Делитель напряжения для звуковой карты

Простая приставка превращает звуковую карту компьютера в высокоскоростной стробоскопический осциллограф. Часть 1 — Общие сведения, схема согласования, тактирования и делителя частоты

Doug Mercer, Analog Devices

Существует множество программ, с помощью которых персональный компьютер со звуковой картой можно превратить в осциллограф, но низкая частота преобразования и высокое разрешение АЦП звуковой карты, а также схемы согласования, оптимизированные для частот не более 20 кГц, ограничивают полосу пропускания. Однако для повторяющихся сигналов полосу пропускания можно значительно расширить с помощью стробоскопической приставки, включаемой перед входом звуковой карты компьютера. Последовательное стробирование мгновенных значений сигнала высокоскоростным усилителем выборки и хранения (УВХ), и последующая фильтрация низких частот для восстановления и сглаживания сигнала эффективно «растягивают» ось времени, позволяя использовать персональный компьютер в качестве высокоскоростного стробоскопического осциллографа. В статье мы рассмотрим схему приставки и щупы, обеспечивающие соответствующую адаптацию.

На Рисунке 1 изображена схема приставки для типовой звуковой карты компьютера. В ней используется по одному высокоскоростному УВХ AD783 на каждый канал осциллографа. Стробирующий сигнал для УВХ поступает с цифрового выхода делителя схемы тактирования, которую мы рассмотрим ниже. Вход усилителя AD783 буферизирован полевым транзистором, что позволяет легко организовать как отрытый, так и закрытый вход осциллографа. В двух каналах, показанных на схеме, резисторы R1 и R3 номиналом 1 МОм задают постоянное смещение для режима закрытого входа, когда джамперы, шунтирующие входные конденсаторы С1 и С3, разомкнуты. На выходах каждого УВХ показаны активные RC фильтры низких частот. В принципе, необходимости именно в активных фильтрах в данной схеме нет, но усилители выполняют здесь роль низкоимпедансных буферов для передачи сигналов в звуковую карту.

Рисунок 1.	2-канальная схема выборки аналоговых сигналов.

Полоса пропускания УВХ AD783 для большого сигнала составляет несколько мегагерц. Эффективная скорость нарастания входного напряжения порядка 100 В/мкс, размах входного/выходного сигнала при питании ±5 В не менее ±3 В. Малосигнальная полоса пропускания по уровню 3 дБ и размахе сигнала не превышающем 500 мВ примерно равна 50 МГц.

На Рисунке 2 представлена осциллограмма, иллюстрирующая совместную работу приставки со звуковой картой персонального компьютера под управлением программы Visual Analyser [1]. На вход приставки подается синусоидальный сигнал 2 МГц, модулированный однополярными синусоидальными импульсами с частотой повторения 1 МГц. Схема стробируется импульсами длиной 250 нс с частотой 80.321 кГц. Эффективная скорость горизонтальной развертки равна 333 нс/дел. Звуковая карта в этом примере использует кодек SoundMax с частотой дискретизации 96000 выборок в секунду, а эффективная частота дискретизации составляет 40 млн. выборок в секунду.

Рисунок 2.	Синусоидальный сигнал 2 МГц, модулированный однополярными синусоидальными импульсами с частотой повторения 1 МГц.

Рисунок 3 демонстрирует синусоидальный сигнал 4 МГц, модулированный колоколообразными импульсами с частотой повторения 1 МГц. Параметры стробирования те же, что на Рисунке 2.

Рисунок 3.	Синусоидальный сигнал 4 МГц, модулированный колоколообразными импульсами с частотой повторения 1 МГц.

Пример генератора строба выборки

УВХ AD783 требует узких стробирующих импульсов шириной 150 … 250 нс. Причем, импульсы должны быть очень стабильными, с малым джиттером, чтобы отображаемая на экране осциллограмма была устойчива и не «прыгала» вперед и назад. Это требование накладывает определенные ограничения на выбор кварцевого генератора. Другое требование заключается в том, что частота дискретизации должна быть регулируемой или подстраиваемой, и захватывать диапазон от частот, чуть меньших 100 кГц, до значений порядка 500 кГц. Шаг настройки частоты дискретизации должен быть достаточно мелким, чтобы преобразованные сигналы попадали в полосу пропускания звуковой карты 20 Гц … 20 кГц. С помощью изображенной на Рисунке 4 схемы и кварцевого генератора частоты 10 … 20 МГц (IC4) можно получить не менее 200 промежуточных значений в диапазоне 80 … 350 кГц при шаге от 300 Гц до 5 кГц.

Рисунок 4.	Схема синхрогенератора, делителя частоты и формирователя строба выборки.

В этом примере используются две микросхемы двоичных 4-разрядных реверсивных счетчиков 74HC191, с помощью которых можно получить целочисленный коэффициент деления N от 4 до 256. В качестве альтернативы можно взять декадные счетчики с аналогичным расположением выводов, такие как 74HC190, но диапазон коэффициентов деления тогда сократится до 4 … 100. Коэффициент деления задается двумя шестнадцатеричными переключателями S1 и S2. Переключатель S3 предназначен для выбора направления счета – вверх или вниз. Резистор R1 (250 Ом) и конденсатор C1 (68 пФ) задают небольшую задержку, гарантирующую надежную асинхронную загрузку в счетчики начальных значений импульсами переноса старшего каскада делителя (IC1). С помощью образующих ждущий мультивибратор четырех вентилей 2И-НЕ микросхемы 74ALS00 формируются стробирующие импульсы, ширина которых при R12 = 2.7 кОм и С2 = 68 пФ равна 200 нс.

IC4 – это кварцевый генератор с фиксированной частотой настройки в 14-выводном герметичном металлическом корпусе. Генератор может быть сделан и из дискретных компонентов. Один из вариантов с кварцевым резонатором X1 и КМОП инверторами 74HC04 показан на Рисунке 5. Такое решение, безусловно, требует большего количества компонентов, но зато, позволяет подстраивать генератор, затягивая частоту регулировкой конденсатора C1.

Рисунок 5.	Дискретный кварцевый генератор с механической подстройкой.

Если изменить схему генератора так, как показано на Рисунке 6, добавив варикап D1 – специальный диод, емкость которого зависит от приложенного напряжения смещения, – появится возможность производить настройку не механическим, а электронным способом.

Рисунок 6.	Дискретный кварцевый генератор, подстраиваемый напряжением.

Часть 2 — Восстанавливающие фильтры, варианты питания схемы согласования и входные аттенюаторы

Источник

Радиолюбитель

Последние комментарии

Радиодетали – почтой

Подключение устройств и вывод сигналов со звуковой карты

Подключение устройств и вывод сигналов со звуковой карты

Подключение радиолюбительских устройств к разъемам компьютера при использовании виртуального осциллографа, генератора, анализатора спектра

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ Радиолюбитель “

На сайте было рассмотрено несколько радиолюбительских программ для персональных компьютеров имитирующих работу низкочастотных осциллографа, генератора и анализатора спектра – “ Digital Oscilloscope “, “ SoundCard Oszilloscope “.

Сегодня мы рассмотрим вопрос подключения проверяемых устройств к виртуальным осциллографу и анализатору спектра, а также вывод сигнала генератора.
В каждом компьютере есть как минимум два выхода со звуковой карты – выход на наушники и выход (точнее вход) для подключения внешнего микрофона. Обычно они обозначаются символами: “выход” – наушники (Speaker), “вход” – микрофон (Mic). Бывают еще одна разновидность разъемов звуковой карты – так называемые “линейные” – выход для подключения звуковой карты к внешнему усилителю, он обозначается надписью “line Out“, и вход для подключения сигнала с внешнего устройства, он обозначается надписью “line In“. Все эти выходы-входы в основном рассчитаны для подключения стандартного 3,5 мм сетерео разъема (как в обыкновенных стереонаушниках).

Для подключения радиолюбительских устройств для проверки (настройки) к звуковой карте и для вывода сигнала генератора нам потребуется два 3,5 мм разъема, которые можно взять от не нужных стерео наушников. Аккуратно отрезаем провода от разъемов и разбираем их (очищаем от слоя изоляции). В результате вы получите следующее:

Теперь аккуратно припаиваем провода как на рисунке (если вы будете использовать два канала осциллографа или два канала генератора, то тогда нужно припаять еще по одному проводу).
Подключать исследуемые сигналы можно на разъемы “Mic” и “line In“, а сигнал генератора можно получать на разъемах “Speaker” и ” line Out “.
При этом вы должны учитывать (для того, чтобы не сжечь звуковую карту) электрические характеристики этих разъемов:
♦ Входные разъемы:
– “Mic” – допускает входящее звуковое напряжение в пределах 500 милливольт (0,5 вольт);
– “line In” – допускает входящее звуковое напряжение в пределах до 2 вольт.
Здесь даны средние электрические характеристики разъемов, а конкретные – зависят от вашей звуковой карты. Уровень входящего сигнала вы можете регулировать на панели операционной системы или на панели звуковой карты.
Если вы уверены, что не допустите превышения максимальных значений входного сигнала, тогда подсоединить устройство можно таким способом:

Думаю, что здесь все понятно. На всякий случай, перед подключением устройства, ставьте регуляторы входного сигнала на минимум, а затем уже повышайте уровень до разумных пределов (В принципе, звуковая карта компьютера, спокойно переживает и подачу на нее сигнала с уровнем до 3 вольт).

Если вы не уверены в своих силах и боитесь сжечь звуковую карту (а бояться естественно надо), то подключить источник исследуемого сигнала можно по такой схеме:

Эта схема подключения позволяет исследовать сигналы с амплитудой до 50 вольт. Такая схема включения диодов (можно применить отечественные КД522) ограничивает максимальное напряжение на входе звуковой карты в пределах чуть более 1 вольта (а конкретно, считаем так – 1 диод – 0,65 вольта, два диода, как в нашем случае – 1,3 вольта, а если подключить по 3 диода, то ограничение составит – 1,95 вольт).

Также можно, усовершенствовав эту схему, включить дополнительный делитель напряжения:

Включение делителя напряжения позволит уменьшить уровень входного сигнала в сотню раз.

Вывести сигнал генератора со звуковой карты можно по такой схеме:

В этой схеме номинал сопротивлений зависит от того, какой разъем мы будем использовать.

Источник

Делитель напряжения

Делитель напряжения, что это такое, для чего он нужен — рассмотрим этот вопрос. Но прежде поясню, почему такая странная тема. От вас часто приходят вопросы, которые изначально некорректны из-за не понимая самого процесса работы аудиоустройства. Я не являются специалистом в данной области и если вы видите неточности или неверные интерпретации — пожалуйста смело поправляйте в комментариях.

Многие слышали, что такое в аудио класс А, и насколько это хорошо или не очень, или класс B, что такое искажение типа «ступенька», зона отсечки, зона насыщения и прочие моменты, но если чуть копнуть глубже для ощущения, что оппонент действительно понимает о чем говорит, тут многие и начинают плавать.

Усилитель Pioneer A-09 в классе А

Я, честно, хотел поговорить о более интересной теме, согласовании входного и выходного напряжений усилителя, что это такое, для чего нужно и как вообще работает. Но это планомерно подводило к тому, что тогда придется рассказать и о том, как вообще работает усилитель. А это в свою очередь привело бы к необходимости, до кучи, еще и объяснить неотъемлемую часть любой такой схемы — делитель напряжения. Поэтому я решил, что стоит объяснение начать именно с делителя, а потом дойдем и до всего остального.

Если рассмотреть схему любого усилителя, конкретно одного каскада, то вы узнаете, что для работы транзистора типа NPN нужно подать плюсовое напряжение на коллектор (что-то типа слива), а минусовое на эмиттер (дно). И у вас ничего не заработает, потому что пока вы не подадите на базу напряжение не менее 0,6v транзистор будет всегда закрыт. Т.е. база — это краник перекрывающий весь поток. Приложите вы к нему напряжение в 0,6 вольта — краник (база) откроется и ток потечет дальше, не приложите, краник будет закрыт, потока электронов не будет, транзистор работать не будет.

Вы конечно можете всегда подать на базу аналоговый сигнал (он же является напряжением), но транзистор будет открываться (работать), только когда напряжение сигнала будет равно или превышать 0,6 вольта, а что ниже — молчок.

Но на самом деле мы будем видеть только плюсовую полуволну, ибо минусовая будет всегда приходиться на зону напряжения менее 0,6 вольта при которой транзистор всегда будет закрыт. Поэтому эту зону всегда сдвигают вверх по напряжению, чтобы весь сигнал уместился в границах открытого транзистора.

Поясню. Допустим звуковой сигнал у нас имеет размах от -1 вольт до + 1 вольт, т.е. в сумме это 2 вольта.

Транзистор, пока у нас напряжение меньше 0,6 вольт вообще всегда закрыт (не работает), следовательно, нам нужно принципиально подать 0,6 вольт по умолчанию на него, чтобы он открылся. Но так уместится только положительная полуволна. Следовательно, так как отрицательная полуволна у нас начиналась от -1 вольта, то к 0,6 вольта мы добавим еще 1 вольт. Получиться, что на транзистор нам нужно подать 0,6+1=1,6 вольта напряжения. Тогда весь звуковой сигнал совокупного напряжения в 2 вольта будет колыхаться в пределах между 0,6 вольта и 2,6 вольта.

1,6 вольта — это точка смещения транзистора.

Описанная схема имеет смысл при использовании одного транзистора NPN или PNP, этим трюком, смещая точку открытия транзистора мы умещаем весь сигнал в рамках открытого транзистора.

Если же у нас комплементарная пара транзисторов NPN + PNP, то в этом нет необходимости, так как NPN будет усиливать свою полуволну, а PNP — свою полуволну с противоположным знаком напряжения.

Но и тут возникает проблема искажения типа «ступенька», поэтому мы так же начинаем использовать точку смещения, немного приоткрыв транзистор, но уже на 0,6 вольта, чтобы этой самой ступеньки не возникало.

Ключевое слово в описанных схемах — подать одно напряжение на коллектор + эмитер, и подать значительно меньшее напряжение 0,6-1,6 вольта на базу.

Неужели для этого придется использовать два трансформатора?

А теперь пусть гремят фанфары, мы подошли к сути темы.

Чтобы получить разные напряжения от одного источника питания необходим ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ.

Давайте рассмотрим такую схему — у нас есть источник питания постоянного тока 12 вольт и резистор (нагрузка) на 1 кОМ.

Бытовой пример нагрузкой для усилителя являются акустические системы.

Вот так это выглядит на схеме. Источник, резистор и похожая на антенку вверх тормашками «земля».

Что произойдет с напряжением 12 вольт, если оно пройдет, через нагрузку (резистор) в 1 кОм? Напряжение уменьшиться? Ведь сопротивление мешает току. Току мешает, но ток измеряется в амперах, а не вольтах, а мы говорим о напряжении. Ток действительно взаимодействует с сопротивлением, и мы может узнать каково напряжение при определенном сопротивлении и силе тока по закону Ома, например:

но пока такой цели не ставиться.

Мы так же зная напряжение можем узнать и силу тока

Но что же с напряжением в схеме?

Подключим вольтметр в схему и посмотрим изменилось ли напряжение от того, что оно прошло через резистор (нагрузку) в 1 кОм.

Мы видим стрелочками движение тока, но так же видим и то, что вольтметр по прежнему показывает неизменное напряжение 12 вольт, как и было до резистора.

Кстати, легко проверить все значения, что нам показал симулятор everycircuit.

Прежде всего все расчеты ведутся в вольтах, омах, амперах и никак иначе. Поэтому если у вас миллиамперы, или милливольты, сначала переведите их в вольты и амперы для рассчета.

На схеме указано миллиамперы, т.е.

1 Ампер = 1000 миллиампер, следовательно

Но напряжение не изменилось.

Нужно разделить напряжение на два потока. Это можно сделать двумя резисторами.

Используем два резистора одинакового номинала 1 кОм.

Так как два резистора одного номинала, то напряжение разделилось ровно пополам.

Теперь если снять напряжение с боков нижнего резистора, то получим 6 вольт, а с верхнего — тоже 6 вольт.

Но вернемся к нашей задаче, подать на транзистор с одного источника строго 1,6 вольта, при том что источник питания у нас 12 вольт.

Еще один эксперимент, попробуем изменить номинал любого из резисторов, например нижнего в большую сторону. Увеличивая сопротивления резистора мы увеличиваем напряжение, ибо

напряжение пропорционально сопротивлению и обратно пропорционально силе тока.

Если переиначить поставив во главу угла силу тока, то вы получите определение из учебника.

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

Другими словами — увеличив сопротивление резистором, мы уменьшим силу тока (как краник перекрываем немного для потока воды), но на этом отрезке зато увеличиваем напряжение.

Уменьшив значение одного из резисторов (в нашем случае нижнего) до 154 Ом мы получили требуемое напряжение 1,6 вольт — смотрим скриншот.

Не забываем, что резисторы бывают не всех номиналов, поэтому смотрим существующий ряд и берем ближайшее значение.

Но вы сейчас спросите, а как я получил значение в 154 Ом, а я и отвечаю — покрутил ползунком в симуляторе, пока не увидел нужное напряжение, как результат.

Так и было, но это не отменяет существование формул для расчета.

Рассчитывается следующим образом по формуле:

(пусть верхний резистор — это R1, а нижний — R2)

U делителя R1 = U напряжения источника * R2 / (R1+R2)

U делителя R1= 12 вольт * (1000 Ом (это 1 кОм)/(1000+154))= 12 * 1000/1154=10,398=10,4

Соответственно с R2 мы снимем 12-10,398 =1,6 вольта.

Все точно как в аптеке. Но есть еще один нюанс, где порылась собака. Резисторы способны пропускать только определенную силу тока, они при непосильной ноше начинают греться и могут сгореть ибо представляют собой, как вариант, просто накрученные проволочки (не всегда).

Поэтому для делителя напряжение мы должны выбрать не просто резистор какого-то номинала , а еще и с соответствующим значением по току, на 250мА или 1 А и тд.

Считается это следующим образом:

I (сила тока) = U источника / R1

I = 12v/ 1000 Om = 0.012 A или 12 мА.

т.е. достаточно резистора R1 в данном случае с параметрами 1кОм и не менее 12 мА.

Аналогично посчитайте для резистора R2.

Ниже я покажу схему усилителя.

Синим прямоугольником обведен делитель напряжения, который как раз и реализует точку смещения транзистора. Слева мы так же видим конденсатор С1, который отсекает постоянный ток, что приходит от делителя напряжения, от аналогового сигнала, но об этом поговорим в другой раз.

2 Комментарии

Отличная тема для обсуждения чего то по сути, о реальных электрических процессах. Но это никому не интересно. Все ходят обсуждать мифичиские процессы в каких нибудь кабелях, влиянием на звук конденсаторов определённого типа, о том что добавляет звуку пространственности, натуральности и т.д. и т.п. А субьективно поговорить можно хоть сколько угодно

Сайт не коммерческий, поэтому особо никак не пугает отсутствие хайпа в теме и соответственно не влияет на желание продолжать ту или иную тему, пока хочется поговорить и продолжить начатую тему, лишь думаю как проще озвучить ассоциации тех или иных процессов. Например что такое напряжение — за сухими формулировками, когда спрашиваешь человека что такое напряжение и просишь привести аналогии — это всё — отвечающий плывет. Ток елементарно объяснить, а напряжение — внятно и понятно? Если бы я хотел наплыва ради шума, то достаточно разместить любой материал про виниловые вертушки или лампу — начнется ажиотаж. Мне важнее собрать полезную информацию к которой сам могу позже возвращаться.

Оставить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Источник