Amatorski oscyloskop/generator USB (k. dźwiękowa)

Dzień dobry,

Dzisiejsza prezentacja dotyczy mojej ostatecznej już wersji amatorskiego oscyloskopu, oraz generatora opartego o zewnętrzną kartę dźwiękową USB.
Niby nic specjalnego jak na dzisiejsze czasy, ale urządzenie łatwe w montażu, niedrogie, a co najważniejsze przydatne.

Parametry urządzenia:

OSCYLOSKOP:
Kanały: 1
Vpp max: 25V
R wej: > 1M Ohm
Częstotliwość: 20kHz
Dzielnik: x1 (5 Vpp max) x5 (25 Vpp max)

GENERATOR
Out Vpp: 0 – 10V
Częstotliwość : 20Hz – 20kHz
Przebiegi: Prostokąt, Sinus, Trójkąt, Szum

Częstotliwości generatora, oraz oscyloskopu zależne są od karty dźwiękowej.
Są to tylko wartości poglądowe. W praktyce częstotliwości użyteczne są znacznie niższe.

Konstrukcja:
Urządzenie składa się z generatora zasilania symetrycznego opartego o znany wszystkim układ Max232. Jest to dość nietypowe zastosowanie tej kostki, ale za jej wyborem przemówiła do mnie skromna ilość elementów zewnętrznych, niska cena, i dość stabilne napięcie wyjściowe. Należy jednak pamiętać że maksymalny prąd wyjściowy przetwornicy wewnętrznej nie przekracza 10mA. W tym przypadku ten niewielki prąd w zupełności wystarcza. Kolejnym ważnym elementem zasilanym właśnie z przetwornicy Maxa jest podwójny wzmacniacz operacyjny TL082.
Jeden wzmacniacz (A) pracuje jako wtórnik napięciowy, stanowiąc bufor wejściowy oscyloskopu, a druga połowa(B) kostki pracuje jako wzmacniacz dla generatora przebiegów, umożliwiając uzyskanie amplitudy wyjściowej 10Vpp. Wejście oscyloskopowe wzmacniacza zostało wyposażone w dwa dzielniki. Pierwszy umożliwia pomiar napięcia do 5Vpp, a drugi do 25Vpp – przełącza się je za pomocą zworki na goldpinach. Dodatkowo wejście oscyloskopu zostało zabezpieczone dwoma diodami 1N5819, przed napięciem wyższym niż 1Vpp. Nie zwalnia to jednak z ostrożności podczas dokonywania pomiarów.
Podkreślam że nie ponoszę odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe w skutek eksploatacji urządzenia. Z zamieszczonych tutaj materiałów korzystasz na własną odpowiedzialność.

Dobór karty dźwiękowej:
W zasadzie można użyć dowolnej. Warto jednak mieć na uwadze, że lepszą okaże się ta z której można usunąć filtr składowej stałej, zarówno na wejściu mikrofonowym, jak i na wyjściu słuchawkowym. Filtr składowej stałej powoduje, że na wejście nie da się podać napięcia stałego. W efekcie wykres prostokątny nie będzie go w ogóle przypominał, sinusoida będzie miała charakterystyczne „dzióbki” na szczycie, a trójkąt będzie kładł się na prawą stronę. W moim egzemplarzu udało się tylko częściowo pozbawić filtra wejściowego. Na wyjściu niestety nie, co można zaobserwować na oscylogramach z generatora.
Karty które przetestowałem:
3D Sound – brak możliwości usunięcia filtrów
GreEw Podróbka(obecnie) – da się tylko częściowo usunąć z wejścia MIC. Podobno na oryginalnej da się w pełni pozbyć filtra wejściowego. Na temat filtra wyjściowego, nie mam żadnych informacji.

Pomiary:
Nie od dziś wiadomo, że karta dźwiękowa została zaprojektowana do nieco innych celów niż tutaj opisywane . Nie znaczy to jednak że kompletnie nie nadaje się ona do wykonywania pomiarów.
Co prawda wyniki będą obarczone niewielkim błędem, ale to przecież tanie amatorskie urządzenie.
Po montażu urządzenia niestety nie można spodziewać się, że od razu będzie ono poprawnie mierzyło napięcie wejściowe, należy je bowiem odpowiednio skalibrować.

Kalibracja:
Zacznijmy od ustawienia amplitudy wyjściowej generatora, który później posłuży nam jako wzorzec. Aby to zrobić dokładnie, najlepiej jest użyć komercyjnego oscyloskopu, jednak większość z osób zainteresowanych wykonaniem urządzenia, takowego nie posiada. Istnieje jednak alternatywny sposób kalibracji, niestety mniej dokładny.

1. Podłącz urządzenie do komputera, a następnie uruchom program „Generator.exe”.
2. W programie ustaw amplitudę na max, przebieg Sinusoidalny, oraz częstotliwość dokładnie 50Hz.
3. Przyłóż woltomierz napięcia przemiennego, do wyjścia generatora, i potencjometrem na płytce, ustaw 10V. Nie wyłączaj aplikacji!

Tym sposobem mamy dość dokładne napięcie odniesienia, którym można posłużyć się podczas kalibracji oscyloskopu.

1. Załóż zworkę na dzielnik x5, połącz ze sobą wyjście generatora, z wejściem oscyloskopu, a następnie uruchom program Miniscope.exe
2. Za pomocą „łapki” z górnego paska, ustaw widoczny przebieg w taki sposób, by łatwo było określić jego połowę (faktyczne przejście przez 0), a następnie wybierz z górnego paska „celownik”.
3. Kliknij prawym przyciskiem myszy w miejsce, w którym wykres powinien przechodzić przez „0”, a następnie lewym przyciskiem na szczycie sinusa.
4. Z menu wybierz Tools -> Calibrate Sensitivity, a następnie w pole pod 4 punktem wpisz 1. Kliknij przycisk „Calculate”, i „Store Callibration”
[10(Uwej) / 5(dzielnik 5) / 2(dwie połówki wykresu) = 1 ]

Dla sprawdzenia poprawności wskazań, aktualny wskaźnik Vpp należy pomnożyć przez 5, i powinno wyjść ok. 10V, czyli tyle ile jest naprawdę.

Oscylogramy:
Poniżej zbiór oscylogramów, przedstawiających faktyczne wykresy z mini oscyloskopu oraz generatora. Jako oscyloskopu porównawczego, użyłem komercyjnego „Hantek 6022”.
Jako źródła sygnału dla oscyloskopu, użyłem generatora niegdyś przedstawionego na łamach czasopisma „Elektronika Praktyczna” (kiedyś przedstawiałem moje wykonanie w dziale DiY).

Oscyloskop, ok. 2kHz:
]

Oscyloskop, ok. 300Hz:

Generator, 440Hz:
Na wykresie przedstawiającym wykres prostokątny oraz trójkątny widać niepożądane działanie filtra składowej stałej.

Całość wygląda dość ładnie, jak na urządzono warte 20zł
Zachęcam do realizacji i komentowania mojego projektu

Pozdrawiam,
Łukasz Górecki

Linki:
http://tomeko.net/miniscope v4/ – Aplikacja „Miniscope” napisana przez Pana Tomasza Ostrowskiego. Jest to najlepsza aplikacja zmieniająca kartę dźwiękową w oscyloskop. Gratuluję autorowi!.
http://tomeko.net/dsoundscope/C Media2/ – Opis pozbycia się filtrów składowej stałej w karcie firmy GreEw (C-Media)
http://www.tgs.sys.net.pl/ – Program „Generator”

Wszystkie niezbędne materiały można znaleźćw załączniku.

Pliki załączone do artykułu:

• oscyloskop.rar