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;處理類比信號時,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么頻率。數字電子裝置為數眾多,信號的時差變得極為重要,因此需要有示波器時時檢測。
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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,主要差別在于兩者所能處理的電壓以及測量電壓的頻率(稍后詳細討論)。因為電腦上的音效卡只能處理較低的電壓(約 /- .6V到 .8V),所以要把電壓調低。成功制作示波器探針的要點在于:容納更高電壓的輸入,并把電壓調低,讓音效卡可以處理。
以下的步驟會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,只需要制作只有一個頻道的探針,因為麥克風輸入通常是單聲道。完成之后,再來看看這組示波器和實驗室級的型號有何差異,并討論其限制。
材料
1M歐姆線性電位計(2),RadioShack網站商品編號#271-211:請務必購買線性型而非音訊型。
4.7k歐姆電阻,1/4或1/2瓦(2),RadioShack網站商品編號 #271-312
1N4148一般二極體,非齊納型(4),RadioShack網站商品編號#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,為麥克風和線路輸入提供充足的保護。
6′ 1/8″ (3.5mm)立體聲音頻線,RadioShack網站商品編號#42-2387:若麥克風輸入僅由單頻道連接,則可使用單聲道線。
迷你測試夾片轉接器,RadioShack網站商品編號#270-372
六角形控制旋鈕,RadioShack網站商品編號#274-415
洞洞板:購買雙面型,或用2個一般洞洞板自行制作雙面洞洞板(參見第2步)
電子線,非必要:用于制做雙面洞洞板(參見第2步)。
工具
Make: it豪華工具組,RadioShack網站商品編號#64-246。
迷你熱熔膠槍,RadioShack網站商品編號#55066341
弓鋸
電焊幫手
步驟第一步:電路圖概覽
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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,信號從探針進來,直接接到4.7k歐姆電阻(R1)。
信號從該處通過1M歐姆電位計(R2),調整到達音效卡的電壓。
注: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(D1和D2)的相鄰配置可以保護音效卡的線路輸入,在輸入信號超過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,借此保護二極體。
注: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,還需要立體音頻線、夾線和用來安裝所有元件的洞洞板。
注意:本項目是根據雙面洞洞板(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:制作雙面洞洞板
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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
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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,排列其他主要元件后,看一下大略的配置。
配置好2個電位計和4.7k歐姆電阻之后,找出最適合二極體的地方。在板上標記電位計電極的位置,做為之后參考。
第四步:接上音頻線
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把音頻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。
注: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。之后別忘了把烙鐵擦干凈。
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
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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。把電位計固定于板上時使用熱熔膠。
最后,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
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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個線和夾的組合:2組以紅線供信號線使用,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的位置。紅線是信號線,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。
電子裝置和硬件部份已經完成了,可以再為電位器裝上外殼和旋鈕。
第七步:安裝軟件
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從下載軟件并安裝。安裝時僅需在.exe檔點擊兩下,并依照對話框的指示操作。
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。(或許我會自己寫一個,再發布出去!)
第八步:軟件使用 – 60Hz比較
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這個軟件的功能意外強大,不僅提供雙頻道支援(若你的硬件有提供),更有FFT測量、游標、X-Y圖和信號產生器!
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(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。本軟件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:軟件使用 – 1kHz比較
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在1kHz,音效卡示波器仍然運作良好。
注:音效卡示波器甚至會顯示所測量的頻率,方便確認。
第十步:軟件使用 – 10kHz比較
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然而到了10kHz,音效卡示波器就接近極限了。可以發現信號有鋸齒狀的坡度角─這是采樣問題的征兆。
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范圍。實驗室級的示波器在這里有200MHz的頻寬,也就是說在0到200MHz的范圍可以有效地測量。音效卡的頻寬則小得多,約20–15kHz。在這個范圍之外,測量結果便不準確。
采樣頻率這里的實驗室級示波器采樣頻率有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法準確測量。基本上,采樣頻率是系統測量電壓的頻率。實驗室級的采樣頻率可達每秒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,但并非如此!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馀。當電路越來越快時,再考慮買實驗室級的型號。
第十一步:軟件─方波及FFT
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有一些業余項目會需要測量到方波,例如前面提到的伺服馬達,但是不用擔心,這套軟件也適用,且較低速度(<10kHz)時有極小的信號衰減。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于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。
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