利用软件和简单电路就能把电脑音效卡变成示波器

举例来说,你有没有使用过Arduino来操控伺服机,而需要精确的脉宽调变来决定顺时针旋转或逆时针旋转的时候?有了示波器,编写程式时,就可以得知目前的脉宽和需要的脉宽还差多少;处理类比信号时,也可以检测目前的频率和目标频率的差距,或者测量需要过滤什么频率。数字电子装置为数众多,信号的时差变得极为重要,因此需要有示波器时时检测。

 

利用软件和简单电路就能把电脑音效卡变成示波器
  基本上,示波器是一种能记录电路上电压的资料撷取装置。电脑上有另一个装置也有这个功能,那就是音效卡,主要差别在于两者所能处理的电压以及测量电压的频率(稍后详细讨论)。因为电脑上的音效卡只能处理较低的电压(约 /- .6V到 .8V),所以要把电压调低。成功制作示波器探针的要点在于:容纳更高电压的输入,并把电压调低,让音效卡可以处理。

以下的步骤会教你如何制作这种探针。这里的成品适用于音效卡的线路输入,线路通常可以接收立体声输入,所以这个探针会有两个频道。如果想要用系统上的麦克风输入,只需要制作只有一个频道的探针,因为麦克风输入通常是单声道。完成之后,再来看看这组示波器和实验室级的型号有何差异,并讨论其限制。

 

利用软件和简单电路就能把电脑音效卡变成示波器
  材料

1M欧姆线性电位计(2),RadioShack网站商品编号#271-211:请务必购买线性型而非音讯型。

4.7k欧姆电阻,1/4或1/2瓦(2),RadioShack网站商品编号 #271-312

1N4148一般二极体,非齐纳型(4),RadioShack网站商品编号#276-1620:这种二极体可以承受我们需要处理的频率,而在电路所承载的电流上也有约.6v的正向电压,为麦克风和线路输入提供充足的保护。

6′ 1/8″ (3.5mm)立体声音频线,RadioShack网站商品编号#42-2387:若麦克风输入仅由单频道连接,则可使用单声道线。

迷你测试夹片转接器,RadioShack网站商品编号#270-372

六角形控制旋钮,RadioShack网站商品编号#274-415

洞洞板:购买双面型,或用2个一般洞洞板自行制作双面洞洞板(参见第2步)

电子线,非必要:用于制做双面洞洞板(参见第2步)。

工具

Make: it豪华工具组,RadioShack网站商品编号#64-246。

迷你热熔胶枪,RadioShack网站商品编号#55066341

弓锯

电焊帮手

步骤第一步:电路图概览

 

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  示波器的电路图很简单。将探针接到电路上需要测量的地方,信号从探针进来,直接接到4.7k欧姆电阻(R1)。

信号从该处通过1M欧姆电位计(R2),调整到达音效卡的电压。

注:电阻及电位计的数值在±10V之间,你可以使用高达30V的电压,都不会有电流过大的问题。

两个二极体(D1和D2)的相邻配置可以保护音效卡的线路输入,在输入信号超过7V左右的时候就会断路。4.7k欧姆电阻(R1)也会限制通过二极体的电流,借此保护二极体。

注:如果需要测量更高的电压,建议在电路的供给上使用第二个分压器。除了这些元件之外,还需要立体音频线、夹线和用来安装所有元件的洞洞板。

注意:本项目是根据双面洞洞板(即两面都有铜垫者)设计。如果没有的话也不用担心,在下一步就教你如何自己做!

第二步:制作双面洞洞板

 

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  如果没有双面铜垫的洞洞板,自己做也很简单。拿两个一模一样的洞洞板,背对背放置,让铜垫朝外。

可以用胶把洞洞板粘在一起(若用粘的,建议使用喷胶),或者利用洞洞板的特性,也就是把它们焊接起来固定。

剪取适当长度的22AWG实心电线在洞洞板的四边构成一个「框」(如图2)。接着让电线跨越一边,再焊接到背面,形成一个稳固,两侧都有铜垫的双面洞洞板。

所有洞洞板上的孔现在都完整对齐了(如图3)。虽然做了边框,这个尺寸的洞洞板有644个孔可供使用。

第三步:元件配置

 

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  首先把最大的元件:电位计,放置在板上,决定需要的尺寸。接着把洞洞板裁成适当大小,排列其他主要元件后,看一下大略的配置。

配置好2个电位计和4.7k欧姆电阻之后,找出最适合二极体的地方。在板上标记电位计电极的位置,做为之后参考。

第四步:接上音频线

 

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  把音频线剪成桌电或笔电配置所需的长度。接着把线缆中3种不同的线剥皮。其中1条没有绝缘的缠绕线是接地线,另外2条有绝缘的线将做为输入的第1和第2频道。剥除频道线绝缘时需特别下功夫,因为它们非常小。

注:有个小技巧,用烙铁把绝缘烧到所需的长度,同时给电极上锡。之后别忘了把烙铁擦干净。

接着,依照电位计的参考点,把线路接上洞洞板。频道线将接到电位计的中心电极。接地线可以拉到旁边,固定在多处,因为将会有很多个接点需要接地。

第五步:将元件固定在板上

 

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  把黑色线(接地线)接到最左侧(上方视角)的电位计电极,并把4.7k欧姆电阻接到最右侧电极。为了达成此目的,把零散的电极从板子底部穿出最接近先前标记的参考点的孔。

每个电位计都有3个接点。在照片中,由左至右分别是接地、接至音效卡、接自4.7k欧姆电阻。把电位计固定于板上时使用热熔胶。

最后,在接地和音效卡之间每个频道接上2个二极体。记得,其中一个二极体是从负极接到接地,另一个从正极接到接地。

第六步:完成夹线

 

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  把18 AWG的电线焊接到夹线。双频道的示波器配置将需要总共3个线和夹的组合:2组以红线供信号线使用,1组以黑线供接地线使用。

连接夹线后,把线缆的另一端接到洞洞板上适当的位置。红线是信号线,接到4.7k欧姆电阻(电位计接点对面)。黑线接到洞洞板的接地轨。

洞洞板和线缆焊接点需要某种拉力释放,才不会不小心把线拉出来。热熔胶很好用,在3个接点上滴点热熔胶就有很好的效果。

电子装置和硬件部份已经完成了,可以再为电位器装上外壳和旋钮。

第七步:安装软件

 

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  从http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en下载软件并安装。安装时仅需在.exe档点击两下,并依照对话框的指示操作。

注:很可惜,音效卡示波器软件只有Windows版本。努力搜寻后我还是找不到Mac版本。(或许我会自己写一个,再发布出去!)

第八步:软件使用 – 60Hz比较

 

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  这个软件的功能意外强大,不仅提供双频道支援(若你的硬件有提供),更有FFT测量、游标、X-Y图和信号产生器!

注:在第一张图看到的是工厂制造的桌上型示波器输出资料,而第二和第三张图则是音效卡示波器的输出。

桌上型示波器和音效卡示波器都能轻松处理60Hz的sine波,你可以选择游标(CURSOR)量测时间和电压的数据。不过电压没有根据电阻分压器校正,所以无法显示电路上切确的电压。本软件有提供可以选用的校正点。

仔细看看第三张图,可以发现sine波的波锋有些拉平。这是因为电位计过强,使二极体开始导电。此情形通常称做「波型削峰」。若发现波型削峰,只需把电位计回调,直到波型得到修正,也就是sine波的波锋没有拉平。

第九步:软件使用 – 1kHz比较

 

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  在1kHz,音效卡示波器仍然运作良好。

注:音效卡示波器甚至会显示所测量的频率,方便确认。

第十步:软件使用 – 10kHz比较

 

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  然而到了10kHz,音效卡示波器就接近极限了。可以发现信号有锯齿状的坡度角─这是采样问题的征兆。

示波器受两个主要条件的限制:

频宽,即可以有效测量的频率范围。实验室级的示波器在这里有200MHz的频宽,也就是说在0到200MHz的范围可以有效地测量。音效卡的频宽则小得多,约20–15kHz。在这个范围之外,测量结果便不准确。

采样频率这里的实验室级示波器采样频率有2GS/s!电脑里的音效卡则只有大约44kS/s。这就是为么更快的波型可能无法准确测量。基本上,采样频率是系统测量电压的频率。实验室级的采样频率可达每秒20亿次,而音效卡型则只有四万四千次。你可能会想,这样这个DIY工具就没有作用了,但并非如此!对很多玩家的电路而言,14kS/s的速度来测量脉宽和频率绰绰有馀。当电路越来越快时,再考虑买实验室级的型号。

第十一步:软件─方波及FFT

 

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利用软件和简单电路就能把电脑音效卡变成示波器
  有一些业余项目会需要测量到方波,例如前面提到的伺服马达,但是不用担心,这套软件也适用,且较低速度(<10kHz)时有极小的信号衰减。它还有其他好用的功能(有些前面有提到),其中我特别喜欢FFT功能,因为我经常使用。整体而言,这个专题是一个可以用于电子装置的强大工具,做为入门的示波器,它有一些好用的功能,对你大有帮助,而且不会瓜分你接下来几个月的工具预算。

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