Een PC gebruiken als Oscilloscoop

Datum: maart-april 2004

Principe:

M.b.v. de geluidskaart in een PC, een microfoonstekkertje, kabels en software een oscilloscoop bouwen.

Materiaal:

  • PC met geluidskaart
  • Afgeschermde kabel
  • Microfoonkabel omgewerkt naar meetkabel
  • Meetklemmen
In mijn geval heb ik gebruikt gemaakt van een "oude" Compaq 486 (32MB) waarop Windows 95 ge´nstalleerd was. De gebruikte geluidskaart is een Gravis Altrasound geluidskaart. 

Ik heb voor deze experimenten bewust een oudere PC gebruikt aangezien ik niet het risico wilde lopen om van mijn nieuwere PC de geluidskaart of  misschien zelfs het hele moederbord op te blazen. Ik raad iedereen dus aan om eenzelfde strategie te hanteren. Een oude PC kun je tegenwoordig al voor een paar euro kopen.

Inleiding:

Er zijn veel experimenten waarbij men een signaal (voltage) gedurende langere tijd wil opnemen of waarbij men graag een signaal wil opnemen met een hoge sample frequentie. In het ideale geval heeft men een oscilloscoop tot zijn beschikking. Indien dat echter niet zo is kan men gebruik maken van een PC met geluidskaart. 

Een geluidskaart moet nl een AD/DA conversie (Analooog <=> Digitaal) kunnen uitvoeren. Analoge signalen (geluid) komen via microfoon of line-in (input) binnen. Deze worden dan door de geluidskaart gedigitaliseerd (sampling). Bij de meeste geluidskaarten kan men zonder problemen samplen met een frequentie van 44.1 kHz. 

Uitvoering:

De geluidskaart

Bij de geluidskaart gaat het erom dat we de goede ingang kiezen om op aan te sluiten. We hebben de keuze tussen Line-In en de Microphone ingang. De aanduidingen op geluidskaarten zijn echter niet altijd even eenduidig of zo duidelijk als op de bovenste foto hiernaast. Op de onderste foto kun je zien dat men soms ook gebruik maakt van symbooltjes. Het is dan echter altijd verstandig om even de handleiding te raadplegen wat ze nu precies betekenen.

Soundcard plugs
Soundcard plugs

Welke ingang kunnen we nu als beste gebruiken. De microfooningang of de Line-in ingang. Dat is afhankelijk van de sterkte van het signaal dat we willen meten. Er geldt:
  • Maximum input voor de microfooningang: 200 mV piek-piek
  • Maximum input voor de line-in ingang: 2 V piek-piek.

Veiligheidshalve kun je dus beter gebruik maken van de Line-In ingang.


De connector
We maken gebruik van een standaard miniphone plug om onze meetkabel te maken. Het is hier van belang om te weten hoe deze connectors zijn opgebouwd. De plaatsen van de + en - staan op het schema hiernaast weergegeven. Met een stereo connector kunnen we in principe dus 2 ingangssignalen binnenhalen.

Maken we gebruik van een stereo connector dan kunnen we een meetkabel bouwen volgens het schema dat hiernaast is afgebeeld, waarmee men een bijna professionele meetkabel kan bouwen.

Uiteindelijk heb ik het mezelf vrij makkelijk kunnen maken. Voor het experiment waar ik een dergelijke meting wilde uitvoeren hoefde ik maar een enkel signaal te meten. 

Ik had nog een echte meetkabel met BNC connector liggen en daar wilde ik graag gebruik van maken.

Ik had ook nog een mono-stekkertje liggen zoals op de foto hiernaast weergegeven.

Nu is het mooie dat je beide aan elkaar kunt koppelen m.b.v. een adaptertje (een restant van mijn experimenten met coax bekabelde netwerken).

Zoals je kunt zien kom je op deze manier in het bezit van een perfecte meetkabel.


Software
Als men alles aangesloten heeft en wil gaan meten heeft men natuurlijk ook software nodig om te kunnen meten. Er zijn verschillende (gratis) paketten op het internet te vinden. Degene die ik gebruik is:

Pakket: BIP Electronics Lab Oscilloscope - 3.0
Auteur: Marcel Veldhuizen

De scope gebruikt automatisch de hoogst mogelijke frequentie die beschikbaar is (meestal max 44 kHz)

Nauwkeurigheid: De scope gebruikt 8-bit samples om het input signaal te lezen.


Nog in onderzoek
Ik heb voor de aansluitingen die ik hierboven beschreven heb gebruik gemaakt van datgene wat ik toevallig bij de hand had. Een echte meetkabel maakt het leven iets gemakkelijker. Men kan echter ook gebruik maken van een standaard (stereo) connector kabeltje. Knipt men deze door dan ziet men echter dat men met heel dunne kabeltjes te maken heeft die men moeilijk op iets kan aansluiten. 

Opmerkingen:

  • Geluidskaarten hebben toongeneratoren aan boord om muziek te kunnen maken. Deze kunnen dus weer gebruikt worden om een specifiek input signaal te creŰren. 
  • Tegenwoordig maakt men gebruik van kleurcodering om de verschillende connectors te markeren. Voor een Creative PCI128 geldt: 
    Lijn-in jack = blauw
    Microfooningang-jack = rood
    Lijn-uit jack voorkant / luidsprekeruitgang-jack = groen  (voor passieve luidsprekers)
    Lijn-uit jack achterkant = zwart (voor actieve luidsprekers)
  • Al je alleen een patroon wilt opnemen gedurende iets langere tijd is het niet perse noodzakelijk om de oscilloscoop software te gebruiken. Men kan ook gebruik maken van de sound recorder die standaard in Windows zit. Het patroon kan men daarna altijd weer analyseren door gebruik te maken van een meer geavanceerd pakket bv Cool Edit.

Literatuur:

  • Harald Frater, Dirk Paulissen; "Het Grote Spectrum Multimediaboek"; Het Spectrum; 1994; ISBN 902743398.
  • Harry Baggen; 'Geluidskaart als Meetinstrument'; Elektuur, 10 2004, p. 46-48.

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Analoog en digitaal

Bij een analoog signaal kunnen de trillingen continue elke willekeurige waarde kunnen aannemen. Bij een digitale weergave is het signaal gediscretiseerd, er vinden sprongsgewijze veranderingen plaats.

Het signaal dat via de kabel de geluidskaart/PC binnenkomt is analoog en moet omgezet worden in een discreet signaal (zie beneden). Dit noemt men ook wel een digitaal signaal. In feite geven we dan een stukje van het analoge signaal cijfermatig weer. Het signaal moet daarvoor dus omgezet worden en daarvoor gebruiken we een AD converter. Op een geluidskaart bevindt zich nu deze Analog-Digital-Converter (ADC) voor het opnemen en een Digital-Analog-Converter (DAC) voor het afspelen van geluidsbestanden.

Analoog sinus signaal Sampling Gediscretiseerd

Om een analoog signaal goed te digitaliseren moet de samplingfrequentie minimaal twee keer zo groot zijn als de te digitaliseren frequentie (Shannon theorama). 


12-01-2017