انتهای آنالوگ برای اسیلوسکوپ: 6 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:51

در خانه من برخی از کارت های صدا USB ارزان را دارم که می توان آنها را در Banggood ، Aliexpress ، Ebay یا سایر فروشگاه های آنلاین آنلاین جهانی با چند دلار خریداری کرد. من متعجب بودم که برای چه چیزهای جالبی می توانم از آنها استفاده کنم و تصمیم گرفتم با یکی از آنها محدوده رایانه شخصی با فرکانس پایین بسازم. در اینترنت یک نرم افزار خوب پیدا کرده ام که می تواند به عنوان اسیلوسکوپ USB و تولید کننده سیگنال استفاده شود. من طراحی معکوس کارت را انجام دادم (که در مرحله اول توضیح داده شد) و تصمیم گرفتم که اگر می خواهم دامنه عملکرد کاملی داشته باشم - همچنین باید یک قسمت جلویی آنالوگ را طراحی کنم ، که برای مقیاس گذاری و تغییر ولتاژ مناسب مورد نیاز است. سیگنال ورودی در ورودی میکروفون کارت صدا اعمال می شود ، زیرا ورودی های میکروفون حداکثر ولتاژ ورودی را در چند دهه میلی ولت انتظار دارد. من همچنین می خواستم پیشانی آنالوگ را جهانی کنم - برای استفاده با Arduinos ، STM32 یا سایر میکروکنترلرها - دارای باند سیگنال ورودی بسیار گسترده تر از باند ورودی کارت صدا. دستورالعمل های گام به گام نحوه طراحی چنین محدوده آنالوگ در این کار ارائه شده است.

مرحله 1: طراحی کارتهای صوتی USB و Nodifications

کارت USB بسیار آسان باز می شود - قاب چسبانده نشده است ، فقط قسمتی از آن را درج کرده اید. PCB دو طرفه است. جک های صوتی و دکمه های کنترل در سمت بالا قرار دارند ، تراشه رمزگشای C-media ، پوشیده از ترکیب در قسمت پایین قرار دارد. میکروفون در حالت مونو متصل شده است - دو کانال روی PCB کوتاه می شوند. در ورودی میکروفون از خازن اتصال AC (C7) استفاده می شود. علاوه بر این ، یک مقاومت 3K (R2) برای جانبداری میکروفون خارجی استفاده می شود. من این مقاومت را برداشته ام و جای آن باز است. خروجی صدا نیز برای هر دو کانال AC متصل می شود.

داشتن یک جفت AC در مسیر سیگنال مانع مشاهده سیگنالهای DC و فرکانس پایین می شود. به همین دلیل تصمیم می گیرم آن را حذف کنم (کوتاه کنم). این تصمیم معایبی نیز دارد. پس از خازن ، نقطه ای DC برای ADC صوتی تعریف شده است و اگر قسمت جلویی آنالوگ دارای DC OP متفاوت باشد ، به دلیل محدوده سیگنال ورودی کوچک ، ADC می تواند اشباع شود. این بدان معناست که - DC DC مدارهای جلویی باید با مرحله ورودی ADC تراز شود. سطح ولتاژ خروجی DC باید قابل تنظیم باشد تا بتواند برابر با مرحله ورودی ADC باشد. نحوه اجرای این تعدیل در مراحل بعدی مورد بحث قرار می گیرد. من در ورودی ADC حدود 1.9 ولت DC را اندازه گیری کرده ام.

یکی دیگر از نیازهایی که من برای قسمت جلو آنالوگ تعریف کردم این بود که نیازی به منبع تغذیه اضافی ندارم. من تصمیم گرفتم از ولتاژ USB 5V موجود در کارت صدا برای تأمین مدارهای جلویی نیز استفاده کنم. برای این منظور ، اتصال مشترک بین نوک جک صوتی و مخاطبین زنگ را قطع کردم. حلقه ای که تصمیم گرفتم از آن برای سیگنال استفاده کنم (سیم سفید روی تصویر آخر - پل نیز خازن AC است) و نوک جک که تصمیم گرفتم به عنوان ترمینال منبع تغذیه استفاده کنم - به همین منظور آن را با USB 5V متصل کردم خط (سیم قرمز) با این کار اصلاح کارت صدا به پایان رسید. دوباره بستمش.

مرحله 2: طراحی Frontend

تصمیم من این بود که 3 حالت کار برای اسیلوسکوپ داشته باشم:

• DC
• AC
• زمین

داشتن حالت AC مستلزم آن است که ولتاژ حالت ورودی / مشترک تقویت کننده ورودی در زیر ریل منبع تغذیه گسترش یابد. این بدان معناست - تقویت کننده باید دارای منبع تغذیه دوگانه باشد - مثبت و منفی.

من می خواستم حداقل 3 محدوده ولتاژ ورودی (نسبتهای تضعیف) داشته باشم

• 100:1
• 10:1
• 1:1

همه تعویض ها بین حالت ها و محدوده ها از طریق کلیدهای مکانیکی 2P3T slide مکانیکی انجام شده است.

برای ایجاد ولتاژ تغذیه منفی تقویت کننده ، از تراشه پمپ شارژ 7660 استفاده کردم. برای تثبیت ولتاژهای تغذیه تقویت کننده ، از تنظیم کننده خطی دوگانه TI TPS7A39 استفاده کردم. این تراشه دارای بسته کوچک است ، اما لحیم کردن آن روی PCB کار چندان دشواری نیست. به عنوان تقویت کننده از opamp AD822 استفاده کردم. مزیت آن - ورودی CMOS (جریانهای ورودی بسیار کوچک) و محصول نسبتاً زیاد پهنای باند. اگر می خواهید پهنای باند وسیع تری داشته باشید ، می توانید از opamp دیگری با ورودی CMOS استفاده کنید. داشتن ویژگی Rail to Rail ورودی/خروجی بسیار خوب است. سر و صدای کم ، نرخ حرکت بالا تصمیم گرفتم از دو منبع تغذیه +3.8V / -3.8V استفاده کنم. مقاومتهای بازخورد با توجه به برگه داده TPS7A39 محاسبه می شوند ، که این ولتاژها را می دهند:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

اگر می خواهید از این پیشخوان با آردوینو استفاده کنید ، ممکن است بخواهید به ولتاژ خروجی 5 ولت برسید. در این حالت شما باید ولتاژ منبع ورودی> 6 ولت را اعمال کنید و ولتاژهای خروجی تنظیم کننده دوگانه را +5/-5V تنظیم کنید.

AD822 تقویت کننده دوگانه است - اولین مورد از آنها به عنوان بافر برای تعریف ولتاژ حالت مشترک تقویت کننده دوم استفاده شد که در جمع بندی پیکربندی غیر معکوس استفاده می شود.

برای تنظیم ولتاژ حالت مشترک و افزایش تقویت کننده ورودی ، از چنین پتانسیومترهایی استفاده کردم.

در اینجا می توانید یک راه اندازی شبیه سازی LTSPICE را بارگیری کنید ، که در آن می توانید تنظیمات تقویت کننده خود را تنظیم کنید.

مشاهده می شود که PCB دارای اتصال دهنده BNC دوم است. این خروجی کارت صدا است - هر دو کانال از طریق دو مقاومت کوتاه می شوند - مقدار آنها می تواند در محدوده 30 اهم - 10 کیلوگرم باشد. به این ترتیب از این اتصال می توان به عنوان مولد سیگنال استفاده کرد. در طراحی من از اتصال BNC به عنوان خروجی استفاده نکردم - من فقط یک سیم را در آنجا لحیم کردم و به جای آن از دو اتصال موز استفاده کردم. قرمز - خروجی فعال ، سیاه - زمین سیگنال.

مرحله 3: PCB و لحیم کاری

PCB توسط JLCPCB تولید شده است.

پس از آن شروع به لحیم کردن دستگاه ها کردم: ابتدا قسمت تامین.

PCB از دو نوع کانکتور BNC پشتیبانی می کند - شما می توانید از کدام یک استفاده کنید.

خازن های پیرایش را که از Aliexpress خریدم.

فایل های gerber برای بارگیری در اینجا موجود است.

مرحله چهارم: بوکس

تصمیم گرفتم همه اینها را در یک جعبه پلاستیکی کوچک قرار دهم. من یکی از آنها را از مغازه های محلی موجود داشتم. برای اینکه دستگاه بیشتر در برابر سیگنالهای رادیویی خارجی مصون بماند ، از نوار مسی استفاده کردم که آن را به دیوارهای داخلی قاب وصل کردم. به عنوان رابط کارت صدا ، من از دو جک صوتی استفاده کردم. من آنها را با چسب اپوکسی قوی محکم کردم. PCB در فاصله ای از قسمت زیرین با استفاده از اسپیسر نصب شد. برای اطمینان از اینکه دستگاه به درستی عرضه شده است ، یک سری LED با مقاومت 1K متصل به جک منبع تغذیه جلو (نوک جک جانبی میکروفون) اضافه کردم.

مرحله 5: دستگاه آماده است

در اینجا تصاویری از دستگاه مونتاژ شده است.

مرحله ششم: آزمایش

من با استفاده از این ژنراتور سیگنال اسیلوسکوپ را آزمایش کرده ام. شما می توانید برخی از اسکرین شات های انجام شده در حین آزمایش را مشاهده کنید.

چالش اصلی استفاده از این محدوده تنظیم ولتاژ خروجی حالت مشترک پیش فرض با کارت صدا است. پس از آن دستگاه بسیار روان کار می کند. اگر از آردوینو استفاده می کنید ، مشکلی در تراز ولتاژ حالت معمول وجود ندارد-می توان آن را آزادانه در محدوده 0-5V قرار داد و بعد از آن دقیقاً مقدار آن را تنظیم کرد ، که برای اندازه گیری شما مطلوب است. هنگام استفاده از آردوینو ، من یک تغییر کوچک دیگر را نیز پیشنهاد می کنم - دو دیود حفاظتی ضد موازی در ورودی تقویت کننده را می توان با دو دیود زنر 4.7 ولت به صورت سری ، اما در جهت مخالف متصل کرد. به این ترتیب ولتاژ ورودی 5.3 ولت ~ محکم می شود و از ورودی های opamp ولتاژهای اضافی محافظت می کند.