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。

 

　　

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。

 

　　

 

材料

 

1. 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。

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

3. 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。

4. 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。

5. 迷你测试夹片转接器，RadioShack网站商品编号#270-372

6. 六角形控制旋钮，RadioShack网站商品编号#274-415

7. 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）

8. 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

 

　　

　　

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

 

　

　　

　　

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

 

　　

　　

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

　　

　

　　

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

 

　　

　　

　　

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

　　

　　

　　

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

 

　

　　

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

　　

　

　　

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

　　

　

　　

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

 

　

　　

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

　　

　　

　　

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。