Front frontal analògic per a l'oscil·loscopi: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

A casa tinc algunes targetes de so USB barates que es poden comprar a Banggood, Aliexpress, Ebay o altres botigues en línia a tot el món. Em preguntava per a quins interessants els puc utilitzar i vaig decidir provar de fer un abast de PC de baixa freqüència amb un d’ells. A Internet he trobat un bon programari, que es pot utilitzar com a oscil·loscopi USB i generador de senyals. Vaig fer un disseny invers de la targeta (descrit al primer pas) i vaig decidir que, si vull tenir un abast totalment funcionant, també he de dissenyar un frontal analògic, que és necessari per a l’escala i el desplaçament adequats de la tensió. senyal d’entrada aplicat a l’entrada de micròfon de la targeta d’àudio, perquè les entrades de micròfon esperen tensions d’entrada màximes de l’ordre d’unes poques dècades de milivolts. També volia fer universal el frontend analògic (per poder ser utilitzat amb Arduinos, STM32 o altres microcontroladors) amb una banda de senyal d’entrada molt més àmplia que la banda d’entrada d’una targeta d’àudio. En aquest treball es presenten instruccions pas a pas sobre com dissenyar aquest front-end d’abast analògic.

Pas 1: Disseny i nodificacions de la targeta d'àudio USB

La targeta USB és molt fàcil d’obrir: la caixa no està enganxada, només s’introdueix en part. El PCB és de doble cara. Les preses d’àudio i els botons de control es troben a la part superior, el xip del descodificador C-media, cobert per compost, a la part inferior. El micròfon està connectat en mode mono: els dos canals estan connectats a la placa. A l’entrada del micròfon s’utilitza un condensador d’acoblament de CA (C7). A més, s'utilitza una resistència de 3K (R2) per a la polarització del micròfon extern. He eliminat aquesta resistència deixant el seu lloc obert. La sortida d'àudio també està acoblada en CA per als dos canals.

Tenir un acoblament de CA al camí del senyal impedeix l’observació de senyals de CC i de baixa freqüència. Per aquest motiu, decideixo eliminar-lo (curt). Aquesta decisió també té desavantatges. Després del condensador es defineixen alguns punts de funcionament de CC per a l’ADC d’àudio i si el frontal analògic té una sortida de CC diferent, a causa del petit rang de senyal d’entrada, l’ADC es pot saturar. Això vol dir que el DC OP del circuit frontal ha d’estar alineat amb el de l’etapa d’entrada ADC. El nivell de voltatge de sortida de CC ha de ser ajustable per poder ser igual al de l’etapa d’entrada ADC. En els passos següents es parlarà de com s’implementa aquest ajust. He mesurat uns 1,9 V de voltatge continu a l'entrada de l'ADC.

Un altre requisit, que vaig definir per a la interfície analògica, era no requerir una font d'alimentació addicional. Vaig decidir utilitzar el voltatge USB de 5V disponible a la targeta de so per subministrar també el circuit frontal. Amb aquest propòsit, vaig tallar la connexió comuna entre la punta del connector d'àudio i els contactes de timbre. L'anell que vaig decidir utilitzar per al senyal (el cable blanc de l'última imatge, que també connecta el condensador de CA), i la punta del connector, que vaig decidir utilitzar com a terminal d'alimentació, per aquest propòsit el vaig connectar amb l'USB 5V línia (el fil vermell). Amb això es va completar la modificació de la targeta d'àudio. El vaig tornar a tancar.

Pas 2: disseny de frontend

La meva decisió va ser tenir tres modes de treball per a l'oscil·loscopi:

• DC
• AC
• terra

Tenir el mode de corrent altern requereix que el voltatge d’entrada / mode comú de l’amplificador d’entrada s’estengui per sota del rail d’alimentació. Això significa que l'amplificador ha de tenir una doble alimentació: positiu i negatiu.

Volia tenir almenys 3 rangs de tensió d'entrada (relacions d'atenuació)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Totes les commutacions entre modes i intervals són preformats com a commutadors de corredissa mecànica 2P3T.

Per crear la tensió d'alimentació negativa de l'amplificador he utilitzat el xip de la bomba de càrrega 7660. Per estabilitzar les tensions de subministrament de l'amplificador, he utilitzat el regulador lineal dual TI TPS7A39. El xip té un paquet petit, però no és molt difícil soldar-lo al PCB. Com a amplificador he utilitzat AD822 opamp. El seu avantatge: entrada CMOS (corrents d’entrada molt reduïts) i producte d’amplada de banda de guany relativament alt. Si voleu tenir un ample de banda encara més ampli, podeu utilitzar un altre opamp amb entrada CMOS. És bo tenir funcions d'entrada / sortida Rail to Rail; baix nivell de soroll, alta velocitat de rotació. L'opamp utilitzat vaig decidir subministrar-lo amb dos subministraments de + 3,8V / -3,8V. Les resistències de retroalimentació calculades segons el full de dades de TPS7A39, que donen aquestes tensions són:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Si voleu utilitzar aquest frontend amb Arduino, és possible que vulgueu arribar a una tensió de sortida de 5V. En aquest cas, haureu d'aplicar una tensió d'alimentació d'entrada> 6V i establir les tensions de sortida del regulador dual a + 5 / -5V.

L'AD822 és un amplificador dual: el primer d'ells es va utilitzar com a memòria intermèdia per definir la tensió de mode comú del segon amplificador utilitzat per sumar configuracions sense inversió.

Per a l'ajust de la tensió del mode comú i el guany de l'amplificador d'entrada he utilitzat aquests potenciòmetres.

Aquí podeu descarregar una configuració de simulació LTSPICE, en la qual podeu provar de configurar la vostra pròpia configuració d'amplificador.

Es pot veure que el PCB té un segon connector BNC. Aquesta és la sortida de la targeta de so (ambdós canals estan curts junts a través de dues resistències); el seu valor pot oscil·lar entre 30 Ohm i 10 K. D'aquesta manera, aquest connector es pot utilitzar com a generador de senyal. En el meu disseny, no utilitzava el connector BNC com a sortida; simplement heu soldat un cable allà i he fet servir dos connectors de plàtan. El vermell - sortida activa, el negre - senyal de terra.

Pas 3: PCB i soldadura

El PCB va ser produït per JLCPCB.

Després vaig començar a soldar els dispositius: primer la part de subministrament.

El PCB admet dos tipus de connectors BNC: podeu triar quin utilitzar.

Els condensadors de retallada els vaig comprar a Aliexpress.

Els fitxers gerber es poden descarregar aquí.

Pas 4: boxa

Vaig decidir posar tot això en una petita caixa de plàstic. En tenia una a la botiga local. Per fer el dispositiu més immune als senyals de ràdio externs, he utilitzat una cinta de coure que he fixat a les parets internes de la caixa. Com a interfície de la targeta d'àudio, he utilitzat dues preses d'àudio. Els vaig fixar forts amb cola epoxi. El PCB es va muntar a certa distància de la caixa inferior mitjançant l'ús de separadors. Per assegurar-me que el dispositiu es proporciona correctament, he afegit un LED en sèrie amb resistència 1K connectada a la presa de subministrament frontal (la punta del connector lateral del micròfon)

Pas 5: el dispositiu està a punt

Aquí teniu algunes imatges del dispositiu muntat.

Pas 6: proves

He provat l'oscil·loscopi amb aquest generador de senyal. Podeu veure algunes captures de pantalla realitzades durant les proves.

El principal repte que s’utilitza amb aquest abast és ajustar el voltatge de sortida del mode comú de frontend per ser idèntic al de la targeta d’àudio. Després, el dispositiu funciona molt bé. Si utilitzeu aquest frontal amb Arduino, no hauria d’existir el problema de l’alineació de la tensió en mode comú: es pot col·locar lliurement en el rang de 0-5 V i ajustar-lo amb precisió al valor, que és òptim per a la vostra mesura. Quan s’utilitzés amb Arduino, suggeriria també un petit canvi: els dos díodes de protecció antiparal·lel a l’entrada de l’amplificador es poden combinar amb dos díodes Zenner de 4,7 V connectats en sèrie, però en direccions oposades. D'aquesta manera, la tensió d'entrada es fixarà a ~ 5,3 V protegint les entrades opamp de sobretensions.