Analog Front End สำหรับออสซิลโลสโคป: 6 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

ที่บ้านฉันมีการ์ดเสียง USB ราคาถูกซึ่งสามารถซื้อได้ใน Banggood, Aliexpress, Ebay หรือร้านค้าออนไลน์ระดับโลกอื่น ๆ ในราคาเพียงบางเหรียญ ฉันสงสัยว่าฉันสามารถใช้มันเพื่ออะไรที่น่าสนใจและตัดสินใจลองสร้างขอบเขตพีซีความถี่ต่ำกับหนึ่งในนั้น ในอินเทอร์เน็ต ฉันพบซอฟต์แวร์ที่ดี ซึ่งสามารถใช้เป็นออสซิลโลสโคป USB และเครื่องกำเนิดสัญญาณ ฉันออกแบบการ์ดแบบย้อนกลับ (อธิบายไว้ในขั้นตอนแรก) และตัดสินใจว่าหากฉันต้องการให้มีขอบเขตการทำงานที่สมบูรณ์ - ฉันต้องออกแบบส่วนหน้าแบบอะนาล็อกด้วย ซึ่งจำเป็นสำหรับการปรับขนาดและการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม สัญญาณอินพุตที่ใช้กับอินพุตไมโครโฟนของการ์ดเสียง เนื่องจากอินพุตไมโครโฟนคาดหวังแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงสุดในลำดับไม่กี่ทศวรรษของมิลลิโวลต์ ฉันยังต้องการทำให้ส่วนหน้าแบบแอนะล็อกเป็นแบบสากล - เพื่อให้สามารถใช้กับ Arduinos, STM32 หรือไมโครคอนโทรลเลอร์อื่น ๆ ได้ - มีแถบสัญญาณอินพุตกว้างกว่าแถบอินพุตของการ์ดเสียงมาก คำแนะนำทีละขั้นตอนวิธีการออกแบบส่วนหน้าของขอบเขตอะนาล็อกนั้นถูกนำเสนอในงานนี้

ขั้นตอนที่ 1: การ์ดเสียง USB ย้อนกลับการออกแบบและ Nodifications

เปิดการ์ด USB ได้ง่ายมาก ตัวเคสไม่ได้ติดกาว เสียบเพียงบางส่วนเท่านั้น PCB เป็นแบบสองด้าน แจ็คเสียงและปุ่มควบคุมอยู่ที่ด้านบน ชิปถอดรหัส C-media ที่หุ้มด้วยคอมปาวน์อยู่ด้านล่าง ไมโครโฟนเชื่อมต่อในโหมดโมโน - สองช่องสัญญาณสั้นพร้อมกันบน PCB ใช้ตัวเก็บประจุแบบ AC coupling (C7) ที่อินพุตไมโครโฟน นอกจากนี้ ตัวต้านทาน 3K (R2) ยังใช้สำหรับไบอัสของไมโครโฟนภายนอก ฉันได้ลบตัวต้านทานนี้โดยปล่อยให้มันเปิดอยู่ เอาต์พุตเสียงยังเป็น AC ควบคู่สำหรับทั้งสองช่อง

การมี AC coupling ที่เส้นทางสัญญาณช่วยป้องกันการสังเกตสัญญาณ DC และความถี่ต่ำ ด้วยเหตุนี้ฉันจึงตัดสินใจลบ (สั้น) ออก การตัดสินใจครั้งนี้ก็มีข้อเสียเช่นกัน หลังจากตัวเก็บประจุ มีการกำหนดจุดปฏิบัติการ DC บางส่วนสำหรับ ADC เสียง และหากส่วนหน้าแบบอะนาล็อกมีเอาต์พุต DC OP ที่แตกต่างกัน เนื่องจากช่วงสัญญาณอินพุตขนาดเล็ก ADC สามารถอิ่มตัวได้ นั่นหมายความว่า - DC OP ของวงจรส่วนหน้าต้องอยู่ในแนวเดียวกับระยะอินพุต ADC ระดับแรงดันไฟขาออก DC ต้องปรับได้เพื่อให้เท่ากับระดับอินพุต ADC วิธีดำเนินการปรับปรุงนี้จะกล่าวถึงในขั้นตอนต่อไป ฉันได้วัดแรงดัน DC ประมาณ 1.9V ที่อินพุตของ ADC แล้ว

ข้อกำหนดอีกประการหนึ่งที่ฉันกำหนดไว้สำหรับส่วนหน้าแบบอะนาล็อกคือไม่ต้องการแหล่งพลังงานเพิ่มเติม ฉันตัดสินใจใช้แรงดันไฟฟ้า USB 5V ของการ์ดเสียงที่มีอยู่เพื่อจ่ายวงจรส่วนหน้าด้วย เพื่อจุดประสงค์นั้น ฉันจึงตัดการเชื่อมต่อทั่วไประหว่างปลายแจ็คเสียงและหน้าสัมผัสแหวน วงแหวนที่ฉันตัดสินใจใช้สำหรับสัญญาณ (สายสีขาวในรูปสุดท้าย - สะพานรวมถึงตัวเก็บประจุ AC) และปลายแจ็คที่ฉันตัดสินใจใช้เป็นขั้วจ่ายไฟ - เพื่อจุดประสงค์นั้นฉันเชื่อมต่อกับ USB 5V เส้น (สายสีแดง). ด้วยการดัดแปลงการ์ดเสียงเสร็จสมบูรณ์ ฉันปิดมันอีกครั้ง

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบส่วนหน้า

การตัดสินใจของฉันคือการมี 3 โหมดการทำงานสำหรับออสซิลโลสโคป:

• กระแสตรง
• AC
• พื้น

การมีโหมด AC ต้องการให้แรงดันไฟฟ้าอินพุต / โหมดทั่วไปของเครื่องขยายเสียงอินพุตขยายใต้รางจ่ายไฟ นั่นหมายความว่า - แอมพลิฟายเออร์ต้องมีแหล่งจ่ายคู่ - บวกและลบ

ฉันต้องการมีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตอย่างน้อย 3 ช่วง (อัตราส่วนการลดทอน)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

การเปลี่ยนระหว่างโหมดและช่วงทั้งหมดเป็นสวิตช์ 2P3T แบบสไลด์ทางกลที่สร้างไว้ล่วงหน้า

ในการสร้างแรงดันไฟลบสำหรับแอมพลิฟายเออร์ ฉันใช้ชิปปั๊มชาร์จ 7660 เพื่อรักษาเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้าสำหรับเครื่องขยายเสียง ฉันใช้ TI dual linear regulator TPS7A39 ชิปมีขนาดเล็ก แต่บัดกรีบน PCB ได้ไม่ยาก ในฐานะเครื่องขยายเสียงฉันใช้ AD822 opamp ข้อได้เปรียบของมัน - อินพุต CMOS (กระแสอินพุตขนาดเล็กมาก) และผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์เกนที่ค่อนข้างสูง หากคุณต้องการแบนด์วิดท์ที่กว้างกว่านี้ คุณสามารถใช้ opamp อื่นที่มีอินพุต CMOS ได้ ยินดีที่ได้มีคุณสมบัติ Rail to Rail Input / Output; เสียงรบกวนต่ำอัตราการฆ่าสูง opamp ที่ใช้ฉันตัดสินใจจัดหาอุปกรณ์ +3.8V / -3.8V สองตัว ตัวต้านทานป้อนกลับที่คำนวณตามแผ่นข้อมูลของ TPS7A39 ซึ่งให้แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้คือ:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

หากคุณต้องการใช้ฟรอนท์เอนด์นี้กับ Arduino คุณอาจต้องการเพิ่มแรงดันเอาต์พุต 5V ในกรณีนี้ คุณต้องใช้แรงดันไฟฟ้าอินพุต >6V และตั้งค่าแรงดันเอาต์พุตของตัวควบคุมคู่เป็น +5/-5V

AD822 เป็นแอมพลิฟายเออร์คู่ - ตัวแรกถูกใช้เป็นบัฟเฟอร์เพื่อกำหนดแรงดันไฟโหมดทั่วไปของแอมพลิฟายเออร์ตัวที่สองที่ใช้ในการสรุปการกำหนดค่าที่ไม่กลับด้าน

สำหรับการปรับแรงดันไฟโหมดทั่วไปและเกนของแอมพลิฟายเออร์อินพุต ฉันใช้โพเทนชิโอมิเตอร์ดังกล่าว

ที่นี่คุณดาวน์โหลดการตั้งค่าการจำลอง LTSPICE ซึ่งคุณสามารถลองตั้งค่าการกำหนดค่าเครื่องขยายเสียงของคุณเองได้

จะเห็นได้ว่า PCB มีขั้วต่อ BNC ตัวที่สอง นี่คือเอาต์พุตของการ์ดเสียง - ทั้งสองช่องสัญญาณลัดวงจรเข้าด้วยกันผ่านตัวต้านทานสองตัว - ค่าของพวกมันอาจอยู่ในช่วง 30 โอห์ม - 10 K ด้วยวิธีนี้ตัวเชื่อมต่อนี้จึงสามารถใช้เป็นเครื่องกำเนิดสัญญาณได้ ในการออกแบบของฉัน ฉันไม่ได้ใช้ตัวเชื่อมต่อ BNC เป็นเอาต์พุต ฉันเพียงแค่บัดกรีลวดที่นั่น และใช้ตัวเชื่อมต่อกล้วยสองตัวแทน ตัวสีแดง - เอาต์พุตแบบแอ็คทีฟ ตัวสีดำ - กราวด์สัญญาณ

ขั้นตอนที่ 3: PCB และการบัดกรี

PCB ผลิตโดย JLCPCB

หลังจากนั้นฉันก็เริ่มประสานอุปกรณ์: ส่วนการจัดหาก่อน

PCB รองรับขั้วต่อ BNC สองประเภท - คุณสามารถเลือกได้ว่าจะใช้แบบใด

ตัวเก็บประจุแบบตัดแต่งที่ฉันซื้อจาก Aliexpress

ไฟล์เกอร์เบอร์มีให้ดาวน์โหลดที่นี่

ขั้นตอนที่ 4: ชกมวย

ฉันตัดสินใจที่จะใส่ทั้งหมดนี้ในกล่องพลาสติกขนาดเล็ก ฉันมีหนึ่งจากร้านค้าในท้องถิ่น เพื่อให้อุปกรณ์มีภูมิคุ้มกันต่อสัญญาณวิทยุภายนอกมากขึ้น ฉันใช้เทปทองแดงซึ่งติดไว้กับผนังเคสภายใน ในส่วนต่อประสานกับการ์ดเสียงฉันใช้แจ็คเสียงสองตัว ฉันซ่อมมันให้แข็งแรงด้วยกาวอีพ็อกซี่ PCB ถูกติดตั้งที่ระยะห่างจากเคสด้านล่างโดยใช้สเปเซอร์ เพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ได้รับการจัดหาอย่างเหมาะสม ฉันได้เพิ่ม LED ในซีรีย์ที่มีตัวต้านทาน 1K ที่เชื่อมต่อกับแจ็คจ่ายไฟส่วนหน้า (ส่วนปลายของแจ็คด้านไมโครโฟน)

ขั้นตอนที่ 5: อุปกรณ์พร้อมแล้ว

นี่คือภาพบางส่วนของอุปกรณ์ที่ประกอบ

ขั้นตอนที่ 6: การทดสอบ

ฉันได้ทดสอบออสซิลโลสโคปโดยใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณ คุณสามารถดูภาพหน้าจอบางส่วนในระหว่างการทดสอบ

ความท้าทายหลักในการใช้ขอบเขตนี้คือการปรับแรงดันเอาต์พุตโหมดทั่วไปส่วนหน้าให้เหมือนกับของการ์ดเสียง หลังจากนั้นเครื่องก็ทำงานได้อย่างราบรื่นมาก หากใช้ฟรอนต์เอนด์นี้กับ Arduino ปัญหาเกี่ยวกับการปรับแนวแรงดันไฟฟ้าของโหมดทั่วไปไม่ควรมีอยู่ โดยสามารถวางได้อย่างอิสระในช่วง 0-5V และปรับค่าหลังจากนั้นได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเหมาะสมที่สุดสำหรับการวัดของคุณ เมื่อใช้กับ Arduino ฉันขอแนะนำให้เปลี่ยนอีกเล็กน้อย - ไดโอดป้องกันแบบขนานสองตัวที่อินพุตของแอมพลิฟายเออร์สามารถถูกแทนที่ด้วยไดโอด Zenner 4.7V สองตัวที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม แต่ในทิศทางตรงกันข้าม ด้วยวิธีนี้ แรงดันไฟขาเข้าจะถูกยึดไว้ที่ ~5.3V เพื่อป้องกันอินพุต opamp ของแรงดันไฟเกิน