Front-end analógico para osciloscópio: 6 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Em casa eu tenho algumas placas de som USB baratas, que podem ser compradas em Banggood, Aliexpress, Ebay ou outras lojas online globais por alguns dólares. Fiquei me perguntando para que tipo de interessante posso usá-los e decidi tentar fazer um osciloscópio de baixa frequência para PC com um deles. Na Internet encontrei um bom software, que pode ser usado como osciloscópio USB e gerador de sinais. Fiz um design reverso da placa (descrito na primeira etapa) e decidi que se eu quiser ter um escopo totalmente funcional - eu preciso também projetar um front-end analógico, que é necessário para a escala de tensão adequada e deslocamento do sinal de entrada aplicado na entrada do microfone da placa de áudio, porque as entradas do microfone esperam tensões máximas de entrada na ordem de algumas décadas de milivolts. Eu também queria tornar o frontend analógico universal - para poder ser usado com Arduinos, STM32 ou outros microcontroladores - tendo uma banda de sinal de entrada muito mais ampla do que a banda de entrada de uma placa de áudio. Instruções passo a passo de como projetar tal front-end de osciloscópio analógico são apresentadas neste trabalho.

Etapa 1: Design e nodificações da reversão da placa de áudio USB

O cartão USB é muito fácil de abrir - o case não é colado, apenas inserido parcialmente. O PCB tem dois lados. Os conectores de áudio e os botões de controle estão na parte superior, o chip decodificador C-media, coberto pelo composto, está na parte inferior. O microfone está conectado no modo mono - os dois canais são colocados em curto no PCB. Um capacitor de acoplamento CA (C7) é usado na entrada do microfone. Além disso, um resistor de 3K (R2) é usado para polarização do microfone externo. eu removi esse resistor, deixando seu lugar aberto. A saída de áudio também é acoplada em CA para ambos os canais.

Ter um acoplamento CA no caminho do sinal impede a observação de sinais CC e de baixa frequência. Por esse motivo, decido retirá-lo (abreviá-lo). Essa decisão também tem desvantagens. Após o capacitor, é definido algum ponto de operação DC para o ADC de áudio e se o front-end analógico tiver saída DC OP diferente, por causa da pequena faixa do sinal de entrada, o ADC pode saturar. Isso significa - o DC OP do circuito de front-end deve estar alinhado com o do estágio de entrada ADC. O nível de tensão de saída DC deve ser ajustável para ser igual ao do estágio de entrada ADC. A forma como esse ajuste é implementado será discutida nas próximas etapas. Medi a tensão de cerca de 1,9 Vcc na entrada do ADC.

Outro requisito, que defini para o front-end analógico, era não exigir fonte de alimentação adicional. Decidi usar a voltagem USB de 5V disponível na placa de som para fornecer também os circuitos front-end. Para isso, cortei a conexão comum entre a ponta do conector de áudio e os contatos do anel. O anel que decidi usar para o sinal (o fio branco da última foto - faz uma ponte também com o capacitor AC), e a ponta do conector que decidi usar como terminal de alimentação - para isso conectei com o USB 5V linha (o fio vermelho). Com isso a modificação da placa de áudio foi concluída. Eu fechei novamente.

Etapa 2: Design de front-end

Minha decisão foi ter 3 modos de trabalho para o osciloscópio:

• DC
• AC
• chão

Ter o modo CA requer que a tensão de entrada / modo comum do amplificador de entrada se estenda sob o trilho de alimentação. Isso significa - o amplificador deve ter alimentação dupla - positiva e negativa.

Eu queria ter pelo menos 3 faixas de tensão de entrada (taxas de atenuação)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Todas as comutações entre modos e faixas são pré-formadas por interruptores deslizantes 2P3T mecânicos.

Para criar a tensão de alimentação negativa para o amplificador, usei o chip da bomba de carga 7660. Para estabilizar as tensões de alimentação do amplificador, usei o regulador linear duplo TI TPS7A39. O chip tem um encapsulamento pequeno, mas não é muito difícil soldá-lo na placa de circuito impresso. Como amplificador usei AD822 opamp. Sua vantagem - entrada CMOS (correntes de entrada muito pequenas) e produto de largura de banda de ganho relativamente alto. Se você quiser ter uma largura de banda ainda maior, você pode usar outro opamp com entrada CMOS. É bom ter o recurso Rail to Rail Input / Output; baixo ruído, alta taxa de variação. O opamp usado decidi fornecer duas fontes de + 3.8V / -3.8V. Os resistores de feedback calculados de acordo com o datasheet do TPS7A39, que fornecem essas tensões são:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Se você quiser usar este front-end com o Arduino, pode querer atingir a tensão de saída de 5V. Neste caso, você deve aplicar a tensão de alimentação de entrada> 6 V e definir as tensões de saída do regulador duplo para + 5 / -5 V.

O AD822 é um amplificador duplo - o primeiro deles foi usado como buffer para definir a tensão de modo comum do segundo amplificador usado na configuração somadora não inversora.

Para o ajuste da tensão de modo comum e do ganho do amplificador de entrada, usei esses potenciômetros.

Aqui você pode baixar uma configuração de simulação LTSPICE, na qual você pode tentar definir sua própria configuração de amplificador.

Pode-se ver que o PCB possui um segundo conector BNC. Esta é a saída da placa de som - ambos os canais estão em curto através de dois resistores - seu valor pode estar na faixa de 30 Ohm - 10 K. Desta forma, este conector pode ser usado como gerador de sinal. No meu projeto, não usei um conector BNC como saída - simplesmente soldei um fio lá e usei dois conectores banana. O vermelho - saída ativa, o preto - aterramento do sinal.

Etapa 3: PCB e solda

O PCB foi produzido pela JLCPCB.

Depois comecei a soldar os dispositivos: primeiro a parte de alimentação.

O PCB suporta dois tipos de conectores BNC - você pode escolher qual usar.

Os capacitores de compensação eu comprei na Aliexpress.

Os arquivos gerber estão disponíveis para download aqui.

Etapa 4: boxe

Resolvi colocar tudo isso em uma pequena caixa de plástico. Eu tinha um disponível na loja local. Para tornar o dispositivo mais imune aos sinais de rádio externos, usei uma fita de cobre, que fixei nas paredes internas do gabinete. Como interface para a placa de áudio usei dois conectores de áudio. Fixei-os com cola epóxi. O PCB foi montado a alguma distância da caixa inferior com o uso de espaçadores. Para ter certeza de que o dispositivo é fornecido corretamente, adicionei um LED em série com resistor de 1K conectado ao conector de alimentação frontal (a ponta do conector lateral do microfone)

Etapa 5: o dispositivo está pronto

Aqui estão algumas fotos do dispositivo montado.

Etapa 6: Teste

Eu testei o osciloscópio usando este gerador de sinal. Você pode ver algumas imagens feitas durante os testes.

O principal desafio ao usar este osciloscópio é ajustar a tensão de saída do modo comum do frontend para ser idêntica à da placa de áudio. Depois disso, o dispositivo funciona muito bem. Se estiver usando este front-end com Arduino, o problema com o alinhamento de tensão de modo comum não deve existir - ele pode ser colocado livremente na faixa de 0-5 V e precisamente ajustado depois disso para o valor, que é ideal para sua medição. Ao usar o Arduino, eu sugeriria também outra pequena mudança - os dois diodos de proteção antiparalelo na entrada do amplificador podem ser substituídos por dois diodos Zenner de 4,7 V conectados em série, mas em direções opostas. Desta forma, a tensão de entrada será fixada em ~ 5,3 V protegendo as entradas opamp de sobretensões.