Jste zde

Protáhněte časovou osu aneb ze zvukovky vysokorychlostním osciloskopem (2. díl)

Doug Mercer , 11. Listopad 2011 - 0:00

Mnohdy omezovanou šířku pásma audio signálu u zvukových karet se při výrobě našeho vysokorychlostního osciloskopu z PC pokusíme elegantně obejít předřazením jednoduchých obvodů. Tak tedy vzhůru na vyšší kmitočty!

 

Příklady řešení aktivních filtrů

Na obr. 7 a obr. 8 vidíme návrhy aktivní filtrace, které se budou dobře vyjímat na pozicích jednoduchého pasivního RC filtru. První z obrázků zachycuje síť typu Sallen-Key druhého řádu s mezním kmitočtem okolo 39 kHz, přičemž využívá běžných velikostí rezistorů a kapacit. Jako dobrá volba se zde jeví dvojité operační zesilovače AD8042 a AD822, určené pro malá napájecí napětí a velké rozkmity. Ve svém pásmu propustnosti filtr vykazuje zesílení +1.
 
Obr. 7: Dolonopropustný filtr typu Sallen-Key (39 kHz)
 
Na obr. 8 zase vidíme jiné řešení filtru druhého řádu – MFB (multiple-feedback) s mezním kmitočtem okolo 33 kHz, přičemž se i zde využívá standardních velikostí rezistorů a kapacit. Filtr vykazuje ve svém propustném pásmu zisk -1, takže bude – li nasazen a chcete – li zobrazovat korektně, zvolte v příslušném softwaru osciloskopu možnost Invert.
 
Obr. 8: Dolonopropustný filtr typu MFB (33 kHz)
 

A co napájení?

Obvod AD783 a také zesilovač, použitý v rekonstrukčním filtru, si žádají duální napájení. Takový požadavek lze řešit šesticí baterií typu AA, kde tři generují +4,5 V a zbylé tři pak -4,5 V. Další možnost spočívá v jediné 9 V baterii s odporovým děličem, zajišťujícím střed na pozici země; budeme zde však pravděpodobně oddělovat s využitím dalšího operačního zesilovače pro zajištění jakýchkoli zemních proudů, vyžadovaných v zapojení. Nevylučujeme ani variantu s nastavitelným stabilizátorem, vyrábějícím napětí přibližně 4,5 V, vztažené k zápornému vývodu baterie pro použití jako zemní reference.
 
Ještě další volba pak padá na zdroj +5 V z volného USB portu počítače či laptopu. Potřebných -5 V si pak vyrobíme napěťovým DC/DC invertorem, např. obvodem ADM8829 od Analog Devices v pouzdru pro povrchovou montáž nebo s využitím ICL7660 od Intersilu v pouzdrech typu DIP. Musíme však věnovat zvláštní péči tomu, abychom zabránili interferencím ve spojení s obecně zarušeným spínaným zdrojem.
 

Vstupní děliče

SHA AD783 nabízí využitelnou šířku pásma pro velké signály až do několika MHz. Šířka pásma malých signálů pro pokles o 3 dB a rozkmity do 500 mVp-p je téměř 50 MHz. Zapojíme – li tedy před vzorkovací obvod odporový dělič s poměrem 10:1, abychom tak omezili maximální rozkmit signálu, dost dobře se s využitelnou šířkou pásma dostaneme až za hranici 20 MHz. Docela levné osciloskopické sondy dostaneme u společností jako např. Syscomp Electronic Design, Ltd. [2] – viz obr. 9.
 
  • Osciloskopické sondy (P6040) se šířkou pásma 40 MHz a možností přepnutí 1× / 10×, s cenou $29.99 za pár (Syscomp Electronic Design)
 
Obr. 9: Osciloskopické sondy P6040 (1× / 10×)
 
  • HobbyLab [3] prodává sondy 20 MHz, 10:1 (GT-P6020) za $19.50 za pár
  • Gabotronics.com [4] prodává obě běžné sondy, 100 MHz P2100 a 60 MHz P2060, každou za přibližně $10.00
 
 
Zapojíme – li před vzorkovací obvod odporový dělič s poměrem 10:1, abychom tak omezili maximální rozkmit signálu, dost dobře se s využitelnou šířkou pásma dostaneme až za hranici 20 MHz
 
 

Sondy v akci

Sondy P2100 (100 MHz, 10×), použité při sejmutí průběhů Soundcard [5] na obr. 10, 11 a 12, dokáží kompenzovat vstupní kapacitu v rozsahu od 10 pF až do 35 pF. Zdá se že v případě, budou – li délky vodičů na desce plošného spoje v počítači udržovány na nejkratší možné úrovni, dostáváme pro zamýšlené účely dostačující rozsah pro nastavení. Se sondou 10× bude vstup vykazovat 10 MΩ a 18 pF a může tak podpořit vstupní napětí až do ±30 V.
 
Abychom demonstrovali vstupní část sample-and-hold obvodu AD783, přizpůsobili jsme (kompenzovali) nejprve sondu s využitím obdélníkového průběhu (1 kHz, flat-top). Zachycené průběhy demonstrují odezvu pro různé signály o kmitočtu 1 MHz a 50 MHz. Dva náhledy na obr. 10 ukazují jeden kanál s obdélníkovým průběhem 1 MHz, 5 Vp-p (vlevo) a obdélníkovým průběhem 50 MHz, 5 Vp-p (vpravo). Pro každou situaci byl vzorkovací takt přizpůsoben s ohledem na kmitočet signálu přibližně 500 Hz (downsampling), jen abychom tak eliminovali jakékoli odlišnosti v odezvě zvukové karty. Efektivní časové měřítko tak bude vlevo činit 500 ns / dílek a vpravo pak 10 ns / dílek. Vstupní zisk byl ve spojení se zvukovou kartou nastaven tak, aby software osciloskopu hlásil amplitudu 1,072 Vp-p pro vstup 1 MHz a amplitudu 762,2 mVp-p pro vstup 50 MHz. Poměr 0,7622 / 1,072 odpovídá poklesu o –3 dB. Toto měření ukázalo, že spojení 100 MHz sondy (10×) a obvodu AD783 bude znamenat šířku pásma 50 MHz pro pokles o 3 dB.
 
Obr. 10: Jeden kanál, sonda 10×, vstupní obdélníkový signál 5 Vp-p, 1 MHz (vlevo) a 50 MHz (vpravo)
 
Na obr. 11 pak byly stejné signály 1 MHz (vlevo) a 50 MHz (vpravo) přivedeny na oba kanály. Na základě těchto dvou překryvných záznamů obou kanálů lze vysledovat dobrou souhru mezi kanály v otázce zesílení, offsetu a také zpoždění.
 
Obr. 11: Dva kanály, dvě stopy a jejich shoda, sondy 10×, vstupní obdélníkové průběhy 5 Vp-p, 1 MHz (vlevo) a 50 MHz (vpravo)
 
Výsledný průběh na obr. 12 reprezentuje obdélníkový signál 375 kHz, 5 Vp-p (červeně) a puls 5 Vp-p, 1,5 MHz, široký 42 ns (zeleně). Horizontální měřítko činí 333 ns / dílek. Vzorkovací obvod AD783 udržuje plný rozkmit 5 V a to i v případě těchto úzkých, 42 ns pulsů.
 
Obr. 12: Dvě stopy, dva kanály, sondy 10×, obdélníkový průběh 375 kHz, 5 Vp-p a puls 1,5 MHz, 42 ns, 5 Vp-p
 

Download a odkazy:

Použitá literatura:


 

Hodnocení článku: