音效卡示波器

二月 25, 2015
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利用Windows軟體和簡單的電路把電腦的音效卡變成能測量電信號的示波器。

不論是專業還是業餘,示波器是電子迷最好的朋友。數位萬用電表可以測量靜態電壓和RMS均方根)電壓,但示波器不僅能測量峰間電壓,更重要的是可以提供訊號的時間資訊。

舉例來說,你有沒有使用過Arduino來操控伺服機,而需要精確的脈寬調變來決定順時針旋轉或逆時針旋轉的時候?有了示波器,編寫程式時,就可以得知目前的脈寬和需要的脈寬還差多少;處理類比訊號時,也可以檢測目前的頻率和目標頻率的差距,或者測量需要過濾什麼頻率。數位電子裝置為數眾多,訊號的時差變得極為重要,因此需要有示波器時時檢測。

然而,示波器的價格讓人咋舌,光入門款就要數百美元起跳,更高階的型號就可能要數萬美元。不過,你知道用手邊的材料就能做出自己的示波器了嗎?其實,你用來看這篇文章的裝置可能就已經有必要的零件了,而其他材料八成可以在材料箱找到。

基本上,示波器是一種能記錄電路上電壓的資料擷取裝置。電腦上有另一個裝置也有這個功能,那就是音效卡,主要差別在於兩者所能處理的電壓以及測量電壓的頻率(稍後詳細討論)。因為電腦上的音效卡只能處理較低的電壓(約+/- .6V .8V),所以要把電壓調低。成功製作示波器探針的要點在於:容納更高電壓的輸入,並把電壓調低,讓音效卡可以處理。

以下的步驟會教你如何製作這種探針。這裡的成品適用於音效卡的線路輸入,線路通常可以接收立體聲輸入,所以這個探針會有兩個頻道。如果想要用系統上的麥克風輸入,只需要製作只有一個頻道的探針,因為麥克風輸入通常是單聲道。完成之後,再來看看這組示波器和實驗室級的型號有何差異,並討論其限制。


材料

工具


第一步:電路圖概覽
  • 示波器的電路圖很簡單。將探針接到電路上需要測量的地方,訊號從探針進來,直接接到4.7k歐姆電阻(R1)。
  • 訊號從該處通過1M歐姆電位計(R2),調整到達音效卡的電壓。
  • 註:電阻及電位計的數值在±10V之間,你可以使用高達30V的電壓,都不會有電流過大的問題。
  • 兩個二極體(D1D2)的相鄰配置可以保護音效卡的線路輸入,在輸入訊號超過7V左右的時候就會斷路。4.7k歐姆電阻(R1)也會限制通過二極體的電流,藉此保護二極體。
  • 註:如果需要測量更高的電壓,建議在電路的供給上使用第二個分壓器。除了這些元件之外,還需要立體音訊線、夾線和用來安裝所有元件的洞洞板。
  • 注意:本專案是根據雙面洞洞板(即兩面都有銅墊者)設計。如果沒有的話也不用擔心,在下一步就教你如何自己做!
第二步:製作雙面洞洞板
  • 如果沒有雙面銅墊的洞洞板,自己做也很簡單。拿兩個一模一樣的洞洞板,背對背放置,讓銅墊朝外。
  • 可以用黏膠把洞洞板黏在一起(若用黏的,建議使用噴膠),或者利用洞洞板的特性,也就是把它們焊接起來固定。
  • 剪取適當長度的22AWG實心電線在洞洞板的四邊構成一個「框」(如圖2)。接著讓電線跨越一邊,再焊接到背面,形成一個穩固,兩側都有銅墊的雙面洞洞板。
  • 所有洞洞板上的孔現在都完整對齊了(如圖3)。雖然做了邊框,這個尺寸的洞洞板有644個孔可供使用。
第三步:元件配置
图片

  • 首先把最大的元件:電位計,放置在板上,決定需要的尺寸。接著把洞洞板裁成適當大小,排列其他主要元件後,看一下大略的配置。
  • 配置好2個電位計和4.7k歐姆電阻之後,找出最適合二極體的地方。在板上標記電位計電極的位置,做為之後參考。
第四步:接上音訊線
  • 把音訊線剪成桌電或筆電配置所需的長度。接著把線纜中3種不同的線剝皮。其中1條沒有絕緣的纏繞線是接地線,另外2條有絕緣的線將做為輸入的第1和第2頻道。剝除頻道線絕緣時需特別下功夫,因為它們非常小。
  • 註:有個小技巧,用烙鐵把絕緣燒到所需的長度,同時給電極上錫。之後別忘了把烙鐵擦乾淨。
  • 接著,依照電位計的參考點,把線路接上洞洞板。頻道線將接到電位計的中心電極。接地線可以拉到旁邊,固定在多處,因為將會有很多個接點需要接地。
第五步:將元件固定在板上
  • 把黑色線(接地線)接到最左側(上方視角)的電位計電極,並把4.7k歐姆電阻接到最右側電極。為了達成此目的,把零散的電極從板子底部穿出最接近先前標記的參考點的孔。
  • 每個電位計都有3個接點。在照片中,由左至右分別是接地、接至音效卡、接自4.7k歐姆電阻。把電位計固定於板上時使用熱熔膠。
  • 最後,在接地和音效卡之間每個頻道接上2個二極體。記得,其中一個二極體是從負極接到接地,另一個從正極接到接地。

第六步:完成夾線

  • 18 AWG的電線焊接到夾線。雙頻道的示波器配置將需要總共3個線和夾的組合:2組以紅線供訊號線使用,1組以黑線供接地線使用。
  • 連接夾線後,把線纜的另一端接到洞洞板上適當的位置。紅線是訊號線,接到4.7k歐姆電阻(電位計接點對面)。黑線接到洞洞板的接地軌。
  • 洞洞板和線纜焊接點需要某種拉力釋放,才不會不小心把線拉出來。熱熔膠很好用,在3個接點上滴點熱熔膠就有很好的效果。
  • 電子裝置和硬體部份已經完成了,可以再為電位器裝上外殼和旋鈕。
第七步:安裝軟體
  • http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en下載軟體並安裝。安裝時僅需在.exe檔點擊兩下,並依照對話框的指示操作。
  • 註:很可惜,音效卡示波器軟體只有Windows版本。努力搜尋後我還是找不到Mac版本。(或許我會自己寫一個,再發布出去!)
第八步:軟體使用 – 60Hz比較
  • 這個軟體的功能意外強大,不僅提供雙頻道支援(若你的硬體有提供),更有FFT測量、游標、X-Y圖和訊號產生器!
  • 註:在第一張圖看到的是工廠製造的桌上型示波器輸出資料,而第二和第三張圖則是音效卡示波器的輸出。
  • 桌上型示波器和音效卡示波器都能輕鬆處理60Hzsine波,你可以選擇游標(CURSOR)量測時間和電壓的數據。不過電壓沒有根據電阻分壓器校正,所以無法顯示電路上切確的電壓。本軟體有提供可以選用的校正點。
  • 仔細看看第三張圖,可以發現sine波的波鋒有些拉平。這是因為電位計過強,使二極體開始導電。此情形通常稱做「波型削峰」。若發現波型削峰,只需把電位計回調,直到波型得到修正,也就是sine波的波鋒沒有拉平。
第九步:軟體使用 – 1kHz比較
  • 1kHz,音效卡示波器仍然運作良好。
  • 註:音效卡示波器甚至會顯示所測量的頻率,方便確認。

第十步:軟體使用 – 10kHz比較

  • 然而到了10kHz,音效卡示波器就接近極限了。可以發現訊號有鋸齒狀的坡度角─這是採樣問題的徵兆。
  • 示波器受兩個主要條件的限制:

    頻寬,即可以有效測量的頻率範圍。實驗室級的示波器在這裡有200MHz的頻寬,也就是說在0200MHz的範圍可以有效地測量。音效卡的頻寬則小得多,約2015kHz。在這個範圍之外,測量結果便不準確。

    採樣頻率 這裡的實驗室級示波器採樣頻率有2GS/s!電腦裡的音效卡則只有大約44kS/s。這就是為什麼更快的波型可能無法準確測量。基本上,採樣頻率是系統測量電壓的頻率。實驗室級的採樣頻率可達每秒20億次,而音效卡型則只有四萬四千次。你可能會想,這樣這個DIY工具就沒有作用了,但並非如此!對很多玩家的電路而言,14kS/s的速度來測量脈寬和頻率綽綽有餘。當電路越來越快時,再考慮買實驗室級的型號。

第十一步:軟體─方波及FFT
有一些業餘專題會需要測量到方波,例如前面提到的伺服馬達,但是不用擔心,這套軟體也適用,且較低速度(<10kHz)時有極小的訊號衰減。它還有其他好用的功能(有些前面有提到),其中我特別喜歡FFT功能,因為我經常使用。整體而言,這個專題是一個可以用於電子裝置的強大工具,做為入門的示波器,它有一些好用的功能,對你大有幫助,而且不會瓜分你接下來幾個月的工具預算。


RYAN SLAUGH
萊恩‧斯洛是具有15年設計和建造各類系統的軟硬體工程師。雖然他擁有數個學士學位,不過最精良的訓練還來自農場上的成長背景以及同樣身為電氣技師的父親。萊恩平常工作的領域包含木工、金工、電工和軟體。他很喜歡各種工具,擁有豐富的收藏。

譯:屠建明
原文

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