Analoge front-end voor oscilloscoop - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Thuis heb ik een paar goedkope USB-geluidskaarten, die je voor wat geld kunt kopen bij Banggood, Aliexpress, Ebay of andere wereldwijde online winkels. Ik vroeg me af waar ik ze voor zou kunnen gebruiken en besloot om met een van hen een laagfrequente pc-scope te maken. Op internet heb ik leuke software gevonden, die kan worden gebruikt als USB-oscilloscoop en signaalgenerator. Ik deed een omgekeerd ontwerp van de kaart (beschreven in de eerste stap) en besloot dat als ik een volledig functionerend bereik wil hebben - ik ook een analoge front-end moet ontwerpen, die nodig is voor de juiste spanningsschaling en verschuiving van de ingangssignaal toegepast op de microfooningang van de geluidskaart, omdat de microfooningangen maximale ingangsspanningen in de orde van enkele tientallen millivolts verwachten. Ik wilde ook de analoge frontend universeel maken - om te kunnen gebruiken met Arduino's, STM32 of andere microcontrollers - met een ingangssignaalband die veel breder is dan de ingangsband van een geluidskaart. In dit werk worden stapsgewijze instructies gepresenteerd voor het ontwerpen van een dergelijke front-end voor analoge scopes.

Stap 1: USB-audiokaart keert ontwerp en nodificaties om

De USB-kaart is heel gemakkelijk te openen - de behuizing is niet gelijmd, slechts gedeeltelijk ingestoken. De print is dubbelzijdig. De audio-aansluitingen en de bedieningsknoppen bevinden zich aan de bovenkant, de C-media-decoderchip, bedekt met compound, bevindt zich aan de onderkant. De microfoon is in mono-modus aangesloten - de twee kanalen zijn op de print met elkaar kortgesloten. Aan de microfooningang wordt een AC-koppelcondensator (C7) gebruikt. Daarnaast wordt een weerstand van 3K (R2) gebruikt voor de bias van de externe microfoon. ik heb deze weerstand verwijderd en zijn plaats opengelaten. De audio-uitgang is ook AC gekoppeld voor beide kanalen.

Het hebben van een AC-koppeling op het signaalpad voorkomt de waarneming van DC- en laagfrequente signalen. Om die reden besluit ik het te verwijderen (kort). Deze beslissing heeft ook nadelen. Na de condensator is er een DC-werkpunt gedefinieerd voor de audio-ADC en als de analoge front-end een andere DC OP-uitgang heeft, kan de ADC vanwege het kleine ingangssignaalbereik verzadigen. Dat betekent - de DC OP van het front-end circuit moet worden uitgelijnd met die van de ADC-ingangstrap. Het DC-uitgangsspanningsniveau moet instelbaar zijn om gelijk te kunnen zijn aan dat van de ADC-ingangstrap. Hoe deze aanpassing wordt geïmplementeerd, zal in de volgende stappen worden besproken. Ik heb ongeveer 1,9 V DC spanning gemeten aan de ingang van de ADC.

Een andere vereiste, die ik voor de analoge front-end heb gedefinieerd, was dat er geen extra stroombron nodig was. Ik besloot om de 5V USB-spanning van de geluidskaart te gebruiken om ook de front-end circuits te voeden. Voor dat doel heb ik de gemeenschappelijke verbinding tussen de audio-jack-tip en ringcontacten verbroken. De ring die ik besloot te gebruiken voor het signaal (de witte draad op de laatste foto - overbrugt ook de AC-condensator), en de punt van de jack besloot ik te gebruiken als voedingsaansluiting - voor dat doel heb ik hem aangesloten op de USB 5V lijn (de rode draad). Daarmee was de modificatie van de geluidskaart voltooid. Ik sloot het weer.

Stap 2: Frontend-ontwerp

Mijn beslissing was om 3 werkmodi voor de oscilloscoop te hebben:

• gelijkstroom
• AC
• grond

Het hebben van AC-modus vereist dat de ingangs- / common-mode-spanning van de ingangsversterker zich onder de voedingsrail uitstrekt. Dat betekent - de versterker moet een dubbele voeding hebben - positief en negatief.

Ik wilde minimaal 3 ingangsspanningsbereiken hebben (dempingsverhoudingen)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Alle commutaties tussen modi en bereiken zijn voorgevormd door mechanische schuifschakelaars 2P3T.

Om de negatieve voedingsspanning voor de versterker te creëren, heb ik de 7660-laadpompchip gebruikt. Om de voedingsspanningen voor de versterker te stabiliseren heb ik de TI dual linear regulator TPS7A39 gebruikt. De chip heeft een kleine verpakking, maar is niet erg moeilijk om hem op de print te solderen. Als versterker heb ik de AD822 opamp gebruikt. Het voordeel - CMOS-ingang (zeer kleine ingangsstromen) en product met een relatief hoge gainbandbreedte. Als je een nog grotere bandbreedte wilt hebben, kun je een andere opamp met CMOS-ingang gebruiken. Leuk om de functie Rail to Rail Input/Output te hebben; laag geluidsniveau, hoge zwenksnelheid. De gebruikte opamp besloot ik te voorzien van twee +3.8V / -3.8V voedingen. De terugkoppelweerstanden berekend volgens de datasheet van TPS7A39, die deze spanningen geven zijn:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Als je deze frontend met Arduino wilt gebruiken, wil je misschien een uitgangsspanning van 5V bereiken. In dit geval moet u de ingangsvoedingsspanning >6V toepassen en de uitgangsspanningen van de dubbele regelaar instellen op +5/-5V.

De AD822 is een dubbele versterker - de eerste werd gebruikt als buffer om de common-mode-spanning van de tweede versterker te definiëren die werd gebruikt bij het optellen van niet-inverterende configuratie.

Voor het afstellen van de common-mode spanning en de versterking van de ingangsversterker heb ik zulke potmeters gebruikt.

Hier kun je een LTSPICE simulatie-setup downloaden, waarin je kunt proberen je eigen versterkerconfiguratie op te zetten.

Het is te zien dat de PCB een tweede BNC-connector heeft. Dit is de uitgang van de geluidskaart - beide kanalen zijn met elkaar kortgesloten via twee weerstanden - hun waarde kan in het bereik van 30 Ohm - 10 K liggen. Op deze manier kan deze connector worden gebruikt als signaalgenerator. In mijn ontwerp heb ik geen BNC-connector als uitgang gebruikt - ik heb daar gewoon een draad gesoldeerd en in plaats daarvan twee banaanconnectoren gebruikt. De rode - actieve uitgang, de zwarte - signaalaarde.

Stap 3: PCB en solderen

De printplaat is geproduceerd door JLCPCB.

Daarna ben ik begonnen met het solderen van de apparaten: eerst het voedingsgedeelte.

De PCB ondersteunt twee soorten BNC-connectoren - u kunt kiezen welke u wilt gebruiken.

De trimcondensatoren kocht ik bij Aliexpress.

De gerber-bestanden zijn hier te downloaden.

Stap 4: Boksen

Ik besloot dit alles in een kleine plastic doos te doen. Ik had er een beschikbaar in de plaatselijke winkel. Om het apparaat immuun te maken voor de externe radiosignalen, heb ik een koperen tape gebruikt, die ik aan de interne wanden van de behuizing heb bevestigd. Als interface naar de audiokaart heb ik twee audio-aansluitingen gebruikt. Ik heb ze stevig vastgezet met epoxylijm. De print is door middel van afstandhouders op enige afstand van de onderkast gemonteerd. Om er zeker van te zijn dat het apparaat goed wordt geleverd, heb ik een LED in serie toegevoegd met een 1K-weerstand aangesloten op de front-end voedingsaansluiting (de punt van de microfoonaansluiting aan de zijkant)

Stap 5: Het apparaat is klaar

Hier zijn enkele foto's van het gemonteerde apparaat.

Stap 6: Testen

Ik heb de oscilloscoop getest met behulp van deze signaalgenerator. U kunt enkele screenshots zien die tijdens de tests zijn gemaakt.

De grootste uitdaging bij het gebruik van deze scope is om de frontend common-mode uitgangsspanning aan te passen zodat deze identiek is aan die van de geluidskaart. Daarna werkt het apparaat erg soepel. Als u deze front-end met Arduino gebruikt, zou het probleem met de common-mode-spanningsuitlijning niet moeten bestaan - deze kan vrij in het bereik 0-5V worden geplaatst en daarna nauwkeurig worden aangepast aan de waarde, die optimaal is voor uw meting. Bij gebruik met Arduino zou ik ook nog een kleine verandering willen voorstellen - de twee anti-parallelle beveiligingsdiodes aan de ingang van de versterker kunnen worden vervangen door twee 4.7V Zenner-diodes die in serie zijn geschakeld, maar in tegengestelde richting. Op deze manier wordt de ingangsspanning geklemd op ~ 5,3 V, waardoor de opamp-ingangen van overspanningen worden beschermd.