Программы, эмулирующие работу осциллографа
Обработкой сигналов, поступающих на вход компьютера или ноутбука занимаются виртуальные осциллографы. Эти программы имеют интерфейс, схожий с экраном реального осциллографа. Часть приложений предназначена для работы с устройствами на основе звуковых карт, другие взаимодействуют с USB-осциллоскопами.
Программы, работающие через аудиовхода:
- Digital Oscilloscope;
- SoundCard Oszilloscope;
- Российская разработка «Авангард».
Софт для USB-осциллографов:
- Aktakom OscilloscopePro.
- Simplescope.
Все виртуальные приборы являются двухканальными, снабжены генераторами частот, анализаторами. Проведенные измерения и осциллограммы можно сохранять на ПК. Обычно их не нужно инсталлировать. После распаковки архива и запуска программы появляется интерфейс реального осциллографа с регуляторами настроек.
Методы работы
Компьютер — цифровое устройство, поэтому для измерения аналогового параметра необходимо перевести сигнал в дискретный вид. Для этого используется АЦП — аналогово-цифровой преобразователь. Для вывода данных применяют ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь.
Звуковая карта компьютера дискретизирует входящие аналоговые сигналы, подключаемые к входам LINE IN и MIC.
Поэтому аудиоплату можно использовать в качестве АЦП для подачи на компьютер или ноутбук измеряемого сигнала. Так как человек слышит звук в диапазоне 4Гц- 20кГц, то соответственно и аудиокарта работает в низкочастотном спектре. Полученный осциллограф также будет работать в указанном диапазоне.
Еще одним недостатком в работе «звукового» осциллоскопа является ограничение по напряжению, подаваемому на вход. Оно должно быть в пределах 0,5 В для входа MIC и до 2 В для LINE IN. Подключение сигнала амплитудой более 2В выведет из строя звуковую карту или компьютер.
Из-за конструкционных особенностей аудиокарты — наличие разделительного конденсатора на входе, постоянная составляющая электрического тока не будет показана на осциллографе. Но, используя приложение, можно ее измерить. Подавать сигнал лучше на вход LINE IN, так как он имеет наименьший уровень шумов. Минимальный уровень сигнала, который можно измерить — около 1мВ.
Использование таких осциллоскопов ограничено по частоте. Ими можно снимать показания с усилителей, магнитофонов, различных звуковых девайсов, а также микросхем, работающих на частотах до 20 кГц.
На высоких частотах применяется USB-осциллографы, имеющие больше возможностей. Минусом таких устройств является высокая цена.
Электрическая схема аппаратной части осциллографа.
На чертеже изображена аппаратная часть осциллографа – «Адаптер».
Для постройки двухканального осциллографа придётся продублировать эту схему. Второй канал может пригодиться для сравнения двух сигналов или для подключения внешней синхронизации. Последнее предусмотрено в «AudioTester-е».
Резисторы R1, R2, R3 и Rвх. – делитель напряжения (аттенюатор).
Номиналы резисторов R2 и R3 зависят от применяемого виртуального осциллографа, а точнее от используемых им шкал. Но, так как у «AudioTester-а» цена деления кратна 1, 2 и 5-ти, а у «Авангард-а» встроенный вольтметр имеет всего две шкалы, связанных между собой коэффициентом 1:20, то использование адаптера, собранного по приведённой схеме не должно доставлять неудобств в обоих случаях.
Входное сопротивление аттенюатора около 1-го мегома. По-хорошему, это значение должно бы быть постоянным, но конструкция делителя при этом бы серьёзно усложнилась.
Конденсаторы C1, C2 и C3 выравнивают амплитудно-частотную характеристику адаптера.
Стабилитроны VD1 и VD2 вместе с резисторами R1 защищают линейный вход аудиокарты от повреждения в случае случайного попадания высокого напряжения на вход адаптера, когда переключатель находится в положении 1:1.
Согласен с тем, что представленная схема не отличается изящностью. Однако это схемное решение позволяет самым простым способом достичь широкого диапазона измеряемых напряжений при использовании всего нескольких радиодеталей. Аттенюатор же, построенный по классической схеме, потребовал бы применения высокомегаомных резисторов, и его входное сопротивление менялось бы слишком значительно при переключении диапазонов, что ограничило бы применение стандартных осциллографических кабелей, рассчитанных на входной импеданс 1МОм.
Использование резисторов серии ППР1
Приборы, в состав которых входят элементы этой линейки, весьма популярны. Благодаря высокой чувствительности, применяются для мониторинга электроаппаратуры. Для создания этого измерителя потребуются ЭЛТ, импульсный модулятор, выпрямитель и контакторы с обкладками. Установка кенотрона оправдана точностью полученных показаний. Устройство оперативного типа требует установки контроллера.
Величина сопротивления не выше 34 Ома, а проводимость сигнала с коэффициентом 4,2-4,5 Ом. Через модулятор низкой проводимости выполняют подключение USB-порта. Спектральные расширители для схемы берутся импульсного типа.
Важно! Необходимо организовать стабилизацию напряжения, расширитель закрепить рядом с компаратором, который уменьшит тепловые потери
Осциллографы-приставки с передачей данных по Wi-Fi
Данный вариант передачи данных существенно расширяет возможности измерительного устройства. Сейчас рынок осциллографов с таким видом обмена информацией между приставкой и планшетом набирает обороты ввиду своей востребованности. Такие осциллографы практически не уступают профессиональным, поскольку без задержки передают измеряемую информацию на планшет, который тут же выводит ее в виде графика на экран.
Управление осуществляется через простые, интуитивно понятные меню, которые копируют настроечные элементы обычных лабораторных устройств. Кроме того, подобное оборудование позволяет записывать или транслировать в режиме реального времени все происходящее на экране, что может стать незаменимым подспорьем, если нужно попросить совета у более опытного мастера, находящегося в другом месте.
Характеристики осциллографа для ремонта планшетов в виде приставки с Wi-Fi подключением вырастают в несколько раз, по сравнению с предыдущими вариантами. Подобные осциллографы имеют диапазон измерения до 50 МГц, при этом их можно модифицировать посредством разнообразных переходников. Зачастую в них установлены аккумуляторы для автономного питания, с целью максимально разгрузить рабочее место от ненужных проводов.
Как сделать своими руками осциллограф из ноутбука. Двухканальный осцилограф из компьютера
Технологии не стоят на месте, и угнаться за ними не всегда просто. Появляются новинки, в которых хотелось бы разобраться более детально. Особенно это касается разнообразных позволяющих собирать практически любое простое устройство пошагово. Сейчас в их числе и платы Ардуино со своими клонами, и китайские микропроцессорные компьютеры, и готовые решения, идущие уже с программным обеспечением на борту.
Однако для работы со всем вышеперечисленным спектром интересных новинок, равно как и для ремонта цифровой техники, требуется дорогостоящий высокоточный инструмент. Среди такого оборудования — и осциллограф, позволяющий считывать частотные показания и проводить диагностику. Зачастую его стоимость довольно высока, и начинающие экспериментаторы не могут позволить себе такую дорогостоящую покупку. Тут на помощь приходит решение, которое появилось на многих радиолюбительских форумах почти сразу после появления планшетов на системе Андроид. Его суть заключается в том, чтобы с минимальными затратами изготовить осциллограф из планшета, не внося при этом в свой гаджет никаких доработок либо модификаций, а также исключая риски его повреждения.
Что такое осциллограф
Осциллограф — как прибор для измерения и отслеживания частотных колебаний в электрической сети — известен с середины прошлого века. Данными приборами комплектуются все учебные и профессиональные лаборатории, поскольку обнаружить некоторые неисправности или произвести точную настройку оборудования можно только лишь с его помощью. Он может выводить информацию как на экран, так и на бумажную ленту. Показания позволяют увидеть форму сигнала, рассчитать его частоту и интенсивность, а в результате определить источник его появления. Современные осциллографы позволяют рисовать трехмерные цветные частотные графики. Мы же сегодня остановимся на простом варианте стандартного двухканального осциллографа и реализуем его с помощью приставки к смартфону или планшету и соответствующего программного обеспечения.
Самый простой вариант создания карманного осциллографа
Если замеряемая частота находится в диапазоне слышимых человеческим ухом частот, а уровень сигнала не превышает стандартный микрофонный, то собрать осциллограф из планшета на «Андроид» своими руками можно без каких бы то ни было дополнительных модулей. Для этого достаточно разобрать любую гарнитуру, на которой должен обязательно присутствовать микрофон. Если подходящей гарнитуры нет, то потребуется купить звуковой штекер 3,5 мм обязательно с четырьмя контактами. Перед припаиванием щупов уточните распиновку разъема вашего гаджета, ведь их бывает два вида. Щупы необходимо подключить к пинам, соответствующим подключению микрофона на вашем устройстве.
Далее следует загрузить из «Маркета» программное обеспечение, способное замерять частоту на микрофонном входе и рисовать график на основе полученного сигнала. Таких вариантов довольно много. Поэтому при желании будет из чего выбрать. Как и говорилось ранее, не потребовалась переделка планшета. Осциллограф будет готов сразу же после калибровки приложения.
Плюсы и минусы вышеприведенной схемы
К плюсам такого решения однозначно можно отнести простоту и дешевизну сборки. Старая гарнитура или один новый разъем практически ничего не стоят, а времени потребуется всего несколько минут.
Но у этой схемы есть ряд существенных недостатков, а именно:
- Малый диапазон измеряемых частот (в зависимости от качества звукового тракта гаджета колеблется в пределах от 30 Гц до 15 кГц).
- Отсутствие защиты планшета или смартфона (при случайном подключении щупов к участкам схемы с повышенным напряжением можно в лучшем случае сжечь микросхему, отвечающую за обработку аудиосигнала на вашем гаджете, а в худшем — полностью вывести из строя ваш смартфон или планшет).
- На очень дешевых устройствах присутствует значительная погрешность в измерении сигнала, достигающая 10-15 процентов. Для точной настройки оборудования такая цифра недопустима.
Как измерить входное сопротивление линейного входа?
Чтобы рассчитать аттенюатор для линейного входа аудиокарты, нужно знать входное сопротивление линейного входа. К сожалению, измерить входное сопротивление при помощи обычного мультиметра нельзя. Это связано с тем, что во входных цепях аудиокарт имеются разделительные конденсаторы.
Входные же сопротивления разных аудиокарт могут очень сильно отличаться. Так что, этот замер сделать всё-таки придётся.
Для измерения входного импеданса аудокарты по переменному току, нужно подать на вход через балластный (добавочный) резистор синусоидальный сигнал частотой 50 Гц и рассчитать сопротивление по приведённой формуле.
Синусоидальный сигнал можно сформировать в программном генераторе НЧ, ссылка на который есть в «Дополнительных материалах». Замер амплитудных значений также можно произвести программным осциллографом.
На картинке изображена схема подключений.
Напряжения U1 и U2 нужно измерить виртуальным осциллографом в соответствующих положениях выключателя SA. Абсолютные значения напряжения знать не нужно, поэтому расчёты валидны до калибровки прибора.
Пример расчёта.
R1 = 50кОм.
U1 = 100
U2 = 540
Rx = 50 * 100 / (540 – 100) ≈ 11,4 (кОм).
| Цвет / Расположение | Импеданс (кОм) |
| Красный / Тыл | 82 |
| Чёрный / Тыл | 75 |
| Салатовый / Фронт | 11,4 |
| Розовый / Фронт | 50 |
| Ноутбук | 8,5 |
Вот результаты замеров импеданса разных линейных входов.
Как видите, входные сопротивления отличаются в разы, а в одном случае почти на порядок.
USB осциллограф своими руками схема
Сборка USB осциллографа обойдётся вам всего в 250–300 рублей и сделать вы его можете своими руками.
Bluetooth-канал
В настоящее время электронного прогресса в магазинах появляются приставки, которые выполняют функции осциллографа. Они передают сигнал с помощь Bluetooth-канала на планшет или смартфон. Такой осциллограф — приставка, подключаемая, к планшету
через Bluetooth имеет свои особенности. Предел измеряемой частоты, составляющий 1 МГц, напряжение щупа 10 В и радиус действия порядка 10 метров не всегда хватают для профессионального диапазона рабочей деятельности. В таких случаях можно использовать осциллограф — приставку с передачей данных с помощью Wi-Fi.
Передача данных с помощью Wi-Fi
Wi-Fi значительно расширяет возможности измерительных устройств. Такой вид обмена информацией между планшетом и приставкой особо популярен. Это не дань моде
, а чистая практичность. Поскольку измеряемая информация передаётся без задержек на планшет, который моментально выводит любой график на свой монитор.
Понятное пользовательское меню позволяет быстро и легко ориентироваться в управлении и настройках электронного устройства. А записывающее устройство
позволяет воспроизводить и передавать информацию в реальном времени и во все точки для всех участников этого процесса.
Обычно вместе с покупной осциллограф — приставкой поставляется и диск с программным обеспечением. Эти драйвера и программу
можно быстро скачать на планшет или смартфон. Если такого диска нет — найдите эти данные в магазине приложений или поищите в интернете на форумах и специализированных сайтах.
Многоканальные модификации
Для того чтобы собрать USB-осциллограф своими руками (схема показана ниже), стабилитрон потребуется довольно мощный. Проблема в данном случае заключается в повышении пропускной способности цепи. В некоторых ситуациях работа резисторов может нарушаться из-за смены предельной частоты. Для того чтобы решить эту проблему, многие используют вспомогательные делители. Указанные устройства во многом помогают повысить порог предельного напряжения.
Сделать делитель можно при помощи модулятора. Конденсаторы в системе необходимо устанавливать только возле стабилитрона. Для повышения полосы пропускания используются аналоговые резисторы. Параметр отрицательного сопротивления в среднем колеблется в районе 3 Ом. Диапазон по блокированию зависит исключительно от мощности стабилитрона. Если предельная частота резко падает во время включения устройства, то конденсаторы необходимо заменить на более мощные. Некоторые специалисты в данном случае советуют устанавливать диодные мосты
Однако важно понимать, что чувствительность системы в этой ситуации значительно ухудшается
Дополнительно необходимо сделать щуп для устройства. Для того чтобы осциллограф не конфликтовал с персональным компьютером, целесообразнее микросхему использовать типа ММР20. Сделать щуп можно из любого проводника. В конечном итоге человеку останется только прибрести порт для него. Затем при помощи паяльника вышеуказанные элементы можно соединить.
Что представляет собой осциллограф и его функции
Для тех кто не особо знаком с работой осциллографа и его визуальными видами поясню. Это прибор (в старом варианте типа мини-телевизора, в новом — дизайн планшета и т. п.), который измеряет и отслеживает частотные колебания
в электрической сети. На практике он широко используется многими специализирующимися лабораториями и профессиональными радиотелемастерами. Поскольку точные настройки многих электроприборов производятся только с его помощью.
Его показания в электронной или бумажной форме позволяют видеть синусоидальные формы сигнала. Частота и интенсивность этого сигнала, в свою очередь, позволяет определить неисправность
или неправильную сборку электросхемы. Сегодня мы рассмотрим двухканальный осциллограф, который можно собрать своими руками на основе действующих схем смартфона, планшета и соответственного программного обеспечения.
Сборка карманного осциллографа на основе «Андроида»
Замеряемая частота должна быть слышимой человеческим ухом, а уровень сигнала не должен превышать стандартного микрофонного звука. В этом случае, собрать осциллограф на основе «Андроида» своими руками можно и без дополнительных модулей. Разбираем гарнитуру, на которой присутствует микрофон. При отсутствии этой гарнитуры необходимо приобрести звуковой штекер на 3,5 мм с четырьмя контактами. Щупы припаять согласно разъёмам вашего гаджета.
Загрузить программное обеспечение из «Маркета», которое будет замерять частоту микрофонного входа и вырисовывать график на основе этого сигнала. Представленных вариантов будет достаточно, чтобы выбрать оптимальный. После калибровки приложения — осциллограф будет готов к использованию.
Плюсы и минусы «Андроидной» сборки:
- Плюсы: простота и дешевизна; минимальная затрата времени на осуществление этого проекта.
- Минусы: низкое качество звукового тракта гаджета, существенно влияет на диапазон измеряемых частот; отсутствие защитных элементов, которые предохраняют смартфон и планшет от случайных подключений щупов к точкам повышенного напряжения электросхемы; большая погрешность при измерении сигнала, в случае дешёвого устройства.
Сборка осциллографа из планшета
Для стабилизации сигнала и расширения диапазона входного напряжения можно использовать схему осциллографа для планшета. Она долго и успешно используется для сборки устройств для компьютера.
Для этого применяются стабилитроны КС 119 А с резисторами на 10 и 100 кОм. Первый резистор и стабилитроны подключают параллельно. Второй и более мощный резистор подключается на вход электросхемы. Это расширяет максимальный диапазон напряжений. В конечном счёте пропадают дополнительные помехи и повышается напряжение до 12 вольт.
Нужное программное обеспечение для сборки осциллографа на основе планшета и андроида
Чтобы работать с подобной схемой потребуется программа, которая способна нарисовать графики на основе входящего звукового сигнала. Множество таких вариантов легко найти в «Маркете». С помощью них можно выбрать дополнительную калибровку и добиться максимальной точности для профессионального осциллографа из планшета или другого функционального устройства.
Широкодиапазонная частота с помощью отдельного гаджета
Широкий диапазон частот с помощью отдельного гаджета достигается его приставкой с аналогово-цифровым преобразователем, который обеспечивает передачу сигнала в цифровом варианте. За счёт этого достигается более высокая точность измерений. На практике — это портативный дисплей, который аккумулирует информацию с отдельных устройств.
Устройства с подавлением колебаний
Осциллографы с блоком подавления колебаний используются в наше время довольно редко. Подходят они больше всего именно для тестирования электроприборов. Дополнительно следует отметить их высокую вертикальную чувствительность. В данном случае параметр предельной частоты в цепи не должен превышать 4 Гц. За счет этого стабилитрон во время работы сильно не перегревается.
Делается осциллограф своими руками с применением микросхемы сеточного типа. При этом необходимо в самом начале определиться с типами диодов. Многие в данной ситуации советуют применять только аналоговые типы. Однако в этом случае скорость передачи сигнала может значительно снизиться.
Это приложение тестировалось только с Samsung Galaxy GT-i5700 Spica (Android 2.1)
Как АЦП для двух входов в схеме используется PIC33FJ16GS504 Microchip (). Обработанные данные передаются в телефон через Bluetooth модуль LMX9838 (даташит).
Характеристики осциллографа: — Время на деление: 5мкс, 10мкс, 20мкс, 50мкс, 100мкс, 200мкс, 500мкс, 1мс, 2мс, 5мс, 10мс, 20мс, 50мс. — Вольт на деление: 10мВ, 20мВ, 50мВ, 100мВ, 200мВ, 500мВ, 1В, 2В, GND — Аналоговый вход (зависит от предусилителя): от -8V до +8 V
Исходные коды для Bluetooth были взяты из https://developer.android.com. Этот пример состоит из трех файлов исходного кода Java. И я полностью скопировал «DeviceListActivity.java», который используется для поиска удаленных устройств Bluetooth. Я изменил «BluetoothChatService.java», удалив оттуда всё лишнее.
Остальная часть работы в основном заключалась в переносе моих предыдущих наработок для S60 на язык Java. Это было сложно, но тем не менее, это был хороший пример для изучения JAVA программирования.
Исходные коды и прошивки для Android и PIC можно скачать .
Вот схема. В ней нет ничего особенного, всё основано на существующих схемах.
Возможно, я выбрал не самый хороший микроконтроллер для этой цели, т.к. остались незадействованные выводы. Но я смог купить только такой и тут самый хороший АЦП.
Если вы хотите изменить диапазон входного напряжения с помощью изменения предусилителя на операционном усилителе, вычисления находится в файле «adc.xmcd». Также, кроме LMX, вы можете использовать другие модули Bluetooth.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
| МК PIC 16-бит | dsPIC33FJ16GS504 | 1 | В блокнот | |||
| Bluetooth модуль | LMX9838 | 1 | В блокнот | |||
| U1 | Операционный усилитель | TLV2372 | 1 | В блокнот | ||
| U2 | Линейный регулятор | LM1117-N | 1 | В блокнот | ||
| D1 | Выпрямительный диод | BAS16 | 1 | В блокнот | ||
| D2 | Светодиод | 1 | В блокнот | |||
| C1, C6, C8-C10 | 10 мкФ | 5 | В блокнот | |||
| C2 | Электролитический конденсатор | 47 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| C3-C5, C7 | Конденсатор | 1 мкФ | 4 | В блокнот | ||
| R1, R5 | Резистор | 47 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R2, R6 | Резистор | 10 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R3, R4, R7, R8 | Резистор | 2.2 кОм | 4 | В блокнот | ||
| R9-R12 | Резистор | 1 кОм | 4 | В блокнот | ||
| # | Резистор |
В настоящее время тяжело угнаться за новейшими технологиями радиоэлектроники. Разнообразные электронные устройства можно теперь модифицировать по своему вкусу из одного в другое. Было бы желание и умение. Даже из старых электронных часов можно сделать простой тестер для многих деталей электросхемы, не говоря уже о планшетах и компьютерах. Многим радиолюбителям и профессионалам часто приходиться пользоваться точными электронными приборами, среди которых очень популярен осциллограф . Такой хороший прибор стоит недёшево. Хотя сделать его своими руками на основе планшета и андроида не составит особого труда даже радиолюбителю.
Простой самодельный осциллограф из смартфона
Хороший осциллограф относится к слишком дорогому оборудованию для обычного радиолюбителя, для которого пайка микросхем и ремонт электроники является только хобби. При необходимости наблюдения за электрическими сигналами без получения сверх точных результатов вполне возможно обойтись самодельным устройством. Такой осциллограф подключается к экрану смартфона и работать под управлением специального бесплатного приложения. Его изготовление обойдется недорого и займет всего пару часов, с учетом сбора материалов.
Материалы
- штекер 3,5 мм от наушников;
- провода;
- термоусадка;
- стабилитрон 2,2В;
- резистор 2,2К;
- резистор 1К;
- тестовая клипса;
- корпус от маркера;
- мебельный гвоздик.
Сборка осциллографа
На рисунке представлена схема простейшего осциллографа — щупа для смартфона, которую необходимо повторить
Очень важно использовать резисторы с такой же цветовой маркировкой, как в примере, поскольку это позволит получить от устройства максимум чувствительности и точности
Сборку следует начать с подготовки штекера мини-джек 3,5 мм от наушников. С него срезается пластиковая часть, после чего припаиваются 2 проводка как показано в схеме осциллографа.
Припаянные провода необходимо дополнительно закрепить и изолировать. Для этого будет достаточно применить 2 слоя термоусадочной трубки.
Далее к шляпке маленького мебельного гвоздика необходимо припаять одножильный провод.
Место пайки сверху изолируется термоусадкой. Гвоздик будет выполнять функцию плюсового электрода.
Провод с гвоздиком заводится в корпус маркера с удаленным стержнем. В результате электрод должен заменить пишущий наконечник фломастера. Также нужно завести проводок от разъема 3,5 мм в пробитое отверстие в заднем колпачке маркера.
Далее необходимо соединить параллельно и спаять стабилитрон с резистором 1К. К ним согласно схеме прибора припаивается резистор 2,2К.
В корпусе маркера ближе к пишущей части делается боковое отверстие. В него продевается отдельный провод, второй конец которого выходит из задней части фломастера.
К выведенному проводку припаивается стабилитрон с резистором 1К. Также к ним нужно присоединить жилу питания от разъема 3,5 мм
Важно соблюсти полярность, как на схеме. Вторая жила от мини-джека паяется к резистору 2,2К
Провод с гвоздиком нужно подсоединить к оставшемуся концу резистора 2,2 К. Все соединения защищаются термоусадкой. После этого резисторы и стабилитрон необходимо спрятать в корпусе маркера, закрыв его задним колпачком.
На выходящий сбоку маркера провод, присоединенный к резистору 1К и стабилитрону нужно припаять тестовую клипсу.
После этого аппаратная часть устройства полностью готова.
Далее нужно установить на смартфон приложение Oscilloscope Pro 2. Осциллограф подключается к телефону и может использоваться по предназначению под управлением данной программы. Его тестовая клипса используется как масса, а электрод из гвоздика на маркере является плюсом. Приложение в связке с самодельным устройством позволяет настраивать пороги срабатывания, просматривать форму сигнала на дисплее и многое другое.
