Analóg előlap oszcilloszkóphoz: 6 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Otthon van néhány olcsó USB hangkártyám, amelyeket a Banggoodban, az Aliexpressben, az Ebay -en vagy más globális online boltokban lehet megvásárolni néhány dollárért. Kíváncsi voltam, milyen érdekes célokra használhatom őket, és úgy döntöttem, hogy megpróbálok alacsony frekvenciájú PC -t készíteni az egyikükkel. Az Interneten találtam egy szép szoftvert, amely USB oszcilloszkópként és jelgenerátorként használható. Megfordítottam a kártyát (az első lépésben leírtam), és úgy döntöttem, hogy ha teljesen működőképes területet akarok kapni - meg kell terveznem egy analóg kezelőfelületet is, amely szükséges a megfelelő feszültségskálázáshoz és a kártya váltásához. bemeneti jel a hangkártya mikrofonbemenetén, mivel a mikrofonbemenetek néhány évtized millivolt nagyságrendű maximális bemeneti feszültséget várnak el. Azt is szerettem volna, hogy az analóg kezelőfelület univerzális legyen - hogy használhatók legyenek Arduinos, STM32 vagy más mikrovezérlőkkel -, hogy a bemeneti jelsáv jóval szélesebb legyen, mint egy hangkártya bemeneti sávja. Ebben a munkában lépésről lépésre ismertetjük az analóg hatókörű kezelőfelület tervezését.

1. lépés: Az USB hangkártya megfordítja a tervezést és a módosításokat

Az USB -kártya nagyon könnyen kinyitható - a tok nincs ragasztva, csak részben van behelyezve. A NYÁK kétoldalas. Az audio aljzatok és a vezérlőgombok a felső oldalon vannak, a C-média dekódoló chip, amelyet vegyület borít, az alsó oldalon. A mikrofon monó módban van csatlakoztatva - a két csatorna rövidre zárva van a NYÁK -on. A mikrofon bemenetén AC csatoló kondenzátort (C7) használnak. Ezen kívül 3K (R2) ellenállást használnak a külső mikrofon előfeszítésére. eltávolítottam ezt az ellenállást, nyitva hagyva a helyét. Az audió kimenet is váltakozó áramú, mindkét csatornához csatlakoztatva.

A váltóáramú csatlakozó a jelútban megakadályozza az egyenáramú és az alacsony frekvenciájú jelek megfigyelését. Ezért úgy döntök, hogy eltávolítom (rövid). Ennek a döntésnek hátrányai is vannak. A kondenzátor után definiálunk egy egyenáramú működési pontot az audio ADC számára, és ha az analóg előlap különböző kimeneti DC OP-val rendelkezik, a kis bemeneti jeltartomány miatt az ADC telíthet. Ez azt jelenti - az elülső áramkör egyenáramú OP -jának igazodnia kell az ADC bemeneti fokozatához. Az egyenáramú kimeneti feszültségszintnek állíthatónak kell lennie, hogy egyenlő legyen az ADC bemeneti szintjével. A kiigazítás végrehajtásának módját a következő lépések tárgyalják. Kb. 1,9 V egyenfeszültséget mértem az ADC bemenetén.

Egy másik követelmény, amelyet az analóg kezelőfelületre vonatkozóan határoztam meg, nem volt szükség további áramforrásra. Úgy döntöttem, hogy a hangkártya 5 V-os USB-feszültségét használom a front-end áramkör ellátására. Ebből a célból elvágtam a közös kapcsolatot az audio jack csúcsa és a gyűrűs érintkezők között. A gyűrűt, amelyet a jelzéshez használtam (az utolsó képen lévő fehér vezeték - áthidalja a váltakozó áramú kondenzátort is), és az aljzat hegyét, amelyet úgy döntöttem, hogy tápegységként használok - erre a célra csatlakoztattam az USB 5V -hoz vonal (a piros vezeték). Ezzel befejeződött a hangkártya módosítása. Ismét bezártam.

2. lépés: Frontend tervezés

Úgy döntöttem, hogy háromféle üzemmódot használok az oszcilloszkóphoz:

• DC
• AC
• talaj

A váltakozó áramú üzemmód megköveteli, hogy a bemeneti erősítő bemeneti / közös módú feszültsége a tápegység alá nyúljon. Ez azt jelenti - az erősítőnek kettős tápellátással kell rendelkeznie - pozitív és negatív.

Szerettem volna legalább 3 bemeneti feszültségtartományt (csillapítási arány)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Az üzemmódok és tartományok közötti összes kommutáció előre elkészített mechanikus 2P3T csúszó kapcsoló.

Az erősítő negatív tápfeszültségének létrehozásához 7660 töltőszivattyú chipet használtam. Az erősítő tápfeszültségének stabilizálására a TI Dual lineáris TPS7A39 szabályozót használtam. A chip kis csomaggal rendelkezik, de nem nagyon nehéz forrasztani a NYÁK -ra. Erősítőként AD822 opamp -ot használtam. Előnye - CMOS bemenet (nagyon kicsi bemeneti áramok) és viszonylag nagy erősítési sávszélességű termék. Ha még szélesebb sávszélességet szeretne elérni, használhat másik opamp -ot CMOS bemenettel. Örülök, hogy van Rail -Rail Input/Output funkció; alacsony zaj, magas fordulatszám. A használt opamp úgy döntöttem, hogy két +3.8V / -3.8V tápegységet szállítok. A TPS7A39 adatlapja alapján számított visszacsatoló ellenállások, amelyek ezeket a feszültségeket adják:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Ha ezt az előlapot szeretné használni az Arduino -val, akkor érdemes elérni az 5 V -os kimeneti feszültséget. Ebben az esetben> 6V bemeneti tápfeszültséget kell alkalmazni, és a kettős szabályozó kimeneti feszültségét +5/-5V értékre kell állítani.

Az AD822 kettős erősítő - először pufferként használták a második erősítő közös üzemmódú feszültségének meghatározására, amelyet nem invertáló konfiguráció összegzésekor használnak.

A közös módú feszültség és a bemeneti erősítő erősítésének beállításához ilyen potenciométereket használtam.

Itt letölthet egy LTSPICE szimulációs beállítást, amelyben megpróbálhatja beállítani saját erősítő konfigurációját.

Látható, hogy a NYÁK -ban van második BNC csatlakozó. Ez a hangkártya kimenete - mindkét csatorna két ellenálláson keresztül rövidre zárva van - értékük 30 Ohm - 10 K tartományban lehet. Ily módon ez a csatlakozó használható jelgenerátorként. A tervezés során nem BNC csatlakozót használtam kimenetként - egyszerűen forrasztottam egy vezetéket, és két banán csatlakozót használtam. A piros - aktív kimenet, a fekete - jel földelése.

3. lépés: PCB és forrasztás

A PCB -t a JLCPCB gyártotta.

Ezt követően elkezdtem forrasztani az eszközöket: Először az ellátó részt.

A NYÁK kétféle BNC csatlakozót támogat - kiválaszthatja, hogy melyiket használja.

A vágókondenzátorokat, amelyeket az Aliexpress -től vettem.

A gerber fájlok letölthetők innen.

4. lépés: Ökölvívás

Úgy döntöttem, hogy mindezt egy kis műanyag dobozba teszem. Kaptam egyet a helyi boltból. Annak érdekében, hogy a készülék immunisabb legyen a külső rádiójelekkel szemben, rézszalagot használtam, amelyet a ház belső falához rögzítettem. Az audio kártya interfészeként két audiocsatlakozót használtam. Erősen rögzítettem őket epoxi ragasztóval. A NYÁK -t az alsó háztól bizonyos távolságra szerelték fel távtartók használatával. Annak biztosítása érdekében, hogy a készülék megfelelően legyen szállítva, sorba tettem egy LED-et 1K ellenállással, amely az előlapi tápcsatlakozóhoz van csatlakoztatva (a mikrofon oldalsó csatlakozójának hegye)

5. lépés: Az eszköz készen áll

Íme néhány kép az összeszerelt készülékről.

6. lépés: Tesztelés

Ezzel a jelgenerátorral teszteltem az oszcilloszkópot. Láthat néhány képernyőképet a tesztek során.

Ennek a hatókörnek a fő kihívása az, hogy a frontend közös módú kimeneti feszültségét azonosnak kell lennie a hangkártyával. Ezt követően a készülék nagyon simán működik. Ha ezt az előlapot használja az Arduino-val, akkor a közös üzemmódú feszültségbeállítással nem lehet probléma-szabadon elhelyezhető a 0-5V tartományban, és ezután pontosan beállítható a méréshez optimális értékre. Az Arduino használatakor javasolnék egy másik apró változtatást is - az erősítő bemenetén lévő két párhuzamos védő dióda két 4,7 V -os Zenner diódával sorba kötve helyezhető el, de ellentétes irányban. Ily módon a bemeneti feszültség ~ 5,3 V -ra lesz rögzítve, védve a túlfeszültség opamp bemeneteit.