilajännite, jota käytetään summattaessa ei -invertoivaa kokoonpanoa.

Yhteismoodin jännitteen ja tulovahvistimen vahvistuksen säätämiseen käytin tällaisia potentiometrejä.

Täältä voit ladata LTSPICE -simulointiasetuksen, jossa voit yrittää määrittää oman vahvistimen kokoonpanon.

On nähtävissä, että piirilevyssä on toinen BNC -liitin. Tämä on äänikortin lähtö - molemmat kanavat ovat oikosulussa kahden vastuksen kautta - niiden arvo voi olla alueella 30 ohmia - 10 K. Tällä tavalla tätä liitintä voidaan käyttää signaaligeneraattorina. Suunnittelussani en käyttänyt lähtönä BNC -liitintä - juotin vain langan ja käytin sen sijaan kahta banaaniliitintä. Punainen - aktiivinen lähtö, musta - signaalimaa.

Vaihe 3: Piirilevy ja juotos

PCB valmisti JLCPCB.

Sen jälkeen aloin juottaa laitteita: Ensin syöttöosa.

Piirilevy tukee kahdenlaisia BNC -liittimiä - voit valita käytettävän.

Leikkuukondensaattorit, jotka ostin Aliexpressistä.

Gerber -tiedostot ovat ladattavissa täältä.

Vaihe 4: Nyrkkeily

Päätin laittaa tämän kaiken pieneen muovilaatikkoon. Minulla oli yksi saatavilla paikallisesta kaupasta. Jotta laite olisi immuuni ulkoisille radiosignaaleille, käytin kuparinauhaa, jonka kiinnitin kotelon sisäseiniin. Äänikortin liitäntänä käytin kahta ääniliitäntää. Kiinnitin ne vahvasti epoksiliimalla. Piirilevy asennettiin jonkin matkan päähän kotelosta käyttämällä välikappaleita. Varmistaakseni, että laite toimitetaan oikein, lisäsin sarjaan LED-valon, jossa 1K-vastus on kytketty etupuolen virtaliitäntään (mikrofonin sivuliittimen kärki)

Vaihe 5: Laite on valmis

Tässä muutamia kuvia kootusta laitteesta.

Vaihe 6: Testaus

Olen testannut oskilloskooppia tällä signaaligeneraattorilla. Näet joitain kuvakaappauksia testien aikana.

Suurin haaste tätä laajuutta käytettäessä on säätää käyttöliittymän yhteisen tilan lähtöjännite identtiseksi äänikortin jännitteen kanssa. Tämän jälkeen laite toimii erittäin tasaisesti. Jos käytät tätä käyttöliittymää Arduinon kanssa, yleisen tilan jännitteen kohdistuksessa ei pitäisi olla ongelmaa-se voidaan sijoittaa vapaasti alueelle 0-5 V ja säätää sen jälkeen tarkasti arvoon, joka on optimaalinen mittauksellesi. Arduinon kanssa käytettäessä ehdotan myös toista pientä muutosta - vahvistimen sisääntulon kaksi rinnakkaista suojadiodia voidaan sijoittaa kahdella 4,7 V: n Zenner -diodilla, jotka on kytketty sarjaan, mutta vastakkaisiin suuntiin. Tällä tavalla tulojännite kiristetään ~ 5,3 V: iin suojaamalla ylijännitteiden opamp -tulot.