ऑसिलोस्कोप के लिए एनालॉग फ्रंट एंड: 6 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:18

घर पर मेरे पास कुछ सस्ते यूएसबी साउंड कार्ड हैं, जिन्हें बैंगगूड, अलीएक्सप्रेस, ईबे या अन्य वैश्विक ऑनलाइन दुकानों में कुछ रुपये में खरीदा जा सकता है। मैं सोच रहा था कि मैं उनके लिए क्या दिलचस्प उपयोग कर सकता हूं और उनमें से एक के साथ कम आवृत्ति पीसी स्कोप बनाने का प्रयास करने का फैसला किया। इंटरनेट में मुझे एक अच्छा सॉफ्टवेयर मिला है, जिसे यूएसबी ऑसिलोस्कोप और सिग्नल जनरेटर के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। मैंने कार्ड का कुछ उल्टा डिज़ाइन किया (पहले चरण में वर्णित) और तय किया कि अगर मुझे पूरी तरह से काम करने का दायरा चाहिए - तो मुझे एक एनालॉग फ्रंट-एंड डिज़ाइन करने की भी आवश्यकता है, जो उचित वोल्टेज स्केलिंग और शिफ्टिंग के लिए आवश्यक है। इनपुट सिग्नल ऑडियो कार्ड के माइक्रोफ़ोन इनपुट पर लागू होता है, क्योंकि माइक्रोफ़ोन इनपुट कुछ दशकों के मिलीवोल्ट के क्रम में अधिकतम इनपुट वोल्टेज की अपेक्षा करता है। मैं एनालॉग फ्रंटएंड को सार्वभौमिक बनाना चाहता था - Arduinos, STM32 या अन्य माइक्रोकंट्रोलर के साथ उपयोग करने में सक्षम होने के लिए - एक ऑडियो कार्ड के इनपुट बैंड की तुलना में इनपुट सिग्नल बैंड बहुत व्यापक होना। इस तरह के एनालॉग स्कोप फ्रंट-एंड को कैसे डिज़ाइन किया जाए, इस काम में चरण-दर-चरण निर्देश प्रस्तुत किए गए हैं।

चरण 1: यूएसबी ऑडियो कार्ड डिजाइन और अधिसूचनाओं को उलट देता है

यूएसबी कार्ड खोलना बहुत आसान है - मामला चिपका नहीं है, केवल भाग में डाला गया हिस्सा है। पीसीबी दो तरफा है। ऑडियो जैक और कंट्रोल बटन ऊपर की तरफ हैं, सी-मीडिया डिकोडर चिप, कंपाउंड द्वारा कवर नीचे की तरफ है। माइक्रोफोन मोनो मोड में जुड़ा होता है - पीसीबी पर दो चैनल एक साथ छोटे होते हैं। माइक्रोफोन इनपुट पर एक एसी कपलिंग कैपेसिटर (C7) का उपयोग किया जाता है। इसके अतिरिक्त बाहरी माइक्रोफोन के बायसिंग के लिए 3K (R2) के रेसिस्टर का उपयोग किया जाता है। मैंने इस रोकनेवाला को उसकी जगह खुली छोड़कर हटा दिया है। ऑडियो आउटपुट भी दोनों चैनलों के लिए एसी कपल है।

सिग्नल पथ पर एक एसी कपलिंग होने से डीसी और कम आवृत्ति संकेतों के अवलोकन को रोकता है। इसी कारण से मैं इसे (संक्षिप्त) हटाने का निर्णय लेता हूं। इस फैसले के नुकसान भी हैं। कैपेसिटर के बाद ऑडियो एडीसी के लिए कुछ डीसी ऑपरेटिंग पॉइंट परिभाषित किया गया है और अगर एनालॉग फ्रंट-एंड में अलग आउटपुट डीसी ओपी है, तो छोटे इनपुट सिग्नल रेंज के कारण, एडीसी संतृप्त हो सकता है। इसका मतलब है - फ्रंट-एंड सर्किटरी के डीसी ओपी को एडीसी इनपुट चरण के साथ संरेखित किया जाना चाहिए। डीसी आउटपुट वोल्टेज स्तर एडीसी इनपुट चरण के बराबर होने में सक्षम होने के लिए समायोज्य होना चाहिए। यह समायोजन कैसे लागू किया जाता है, इसकी चर्चा अगले चरणों में की जाएगी। मैंने ADC के इनपुट पर लगभग 1.9V DC वोल्टेज मापा है।

एक अन्य आवश्यकता, जिसे मैंने एनालॉग फ्रंट-एंड के लिए परिभाषित किया था, अतिरिक्त शक्ति स्रोत की आवश्यकता नहीं थी। मैंने फ्रंट-एंड सर्किट्री की आपूर्ति के लिए साउंड कार्ड 5V USB वोल्टेज में उपलब्ध का उपयोग करने का निर्णय लिया। उस उद्देश्य के लिए मैंने ऑडियो जैक टिप और रिंग कॉन्टैक्ट्स के बीच सामान्य कनेक्शन को काट दिया। जिस रिंग को मैंने सिग्नल के लिए इस्तेमाल करने का फैसला किया (आखिरी तस्वीर पर सफेद तार - पुल एसी कैपेसिटर भी), और जैक की नोक मैंने बिजली आपूर्ति टर्मिनल के रूप में उपयोग करने का फैसला किया - उस उद्देश्य के लिए मैंने इसे यूएसबी 5 वी से जोड़ा रेखा (लाल तार)। इसके साथ ही ऑडियो कार्ड का संशोधन पूरा हो गया था। मैंने इसे फिर से बंद कर दिया।

चरण 2: फ्रंटएंड डिज़ाइन

मेरा निर्णय था कि आस्टसीलस्कप के लिए काम करने के 3 तरीके हों:

• डीसी
• एसी
• ज़मीन

एसी मोड होने के लिए आवश्यक है कि इनपुट एम्पलीफायर का इनपुट / कॉमन मोड वोल्टेज आपूर्ति रेल के नीचे फैला हो। इसका मतलब है - एम्पलीफायर में दोहरी आपूर्ति होनी चाहिए - सकारात्मक और नकारात्मक।

मैं कम से कम 3 इनपुट वोल्टेज रेंज (क्षीणन अनुपात) रखना चाहता था

• 100:1
• 10:1
• 1:1

मोड और रेंज के बीच सभी कम्यूटेशन यांत्रिक स्लाइड 2P3T स्विच से पहले से बने होते हैं।

एम्पलीफायर के लिए नकारात्मक आपूर्ति वोल्टेज बनाने के लिए मैंने 7660 चार्ज पंप चिप का इस्तेमाल किया। एम्पलीफायर के लिए आपूर्ति वोल्टेज को स्थिर करने के लिए मैंने TI दोहरे रैखिक नियामक TPS7A39 का उपयोग किया। चिप का पैकेज छोटा है, लेकिन इसे पीसीबी पर मिलाप करना बहुत मुश्किल नहीं है। एम्पलीफायर के रूप में मैंने AD822 opamp का उपयोग किया। इसका लाभ - CMOS इनपुट (बहुत छोटा इनपुट करंट) और अपेक्षाकृत उच्च गेनबैंडविड्थ उत्पाद। यदि आप और भी व्यापक बैंडविड्थ चाहते हैं, तो आप CMOS इनपुट के साथ किसी अन्य opamp का उपयोग कर सकते हैं। रेल से रेल इनपुट/आउटपुट की सुविधा पाकर अच्छा लगा; कम शोर, उच्च स्लीव दर। ओपैंप का इस्तेमाल मैंने दो +3.8V / -3.8V आपूर्ति के साथ करने का निर्णय लिया। प्रतिक्रिया प्रतिरोधों की गणना TPS7A39 की डेटाशीट के अनुसार की जाती है, जो ये वोल्टेज देते हैं:

R3 22K

R4 10K

R5 10K

R6 33K

यदि आप Arduino के साथ इस फ्रंटएंड का उपयोग करना चाहते हैं, तो आप 5V आउटपुट वोल्टेज तक पहुंचना चाह सकते हैं। इस मामले में आपको इनपुट आपूर्ति वोल्टेज> 6V लागू करना होगा और दोहरे नियामक के आउटपुट वोल्टेज को +5/-5V पर सेट करना होगा।

AD822 दोहरी एम्पलीफायर है - उनमें से पहले गैर-इनवर्टिंग कॉन्फ़िगरेशन को संक्षेप में उपयोग किए जाने वाले दूसरे एम्पलीफायर के सामान्य मोड वोल्टेज को परिभाषित करने के लिए बफर के रूप में उपयोग किया गया था।

सामान्य मोड वोल्टेज के समायोजन और इनपुट एम्पलीफायर के लाभ के लिए मैंने ऐसे पोटेंशियोमीटर का उपयोग किया।

यहां आप एक LTSPICE सिमुलेशन सेटअप डाउनलोड करते हैं, जिसमें आप अपना खुद का एम्पलीफायर कॉन्फ़िगरेशन सेट करने का प्रयास कर सकते हैं।

यह देखा जा सकता है कि पीसीबी में दूसरा बीएनसी कनेक्टर है। यह साउंड कार्ड का आउटपुट है - दोनों चैनलों को दो प्रतिरोधों के माध्यम से एक साथ छोटा किया जाता है - उनका मान 30 ओम - 10 K की सीमा में हो सकता है। इस तरह इस कनेक्टर को सिग्नल जनरेटर के रूप में उपयोग किया जा सकता है। अपने डिजाइन में मैंने आउटपुट के रूप में बीएनसी कनेक्टर का उपयोग नहीं किया - मैंने बस वहां एक तार मिलाया और इसके बजाय दो केले कनेक्टर का इस्तेमाल किया। लाल वाला - सक्रिय आउटपुट, काला वाला - सिग्नल ग्राउंड।

चरण 3: पीसीबी और सोल्डरिंग

पीसीबी का निर्माण JLCPCB द्वारा किया गया था।

उसके बाद मैंने उपकरणों को मिलाप करना शुरू किया: पहले आपूर्ति भाग।

पीसीबी दो प्रकार के बीएनसी कनेक्टर्स का समर्थन करता है - आप चुन सकते हैं कि किसका उपयोग करना है।

ट्रिमिंग कैपेसिटर मैंने Aliexpress से खरीदा था।

जरबर फाइलें यहां डाउनलोड के लिए उपलब्ध हैं।

चरण 4: बॉक्सिंग

मैंने यह सब एक छोटे से प्लास्टिक के डिब्बे में डालने का फैसला किया। मेरे पास स्थानीय दुकान से एक उपलब्ध था। डिवाइस को बाहरी रेडियो संकेतों के प्रति अधिक प्रतिरोधी बनाने के लिए, मैंने एक तांबे के टेप का उपयोग किया, जिसे मैंने आंतरिक केस की दीवारों से जोड़ा। ऑडियो कार्ड के इंटरफेस के रूप में मैंने दो ऑडियो जैक का इस्तेमाल किया। मैंने उन्हें एपॉक्सी गोंद के साथ मजबूत किया। पीसीबी को स्पेसर्स के इस्तेमाल से बॉटम केस से कुछ दूरी पर माउंट किया गया था। यह सुनिश्चित करने के लिए कि डिवाइस की उचित आपूर्ति की गई है, मैंने श्रृंखला में एक एलईडी जोड़ा जिसमें 1K रोकनेवाला फ्रंट-एंड सप्लाई जैक (माइक्रोफ़ोन साइड जैक की नोक) से जुड़ा है।

चरण 5: डिवाइस तैयार है

यहाँ इकट्ठे डिवाइस की कुछ तस्वीरें हैं।

चरण 6: परीक्षण

मैंने इस सिग्नल जनरेटर का उपयोग करके आस्टसीलस्कप का परीक्षण किया है आप परीक्षण के दौरान किए गए कुछ स्क्रीनशॉट देख सकते हैं।

इस दायरे का उपयोग करने वाली मुख्य चुनौती फ्रंटएंड कॉमन मोड आउटपुट वोल्टेज को ऑडियो कार्ड के समान समायोजित करना है। इसके बाद डिवाइस काफी स्मूद काम करता है। यदि Arduino के साथ इस फ्रंट-एंड का उपयोग कर रहे हैं, तो सामान्य मोड वोल्टेज संरेखण के साथ समस्या मौजूद नहीं होनी चाहिए - इसे 0-5V की सीमा में स्वतंत्र रूप से रखा जा सकता है और उसके बाद ठीक से समायोजित किया जा सकता है, जो आपके माप के लिए इष्टतम है। Arduino के साथ उपयोग करते समय मैं एक और छोटे बदलाव का भी सुझाव दूंगा - एम्पलीफायर के इनपुट पर दो समानांतर-विरोधी सुरक्षा डायोड को श्रृंखला में जुड़े दो 4.7V जेनर डायोड के साथ जोड़ा जा सकता है, लेकिन विपरीत दिशाओं में। इस तरह से इनपुट वोल्टेज ~ 5.3V पर क्लैंप किया जाएगा, जो ओवरवॉल्टेज के ओपैंप इनपुट की रक्षा करता है।