Každý, kdo kdy měl něco do činění s elektronikou, jistě slyšel nebo i používal osciloskop, tedy zařízení pro zobrazení a měření parametrů téměř libovolných průběhů elektrických signálů. Každý, kdo o jeho koupi uvažoval, jistě ví, že i ceny nejlevnějších osciloskopů jsou v řádu mnoha tisíc, častěji spíše v řádu desítek tisíc, a tedy jen opravdoví nadšenci z oblasti amatérských elektroniků si je pořídí. Existuje však i možnost si základní nízkofrekvenční průběhy zobrazit a pohrát si s osciloskopem, aniž by jste do tohoto vráželi jakékoli peníze. Řešením je softwarový osciloskop ve vašem PC.

Z čeho se však takový osciloskop skládá? Jestliže to maximálně zjednodušíme, tak dnes v digitální době prakticky jen ze vstupních obvodů, provádějících digitalizaci analogového signálu na datový signál (datový tok čísel) a zpracovávajícího / vyhodnocujícího / zobrazujícího softwaru, běžícího na více či méně sofistikovaném procesoru (počítačové desce). Když se však nad tím zamyslíme, zjistíme, že toto má i každý náš osobní počítač či notebook. Vstupní obvody jsou zde v podobě nahrávacího Line-In nebo alespoň mikrofonního MIC vstupu zvukové karty a tak stačí jen vhodný software pro daný operační systém. Stačí jen zapátrat na internetu a hned jich několik najdete, včetně freeware verzí.

Zkušení elektronici a elektrikáři budou namítat, že je to k ničemu, udělat si osciloskop z běžného PC pouze prostřednictvím softwaru a integrovaných zvukových obvodů. Ano, zvuková karta není na tuto funkci zrovna stavěna, ale úplně k ničemu to není. Pro amatéry nebo začínající zájemce o elektrotechniku to může být docela zajímavá zkušenost - zobrazit si signály nízkých frekvencí a také si osvojit ovládání osciloskopu, protože většina softwarů se v uživatelském okně snaží simulovat přední panel klasického hardwarového osciloskopu. Mimochodem jej lze docela dobře použít pro zjištění reálných schopností vstupních zvukových obvodů vaší zvukovky s pomocí generátorů průběhů i připomenutí si zákonů a potřebných podmínek pro digitalizaci analogových průběhů.

Úskalí a limity zvukové karty

TEST - PC osciloskop software BIP Oscilloscope 3.0

Program pro OS Windows (já osobně jej zkoušel na Windows XP Home) s názvem BIP Oscilloscope 3.0 jsem stáhnul jako freeware pro domácí použití ze stránek http://www.electronics-lab.com/downloads/pc/002/index.html .

Na disku se vám objeví v podobě zip souboru, který když rozbalíte, obsahuje spouštěcí EXE soubor programu, HLP soubor nápovědy (docela dost podrobné) a další dva doplňující „provozní“ soubory programu. Program se tedy neinstaluje a spouští jen prostě kliknutím na EXE soubor. Jen při prvním spuštěním mi můj bezpečností systém hlásil požadavek přístupu programu do složky Windows/System32, asi s ohledem nutnosti přístupu ke zvukovce. Proto jsem to programu povolil. Poté se zobrazilo hned základní a prakticky jediné okno programu. Jeho grafické provedení evokuje přední panel běžného osciloskopu, takže pokud jej umíte používat, hned prakticky umíte ovládat i tento program.

Já jsem program nainstaloval na starší notebook ACER TravelMate 4150, obsahující z pohledu zvuku jen výstup na sluchátka a MIC vstup. Do něj jsem připojil generátor signálů obdélník / sinus / trojúhelník. Po stisknutí tlačítka „>“ (tj. start měření) se signál z generátoru hned objevil na displeji v okně programu. Tedy signál hned limitoval, protože jsem zapomněl stáhnout zesílení mikrofonního vstupu v OS Windows, které má samozřejmě na zobrazenou amplitudu vliv.

Základní ovládání je tedy obvyklé pomocí myši a zobrazených knoflíků vedle zobrazovací plochy. Otáčením knoflíku "VOLT/DIV" se nastavuje vertikální rozlišení, knoflíkem "TIME/DIV." se pak nastavuje časová základna, tedy horizontální rozlišení. Knoflíkem "TRIGGER" nastavujete spouštění / synchronizace měření. Knoflíkem "CALIB.%" pak lze obraz signálu „zesilovat/zvětšovat “. Posuvníkem CALIB. 0 se pak dorovnává stejnosměrná složka signálu.

Méně obvyklé jsou dva knoflíky pod zobrazovací plochou, tedy „SAMPLING RATE“ a „SAMPLING DURATION“. Zde můžete nastavit časy, po jaké době se bude „načítat“ zobrazovaný průběh, resp. jak dlouho se bude vstupní signál monitorovat. Další zbylé „knoflíky“ pak jako u hardwarového osciloskopu slouží pro nastavení zobrazení vykreslované křivky signálu a její horizontální / vertikální posun na zobrazovací ploše.

Abychom však mohli na takovém osciloskopu případně odečítat i nějaké trošku relevantní hodnoty amplitudy signálů, je nutné nejdřív program nakalibrovat. Tedy nastavit, aby fyzické napětí do PC vstupujícího signálu odpovídalo napětí zobrazenému na osciloskopu. K tomu v slouží v menu „Options“ položka „Calibrate…“. Poté se otevře následující okno s posuvníkem hrubého nastavení „Coarse“ a knoflíkem jemného doladění „Fine“. Ke kalibraci musíme na vstup zvukovky přivést nejlépe sinusový signál známé amplitudy a vhodně nízké frekvence (např. 50 Hz) a uvedenými ovladači nastavit takovou hodnotu, při které bude amplituda zobrazeného signálu odpovídat té skutečné. V případě, že to nebude zde možné nastavit, je nutné nejdříve snížit nebo zvýšit „zesílení“ vstupu přímo ovladači / posuvníky „Hlasitost“ v OS Windows.

Pak se již může něco „měřit“.

Můžete si například zkusit přivést čistý sinusový průběh napětí o amplitudě, kterou vaše zvukovka ještě zvládne a nebude jej ořezávat (u mě například rozkmit až cca 1,5 Všš), zvyšovat jeho frekvenci od 1 Hz až např. do 20 kHz a názorně si demonstrovat, jak se s přibližováním frekvence signálu k polovině vzorkovací frekvence zhoršuje vykreslení průběhu:

Nebo třeba jak se mění na nízkých frekvencích průběh generátoru trojúhelníkového signálu vyráběného jednoduše z nabíjení RC článku z obdélníkového průběhu napětí:

Mimo zobrazování lze průběhy i ukládat, tedy přesněji řečeno pomocí menu „Edit->Copy“ uložit aktuální zobrazený průběh do Clipboardu a pak vložit do nějakého programu pro kreslení či správu obrázků a fotek (např. programy Malování nebo třeba Zoner apod.). Průběh lze samozřejmě i vytisknout (menu File->Print):

Závěrem...

Závěrem stačí tedy jen říct, že pokud vás to zaujalo, není nic jednoduššího než si program nainstalovat do některého PC a začít si hrát a třeba se něco i přiučit nebo osvěžit ze školy...

A když nemáte ani generátor průběhů? Stačí si někde na internetu stáhnout zvukové soubory např. sinusového signálu různých frekvencí, propojit výstup na sluchátka zpět na vstup zvukovky a spouštěním souborů si tak provizorně generovat signály pro vaše hraní…Dokonce tak můžete i zkusit zkoumat průběh frekvenční charakteristiky vašeho výstupu zvukovky nebo třeba funkci softwarového equalizéru všeho přehrávače.

Poznámka na závěr 1: Pokud hodláte používat výše uvedenou kombinaci zvukové karty a PC jako orientační měření zařízení pro sledování různých neznámých signálů z různých zařízení (nejen kvalitního regulovatelného generátoru průběhů), doporučuji si vyrobit externí oddělovací modul, který bude galvanicky oddělovat vstupní obvody zvukové karty od měřeného objektu a bude umožňovat případné snížení (omezení) amplitudy signálu. Zvukovka PC opravdu obvykle nebývá na měření signálu příliš odolně stavěná! Takže opatrně, ať si ji nezničíte (zvláště pokud je přímo integrovaná na základní desce PC).

Poznámka na závěr 2: Osobně jsem pro připojení výstupu generátoru signálů s BNC konektorem ke zvukovce s Jack 3,5 mm konektory použil kompaktní redukci BNC-Cinch (k dostání obvykle v obchodech s elektrosoučástkami či měřicími přístroji) a pak běžný audio kabel Cinch-Jack.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky výrobce programů BIP - http://www.electronics-lab.com
• Přímý odkaz na stránku pro stažení softwaru BIP Oscilloscope 3.0 - http://www.electronics-lab.com/downloads/pc/002/index.html
• Zajímavé související odkazy:
  • http://www.zateckecountry.cz/informatika/073.php
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz