Осцилоскоп

Това е описание на едноименната програма. Тя визуализира променливи напрежения с обикновен компютър. Честотата, с която се променя наблюдаваното напрежение може да е най-много 30-40 килохерца. За входна клема се използува микрофонния жак. Почти всеки компютър има такъв, става дума за компютри, продавани свободно на пазара през 2005-2012 година.
Програмата е свободна за всеки - oscilloscope.exe.

Внимание - електричество
Компютрите и устройството тук работят с ниски напрежения. Сигналите, които изследвате, трябва да имат амплитуда до 10 волта.
Не се опитвайте да подавате на входа повече, иначе ще повредите компютъра.

Класически осцилоскоп
Искам да припомня на тези които знаят принципа на действие на класическите осцилоскопи. Изобразен е на фиг.1. Входното напрежение се усилва (или нормира) чрез усилвател, надписан на фигурата като Y-усилвател, тъй като усиленото напрежение се подава на отклонителната система по Y.
От същото напрежение се отнема малка част и с нея се възбужда генерация на сигнал със същата честота, с каквато е входното напрежение, но с нормирана постоянна амплитуда и трионообразна форма. Това се нарича XY-синхронизация. Така генерираното напрежение се усилва и подава на отклонителната система по X-направление. Тъй като двете напрежения са с еднаква честота, предизвиканият образ винаги е в екрана и точно повтаря формата на входното напрежение. Колко точно - зависи от линейността на Y-усилвателя и точната трионообразна форма на X-генерацията.
Поуката от тази схема е, че
1. Входното напрежение трябва да е с постоянна честота.
2. Входното напрежение трябва да е с постоянна форма.
Ако дори едно от тези две условия не е спазено, на екрана на ЕЛТ не може да се стабилизира образ. В частност, ако подадем на входа звуков сигнал, ще видим форма само ако този сигнал е монотонен - спазващ горните две условия. Говорът, музиката, и повечето звуци не са такива.


Аналого-цифров преобразувател
В компютъра всичко е цифрово, а задачата на осцилоскопа от по-горе е разделена на две независими части - запис и възпроизвеждане. Принципът на действие на цифровия запис е илюстриран на Фиг.2. Това е бързо сканиране на входния сигнал - изследване на множество точки - достатъчно голямо, за да може в последствие сигнала да бъде възпроизведен от същите точки с добро приближение. Централна роля в тази постановка играе един прибор, наречен АЦП (Аналого-цифров преобразувател, англ. ADC). Обикновено такъв е монтиран на звуковите карти и се използува за запис на звук от микрофон. Тоест решението на задачата присъствува в моя компютър (също и във всеки друг). Затова написах една програма и сглобих една проста хардуерна добавка с предназначение да бъдат наблюдавани променливи сигнали. Наричам я осцилоскоп, за да избегна нова дума, но само функцията е такава. Външния вид, управлението и наблюденията, пък и принципът на действие са различни от тези на класическите прибори, описани по-горе. Ако Ви трябва осцилоскоп за по-високи честоти (над 30-40 килохерца), този няма да помогне. Но в звуковия обхват той има добри показатели. Аз го ползувах успешно за наблюдение на PWM-сигнали, с които се управляват по-често срещаните модели на серво-контролери.
Звуковите карти обикновено имат отлични АЦП-та. Тези с които се запознах (най-популярните марки) могат да правят до около 200000 измервания в секунда. От там идва и ограничението за честота на изследвания сигнал. На теория това ограничение е 100 kHz, но не съм го пробвал и не зная колко е то на практика. Предполагам че е около 30-40. Обаче има други две неща, които са в плюс - описаните по-горе две условия за аналоговите осцилоскопи ги няма. Не е нужно входния сигнал да е периодичен. Той може да е произволна функция на времето.


Как работи
Веднага след старта на програмата (виж Фиг.3), ако има монтиран микрофон, се вижда псевдообраз на шума идващ от микрофона. "Псевдо", защото по-долу става ясно, че това е само ориентировъчен а не 100-процентов режим на работа. Все пак, този шум е видим и показва нормална работа на устройството и програмата.
Ако няма включен микрофон, няма да има и шум на екрана.
В нашия случай целта не е да изследваме звуци, а външни електрически сигнали, затова изобщо няма изискване за включен микрофон. Но тъй като микрофонното включване е най-лесно, ще продължим още малко с разсъждения около звука.
Начина на работа "първо запис, после възпроизвеждане" води до следния проблем: Програмата работи привидно непрекъснато, но всъщност при нормален режим, какъвто е веднага след старта, тя периодично преминава през "четене", режим "запис" и "възпроизвеждане" на данните. Звуковата карта има собствен процесинг, временно независим от компютъра. Картата записва данните в свой буфер, от където програмата ги прочита и след това ги възпроизвежда. По време на прочитането, записа спира и така се получават прекъсвания. Тези прекъсвания са краткотрайни и понякога незабележими. Но ако искаме точна информация за сигнала, те пречат. Затова е предвиден друг, непрекъснат начин на работа. При него действията "запис" и "възпроизвеждане" са разделени и се командват пряко. В режим "запис" данните се записват без загуби от прекъсвания, без да се визуализират. Когато записът свърши, е предвидено разглеждане на записаните данни на екрана.

Хардуерна добавка
Сигналите може да варират по напрежение и затова е редно те да не се включват направо в микрофонния вход, а през стъпало, осигуряващо ниво не повече от 1 волт. Това стъпало е добавката, изобразена на Фиг.4. Представлява малка платка с размери около 5 х 2 см. На нея има монтирани четири неща - отляво надясно: ключ, микрофон, тример-потенциометър и съединител за сонда. Само първото ключе е валидно. В положение "ON" то включва микрофона. Потенциометърът е за да нагласим нивото на сигнала така, че да се вижда в рамките на екрана. Съединителя за сондата е симетричен - средния пин е сигнал, а двата крайни - минус (екрана на кабела).
Добавката е делител на напрежение. Версиите след 2013 г имат програмно съгласуване
за 0.1в, 1в, 10в - съответно за вход 1:1, 1:10, 1:100.

Процедура
1. Намерете отвора за микрофон на компютъра. Конвенцията за този отвор е да има розов цвят. Понякога е надписан като "Mic". Включете устройството в положение "микрофон" и го включете в компютъра.
2. Стартирайте програмата "oscilloscope.exe". Трябва да видите картинката от фиг.3 по-горе и даже трябва да се вижда реакция на околни звуци. Така разбираме, че осцилоскопа работи.
3. Превключете кабела в положение "Осцилоскоп". Нагласете копчето на потенциометъра върху платката за очакваното напрежение. Това вече е готовност за работа.
Както по-горе казахме, обикновения (стартовия) режим е ненадежден, затова използувайте копчето "Record". С него запишете малка поредица данни (не повече от 20 секунди). После натиснете копчето "Show recorded on Screen". Така ще разгледате подробно целия записан участък. Моят опит със серво-контролер показа картинкатта от Фиг.5. По хоризонталната ос е времето в секунди, а по вертикала-напрежението. Скалата на напрежението не е надписана, защото тя се наглася от тримера и е с относителни плюс минус десет деления. Скалата на времето е точна.

По-късно добавени
Спектър
В долния ляв ъгъл има бутон с надпис "F-Spect". Той стартира Фурие-преобразувание. Ще покаже честотния спектър за участъка, който се вижда на екрана. Разлагането става с толкова коефициента, колкото е броя на пикселите по оста на времето, изобразена на екрана. Не е онлайн, защото е сравнително бавна процедура. Вдясно има още един бутон с надпис "F-Curve", който показва обратно получена крива за проверка. Честотният мащаб се уточнява от Радиогрупата над F-бутоните. Честотната крива и скалата с честотите са червени, за да е различно от сигнала.



Р.Ж. 26.04.2012 последна поправка от 03.2015

Начална страница