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利用軟件和簡(jiǎn)單電路就能把電腦音效卡變成示波器

發(fā)布時(shí)間：2016-12-02 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】不論是專業(yè)還是業(yè)余，示波器是電子迷最好的朋友。數(shù)字萬(wàn)用電表可以測(cè)量靜態(tài)電壓和RMS（均方根）電壓，但示波器不僅能測(cè)量峰間電壓，更重要的是可以提供信號(hào)的時(shí)間資訊。然而，示波器的價(jià)格讓人咋舌，光入門款就要數(shù)百美元起跳，更高階的型號(hào)就可能要數(shù)萬(wàn)美元。不過(guò)，你知道用手邊的材料就能做出自己的示波器了嗎？其實(shí)，你用來(lái)看這篇文章的裝置可能就已經(jīng)有必要的零件了，而其他材料八成可以在材料箱找到。

舉例來(lái)說(shuō)，你有沒(méi)有使用過(guò)Arduino來(lái)操控伺服機(jī)，而需要精確的脈寬調(diào)變來(lái)決定順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的時(shí)候？有了示波器，編寫(xiě)程式時(shí)，就可以得知目前的脈寬和需要的脈寬還差多少；處理類比信號(hào)時(shí)，也可以檢測(cè)目前的頻率和目標(biāo)頻率的差距，或者測(cè)量需要過(guò)濾什么頻率。數(shù)字電子裝置為數(shù)眾多，信號(hào)的時(shí)差變得極為重要，因此需要有示波器時(shí)時(shí)檢測(cè)。

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(gè)裝置也有這個(gè)功能，那就是音效卡，主要差別在于兩者所能處理的電壓以及測(cè)量電壓的頻率（稍后詳細(xì)討論）。因?yàn)殡娔X上的音效卡只能處理較低的電壓（約 /- .6V到 .8V），所以要把電壓調(diào)低。成功制作示波器探針的要點(diǎn)在于：容納更高電壓的輸入，并把電壓調(diào)低，讓音效卡可以處理。

以下的步驟會(huì)教你如何制作這種探針。這里的成品適用于音效卡的線路輸入，線路通常可以接收立體聲輸入，所以這個(gè)探針會(huì)有兩個(gè)頻道。如果想要用系統(tǒng)上的麥克風(fēng)輸入，只需要制作只有一個(gè)頻道的探針，因?yàn)辂溈孙L(fēng)輸入通常是單聲道。完成之后，再來(lái)看看這組示波器和實(shí)驗(yàn)室級(jí)的型號(hào)有何差異，并討論其限制。

材料

1M歐姆線性電位計(jì)(2)，RadioShack網(wǎng)站商品編號(hào)#271-211：請(qǐng)務(wù)必購(gòu)買線性型而非音訊型。
4.7k歐姆電阻，1/4或1/2瓦(2)，RadioShack網(wǎng)站商品編號(hào) #271-312
1N4148一般二極體，非齊納型(4)，RadioShack網(wǎng)站商品編號(hào)#276-1620：這種二極體可以承受我們需要處理的頻率，而在電路所承載的電流上也有約.6v的正向電壓，為麥克風(fēng)和線路輸入提供充足的保護(hù)。
6′ 1/8″ (3.5mm)立體聲音頻線，RadioShack網(wǎng)站商品編號(hào)#42-2387：若麥克風(fēng)輸入僅由單頻道連接，則可使用單聲道線。
迷你測(cè)試夾片轉(zhuǎn)接器，RadioShack網(wǎng)站商品編號(hào)#270-372
六角形控制旋鈕，RadioShack網(wǎng)站商品編號(hào)#274-415
洞洞板：購(gòu)買雙面型，或用2個(gè)一般洞洞板自行制作雙面洞洞板（參見(jiàn)第2步）
電子線，非必要：用于制做雙面洞洞板（參見(jiàn)第2步）。

工具

Make: it豪華工具組，RadioShack網(wǎng)站商品編號(hào)#64-246。
迷你熱熔膠槍，RadioShack網(wǎng)站商品編號(hào)#55066341
弓鋸
電焊幫手

步驟第一步：電路圖概覽

示波器的電路圖很簡(jiǎn)單。將探針接到電路上需要測(cè)量的地方，信號(hào)從探針進(jìn)來(lái)，直接接到4.7k歐姆電阻（R1）。

信號(hào)從該處通過(guò)1M歐姆電位計(jì)（R2），調(diào)整到達(dá)音效卡的電壓。

注：電阻及電位計(jì)的數(shù)值在±10V之間，你可以使用高達(dá)30V的電壓，都不會(huì)有電流過(guò)大的問(wèn)題。

兩個(gè)二極體（D1和D2）的相鄰配置可以保護(hù)音效卡的線路輸入，在輸入信號(hào)超過(guò)7V左右的時(shí)候就會(huì)斷路。4.7k歐姆電阻（R1）也會(huì)限制通過(guò)二極體的電流，借此保護(hù)二極體。

注：如果需要測(cè)量更高的電壓，建議在電路的供給上使用第二個(gè)分壓器。除了這些元件之外，還需要立體音頻線、夾線和用來(lái)安裝所有元件的洞洞板。

注意：本項(xiàng)目是根據(jù)雙面洞洞板（即兩面都有銅墊者）設(shè)計(jì)。如果沒(méi)有的話也不用擔(dān)心，在下一步就教你如何自己做！

第二步：制作雙面洞洞板

如果沒(méi)有雙面銅墊的洞洞板，自己做也很簡(jiǎn)單。拿兩個(gè)一模一樣的洞洞板，背對(duì)背放置，讓銅墊朝外。

可以用膠把洞洞板粘在一起（若用粘的，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(lái)固定。

剪取適當(dāng)長(zhǎng)度的22AWG實(shí)心電線在洞洞板的四邊構(gòu)成一個(gè)「框」（如圖2）。接著讓電線跨越一邊，再焊接到背面，形成一個(gè)穩(wěn)固，兩側(cè)都有銅墊的雙面洞洞板。

所有洞洞板上的孔現(xiàn)在都完整對(duì)齊了（如圖3）。雖然做了邊框，這個(gè)尺寸的洞洞板有644個(gè)孔可供使用。

第三步：元件配置

首先把最大的元件：電位計(jì)，放置在板上，決定需要的尺寸。接著把洞洞板裁成適當(dāng)大小，排列其他主要元件后，看一下大略的配置。

配置好2個(gè)電位計(jì)和4.7k歐姆電阻之后，找出最適合二極體的地方。在板上標(biāo)記電位計(jì)電極的位置，做為之后參考。

第四步：接上音頻線

把音頻線剪成桌電或筆電配置所需的長(zhǎng)度。接著把線纜中3種不同的線剝皮。其中1條沒(méi)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(shí)需特別下功夫，因?yàn)樗鼈兎浅Ｐ　?/div>

注：有個(gè)小技巧，用烙鐵把絕緣燒到所需的長(zhǎng)度，同時(shí)給電極上錫。之后別忘了把烙鐵擦干凈。

接著，依照電位計(jì)的參考點(diǎn)，把線路接上洞洞板。頻道線將接到電位計(jì)的中心電極。接地線可以拉到旁邊，固定在多處，因?yàn)閷?huì)有很多個(gè)接點(diǎn)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(cè)（上方視角）的電位計(jì)電極，并把4.7k歐姆電阻接到最右側(cè)電極。為了達(dá)成此目的，把零散的電極從板子底部穿出最接近先前標(biāo)記的參考點(diǎn)的孔。

每個(gè)電位計(jì)都有3個(gè)接點(diǎn)。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(jì)固定于板上時(shí)使用熱熔膠。

最后，在接地和音效卡之間每個(gè)頻道接上2個(gè)二極體。記得，其中一個(gè)二極體是從負(fù)極接到接地，另一個(gè)從正極接到接地。

第六步：完成夾線

把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(gè)線和夾的組合：2組以紅線供信號(hào)線使用，1組以黑線供接地線使用。

連接夾線后，把線纜的另一端接到洞洞板上適當(dāng)?shù)奈恢?。紅線是信號(hào)線，接到4.7k歐姆電阻（電位計(jì)接點(diǎn)對(duì)面）。黑線接到洞洞板的接地軌。

洞洞板和線纜焊接點(diǎn)需要某種拉力釋放，才不會(huì)不小心把線拉出來(lái)。熱熔膠很好用，在3個(gè)接點(diǎn)上滴點(diǎn)熱熔膠就有很好的效果。

電子裝置和硬件部份已經(jīng)完成了，可以再為電位器裝上外殼和旋鈕。

第七步：安裝軟件

從http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en下載軟件并安裝。安裝時(shí)僅需在.exe檔點(diǎn)擊兩下，并依照對(duì)話框的指示操作。

注：很可惜，音效卡示波器軟件只有Windows版本。努力搜尋后我還是找不到Mac版本。（或許我會(huì)自己寫(xiě)一個(gè)，再發(fā)布出去?。?/div>

第八步：軟件使用 – 60Hz比較

這個(gè)軟件的功能意外強(qiáng)大，不僅提供雙頻道支援（若你的硬件有提供），更有FFT測(cè)量、游標(biāo)、X-Y圖和信號(hào)產(chǎn)生器！

注：在第一張圖看到的是工廠制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松處理60Hz的sine波，你可以選擇游標(biāo)（CURSOR）量測(cè)時(shí)間和電壓的數(shù)據(jù)。不過(guò)電壓沒(méi)有根據(jù)電阻分壓器校正，所以無(wú)法顯示電路上切確的電壓。本軟件有提供可以選用的校正點(diǎn)。

仔細(xì)看看第三張圖，可以發(fā)現(xiàn)sine波的波鋒有些拉平。這是因?yàn)殡娢挥?jì)過(guò)強(qiáng)，使二極體開(kāi)始導(dǎo)電。此情形通常稱做「波型削峰」。若發(fā)現(xiàn)波型削峰，只需把電位計(jì)回調(diào)，直到波型得到修正，也就是sine波的波鋒沒(méi)有拉平。

第九步：軟件使用 – 1kHz比較

在1kHz，音效卡示波器仍然運(yùn)作良好。

注：音效卡示波器甚至?xí)@示所測(cè)量的頻率，方便確認(rèn)。

第十步：軟件使用 – 10kHz比較

然而到了10kHz，音效卡示波器就接近極限了?？梢园l(fā)現(xiàn)信號(hào)有鋸齒狀的坡度角─這是采樣問(wèn)題的征兆。

示波器受兩個(gè)主要條件的限制：

頻寬，即可以有效測(cè)量的頻率范圍。實(shí)驗(yàn)室級(jí)的示波器在這里有200MHz的頻寬，也就是說(shuō)在0到200MHz的范圍可以有效地測(cè)量。音效卡的頻寬則小得多，約20–15kHz。在這個(gè)范圍之外，測(cè)量結(jié)果便不準(zhǔn)確。

采樣頻率這里的實(shí)驗(yàn)室級(jí)示波器采樣頻率有2GS/s！電腦里的音效卡則只有大約44kS/s。這就是為么更快的波型可能無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。基本上，采樣頻率是系統(tǒng)測(cè)量電壓的頻率。實(shí)驗(yàn)室級(jí)的采樣頻率可達(dá)每秒20億次，而音效卡型則只有四萬(wàn)四千次。你可能會(huì)想，這樣這個(gè)DIY工具就沒(méi)有作用了，但并非如此！對(duì)很多玩家的電路而言，14kS/s的速度來(lái)測(cè)量脈寬和頻率綽綽有馀。當(dāng)電路越來(lái)越快時(shí)，再考慮買實(shí)驗(yàn)室級(jí)的型號(hào)。

第十一步：軟件─方波及FFT

有一些業(yè)余項(xiàng)目會(huì)需要測(cè)量到方波，例如前面提到的伺服馬達(dá)，但是不用擔(dān)心，這套軟件也適用，且較低速度（<10kHz）時(shí)有極小的信號(hào)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?yàn)槲医?jīng)常使用。整體而言，這個(gè)專題是一個(gè)可以用于電子裝置的強(qiáng)大工具，做為入門的示波器，它有一些好用的功能，對(duì)你大有幫助，而且不會(huì)瓜分你接下來(lái)幾個(gè)月的工具預(yù)算。

本文來(lái)源于創(chuàng)客迷。

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