Interfaz analógica para osciloscopio: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

En casa tengo algunas tarjetas de sonido USB baratas, que se pueden comprar en Banggood, Aliexpress, Ebay u otras tiendas en línea globales por algunos dólares. Me preguntaba para qué interesantes puedo usarlos y decidí intentar hacer un visor de PC de baja frecuencia con uno de ellos. En Internet he encontrado un buen software, que se puede utilizar como osciloscopio USB y como generador de señales. Hice un diseño inverso de la tarjeta (descrito en el primer paso) y decidí que si quiero tener un alcance en pleno funcionamiento, también necesito diseñar un front-end analógico, que se requiere para el escalado y cambio de voltaje adecuados del señal de entrada aplicada a la entrada de micrófono de la tarjeta de audio, porque las entradas de micrófono esperan voltajes de entrada máximos del orden de unas pocas décadas de milivoltios. También quería que la interfaz analógica fuera universal, para poder usarla con Arduinos, STM32 u otros microcontroladores, con una banda de señal de entrada mucho más ancha que la banda de entrada de una tarjeta de audio. En este trabajo se presentan instrucciones paso a paso sobre cómo diseñar tal interfaz de visor analógico.

Paso 1: Modificaciones y diseño de reversión de la tarjeta de audio USB

La tarjeta USB es muy fácil de abrir: la carcasa no está pegada, solo se inserta una parte en parte. El PCB es de doble cara. Las tomas de audio y los botones de control están en la parte superior, el chip decodificador C-media, cubierto por compuesto, está en la parte inferior. El micrófono está conectado en modo mono: los dos canales están conectados en cortocircuito en la PCB. Se utiliza un condensador de acoplamiento de CA (C7) en la entrada del micrófono. Además de eso, se utiliza una resistencia de 3K (R2) para la polarización del micrófono externo. He quitado esta resistencia dejando su lugar abierto. La salida de audio también está acoplada a CA para ambos canales.

Tener un acoplamiento de CA en la ruta de la señal evita la observación de CC y señales de baja frecuencia. Por eso decido quitarlo (corto). Esta decisión también tiene desventajas. Después del condensador, se define algún punto de funcionamiento de CC para el ADC de audio y si el front-end analógico tiene una salida de CC de salida diferente, debido al pequeño rango de señal de entrada, el ADC puede saturarse. Eso significa que el DC OP de los circuitos del front-end debe estar alineado con el de la etapa de entrada del ADC. El nivel de voltaje de salida de CC debe ser ajustable para poder ser igual al de la etapa de entrada del ADC. Cómo se implementa este ajuste se discutirá en los próximos pasos. He medido un voltaje de aproximadamente 1,9 V CC en la entrada del ADC.

Otro requisito, que definí para el front-end analógico, era no requerir una fuente de alimentación adicional. Decidí usar el voltaje USB de 5V disponible en la tarjeta de sonido para suministrar también el circuito del front-end. Para ese propósito, corté la conexión común entre la punta del conector de audio y los contactos del anillo. El anillo que decidí usar para la señal (el cable blanco en la última imagen - puentea también el capacitor de CA), y la punta del jack que decidí usar como terminal de alimentación - para ese propósito lo conecté con el USB 5V línea (el cable rojo). Con eso se completó la modificación de la tarjeta de audio. Lo cerré de nuevo.

Paso 2: Diseño de frontend

Mi decisión fue tener 3 modos de trabajo para el osciloscopio:

• corriente continua
• C. A.
• suelo

Tener el modo de CA requiere que el voltaje de entrada / modo común del amplificador de entrada se extienda por debajo del riel de suministro. Eso significa que el amplificador debe tener doble suministro: positivo y negativo.

Quería tener al menos 3 rangos de voltaje de entrada (relaciones de atenuación)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Todas las conmutaciones entre modos y rangos se realizan mediante interruptores deslizantes mecánicos 2P3T.

Para crear el voltaje de suministro negativo para el amplificador, utilicé el chip de bomba de carga 7660. Para estabilizar los voltajes de suministro para el amplificador utilicé el regulador lineal dual TI TPS7A39. El chip tiene un paquete pequeño, pero no es muy difícil soldarlo en la PCB. Como amplificador utilicé el opamp AD822. Su ventaja: entrada CMOS (corrientes de entrada muy pequeñas) y un producto de ancho de banda de ganancia relativamente alta. Si desea tener un ancho de banda aún más amplio, puede usar otro opamp con entrada CMOS. Es bueno tener la función Entrada / Salida de carril a carril; bajo nivel de ruido, alta velocidad de respuesta. El opamp utilizado decidí suministrar dos suministros de + 3.8V / -3.8V. Las resistencias de retroalimentación calculadas según la hoja de datos de TPS7A39, que dan estos voltajes son:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Si desea utilizar esta interfaz con Arduino, es posible que desee alcanzar un voltaje de salida de 5V. En este caso, debe aplicar un voltaje de suministro de entrada> 6 V y configurar los voltajes de salida del regulador dual en + 5 / -5V.

El AD822 es un amplificador dual; el primero de ellos se utilizó como búfer para definir el voltaje de modo común del segundo amplificador utilizado en la configuración sumatoria no inversora.

Para el ajuste del voltaje de modo común y la ganancia del amplificador de entrada utilicé tales potenciómetros.

Aquí puede descargar una configuración de simulación LTSPICE, en la que puede intentar configurar su propia configuración de amplificador.

Se puede ver que la PCB tiene un segundo conector BNC. Esta es la salida de la tarjeta de sonido - ambos canales están en cortocircuito a través de dos resistencias - su valor puede estar en el rango de 30 Ohm - 10 K. De esta manera este conector puede usarse como generador de señal. En mi diseño, no usé un conector BNC como salida; simplemente soldé un cable allí y usé dos conectores banana en su lugar. El rojo - salida activa, el negro - tierra de señal.

Paso 3: PCB y soldadura

El PCB fue producido por JLCPCB.

Después de eso comencé a soldar los dispositivos: Primero la parte de suministro.

La PCB admite dos tipos de conectores BNC: puede elegir cuál usar.

Los condensadores de recorte los compré en Aliexpress.

Los archivos gerber están disponibles para descargar aquí.

Paso 4: boxeo

Decidí poner todo esto en una pequeña caja de plástico. Tenía uno disponible en la tienda local. Para hacer que el dispositivo sea más inmune a las señales de radio externas, utilicé una cinta de cobre, que coloqué en las paredes internas de la carcasa. Como interfaz para la tarjeta de audio utilicé dos conectores de audio. Los arreglé fuerte con pegamento epoxi. La PCB se montó a cierta distancia de la carcasa inferior mediante el uso de espaciadores. Para asegurarme de que el dispositivo se suministre correctamente, agregué un LED en serie con una resistencia de 1K conectada al conector de alimentación del extremo frontal (la punta del conector lateral del micrófono)

Paso 5: el dispositivo está listo

Aquí hay algunas imágenes del dispositivo ensamblado.

Paso 6: prueba

He probado el osciloscopio usando este generador de señales. Puedes ver algunas capturas de pantalla realizadas durante las pruebas.

El principal desafío al utilizar este osciloscopio es ajustar el voltaje de salida del modo común de la interfaz para que sea idéntico al de la tarjeta de audio. Después de eso, el dispositivo funciona muy bien. Si usa este front-end con Arduino, el problema con la alineación de voltaje en modo común no debería existir; se puede colocar libremente en el rango de 0-5 V y ajustar con precisión después de ese valor, que es óptimo para su medición. Cuando se usa con Arduino, sugeriría también otro pequeño cambio: los dos diodos de protección antiparalelo en la entrada del amplificador se pueden reemplazar con dos diodos Zenner de 4.7V conectados en serie, pero en direcciones opuestas. De esta manera, el voltaje de entrada se fijará a ~ 5.3V protegiendo las entradas opamp de sobretensiones.