Bau eines AC / DC Speicheroszilloskops.

Ein Bauvorschlag von Felix Adamczyk.


Soundkarten sind nicht nur für die Wiedergabe von Frequenzen im Hörbereich (20 Hz - 20.000 Hz) geeignet, sondern man kann mit ihnen auch Frequenzverläufe aufzeichnen. Dazu gibt es eine Vielzahl von Shareware- und Freewareprogrammen wie z.B. Audacity. Die Soundkarte wird in diesem Frequenzbereich so zu einer Art "Speicheroszilloskop".
Allerdings lassen sich an die Soundkarte nur Mikrofone, oder - am Line-in Eingang - Wechselspannungsquellen bis etwa 1 V anschließen.
Bei physikalischen Experimenten hat man es meist mit größeren Spannungen zu tun.

Dass man auch Gleichspannungen mit der Soundkarte messen kann, wurde bereits in diesem Beitrag erwähnt.
Auch hier kann die maximal zu messende Spannung nicht größer als die Versorgungsspannung der Elektronik sein. Außerdem muss man auf die Polung achten. Weiterhin ist von Nachteil, dass diese Elektronik eine eigene Spannungsversorgung benötigt.

Ideal wäre ein Gerät, das sowohl Wechselspannungen als auch Gleichspannungen mit der Soundkarte messen kann, das in den Spannungsbereichen variabler wäre und dazu noch vom Computer selbst mit der nötigen Spannung versorgt wird, so dass keine externe Spannungsquelle mehr nötig ist.

Felix Adamczyk hat im Rahmen seiner Facharbeit am Gymnasium in Hilpoltstein (Bayern) ein solches Gerät konzipiert und gebaut. Mit diesem Gerät mit Namen "Oskar" nahm er auch am "Jugend forscht" Wettbewerb in Bayern teil, belegte im Regionalwettbewerb Mittelfranken den ersten Platz und den dritten Platz auf Landesebene.

Da der Landesbildungsserver Baden-Württemberg mit ein paar Tipps auch ein klein wenig zu diesem Erfolg beitragen konnte, können wir die Arbeit von Felix Adamczyk hier vorstellen.


Gestatten: Oskar

Die externe Soundkarte im Gerät

Oskar verwendet als Basis eine externe USB Soundkarte, die mit dem CM 108 Chip von C-Media ausgestattet ist. Solche Soundkarten, wie z.B. die "DSP 7.1 Skype 3D Gaming", bekommt man evtl. schon für unter 10 Euro.
(Details können der Arbeit von Felix Adamczyk - Download weiter unten auf dieser Seite - entnommen werden.)

Durch den USB Anschluss wird dieser Wandler vom Computer mit Spannung versorgt. Die Software Unterstützung ist über das HID (Human Interface Device) bei allen Windows Versionen und bei Linux gegeben.

Qual der Wahl: Gleichspannung oder Wechselspannung.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Frontansicht des "Oskar". Dabei fallen sofort der Umschalter in der Mitte und die beiden Drehschalter auf. Sie gliedern die Frontplatte und die Funktion des Gerätes in die Messung von Wechselspannungen (links) und Gleichspannungen (rechts).

Wechselspannungen können in 6 Bereichen zwischen 0,1 V und 20 V je "Skalenteil" gemessen werden. Die maximale Spannung ist 160 V.

Gleichspannungsmessungen sind im Bereich von 0,1 V bis 50 V je "Skalenteil" möglich. Die maximale Spannung darf 400 V betragen.

Außenansicht des Oskar

Messung von Wechselspannungen.

Wechselspannungen sind in 6 Bereichen messbar. Die Anpassung übernimmt ein Spannungsteiler. Zwei Ableitungsdioden schützen vor Überspannung. Dahinter entkoppeln zwei Operationsverstärker TL082 das Signal, bevor es über den Drehschalter auf den Line-In Eingang der Soundkarte geleitet wird. (Beschreibung und Schaltungsdetails sind den Seiten 11 bis 15 der Arbeit zu entnehmen).

Messung von Gleichspannungen.

Im Eingang befindet sich ebenfalls ein Spannungsteiler, der die Spannungen in 6 Teilbereichen zur Messung zur Verfügung stellt. Es schließt sich ebenfalls ein Überspannungsschutz und eine Entkopplung mit zwei Operationsverstärkern TL082 an. Danach wird das Spannungssignal einem Spannungs-Frequenz-Wandler RC 4151 zugeführt, der die Gleichspannung in eine dazu proportionale Frequenz übersetzt. Die genaue Beschreibung der Schaltung ist wieder der Arbeit (S. 15 bis 19) zu entnehmen.

Die Spannungsversorgung.

Nicht nur die Soundkarte im Gerät sondern auch die Messelektronik wird über die +5V der USB-Schnittstelle versorgt. Allerdings benötigen die Operationsverstärker symmetrische Versorgungsspannungen von +5V / -5V bzw. +10V / - 10V.

Um auf ein externes Netzgerät ganz verzichten zu können, werden diese Spannungen mit Hilfe von DC-DC-Wandlern der Firma Maxim im Gerät aus den +5V der USB-Schnittstelle generiert. Ein MAX 660 verdoppelt dabei die USB-Spannung auf 10V. Ein MAX 1044 invertiert diese Spannung auf -10V, ein zweiter IC gleichen Typs invertiert die USB-Spannung auf -5V.

Die Operationsverstärker und der Spannungs-Frequenz-Wandler sind so genügsam, dass die DC-DC-Wandler die nötige Leistung bereitstellen können.


Die Software.

Die Auswertungssoftware wurde mit Delphi für Windows Computer erstellt und kann weiter unten auf dieser Seite heruntergeladen werden.

Die Messsoftware für die Wechselspannungsmessung basiert auf einem Projekt von Gary Darby. Die Auswertung der Gleichspannungsmessung baut auf einem Programm von Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg auf.

Die Quellcodes sind öffentlich und können für eigene Projekte ebenfalls weiter unten heruntergeladen werden.

Ein Blick in das Gerät.

Das Gerät wurde auf einer Lochrasterplatine realisiert. Felix Adamczyk plant aber auch, ein Layout für eine gedruckte Platine zu erstellen. Möglicherweise kann das Gerät auch bei Pollin Elektronik www.pollin.de in naher Zukunft als Bausatz bezogen werden.

'Gesamtansicht

Bei einem Blick in das Mustergerät präsentiert sich Oskar sehr aufgeräumt.

Man erkennt die externe USB-Soundkarte ganz oben (1), die ICs des DC-DC-Wandlers (2), den großen Entkoppelkondensator für die Wechselspannung (3) und den Operationsverstärker des Wechselspannungskanals (4).

Auf der Gleichspannungsseite ist ebenfalls der Operationsverstärker (5) leicht zu entdecken, daneben befinden sich die Spannungsteiler der Gleichspannung (rote Steckfassung). Darüber erkennt man den Spannungs-Frequenz-Wandler (6).

Ganz unten sieht man die BNC-Buchse für den Wechselspannungseingang (ganz links) und die Bananenbuchsen für den Gleichspannungseingang (ganz rechts).


Dokumentation und Programme (Download).

Dokumentation der Arbeit: Bau eines AC/DC Speicheroszilloskops ( 9,6 MB )

Programm zur Messung von Wechselspannungen: OskarAC.exe ( 455 kB ) ausführbare Datei

Delphi-Quellcodes zum Programm: OskarACquell.zip ( 380 kB )

Programm zur Messung von Gleichspannungen: OskarDC.exe ( 528 kB ) ausführbare Datei

Delphi-Quellcodes zum Programm: OskarDCquell.zip ( 332 kB )

Delphi-Pakete für OskarDCquell.zip: DelphiPakete.zip ( 1,22 MB )


Erfahrungsbericht und alternativer Bauvorschlag.

Modellbahnfan Hans-Werner Herold hat sich von diesem Bauvorschlag inspirieren lassen und das Gerät in modifizierter und vereinfachter Form teilweise nachgebaut. Sie finden seine alternative Bauanleitung auf der Basis eines USB-Soundsticks hier.

Alternativer Bauvorschlag von Hans-Werner Herold: USB-Soundstick-Schnittstelle.pdf (2,2 MB)


vorgestellt von Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver