自制简易的PC信号源与示波器

        我们在电子技术的学习和实验中常常使用到万用表、信号发生器、示波器等设备。万用表可以对电子元器件进行检测，也可以测量电路的电压、电流等参数。示波器可在电路实验或电器维修时，观察电路节点的信号波形，以判断前、后级电路是否正常工作。
在学习模拟电子技术时，信号发生器和示波器还可以帮助我们感性地认识放大器、滤波器、振荡器等电路的特性。不过这两台设备价格比较贵，在初学阶段或许不一定非要配置。本文将介绍一种利用几个简单的元器件加一台普通计算机构成的PC 信号源和PC 示波器，成本不到10 元，虽然测量的精度有限，但是对于初学阶段观察使用已经足够了。
外观及使用
如图1、图2 所示分别为PC 信号源和PC 示波器的外观。PC信号源很简单，它由立体声插头、导线、鱼夹组成。立体声插头插到计算机的耳机插座，在计算机上运行一个PC 信号源软件，就可以在鱼夹上输出频率、幅度可调的正弦波、方波等函数信号。
图2 是PC 示波器，它的鱼夹连接到被测电路的某一节点上，该节点的信号经过保护电路后，由立体声插头送入计算机的麦克风插座，在计算机上运行一个PC 示波器软件，就可以显示信号的波形了。


图1 PC 信号源


图2 PC 示波器



       
电路原理图
PC 信号源不涉及电路，如图3 所示，它直接把计算机声卡的输出信号引出而已。而PC 示波器与之不同，它把外界的信号输入计算机，为了保护计算机的声卡，所以添加了一个简单的保护电路，如图4 所示。被测电路某节点的信号被鱼夹引到保护电路里( 黄色底纹内)，保护电路可以限制输入计算机的信号幅度不超过1.4V。


图3 PC 信号源连线图


图4 PC 示波器电路及连线图


图5 PC 信号源的制作



       
制作过程
制作PC 信号源时，可以直接用一根带线的立体声插头( 图5)，它有3 根导线R、L、地线，分别把绝缘皮剥去，然后用3 个鱼夹与这3 根导线连接即完成制作。
之后下载PC 信号源软件，在计算机上运行，就会打开一个图6 所示的界面。界面很直观，有三个控制参数：峰值、频率、函数选择。“峰值”和“频率”分别设置的是输出信号的幅度和频率，可通过各自下方的滑块进行设定。“函数选择”设定的是输出信号的波形，有标准正弦波等多种函数表达式供选择。以上参数设置好后，把PC 信号源插到计算机的耳机输出插座上，单击PC 信号源程序的“开始”按钮，就可以从PC 信号源的鱼夹上输出信号波形了。
制作PC 示波器时，需要一些元器件和一块面包板。可按照资源入口里的视频演示，把元器件逐个插到面包板上作为保护电路，之后连接上立体声插头线以及鱼夹，即完成PC示波器的制作。使用PC 示波器时，把鱼夹与电路的被测节点相连，把立体声插头插入计算机的麦克风插座，然后运行PC 示波器软件，打开图7 所示的程序，这个程序可以接收从麦克风插座进来的信号并显示。
可按照图7 中的说明，适当地设置PC 示波器程序中的设备、线路等几个参数。当有信号通过麦克风插座进入计算机时，单击PC 示波器程序的“启动”按钮，就会在波形显示区看到波形信号。


图6 PC 信号源程序


图7 PC 示波器程序


图8 PC 示波器的保护电路( 一个通道)


图9 简易示波器观察信号发生器的信号



       
原理分析
在PC 示波器的保护电路中，由于两个通道电路是相同的，所以我们拿一个出来分析一下其工作原理。如图8 所示，信号由鱼夹引入到“输入( 通道1)”，首先经过电阻R1、R2 构成的分压器。由于它们的阻值之比为10:1，所以到达二极管的时候信号的电压已经变成了原来的1/11。比如输入信号的电压为10V，经过分压器后变成了0.9V。
由于计算机声卡的输出电压不宜超过2V，如果没有分压器，输入信号的电压也不能超过2V，这样一来PC 示波器的使用范围太小了。于是通过分压器可以把较高的电压成比例的降低，在计算机上显示时再成比例的提高即可。
在保护电路的一个通道中还有4 个二极管，图中的型号是1N4148，查其技术手册知道其正向电压VF 约为0.7V，于是二极管VD1 和VD2 串联，可以形成1.4V 的正向电压。由二极管的伏安特性，当VD1 和VD2 上的电压超过1.4V 后，它们导通，于是在“麦克风输入(R)”端，也就是保护电路的输出端，电压为0。亦或是电压超过-1.4V 后，二极管VD5 和VD6导通，输出端同样电压为0。可见，4 个二极管保证了“麦克风输入(R)”端的电压在-1.4~1.4V范围内，从而保护了计算机的声卡。
测试
完成了PC 示波器和PC 信号源后，可以把PC 信号源的输出信号引入PC 示波器的输入端，方法是按图9 所示，把双方的鱼夹一一对应连接。然后同时运行PC 示波器和PC 信号源软件，如果PC 示波器可以实时显示PC 信号源的波形信号，说明制作成功，接下来就可以把它们使用在实际的电路学习与调试环境中了。
注意，以上介绍的PC 信号源和PC 示波器只是学习提供一个简单的工具，其输出、显示并不非常精确，只供学习时定性观察。