PC-осциллограф: Построение низкобюджетного анализатора форм волн на базе компьютера

Детали и материалы

• IBM-совместимый ПК со звуковой картой, работающий под Windows 3.1 или новее
• Программа Winscope — бесплатная загрузка из интернета (автор: Dr. Constantin Zeldovich)
• Электронная музыкальная клавиатура
• Моно-штекер для выхода клавиатуры
• Моно-штекер для микрофонного входа звуковой карты компьютера
• Потенциометр 10 кОм

Приложение Winscope захватывает сигналы переменного напряжения через микрофонный вход звуковой карты и отображает их как формы волн на экране. Сопоставимая Linux-утилита Oscope доступна для пользователей этой платформы. Если ни одна программа недоступна, встроенный Windows «Sound Recorder» может дать очень базовый дисплей формы волны.

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, Chapter 7: «Mixed‑Frequency AC Signals»

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, Chapter 12: «AC Metering Circuits»

Цели обучения

• Использовать компьютерное ПО для эмуляции осциллографа
• Продемонстрировать основные функции осциллографа

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Осциллограф — незаменимый прибор для студентов и профессионалов в электронике. Коммерческие осциллографы могут быть недопустимо дорогими, а сборка с нуля обычно требует существующего осциллографа для отладки. К счастью, звуковая карта стандартного ПК может оцифровывать низковольтные сигналы переменного тока в диапазоне 100 Гц–10 кГц с адекватным разрешением, а бесплатное ПО может визуализировать эти сигналы в формате осциллографа. Для многих любителей и педагогов это представляет собой экономичную альтернативу.

⚠️ Предупреждение безопасности: Подача на микрофонный вход напряжений выше допуска звуковой карты может повредить компьютер. Музыкальные клавиатуры обычно выдают безопасные низковольтные сигналы, но другие источники (например, функциональные генераторы, блоки питания) могут представлять риск. Используйте эту установку ответственно.

1. Подключите моно-выход клавиатуры к внешним контактам потенциометра 10 кОм. Припаяйте два провода к контактам микрофонного штекера, чтобы получить «измерительные зонды».
2. Подключите зонды к потенциометру: соедините движок с одним внешним контактом.
3. Запустите Winscope и нажмите значок «play» (стрелку) в левом верхнем углу.
4. Нажмите клавишу на клавиатуре; на экране должна появиться форма волны. Для чистого синуса выберите флейтоподобный тембр (например, «panflute»).
5. Если дисплей показывает обрезанную квадратную форму, уменьшите амплитуду сигналом, поворачивая потенциометр против часовой стрелки.
6. Экспериментируйте с разными тембрами клавиатуры и наблюдайте за результирующими формами волн. Обратите внимание, как сложные тембры генерируют более богатые гармоники.
7. Исследуйте элементы управления Winscope (зум, масштаб амплитуды, триггер) для уточнения вида.

Ограничения: ПК-осциллограф не может выполнять точные измерения напряжения и ограничен аудиочастотным диапазоном. AC-связанный микрофонный вход блокирует постоянные сигналы, поэтому дисплей аналогичен осциллографу, установленному в режим «AC coupling». Тем не менее, это отличное учебное средство для визуализации форм волн и базовых характеристик сигналов.

Для тех, кому нужна более высокая производительность, профессиональные адаптеры PC-осциллографов доступны за ~$400 (цены 2002 года) и предлагают гораздо более высокую полосу пропускания, разрешение и измерительные возможности. Модель Velleman от Radio Shack (каталог #910-3914) — один из таких вариантов. Использование ПК как дисплея дает преимущество легкого захвата и хранения изображений форм волн в цифровом виде.