Vím, že tímto tvrzením hodně lidí popudím, ale tři přístroje podkládám za zcela základní vybavení pro každého, kdo chce nebo musí dělat něco v oblasti elektroniky: nastavitelný zdroj napětí a proudu, osciloskop a univerzální multimetr. V tomto pořadí důležitosti. Neznamená to ale, že by toto vybavení muselo být drahé, naopak. Pro začátek není nutné mít přístroje se špičkovými parametry, někdy stačí k pořízení použitelného vybavení jen několik desetikorun.
Bez zdroje není z čeho zařízení napájet, multimetr potřebujeme především k měření napětí, proudu a odporu, a když umí třeba i zkontrolovat polovodiče nebo změřit kapacitu, tím líp. Osciloskop přijde ke slovu především tehdy, když je třeba pozorovat signál, který se mění v čase. Osciloskopem a jednoduchými přípravky můžeme nahradit spoustu dalších měřicích přístrojů.
Tvrzení, že „osciloskop je drahý“, je jen výmluvou. Přístroj s použitelnými parametry pro práci s mikrokontroléry a malou robotikou lze nový koupit v ceně do 1000 Kč. Pro začátek může dokonce stačit i takový, který může mít každý k dispozici zdarma, tedy pokud má přístup na počítač (starší je dokonce většinou lepší), což už se dnes ale jaksi předpokládá, a u robotiků jen těžko můžeme uvažovat o opaku.
Kompletní stavebnice jednoduchého osciloskopu v ceně 20$ včetně dopravy (foto z nabídky prodejce na Ali express)
Kit osciloskopu do cca 300 kHz a generátoru kmitočtů v ceně 28$ včetně dopravy (foto z nabídky prodejce)
Podívejme se na to, jak si osciloskop zdarma opatřit a dovybavit několika základními přípravky. Budeme potřebovat počítač s operačním systémem Windows a se zvukovým vstupem „Line IN“ (jen vstup pro mikrofon lze v nouzi použít také, výsledky jsou mnohem horší). Nebudeme se zde zabývat výukou základů práce s osciloskopem a vysvětlováním jeho činnosti, to necháme na jindy, nyní nám jde o to mít osciloskop k dispozici a neohrozit počítač.
Program Spectra Scope
Program Spectra Scope ve verzi 1.11 pochází z roku 2011 a můžeme si jej stáhnout ze stránek hotamateurprogram. Po stažení instalačního souboru se program obvyklým způsobem nainstaluje, měl by pracovat pro Windows XP, Vista nebo Windows 7. Program pracuje jako dvoukanálový osciloskop s frekvenčním rozsahem 20 Hz až 20 kHz dovoluje zobrazit vstupní průběhy podobně jako obyčený osciloskop. U každého kanálu lze ovládat citlivost, offset (posunutí stopy), můžeme určit z kterého kanálu a v jaké úrovni se odvodí synchronizace, měnit časovou základnu, nechat nasnímat jen jeden průběh nebo „zmrazit“ zobrazený průběh. Můžeme i sečíst signál obou stop nebo přepnout do režimu XY a pozorovat fázové posuny signálů. Instalační soubor v ZIP formátu si můžete stáhnout přímo zde: Spectra Scope .
Program Spectra Scope
Na obrázku je snímek z programu Spectra Scope při zobrazení dvou základních signálů z nejjednoduššího generátoru signálu s obvodem 555, nahoře je průběh na kondenzátoru, dole na výstupu obvodu. Svislými fialovými značkami je vymezena jedna perioda signálu a vpravo dole si můžeme přímo přečíst frakvenci 228 Hz. Program umí i zobrazení frekvenční analýzy, ale tento režim jednak asi příliš neuplatníme, jednak nefunguje moc dobře.
Před použitím musíme v menu „Options“ vybrat vstup signálu. Používáme-li vstup Line IN a jako základní je v počítači nastaven vstup pro mikrofon, nastaví se na začátku mikrofon i pro tento program. To je nejčastější chyba a důvod nefunkčnosti při prvním použití.
Jaké jsou nevýhody? Samozřejmě je to omezení frekvence na zvukové kmitočty. Další je to, že zvukové vstupy počítačů jsou oddělené kondenzátory, takže tento osciloskop (stejně jako každý jiný pracující s neupraveným zvukovým vstupem PC) neumí zobrazit stejnosměrné úrovně nebo velmi pomalé signály a odečítání konkrétních hodnot napětí na svislé ose je v podstatě nemožné. Můžeme ale využít porovnání. Máme-li signál se známou amplitudou, můžeme si nastavit citlivost vstupu tak, aby rastr dílků v obraze odpovídal nějaké celistvé hodnotě. Naopak co se týče vodorovné (časové) osy, je měření překvapivě přesné. Vstupní signál by neměl překračovat úrovně přibližně ± 0,5 V, protože vstupy zvukových karet bývají chráněny antiparalelní dvojicí diod. Předpokládáná úroveň signálu bývá zpravidla v pásmu ±0,2 V, ale počítače se mezi sebou mohou dost lišit.
Program Soundcard Scope
Další z programů, pravděpodobně v této oblasti nejlepší a nejuniverzálnější, je SoundCard Scope nyní ve verzi 1.46 dostupný na stránkách autora. Program je průběžně aktualizovaný a lze jej stáhnout, vyzkoušet a využívat zdarma pro soukromé a výukové účely, pro komerční využití lze zakoupit licenci nebo multilicenci.
Standardní dvoukanálový osciloskop
Tento program je postupně vyvíjen řadu roků a jeho velkou výhodou pro nás je to, že má mimo jiné menu v češtině. Prakticky všechny prvky lze ovládat myší systémem „uchop a táhni“, měření dovede odečítat hodnoty, přepočíst je třeba na efektivní nebo dělat záznam měření do souboru. Nevýhody jsou v podstatě shodné jako u předchozího programu, SoundCard Scope nám ale nabízí v jednom balíku podstatně víc možností.
Režim XY
Kromě výborně ovladatelného základního dvoukanálového osciloskopu máme i možnost zapnout režim XY nebo frekvenční analýzu signálu, která tentokrát pracuje velmi dobře. Na následujícím obrázku je výsledek analýzy hamonických složek obdélníkovitého signálu (zelená stopa – obdélníkový signál), signál je možné dál upravit digitálními frekvenčními filtry a tím například odstranit základní kmitočet, aby byly lépe vidět složky vnášející zkreslení.
Frekvenční analýza signálu
Ani to zdaleka není vše. V další záložce máme dvojitý generátor signálu, který můžeme využít pro vnější měření nebo přímo poslat na osciloskop. K dipozici jsou různé průběhy: sinus, trojúhelník, pila, obdélník, bílý šum, růžový šum nebo průběh počítaný podle zadaného vzorce. Každý kanál samostatně může být rozmítán v zadaných mezích zadanou rychlostí.
Režim dvojitého generátoru signálů
K čemu je tohle všechno dobré mimo demonstraci možností osciloskopu nebo zkoušky zvukové techniky? Co třeba k tomu, abychom vygenerovali postupně se zrychlující pulzy pro řadič krokového motoru a vyzkoušeli přesně jeho rezonance nebo maximální možnou rychlost spolehlivého chodu, abychom simulovali servosignál nebo PWM modulaci pro řízení stejnosměrného motoru. To vše a mnohé další jsou případy, kdy vystačíme se zvukovými frekvencemi a osciloskop i generátor signálu z PC můžeme plně využít.
Důležité upozornění: V případě, že se na vstup osciloskopu (Line In nebo Mic) dostane signál s příliš velkou amplitudou nebo stejnosměrnou úrovní, může se vstup počítače zničit! Totéž platí i pro výstupy signálů z generátorů (Line Out), když je zkratujeme, nebo do nich vnutíme nepatřičné úrovně, počítač se zničí! Zejména u notebooků je oprava problematická a velmi drahá! Všechny pokusy a používání programů – osciloskopů děláte na svoje vlastní riziko!
Aby se předešlo možnému poškození počítače a současně se zlepšily užitné vlastnosti osciloskopu a generátoru, vyrobíme si předem několik jednoduchých přípravků, které budeme důsledně používat. Přípravky jsou zakreslené pro jeden vstup osciloskopu nebo jeden výstup generátoru, obvykle vyrábíme rovnou dva. Počítá se s tím, že jak vstupy tak výstupy zvuku v PC jsou oddělené kondenzátory.
Vstupní dělič a mírné zvýšení vstupního odporu
Pasivní dělič s ochranou proti překročení napětí na vstupu osciloskopu v nejjednodušší podobě je na následujícím obrázku. Signál se dělí 11x až 101x a diody následně omezí jeho amplitudu na přibližně ±0,5 V, takže ochrání vstup počítače. Bez děliče pracujeme jen se signály, které jsou určitě tak slabé, že by zařazení děliče omezovalo možnosti zobrazení, nebo raději použijeme oddělení přes operační zesilovač (další schéma). Dané součástky (rezistor 100 k) dovolují pracovat se signály přibližně ±5 V, ale u okrajů pásma může docházet ke zkreslení. Jestliže často pracujeme s logickými signály (úrovně 0 až 5 V), raději nahradíme rezistor 100 k rezistorem 220 k. Pro signály až do ±50V (větší raději neměříme) použijeme rezistory 1 MΩ a 10 kΩ.
Oddělovač s velkým vstupním odporem
Oddělovač s operačním zesilovačem má za úkol především zvýšit vstupní odpor přibližně na 10 MΩ a současně zeslabit vstupní signál 5 až 20x. Nikdy nenastavujeme trimr do horní polohy, používáme jej jen v dolní polovině rozsahu (mohly by se poškodit diody nebo operační zesilovač).
Výstupní zesilovač analogových signálů z generátoru
Úroveň výstupního zvukového signálu se může dost lišit, můžeme zpravidla počítat s rozsahem ±0,2V, ale nezřídka je na výstupu i signál větší než ±1V. Tento zesilovač má dvě úlohy, jednak signál zesílí přibližně 20x, jednak má velmi malý výstupní odpor (velikost signálu nebude záležet na vstupním odporu navazujícího zařízení). Pokud dojde ke zkratu, může se operační zesilovač zničit, ale výstup PC to nezasáhne. K napájení můžeme použít symetrický zdroj ±5 až ±10V, zem zdroje (střed) je spojena se zemí PC.
Výstupní zesilovač digitálních signálů
Tento zesilovač předpokládá ma vstupu obdélníkový signál z generátoru (z PC) a vytvaruje z něj pulzy v TTL úrovních pro další použití v logických obvodech.
Jednoduchý kalibrátor
Kalibrátor pro osciloskop má obecně dávat signál přesně známé amplitudy a frekvence, aby bylo možné nastavit jak citlivost svislé osy (napětí) tak vodorovné (čas). My časovou osu nastavovat nepotřebujeme a ani nemůžeme, stačí nám pulzy známé amplitudy, a ani toto nastavení nemusí být zvlášť přesné. Frekvenci generátoru zvolíme někde mezi 200 Hz a 2 kHz, tam je zobrazení nejlepší. Kalibrátor vlastně nemusíme ani stavět, už ho máme hotový, můžeme použít předchozí výstupní zesilovač digitálních signálů, který má na výstupu rozkmit přibližně 5 V. Když potřebujeme menší úroveň signálu, třeba 0,5 V, zapojíme na výstupu stejného obvodu odporový dělič podle následujícího obrázku.
