Αναλογικό μπροστινό άκρο για παλμογράφο: 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Στο σπίτι έχω μερικές φθηνές κάρτες ήχου USB, οι οποίες μπορούν να αγοραστούν σε Banggood, Aliexpress, Ebay ή σε άλλα παγκόσμια διαδικτυακά καταστήματα για μερικά δολάρια. Αναρωτιόμουν για ποιο ενδιαφέρον μπορώ να τα χρησιμοποιήσω και αποφάσισα να προσπαθήσω να κάνω ένα πεδίο υπολογιστών χαμηλής συχνότητας με ένα από αυτά. Στο Διαδίκτυο βρήκα ένα ωραίο λογισμικό, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως παλμογράφος USB και γεννήτρια σήματος. Έκανα έναν αντίστροφο σχεδιασμό της κάρτας (που περιγράφεται στο πρώτο βήμα) και αποφάσισα ότι εάν θέλω να έχω πλήρως λειτουργικό εύρος - πρέπει επίσης να σχεδιάσω ένα Αναλογικό μπροστινό μέρος, το οποίο απαιτείται για τη σωστή κλιμάκωση τάσης και μετατόπιση του Το σήμα εισόδου εφαρμόζεται στην είσοδο μικροφώνου της κάρτας ήχου, επειδή οι είσοδοι του μικροφώνου αναμένουν μέγιστες τάσεις εισόδου της τάξης των λίγων δεκαετιών των χιλιοστών βολτ. Iθελα επίσης να κάνω το αναλογικό frontend καθολικό - για να μπορώ να το χρησιμοποιώ με Arduinos, STM32 ή άλλους μικροελεγκτές - με ζώνη σήματος εισόδου πολύ ευρύτερη από τη ζώνη εισόδου μιας κάρτας ήχου. Οδηγίες βήμα προς βήμα για το πώς να σχεδιάσετε ένα τέτοιο αναλογικό πεδίο παρουσιάζεται σε αυτήν την εργασία.

Βήμα 1: Σχεδιασμός και Nodifications αναστροφής κάρτας ήχου USB

Η κάρτα USB ανοίγει πολύ εύκολα - η θήκη δεν είναι κολλημένη, τοποθετείται μόνο εν μέρει. Το PCB είναι διπλής όψης. Οι υποδοχές ήχου και τα κουμπιά ελέγχου βρίσκονται στην επάνω πλευρά, το τσιπ αποκωδικοποιητή C-media, που καλύπτεται από ένωση είναι στην κάτω πλευρά. Το μικρόφωνο είναι συνδεδεμένο σε μονοφωνική λειτουργία - τα δύο κανάλια συντομεύονται μαζί στο PCB. Στην είσοδο του μικροφώνου χρησιμοποιείται πυκνωτής σύνδεσης AC (C7). Επιπλέον, μια αντίσταση 3Κ (R2) χρησιμοποιείται για την πόλωση του εξωτερικού μικροφώνου. έχω αφαιρέσει αυτήν την αντίσταση αφήνοντας τη θέση της ανοιχτή. Η έξοδος ήχου είναι επίσης συνδεδεμένη με AC και για τα δύο κανάλια.

Η ύπαρξη ζεύξης εναλλασσόμενου ρεύματος στη διαδρομή σήματος αποτρέπει την παρατήρηση σημάτων DC και χαμηλών συχνοτήτων. Για το λόγο αυτό αποφασίζω να το αφαιρέσω (σύντομο). Αυτή η απόφαση έχει επίσης μειονεκτήματα. Μετά τον πυκνωτή ορίζεται κάποιο σημείο λειτουργίας DC για τον ήχο ADC και εάν το αναλογικό μπροστινό μέρος έχει διαφορετική έξοδο DC OP, λόγω του μικρού εύρους σήματος εισόδου, το ADC μπορεί να κορεστεί. Αυτό σημαίνει - το DC OP του κυκλώματος front -end πρέπει να ευθυγραμμιστεί με αυτό του σταδίου εισόδου ADC. Το επίπεδο τάσης εξόδου DC πρέπει να είναι ρυθμιζόμενο για να είναι ίσο με αυτό του σταδίου εισόδου ADC. Ο τρόπος εφαρμογής αυτής της προσαρμογής θα συζητηθεί στα επόμενα βήματα. Έχω μετρήσει περίπου 1,9V DC τάση στην είσοδο του ADC.

Μια άλλη απαίτηση, την οποία καθόρισα για το αναλογικό μπροστινό μέρος, ήταν να μην απαιτείται πρόσθετη πηγή ενέργειας. Αποφάσισα να χρησιμοποιήσω το διαθέσιμο στην κάρτα ήχου 5V τάση USB για να τροφοδοτήσω επίσης το κύκλωμα του μπροστινού άκρου. Για το σκοπό αυτό, έκοψα την κοινή σύνδεση μεταξύ του άκρου της υποδοχής ήχου και των επαφών κουδουνίσματος. Το δαχτυλίδι που αποφάσισα να χρησιμοποιήσω για το σήμα (το λευκό σύρμα στην τελευταία εικόνα - γεφυρώνει επίσης τον πυκνωτή εναλλασσόμενου ρεύματος) και το άκρο του γρύλου αποφάσισα να το χρησιμοποιήσω ως τερματικό τροφοδοσίας - για το σκοπό αυτό το συνέδεσα με το USB 5V γραμμή (το κόκκινο σύρμα). Με αυτό ολοκληρώθηκε η τροποποίηση της κάρτας ήχου. Το έκλεισα ξανά.

Βήμα 2: Σχεδιασμός Frontend

Η απόφασή μου ήταν να έχω 3 τρόπους εργασίας για τον παλμογράφο:

• DC
• ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝ
• έδαφος

Η λειτουργία AC απαιτεί η τάση εισόδου / κοινής λειτουργίας του ενισχυτή εισόδου να εκτείνεται κάτω από τη ράγα τροφοδοσίας. Αυτό σημαίνει - ο ενισχυτής πρέπει να έχει διπλή παροχή - θετικό και αρνητικό.

Wantedθελα να έχω τουλάχιστον 3 εύρη τάσης εισόδου (αναλογίες εξασθένησης)

• 100:1
• 10:1
• 1:1

Όλες οι εναλλαγές μεταξύ λειτουργιών και εύρους είναι προσχηματισμένες με μηχανικούς διακόπτες slide 2P3T.

Για να δημιουργήσω την αρνητική τάση τροφοδοσίας για τον ενισχυτή, χρησιμοποίησα τσιπ αντλίας φόρτισης 7660. Για να σταθεροποιήσω τις τάσεις τροφοδοσίας για τον ενισχυτή, χρησιμοποίησα τον διπλό γραμμικό ρυθμιστή TI TPS7A39. Το τσιπ έχει μικρή συσκευασία, αλλά δεν είναι πολύ δύσκολο να το κολλήσετε στο PCB. Ως ενισχυτής χρησιμοποίησα το AD822 opamp. Το πλεονέκτημά του - είσοδος CMOS (πολύ μικρά ρεύματα εισόδου) και σχετικά υψηλό προϊόν εύρους ζώνης κέρδους. Εάν θέλετε να έχετε ακόμα μεγαλύτερο εύρος ζώνης, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα άλλο opamp με είσοδο CMOS. Είναι ωραίο να υπάρχει δυνατότητα εισόδου/εξόδου Rail to Rail. χαμηλό θόρυβο, υψηλό ρυθμό ανατροπής. Το opamp που χρησιμοποίησα αποφάσισα να τροφοδοτήσω με δύο τροφοδοσίες +3.8V / -3.8V. Οι αντιστάσεις ανάδρασης υπολογίζονται σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων του TPS7A39, το οποίο δίνει αυτές τις τάσεις είναι:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

Εάν θέλετε να χρησιμοποιήσετε αυτό το frontend με το Arduino, μπορεί να θέλετε να φτάσετε την τάση εξόδου 5V. Σε αυτή την περίπτωση πρέπει να εφαρμόσετε τάση τροφοδοσίας εισόδου> 6V και να ρυθμίσετε τις τάσεις εξόδου του διπλού ρυθμιστή να είναι +5/-5V.

Ο AD822 είναι διπλός ενισχυτής - ο πρώτος από αυτούς χρησιμοποιήθηκε ως buffer για τον καθορισμό της τάσης κοινής λειτουργίας του δεύτερου ενισχυτή που χρησιμοποιήθηκε για την αθροιστική μη αναστρέψιμη διαμόρφωση.

Για τη ρύθμιση της τάσης κοινής λειτουργίας και το κέρδος του ενισχυτή εισόδου χρησιμοποίησα τέτοια ποτενσιόμετρα.

Εδώ μπορείτε να κατεβάσετε μια εγκατάσταση προσομοίωσης LTSPICE, στην οποία μπορείτε να προσπαθήσετε να ρυθμίσετε τη δική σας διαμόρφωση ενισχυτή.

Μπορεί να φανεί ότι το PCB διαθέτει δεύτερη υποδοχή BNC. Αυτή είναι η έξοδος της κάρτας ήχου - και τα δύο κανάλια βραχυκυκλώνονται μεταξύ τους μέσω δύο αντιστάσεων - η τιμή τους μπορεί να είναι στην περιοχή 30 Ohm - 10 K. Με αυτόν τον τρόπο αυτός ο σύνδεσμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια σήματος. Στο σχέδιό μου δεν χρησιμοποίησα τον σύνδεσμο BNC ως έξοδο - απλά κόλλησα ένα καλώδιο εκεί και χρησιμοποίησα δύο συνδετήρες μπανάνας. Το κόκκινο - ενεργή έξοδος, το μαύρο - γείωση σήματος.

Βήμα 3: PCB και συγκόλληση

Το PCB παρήχθη από την JLCPCB.

Μετά από αυτό άρχισα να κολλάω τις συσκευές: Πρώτα το μέρος τροφοδοσίας.

Το PCB υποστηρίζει δύο τύπους συνδετήρων BNC - μπορείτε να επιλέξετε ποιους θα χρησιμοποιήσετε.

Οι πυκνωτές κοπής που αγόρασα από το Aliexpress.

Τα αρχεία gerber είναι διαθέσιμα για λήψη εδώ.

Βήμα 4: Πυγμαχία

Αποφάσισα να τα βάλω όλα αυτά σε ένα μικρό πλαστικό κουτί. Είχα ένα διαθέσιμο από το τοπικό κατάστημα. Για να κάνω τη συσκευή πιο ανοσοποιημένη στα εξωτερικά ραδιοσήματα, χρησιμοποίησα μια χάλκινη ταινία, την οποία στερέωσα στους εσωτερικούς τοίχους της θήκης. Ως διεπαφή στην κάρτα ήχου χρησιμοποίησα δύο υποδοχές ήχου. Τα στερέωσα δυνατά με εποξειδική κόλλα. Το PCB τοποθετήθηκε σε κάποια απόσταση από την κάτω θήκη με τη χρήση αποστάτων. Για να βεβαιωθείτε ότι η συσκευή παρέχεται σωστά, πρόσθεσα μια σειρά LED με αντίσταση 1Κ συνδεδεμένη στην υποδοχή τροφοδοσίας στο μπροστινό μέρος (η άκρη της πλαϊνής υποδοχής μικροφώνου)

Βήμα 5: Η συσκευή είναι έτοιμη

Ακολουθούν μερικές φωτογραφίες της συναρμολογημένης συσκευής.

Βήμα 6: Δοκιμή

Έχω δοκιμάσει τον παλμογράφο χρησιμοποιώντας αυτήν τη γεννήτρια σήματος. Μπορείτε να δείτε μερικά στιγμιότυπα οθόνης που έγιναν κατά τη διάρκεια των δοκιμών.

Η κύρια πρόκληση με τη χρήση αυτού του πεδίου είναι να προσαρμόσετε την τάση εξόδου της κοινής κατάστασης προσώπου να είναι πανομοιότυπη με αυτήν της κάρτας ήχου. Μετά από αυτό, η συσκευή λειτουργεί πολύ ομαλά. Εάν χρησιμοποιείτε αυτό το front-end με το Arduino, το πρόβλημα με την ευθυγράμμιση της τάσης κοινής λειτουργίας δεν θα πρέπει να υπάρχει-μπορεί να τοποθετηθεί ελεύθερα στην περιοχή 0-5V και να ρυθμιστεί με ακρίβεια μετά από αυτό στην τιμή, η οποία είναι η βέλτιστη για τη μέτρησή σας. Κατά τη χρήση με το Arduino θα πρότεινα επίσης μια άλλη μικρή αλλαγή - οι δύο δίοδοι παράλληλης προστασίας στην είσοδο του ενισχυτή μπορούν να αναβοσβήνουν με δύο διόδους Zenner 4,7V συνδεδεμένες σε σειρά, αλλά σε αντίθετες κατευθύνσεις. Με αυτόν τον τρόπο η τάση εισόδου θα συσφίγγεται στα 3 5,3V προστατεύοντας τις εισόδους opamp των υπερτάσεων.