Analog Front End untuk Osiloskop: 6 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Di rumah saya memiliki beberapa kartu suara USB murah, yang dapat dibeli di Banggood, Aliexpress, Ebay atau toko online global lainnya untuk beberapa dolar. Saya bertanya-tanya apa yang menarik untuk saya gunakan dan memutuskan untuk mencoba membuat lingkup PC frekuensi rendah dengan salah satunya. Di Internet saya telah menemukan perangkat lunak yang bagus, yang dapat digunakan sebagai osiloskop USB dan generator sinyal. Saya melakukan beberapa desain terbalik kartu (dijelaskan pada langkah pertama) dan memutuskan bahwa jika saya ingin memiliki ruang lingkup yang berfungsi penuh - saya juga perlu merancang front-end Analog, yang diperlukan untuk penskalaan dan pemindahan tegangan yang tepat dari sinyal input diterapkan pada input mikrofon dari kartu audio, karena input mikrofon mengharapkan tegangan input maksimal dalam urutan beberapa dekade milivolt. Saya juga ingin membuat frontend analog universal - untuk dapat digunakan dengan Arduino, STM32 atau mikrokontroler lainnya - memiliki pita sinyal input yang jauh lebih lebar daripada pita input kartu audio. Petunjuk langkah demi langkah bagaimana merancang front-end lingkup Analog seperti itu disajikan dalam karya ini.

Langkah 1: Desain dan Nodifikasi Pembalikan Kartu Audio USB

Kartu USB sangat mudah dibuka - kasing tidak direkatkan, hanya dimasukkan sebagian saja. PCB adalah dua sisi. Soket audio dan tombol kontrol ada di sisi atas, chip dekoder C-media, yang dilapisi kompon ada di sisi bawah. Mikrofon terhubung dalam mode mono - kedua saluran dihubung singkat pada PCB. Kapasitor kopling AC (C7) digunakan pada input mikrofon. Selain itu resistor 3K (R2) digunakan untuk biasing mikrofon eksternal. saya telah menghapus resistor ini meninggalkan tempatnya terbuka. Output audio juga AC digabungkan untuk kedua saluran.

Memiliki kopling AC di jalur sinyal mencegah pengamatan sinyal DC dan frekuensi rendah. Untuk alasan itu saya memutuskan untuk menghapus (singkat) itu. Keputusan ini juga memiliki kelemahan. Setelah kapasitor ditentukan beberapa titik operasi DC untuk ADC audio dan jika ujung depan analog memiliki output DC OP yang berbeda, karena rentang sinyal input yang kecil, ADC dapat jenuh. Itu berarti - OP DC dari sirkuit ujung depan harus sejajar dengan OP tahap input ADC. Level tegangan output DC harus dapat diatur agar sama dengan level input ADC. Bagaimana penyesuaian ini diterapkan akan dibahas pada langkah selanjutnya. Saya telah mengukur sekitar 1.9V tegangan DC pada input dari ADC.

Persyaratan lain, yang saya tetapkan untuk front-end analog adalah tidak memerlukan sumber daya tambahan. Saya memutuskan untuk menggunakan tegangan USB 5V kartu suara yang tersedia untuk memasok juga sirkuit front-end. Untuk tujuan itu saya memutuskan koneksi umum antara ujung jack audio dan kontak cincin. Cincin yang saya putuskan untuk digunakan sebagai sinyal (kabel putih pada gambar terakhir - menjembatani juga kapasitor AC), dan ujung jack saya putuskan untuk digunakan sebagai terminal catu daya - untuk tujuan itu saya menghubungkannya dengan USB 5V garis (kabel merah). Dengan itu modifikasi kartu audio selesai. Aku menutupnya lagi.

Langkah 2: Desain Frontend

Keputusan saya adalah memiliki 3 mode kerja untuk osiloskop:

• DC
• AC
• tanah

Memiliki mode AC mengharuskan tegangan input / mode umum dari penguat input memanjang di bawah rel suplai. Itu berarti - amplifier harus memiliki suplai ganda - positif dan negatif.

Saya ingin memiliki setidaknya 3 rentang tegangan input (rasio atenuasi)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Semua pergantian antara mode dan rentang dibuat sebelumnya dengan sakelar geser 2P3T mekanis.

Untuk membuat tegangan suplai negatif untuk amplifier, saya menggunakan chip pompa pengisian 7660. Untuk menstabilkan tegangan suplai untuk amplifier, saya menggunakan regulator linier ganda TI TPS7A39. Chip memiliki paket kecil, tetapi tidak terlalu sulit untuk menyoldernya pada PCB. Sebagai penguat saya menggunakan opamp AD822. Keuntungannya - input CMOS (arus input sangat kecil) dan produk gainbandwidth yang relatif tinggi. Jika Anda ingin bandwidth yang lebih lebar lagi, Anda dapat menggunakan opamp lain dengan input CMOS. Senang memiliki fitur Rail to Rail Input/Output; kebisingan rendah, laju perubahan tegangan tinggi. Opamp yang digunakan Saya memutuskan untuk memasok dengan dua pasokan +3.8V / -3.8V. Resistor umpan balik yang dihitung menurut lembar data TPS7A39, yang memberikan tegangan ini adalah:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Jika Anda ingin menggunakan frontend ini dengan Arduino, Anda mungkin ingin mencapai tegangan output 5V. Dalam hal ini Anda harus menerapkan tegangan suplai input> 6V dan untuk mengatur tegangan output dari regulator ganda menjadi +5/-5V.

AD822 adalah penguat ganda - yang pertama digunakan sebagai penyangga untuk menentukan tegangan mode umum dari penguat kedua yang digunakan dalam menjumlahkan konfigurasi non-pembalik.

Untuk penyesuaian tegangan mode umum dan penguatan penguat input, saya menggunakan potensiometer tersebut.

Di sini Anda dapat mengunduh setup simulasi LTSPICE, di mana Anda dapat mencoba mengatur konfigurasi amplifier Anda sendiri.

Dapat dilihat bahwa PCB memiliki konektor BNC kedua. Ini adalah output dari kartu suara - kedua saluran dihubung singkat melalui dua resistor - nilainya dapat berkisar antara 30 Ohm - 10 K. Dengan cara ini konektor ini dapat digunakan sebagai generator sinyal. Dalam desain saya, saya tidak menggunakan konektor BNC sebagai output - saya hanya menyolder kabel di sana dan menggunakan dua konektor pisang sebagai gantinya. Yang merah - output aktif, yang hitam - ground sinyal.

Langkah 3: PCB dan Solder

PCB diproduksi oleh JLCPCB.

Setelah itu saya mulai menyolder perangkat: Pertama bagian suplai.

PCB mendukung dua jenis konektor BNC - Anda dapat memilih mana yang akan digunakan.

Kapasitor pemangkasan yang saya beli dari Aliexpress.

File gerber tersedia untuk diunduh di sini.

Langkah 4: Tinju

Saya memutuskan untuk memasukkan semua ini ke dalam kotak plastik kecil. Aku punya satu tersedia dari toko lokal. Untuk membuat perangkat lebih kebal terhadap sinyal radio eksternal, saya menggunakan pita tembaga, yang saya tempelkan ke dinding casing internal. Sebagai antarmuka ke kartu Audio saya menggunakan dua jack audio. Saya memperbaikinya kuat dengan lem epoksi. PCB dipasang agak jauh dari casing bawah dengan menggunakan spacer. Untuk memastikan bahwa perangkat disuplai dengan benar, saya menambahkan LED secara seri dengan resistor 1K yang terhubung ke jack suplai front-end (ujung jack samping mikrofon)

Langkah 5: Perangkat Sudah Siap

Berikut adalah beberapa gambar perangkat yang dirakit.

Langkah 6: Pengujian

Saya telah menguji osiloskop menggunakan generator sinyal ini. Anda dapat melihat beberapa tangkapan layar yang dilakukan selama pengujian.

Tantangan utama menggunakan cakupan ini adalah untuk menyesuaikan tegangan output mode umum frontend agar identik dengan kartu audio. Setelah itu perangkat bekerja sangat lancar. Jika menggunakan front-end ini dengan Arduino, masalah dengan penyelarasan tegangan mode umum seharusnya tidak ada - dapat ditempatkan secara bebas di kisaran 0-5V dan disesuaikan secara tepat setelah itu ke nilai, yang optimal untuk pengukuran Anda. Saat menggunakan dengan Arduino saya juga menyarankan perubahan kecil lainnya - dua dioda perlindungan anti-paralel pada input amplifier dapat dipasangkan dengan dua dioda Zenner 4.7V yang dihubungkan secara seri, tetapi dalam arah yang berlawanan. Dengan cara ini tegangan input akan dijepit pada ~5.3V yang melindungi input opamp dari tegangan lebih.