Mein „Audio-Oszilloskop“ kann keine statischen / konstanten Spannungen messen, sondern ändert sich nur

Ich habe kein Oszilloskop (kostet so viel), also habe ich beschlossen, ein "Audio-Oszilloskop" zu bauen.

Es funktioniert in vielerlei Hinsicht großartig. Wenn ich ein IR-Empfängermodul an das Audio-Oszilloskop anschließe, kann ich die (richtigen) Signale beim Klicken auf eine Fernbedienung deutlich sehen.

Es gibt jedoch ein sehr ärgerliches Problem. Ich schaffe es NUR, Spannungsänderungen zu überwachen, aber NICHT die kontinuierliche statische / konstante Spannung. Wenn das Oszilloskop eine konstante Spannung empfängt (z. B. an eine Batterie anschließt), wird es nach kurzer Zeit, mangels besserer Begriffe, die Spannung "neu kalibrieren" oder "gewöhnen" und beginnen, sie als Nullspannung zu betrachten.

Im Beispiel habe ich zuerst das Oszilloskop ohne und Spannung. Es zeigt korrekt die Nullspannung an.

Dann schließe ich das Oszilloskop an 5V (von USB) an und das Oszilloskop zeigt korrekt positive Spannung ... für eine sehr kurze Zeit, und dann geht es Bananen und schließlich "kalibriert" / "gewöhnt" sich an die 5V und denkt, dass es ist 0V (obwohl die 5 Volt noch angelegt sind !!)

Weiß jemand, wie man konstante / statische Spannungen mit einem Audio-Oszilloskop richtig misst, oder weiß man, warum dieses "Problem" besteht? Ich gehe davon aus, dass sich ein echtes Oszilloskop nicht so verhält.

Youtube Video zeigt Verhalten

Es tut mir leid, dass ich mich eingemischt habe, nachdem eine gute Antwort gegeben wurde, aber ich wollte irgendwie zusätzliches Spaßwissen als zögerndes Werkzeug hinzufügen ...

So erweitern Sie den grundlegenden Unterschied zwischen AC- und DC-Kopplung:

Die Wechselstromkopplung in der Soundkarte ist sehr wichtig, um sie vor den schädlichen Auswirkungen billiger Mikrofone, billiger Line-In / Line-Out-Geräte und billiger PC-Boxen zu schützen, die alle schmutzige Tricks ausführen können, um ein Signal mit dem sogenannten a zu erzeugen DC-Bias. Da die Audiokarte die Ausgabe an eine DC-Vorspannung nicht einfach handhaben kann oder einen DC-vorgespannten Eingang nicht immer korrekt verarbeiten kann, koppeln sie ihn für AC, wodurch die gesamte DC-Vorspannung entfernt wird.

Was mit Ihrem USB passiert, ist, dass Sie die 5V anlegen und dies einen Wechselstrom-ähnlichen Impuls nach oben in Richtung 5V erzeugt, aber dann ist dieser Wechselstromaspekt weg, wenn die 5V dort bleiben und der tatsächliche Eingang der Soundkarte wieder auf 0V zurückgesetzt wird.

Zur Veranschaulichung sieht die Wechselstromkopplung folgendermaßen aus:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Der Kondensator blockiert jegliche Gleichspannung. Im Moment gehe ich einfach davon aus, dass ich Recht habe, wenn ich sage, dass der Widerstand eines Kondensators gegen den Stromfluss umgekehrt zu seinem Wert ist, multipliziert mit der Frequenz, wie folgt: "Resistance" = 1 / ("sort of Frequency" * Capacity)(Ich habe an dieser Stelle keine Lust auf komplexe Mathematik, Bogenmaß oder Pi ).

Wenn also die Frequenz größer wird, leitet sie Ströme leichter, und wenn die Kapazität größer wird, leitet sie leichter. Aber Sie können sehen, dass für DC, wo die Frequenz 0 ist, nicht nahe 0, sondern tatsächlich 0, sein Widerstand "unendlich" wird.

DC wird nicht durchkommen.

Beheben der Wechselstromkopplung in diesem Szenario:

Es wird nicht einfach. Dies ist jedoch ohne Änderung Ihrer Soundkarte möglich. Das Ändern Ihrer Soundkarte ist, gelinde gesagt, unklug.

BEARBEITEN: Sie können das Signal auch einfach zerhacken, um eine Wechselstromwelle zu erhalten, die Sie verwenden können. Dies ist mir gerade erst eingefallen: -S - Siehe unten

Dieser Teil der Antwort wird mehr "zum Spaß" als "dies ist, was Sie tun sollten" gegeben. Diese Lösung ist umständlich und erfordert viel mehr Arbeit als es wert ist, aber sie soll zeigen, dass sie mit kreativem "Missbrauch" durchgeführt werden kann.

Sie können ein 2-Kanal-AC-gekoppeltes Audiogerät in einen AC + DC-gekoppelten Einzelkanal verwandeln, dies erfordert jedoch sowohl Hardware- als auch Softwarekenntnisse.

Grundsätzlich wandeln Sie die Gleichspannung nach einer bekannten Methode in ein Wechselstromsignal um:

Sie können einen billigen uC mit eingebautem 10-Bit-ADC verwenden, um einen guten Eindruck von der vorhandenen Gleichspannung zu erhalten, indem Sie zuerst den Wechselstrom herausfiltern. Anschließend wandeln Sie diese 10-Bit-Zahl entweder in ein PWM-Signal mit ausreichender Auflösung oder als Frequenz mit einer bekannten Frequenz um Formel (in den meisten Fällen etwas schwieriger, eliminiert jedoch das Risiko, dass der PWM-Wert 0x00 oder 0xFF wieder zu DC wird).

Sie können dies dann auf den anderen Tonkanal legen (dh links, wenn Sie rechts für das Originalsignal verwenden) und diese Informationen mit dem Wechselstromsignal kombinieren, das Sie erhalten haben, um das DC-gekoppelte AC + DC-Signal zu erhalten.

Illustriert, das sieht so aus:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Wenn Sie jedoch einen MicroController und einige Programmierfunktionen verwenden, ist dies ein kleiner Schritt zum Upgrade auf ein Tool vom Typ Arduino-Scope. Ich würde mir vorstellen, dass ein Tutorial oder ein fertiges Ding um die 25-Dollar-Marke mit einer Leistung von 20 kHz oder mehr da draußen ist.

Sie können auch einen Multivibrator vom Typ LM / NE / LMC555 verwenden, um das PWM-Signal zu erhalten, oder einen spannungsgesteuerten Oszillator, der noch keine Mikrocontroller enthält.

Um es trotzdem schnell zu erklären:

Der Operationsverstärker puffert das Signal. Es muss in der Lage sein, sich seiner negativen Ein- und Ausgangsversorgung zu nähern, aber viele Operationsverstärker vom Typ LM3 ** sind wahrscheinlich für Signale unter 20 kHz in Ordnung.

Der Ausgang wird dann in Richtung des Kondensators C2 gelegt, der die positiven Spitzen speichert. Da jedoch ein Widerstand vorhanden ist, dauert das Laden einige Zeit, so dass es langsam ist, auf Frequenzen über einem bestimmten Punkt zu reagieren. Es wird auch wieder durch niedrige Täler entladen, aber wieder durch den Widerstand, da der ADC-Eingang nicht viel Strom wegnimmt. Der Widerstand und der Kondensator mitteln den Wert also in eine Art Gleichstromwert. Wenn Sie über 50 Hz messen, wird der Durchschnitt mit diesen Werten immer stabiler. Natürlich kostet das Messen von Gleichstrom jetzt einige Zeit, da C2 aufgeladen wird.

Der uC / NE555 wandelt die am Eingang angezeigte Spannung in einen PWM-Wert um. Wenn Sie dies gemäß einem festen Algorithmus tun, kann der PC das Wechselstromsignal auf dem linken Kanal messen und den Gleichstrompegel neu berechnen. Bei PWM ist es sehr wichtig, eine niedrige Frequenz zu verwenden, da PWM viele höhere Frequenzen benötigt, um richtig gesehen zu werden, und die Soundkarte nur bis zu 22 kHz sehen kann, also möglicherweise sogar bis zu 100 Hz für die PWM-Frequenz. Kein Problem, da C2 die DC-Reaktion bereits etwas langsam macht. Gehen Sie nicht zu tief, da die Audiokarte sie möglicherweise herausfiltert.

Natürlich sind D1 und D2 und R1 dazu da, das PWM-Signal von der MCU abzuschneiden, um den linken Audiokanal genauso zu schützen wie D3 und D4 den rechten.

Mit einigem Herumspielen und einem 10-Bit-ADC im obigen Schema (bei dem Sie einiges von seiner Reichweite verschwenden) könnten Sie immer noch eine Gleichstromerkennung von 5 mV oder besser über die 0,7-V-Diodenspanne des Signals nach dem Potentiometer erhalten.

EDIT: Das Signal abbrechen:

Wenn Sie DC- und Niederfrequenzsignale + DC mit einer Soundkarte messen möchten, können Sie diese zerlegen:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Sie können den Wechselrichter hier mit einer USB-Spannung versorgen. (Wenn Sie verschiedene Anschlüsse an dasselbe DIY-Spielzeug anschließen, stellen Sie sicher, dass Sie alte Hardware verwenden, die Sie übersehen können. Bei den ersten Experimenten kann es leicht zu Fehlern kommen.)

Ein ordentlicherer Chopper wäre (erfordert aber wieder eine ausgeglichene Versorgung, die Sie nicht über den USB-Anschluss erhalten können):

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Dies ist ordentlicher, da der Operationsverstärker jetzt als Puffer zwischen dem Eingang und den Chopper-Schaltern fungiert, sodass der Eingang den schwankenden Strom des Choppers nicht sehen kann, wodurch verhindert wird, dass Sie Oszillationen verursachen, wo sie nicht wären haben dort nicht gemessen.

Wie gesagt, Sie benötigen eine + und - Spannung, die aus Sicherheitsgründen nicht vom USB kommen kann. Sie können den Wechselrichter mit demselben versorgen, obwohl er nur wenig über seiner Stromversorgung liegt, aber Sie können ihn auch nur mit 3 V versorgen. Sie sollten jedoch einen Satz MOSFETs mit einer Vgt (Gate-Schwellenspannung) von 2,3 V oder weniger erhalten.

Wenn der Ausgang des Wechselrichters in Bezug auf Masse hoch geht, führt dies im Grunde dazu, dass der MOSFET leitet, und dies lädt auch C1 bis R3 auf. Wenn der Eingang des Schmidt-Wechselrichters einen bestimmten Pegel nach oben überschreitet, schaltet er seinen Ausgang auf niedrig, wodurch die Ladung aus dem MOSFET-Gate gezogen wird und die Leitung unterbrochen wird. Dadurch wird auch C1 bis R3 entladen. Wenn dann C1 einen anderen, niedrigeren Pegel nach unten kreuzt, steigt der Ausgang des Gates wieder an und beginnt von vorne.

Das analoge Signal ist nicht niedrig genug, um zwei Back-to-Back-MOSFETs zu benötigen, da die Dioden das Signal bereits abschneiden. In diesem Beispiel können Sie also auch nur einen normalen N-Kanal-MOSFET mit seiner Quelle verwenden grundieren.

Sie könnten MOSFETs auch anders verwenden, um die Schutzdioden nicht zu benötigen, aber ich denke, dies würde zu weit gehen und einen Kurs zum Betrachten von Datenblättern erfordern, um nach Body-Dioden-Eigenschaften und viel fummeligerem Material zu suchen.

Das letzte Schema bietet einen Chopped- und Un-Chopped-Ausgang, sodass Sie zwischen AC-gekoppeltem Originalsignal oder Chopped AC + DC-Signal wählen können.

Was passiert ist, dass der Chopping-MOSFET, der sich automatisch ein- und ausschaltet, das Signal in einen Signal umwandelt, das die Hälfte der Zeit seinen ursprünglichen Wert und die andere Hälfte 0 V hat. So wird es eine Rechteckwelle. Jedes Signal, das sich einigermaßen langsamer bewegt, wie Gleichstrom oder alles bis zu 50 Hz, kann von der Software gut genug wiederhergestellt werden, und Sie können das Herausschneiden Ihrer Spur sogar selbst im Inneren Ihres Gehirns interpretieren, wenn Sie die Software nicht ändern können. Natürlich der speziellen Fall , in dem das Signal selbst ist 0V, wird das Hacken nichts ändern und Ihr Bildschirm wird 0V korrekt sowieso zeigen.

Natürlich werden Frequenzen, die nahe an Ihren Chopping-Frequenzen liegen oder höher sind, durch das Chopping deformiert und erfordern fortgeschrittenere Mathematik, um sie wiederzufinden. Darauf werde ich nicht eingehen.

Bei den angegebenen Werten für C1 und R4 R3 (Tippfehler) erwarte ich, dass die Frequenz für den Chopper zwischen 1 kHz und 3 kHz liegt, aber Experimente werden zeigen, ob einige Werte möglicherweise angepasst werden müssen.

Soundkarteneingänge (wie normalerweise jeder Audioeingang) sind wechselstromgekoppelt , dh über einen Kondensator. Deshalb reagieren sie nur empfindlich auf Spannungsänderungen.

Es ist kein Fehler der Soundkarte, es ist eine Funktion.

Echte Oszilloskope haben die Möglichkeit, zwischen AC- oder DC-Kopplungseingangssignalen zu wählen.

In dem verlinkten Makezine-Artikel heißt es: "Die Bandbreite der Soundkarte ist viel geringer: etwa 20 - 15 kHz. Überall außerhalb dieses Bereichs werden die Messungen schlampig." Dem Fragesteller wäre eine umfassendere Erklärung geholfen worden, dass eine unveränderliche Spannung effektiv eine Frequenz von Null ist, dh weit unter 20 Hz. Das DIY-Oszilloskop zeigt nur den Spannungsschritt an, wenn die Quelle zum ersten Mal angeschlossen wird, gefolgt von einem Abfall auf Null. Dies steht im Einklang mit einem Hochpassfilter wie in Abb. 1 hier https://en.wikipedia.org/wiki/High-pass_filterDies ist auch die Eingangsschaltung der meisten Audiogeräte, einschließlich Soundkarten. Hochpassfilter werden für die Wechselstromkopplung an den Eingängen vieler Audio-Leistungsverstärker verwendet, um die Verstärkung von Gleichströmen zu verhindern, die den Verstärker beschädigen, dem Verstärker die Kopffreiheit rauben und Abwärme an der Schwingspule des Lautsprechers erzeugen können.

Es gibt hier nichts, was angeblich "Bananen geht".