Analoges Frontend für Oszilloskop - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Zu Hause habe ich einige billige USB-Soundkarten, die man bei Banggood, Aliexpress, Ebay oder anderen globalen Online-Shops für einiges Geld kaufen kann. Ich habe mich gefragt, wofür ich sie interessant verwenden kann, und beschloss, mit einem von ihnen ein PC-Zielfernrohr mit niedriger Frequenz herzustellen. Im Internet habe ich eine nette Software gefunden, die als USB-Oszilloskop und Signalgenerator verwendet werden kann. Ich habe ein umgekehrtes Design der Karte gemacht (beschrieben im ersten Schritt) und beschlossen, dass ich, wenn ich einen voll funktionsfähigen Umfang haben möchte, auch ein analoges Front-End entwerfen muss, das für die richtige Spannungsskalierung und -verschiebung erforderlich ist an den Mikrofoneingang der Audiokarte angelegtes Eingangssignal, da die Mikrofoneingänge maximale Eingangsspannungen in der Größenordnung von wenigen Dekaden von Millivolt erwarten. Ich wollte auch das analoge Frontend universell machen - um mit Arduinos, STM32 oder anderen Mikrocontrollern verwendet werden zu können - mit einem viel breiteren Eingangssignalband als das Eingangsband einer Audiokarte. In dieser Arbeit werden Schritt-für-Schritt-Anleitungen zum Entwerfen eines solchen Analog-Scope-Frontends vorgestellt.

Schritt 1: USB Audio Card Revers Design und Nodifications

Die USB-Karte ist sehr leicht zu öffnen - das Gehäuse ist nicht verklebt, nur teilweise eingesteckt. Die Platine ist doppelseitig. Auf der Oberseite befinden sich die Audiobuchsen und die Bedientasten, auf der Unterseite befindet sich der mit Masse bedeckte C-Media-Decoder-Chip. Das Mikrofon wird im Mono-Modus angeschlossen - die beiden Kanäle sind auf der Platine kurzgeschlossen. Am Mikrofoneingang wird ein AC-Koppelkondensator (C7) verwendet. Zusätzlich wird ein Widerstand von 3K (R2) für die Vorspannung des externen Mikrofons verwendet. Ich habe diesen Widerstand entfernt und seinen Platz offen lassen. Der Audioausgang ist für beide Kanäle ebenfalls AC-gekoppelt.

Eine AC-Kopplung im Signalpfad verhindert die Beobachtung von DC- und Niederfrequenzsignalen. Aus diesem Grund entscheide ich mich, es (kurz) zu entfernen. Diese Entscheidung hat auch Nachteile. Nach dem Kondensator ist ein DC-Arbeitspunkt für den Audio-ADC definiert, und wenn das analoge Frontend einen anderen Ausgangs-DC-OP hat, kann der ADC aufgrund des kleinen Eingangssignalbereichs sättigen. Das heißt, der DC-OP der Front-End-Schaltung muss mit dem der ADC-Eingangsstufe abgeglichen werden. Der DC-Ausgangsspannungspegel muss einstellbar sein, damit er dem der ADC-Eingangsstufe entsprechen kann. Wie diese Anpassung umgesetzt wird, soll in den nächsten Schritten diskutiert werden. Ich habe am Eingang des ADC ca. 1,9V Gleichspannung gemessen.

Eine weitere Anforderung, die ich für das analoge Frontend definiert habe, war, keine zusätzliche Stromquelle zu benötigen. Ich habe mich entschieden, die in der Soundkarte vorhandene 5V USB-Spannung zu nutzen, um auch die Frontend-Schaltung zu versorgen. Zu diesem Zweck habe ich die gemeinsame Verbindung zwischen der Audio-Klinkenspitze und den Ringkontakten durchtrennt. Den Ring habe ich für das Signal verwendet (das weiße Kabel auf dem letzten Bild - überbrückt auch den AC-Kondensator), und die Spitze der Buchse habe ich als Stromversorgungsklemme verwendet - dazu habe ich es mit dem USB 5V verbunden Linie (das rote Kabel). Damit war der Umbau der Audiokarte abgeschlossen. Ich habe es wieder geschlossen.

Schritt 2: Frontend-Design

Meine Entscheidung war, 3 Arbeitsmodi für das Oszilloskop zu haben:

• DC
• AC
• Boden

Der AC-Modus erfordert, dass die Eingangs- / Gleichtaktspannung des Eingangsverstärkers unter die Versorgungsschiene reicht. Das heißt - der Verstärker muss doppelt versorgt werden - positiv und negativ.

Ich wollte mindestens 3 Eingangsspannungsbereiche (Dämpfungsverhältnisse) haben

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Alle Kommutierungen zwischen Betriebsarten und Bereichen sind durch mechanische 2P3T-Schiebeschalter vorgeformt.

Um die negative Versorgungsspannung für den Verstärker zu erzeugen, habe ich den Ladungspumpenchip 7660 verwendet. Zur Stabilisierung der Versorgungsspannungen für den Verstärker habe ich den Dual-Linearregler TPS7A39 von TI verwendet. Der Chip hat ein kleines Gehäuse, ist aber nicht sehr schwierig, ihn auf die Leiterplatte zu löten. Als Verstärker habe ich den Operationsverstärker AD822 verwendet. Sein Vorteil - CMOS-Eingang (sehr kleine Eingangsströme) und relativ hohes Bandbreitenprodukt. Wenn Sie eine noch größere Bandbreite haben möchten, können Sie einen anderen Operationsverstärker mit CMOS-Eingang verwenden. Nettes Feature Rail to Rail Input/Output; geringes Rauschen, hohe Anstiegsrate. Den verwendeten Operationsverstärker habe ich beschlossen, mit zwei +3,8 V / -3,8 V-Versorgungen zu versorgen. Die nach dem Datenblatt von TPS7A39 berechneten Rückkopplungswiderstände, die diese Spannungen liefern, sind:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Wenn Sie dieses Frontend mit Arduino verwenden möchten, möchten Sie möglicherweise eine Ausgangsspannung von 5 V erreichen. In diesem Fall müssen Sie eine Eingangsversorgungsspannung >6V anlegen und die Ausgangsspannungen des Dualreglers auf +5/-5V einstellen.

Der AD822 ist ein dualer Verstärker - der erste von ihnen wurde als Puffer verwendet, um die Gleichtaktspannung des zweiten Verstärkers zu definieren, der in einer summierenden nicht invertierenden Konfiguration verwendet wird.

Zur Einstellung der Gleichtaktspannung und der Verstärkung des Eingangsverstärkers habe ich solche Potentiometer verwendet.

Hier können Sie ein LTSPICE-Simulations-Setup herunterladen, in dem Sie versuchen können, Ihre eigene Verstärkerkonfiguration einzurichten.

Es ist zu erkennen, dass die Platine einen zweiten BNC-Anschluss hat. Dies ist der Ausgang der Soundkarte - beide Kanäle sind über zwei Widerstände kurzgeschlossen - ihr Wert kann im Bereich von 30 Ohm - 10 K liegen. Auf diese Weise kann dieser Anschluss als Signalgenerator verwendet werden. In meinem Design habe ich keinen BNC-Stecker als Ausgang verwendet - ich habe dort einfach einen Draht gelötet und stattdessen zwei Bananenstecker verwendet. Der rote - aktiver Ausgang, der schwarze - Signalmasse.

Schritt 3: PCB und Löten

Die Leiterplatte wurde von JLCPCB hergestellt.

Danach habe ich angefangen die Geräte zu löten: Zuerst das Versorgungsteil.

Die Platine unterstützt zwei Arten von BNC-Anschlüssen - Sie können wählen, welche Sie verwenden möchten.

Die Trimmkondensatoren habe ich bei Aliexpress gekauft.

Die Gerber-Dateien stehen hier zum Download bereit.

Schritt 4: Boxen

Ich beschloss, das alles in eine kleine Plastikbox zu stecken. Ich hatte eine im örtlichen Geschäft erhältlich. Um das Gerät immun gegen die externen Funksignale zu machen, habe ich ein Kupferband verwendet, das ich an den inneren Gehäusewänden befestigt habe. Als Schnittstelle zur Audiokarte habe ich zwei Audiobuchsen verwendet. Ich habe sie stark mit Epoxidkleber fixiert. Die Platine wurde mit Abstandshaltern in einiger Entfernung vom unteren Gehäuse montiert. Um sicherzustellen, dass das Gerät ordnungsgemäß versorgt wird, habe ich eine LED in Reihe mit einem 1K-Widerstand hinzugefügt, der an die Front-End-Versorgungsbuchse (die Spitze der Mikrofonseitenbuchse) angeschlossen ist.

Schritt 5: Das Gerät ist bereit

Hier einige Bilder des zusammengebauten Gerätes.

Schritt 6: Testen

Ich habe das Oszilloskop mit diesem Signalgenerator getestet. Sie können einige Screenshots sehen, die während der Tests erstellt wurden.

Die größte Herausforderung bei der Verwendung dieses Oszilloskops besteht darin, die Gleichtaktausgangsspannung des Frontends so einzustellen, dass sie mit der der Audiokarte identisch ist. Danach arbeitet das Gerät sehr flüssig. Wenn Sie dieses Frontend mit Arduino verwenden, sollte das Problem mit dem Gleichtaktspannungsabgleich nicht bestehen - es kann frei im Bereich 0-5V platziert und danach genau auf den für Ihre Messung optimalen Wert eingestellt werden. Bei der Verwendung mit Arduino würde ich noch eine kleine Änderung vorschlagen - die beiden antiparallelen Schutzdioden am Eingang des Verstärkers können durch zwei in Reihe geschaltete 4,7V Zennerdioden ersetzt werden, jedoch gegenläufig. Auf diese Weise wird die Eingangsspannung auf ~ 5,3 V geklemmt, um die Opamp-Eingänge vor Überspannungen zu schützen.