اسیلوسکوپ و سیگنال ژنراتور با گوشی موبایل (پروژه اسیلوفون)

این دستگاه‌ها برای هر مهندس یا سازنده‌ای که می‌خواد مدارهای الکترونیکی طراحی کنه، از نون شب واجب‌ترن! اونا تنها راهی هستن که بهت نشون می‌دن مدارت دقیقا داره با سیگنال‌های الکتریکی چیکار می‌کنه. سیگنال ژنراتور (یا همون فانکشن ژنراتور) دستگاهیه که سیگنال‌های الکترونیکی تکرارشونده یا غیرتکراری رو تولید می‌کنه.

از این دستگاه برای طراحی، تست، عیب‌یابی و تعمیر مدارهای الکترونیکی یا سیستم‌های صوتی استفاده می‌شه. با سیگنال ژنراتور می‌تونی نوع موج (مثل سینوسی، مربعی، دندانه‌اره‌ای یا مثلثی)، دامنه (بر حسب ولت) و فرکانس رو دقیقا تنظیم کنی و به ورودی مدارت بفرستی.

اسیلوسکوپ‌ها در واقع مثل یه ولت‌متر فوق‌العاده پیشرفته عمل می‌کنن که به جای فقط یه عدد، شکل تغییرات ولتاژ در طول زمان رو روی یه نمایشگر بهت نشون می‌دن.

روی صفحه اسیلوسکوپ می‌تونی فرم، دامنه و فرکانس سیگنال رو به راحتی بررسی کنی. اما چطوری باید از ترکیب این دو تا استفاده کنیم؟ بذار با یه مثال ساده برات توضیح بدم تا گیج نشی.

فرض کن می‌خوایم یه مدار "تقویت‌کننده غیرمعکوس‌کننده" رو تست کنیم؛ وظیفه این مدار اینه که ولتاژ ورودی رو دو برابر کنه. برای اینکه بفهمیم درست کار می‌کنه یا نه، اول با سیگنال ژنراتور یه موج سینوسی می‌سازیم و می‌دیم به ورودی مدار. بعد خروجی مدار رو به اسیلوسکوپ وصل می‌کنیم تا شکل موجش رو ببینیم.

اگه مدارت سالم باشه، باید تو خروجی یه موج سینوسی با همون فرکانس ورودی ببینی، با این تفاوت که دامنه‌اش دقیقا دو برابر شده. به طور خلاصه: برای تست هر مدار، اول یه سیگنال مشخص رو با سیگنال ژنراتور بهش تزریق می‌کنی، بعد با اسیلوسکوپ خروجیش رو نگاه می‌کنی تا ببینی مدارت چه تأثیری روی اون سیگنال گذاشته.

+12

برای ساخت این دستگاه به این موارد نیاز داری: یه گوشی موبایل، یه درایور نوری قدیمی (مثل CD-ROM برای ساخت قاب دستگاه)، یه تیکه تخته چوب، برد سوراخ‌دار، هیت‌سینک، کلید قطع و وصل، کلید دوحالته (SPDT)، کابل چهار رشته‌ای، سیم‌های رابط، یه ال‌ای‌دی دورنگ (بای‌پولار)، فیش‌های موزی نری و مادگی (قرمز و مشکی)، جک صدای نری و مادگی (TRRS)، سر ولوم، آپ‌امپ LM324، رگولاتورهای 7808 و 7908، ترانزیستورهای قدرت D44H11 و D45H11، چند تا ولوم (یک مگااهم و صد کیلواهم)، و مجموعه‌ای از مقاومت‌ها و خازن‌ها طبق نقشه مدار.

برای ابزار هم به هویه، اره، کاتر، انبردست، سیم‌چین، دریل، چسب حرارتی و چسب برق احتیاج داری. خیلی از این قطعات مثل ولوم‌ها، خازن‌ها، سیم‌ها و مقاومت‌ها رو می‌تونی از روی بردهای الکترونیکی قدیمی و خراب باز کنی تا هزینه‌هات به حداقل برسه.

قبل از اینکه هویه رو داغ کنی و بری سراغ لحیم‌کاری، اول باید برنامه‌های لازم رو روی گوشیت نصب کنی تا مطمئن بشی گوشیت از این سیستم پشتیبانی می‌کنه.

این کار کلا چند دقیقه وقتت رو می‌گیره ولی بهت انگیزه می‌ده که پروژه رو با قدرت بیشتری پیش ببری. من از یه گوشی اندرویدی استفاده کردم، ولی نرم‌افزارهای مشابه برای آیفون هم تو اپ‌استور پیدا می‌شه.

برای تبدیل گوشی به سیگنال ژنراتور، به اپلیکیشنی نیاز داری که بتونه امواج رو به شکل یه سیگنال صوتی به خروجی صدای گوشی بفرسته. خوشبختانه اپلیکیشن‌های زیادی برای این کار هست:

• برای اندروید می‌تونی از Function Generator یا Waveform Generator استفاده کنی.

برای کاربرای سیستم‌عامل iOS هم:

• برنامه‌های Audio Function Generator و Signal Generator گزینه‌های خوبی هستن.

سیگنالی که این برنامه‌ها تولید می‌کنن، مستقیما به خروجی صدای گوشی فرستاده می‌شه. اگه هندزفری وصل نباشه از اسپیکر پخش می‌شه و اگه وصل باشه، می‌ره روی خروجی جک 3.5 میلی‌متری. ما هم دقیقا می‌خوایم این سیگنال رو از طریق سوکت جک هدفون وارد مدار الکترونیکیمون کنیم.

پس مدار ما از طریق یه کابل جک صدا به گوشی وصل می‌شه. اپلیکیشن Function Generator که ما انتخاب کردیم، یه قابلیت خیلی خفن داره؛ از خروجی استریو گوشی نهایت استفاده رو می‌بره.

به این صورت که کانال اول سیگنال ژنراتور رو می‌فرسته روی خروجی صدای سمت چپ (Left) و کانال دوم رو می‌فرسته روی خروجی صدای سمت راست (Right). این یعنی فقط با یه خروجی ساده موبایل، دو تا کانال سیگنال کاملا مجزا در اختیار داری!

درست مثل مرحله قبل، باید یه نرم‌افزار هم برای بخش اسیلوسکوپ نصب کنی تا بتونی سیگنال‌های الکتریکی رو روی صفحه گوشی ببینی. این برنامه‌ها در واقع دیتایی که از ورودی میکروفون (Mic Input) گوشی میاد رو پردازش می‌کنن و به شکل موج نمایش می‌دن. چند تا اپلیکیشن خوب برای اندروید:

• Oscilloscope (نسخه رایگان)

و برای دستگاه‌های اپل:

• اسیلوسکوپ
• اسیلوسکوپ فیزیک

این برنامه‌ها دقیقا همون چیزی هستن که برای مشاهده سیگنال‌های ورودی به گوشی نیاز داریم.

+1

مدار الکترونیکی این پروژه از 4 بخش اصلی تشکیل شده: اول بخش منبع تغذیه، دوم مدار ورودی اسیلوسکوپ، سوم خروجی اول سیگنال ژنراتور، و در نهایت مدار خروجی دوم سیگنال ژنراتور. برای اینکه آپ‌امپ‌ها (OP-Amps) بتونن سیگنال‌های سینوسی رو به درستی پردازش کنن، باید با ولتاژ متقارن تغذیه بشن.

کل مدار ما با ولتاژ 12+ و 12- ولت کار می‌کنه که توسط رگولاتورهای 7808 (برای ولتاژ مثبت) و 7908 (برای ولتاژ منفی) به 8+ و 8- ولت تبدیل می‌شه. خازن‌های مدار هم برای این قرار گرفتن که وقتی جریان زیادی از خروجی کشیده می‌شه، افت ولتاژ اتفاق نیفته. بخش مدار ورودی اسیلوسکوپ خیلی هوشمندانه طراحی شده تا به گوشی آسیب نرسه.

این قسمت نسخه بهینه‌شده‌ای از مدارهای استاندارد واسط موبایله که با تغییر بعضی مقاومت‌ها و خازن‌ها، عملکردش رو بهتر کردیم.

اول از همه، یه خازن 1 میکروفاراد سر راه ورودی قرار گرفته تا جلوی ورود هرگونه ولتاژ DC رو بگیره و بعدش یه ولوم برای تضعیف سیگنال تعبیه شده. اگه سیگنال ورودی هنوزم برای میکروفون گوشی خیلی قوی باشه، یه کلید قرار دادیم که با تغییر وضعیتش، سیگنال رو تا 10 برابر تضعیف (تقسیم) می‌کنه.

بعد از این، سیگنال وارد یه آپ‌امپ می‌شه که تو حالت بافر (با بهره یک) بسته شده تا امپدانس بالای مدار رو تنظیم کنه و توان کافی برای هدایت سیگنال به گوشی رو فراهم کنه.

یه مقاومت 100 اهمی به همراه یه ال‌ای‌دی بای‌پولار باعث می‌شن ولتاژ ورودی به گوشی هیچ‌وقت از محدوده 1.8± ولت بیشتر نشه. در واقع این ال‌ای‌دی هم نقش محافظ رو داره و هم با روشن شدنش بهت اخطار می‌ده که دامنه سیگنال ورودی بیش از حد بالاست.

یه خازن 4.7 میکروفاراد دیگه هم تو مدار هست که ورودی میکروفون گوشی رو ایزوله می‌کنه و مقاومت 1.5 کیلواهمی باعث می‌شه گوشی به درستی تشخیص بده که یه منبع صدای خارجی بهش وصل شده.

در نهایت، اگه سیگنال استاندارد باشه و ال‌ای‌دی هشدار خاموش بمونه، می‌تونی با زدن کلید آخر، مدار رو به گوشیت متصل کنی. مدار خروجی اول سیگنال ژنراتور هم کارش اینه که سیگنال ضعیف خروجی هدفون گوشی رو بگیره و با یه ولوم و آپ‌امپ، تا 11 برابر تقویتش کنه. البته این خروجی جریان زیادی نمی‌ده.

بنابراین فقط برای تغذیه و تست مدارهای کوچیک و حساس مناسبه. اما مدار خروجی دوم سیگنال ژنراتور داستانش فرق می‌کنه! این بخش همون تقویت‌کننده خروجی اول رو داره و سیگنال رو تا 11 برابر تقویت می‌کنه.

با این تفاوت که یه طبقه قدرت پوش‌پول (Push-pull) با استفاده از دو تا ترانزیستور گردن‌کلفت بهش اضافه شده. این بخش می‌تونه جریان‌های بالا (تا 2 آمپر) رو تأمین کنه و برای درایو کردن چیزایی مثل بلندگو یا آمپلی‌فایرهای صوتی عالیه. نقشه دقیق مدار تو تصاویر این مرحله هست و می‌تونی تمام اتصالات رو از روش ببینی.

+8

اول از همه سوکت آیسی رو وسط برد سوراخ‌دار لحیم کن. بعدش به ترتیب مقاومت‌ها، خازن‌ها، ترانزیستورها و رگولاتورهای ولتاژ رو دقیقا مطابق با نقشه مداری که توضیح دادیم، سر جاشون قرار بده و لحیم‌کاری کن.

قطعاتی مثل کلیدها، ال‌ای‌دی، ولوم‌ها و جک‌های صدا قراره روی بدنه خارجی دستگاه نصب بشن. برای اتصال این قطعات به برد اصلی باید از سیم‌های رابط استفاده کنی. سیم‌ها رو به اندازه کافی بلند ببر و حتما با چسب برق و خودکار روشون بنویس که هر سیم مال کدوم قطعه‌ست.

وقتی هیت‌سینک رو روی ترانزیستورها و رگولاتورها ببندی، فضای روی برد خیلی شلوغ می‌شه و پیدا کردن مسیر سیم‌ها حسابی دردسرسازه؛ اینجاست که لیبل زدن روی سیم‌ها به دادت می‌رسه! قبل از رفتن به مرحله بعد، حتما یه بار دیگه تمام اتصالات رو با دقت چک کن.

+3

تو این پروژه، تبادل سیگنال بین موبایل و مدار ما دائمی و دوطرفه‌ست. از یه طرف، سیگنال ژنراتور روی گوشی باید بتونه شکل موج‌ها رو به کانال چپ و راست جک استریو بفرسته.

از طرف دیگه، اسیلوسکوپ روی گوشی باید بتونه سیگنال‌های مدار رو از طریق پین میکروفون همون جک، دریافت کنه. تنها راهی که می‌تونی همه این اتصالات رو با یه کابل برقرار کنی، استفاده از کابل جک 3.5 میلی‌متری 4 پین (TRRS) هست.

با این کابل، فقط با وصل کردن یه فیش به گوشی، هم سیگنال ژنراتور و هم اسیلوسکوپ فعال می‌شن. برای ساختش، حدود 30 سانتی‌متر کابل 4 رشته‌ای ببر و به هر دو سرش یه فیش نری 4 پین لحیم کن (دقت کن که ترتیب پایه‌ها تو هر دو سر کابل دقیقا مثل هم باشه). می‌تونی یدونه کابل اضافه هم بسازی تا اگه خواستی از دو تا گوشی متفاوت برای تولید و نمایش سیگنال استفاده کنی، کارت لنگ نمونه.

برای محفظه این پروژه از قاب یه درایو CD قدیمی استفاده کردیم. وقتی قطعات داخل درایو رو خالی کنی، فضای کافی برای جا دادن برد الکترونیکی و تمام کلیدها و فیش‌ها برات فراهم می‌شه.

مهم‌تر از همه اینکه استفاده از یه قاب فلزی برای این پروژه یه مزیت فوق‌العاده داره! مداری که ساختیم با سیگنال‌های الکتریکی ضعیف و حساس به نویز سر و کار داره. این جعبه فلزی مثل یه قفس فارادی عمل می‌کنه و جلوی ورود نویزهای الکترومغناطیسی محیطی به مدار رو می‌گیره تا شکل موج‌هات کاملا تمیز بمونن.

+3

اول از همه کف فلزی قاب رو با چسب برق یا نوار چسب محکم بپوشون تا پایه‌های زیر برد سوراخ‌دار اتصال کوتاه نشن. برای اینکه موقع کار با دستگاه دسترسی به تنظیمات راحت باشه، سه تا سوراخ روی در بالایی قاب دریل کن. ولوم‌ها رو از این سوراخ‌ها رد کن و با واشر و مهره محکم ببند. ولوم سمت چپی (یک مگااهم) برای تنظیم سیگنال اسیلوسکوپ و دو تا ولوم دیگه (صد کیلواهم) برای تنظیم دامنه خروجی‌های سیگنال ژنراتور هستن.

+2

برای پنل‌های جلو و عقب دستگاه، دو تا نوار چوبی هم‌اندازه دهانه درایو برش بزن. روی پنل جلویی 6 تا سوراخ برای نصب فیش‌های موزی (برای اتصال پراب‌ها) دریل کن. یه سوراخ کوچیک‌تر هم دقیقا بالای فیش‌های مربوط به اسیلوسکوپ برای نصب ال‌ای‌دی هشدار بزن. روی پنل چوبی عقب هم 3 تا سوراخ لازمه: دو تا برای جک‌های مادگی 3.5 میلی‌متری و یکی برای رد شدن کابل‌های منبع تغذیه.

+2

برای سرهم کردن نهایی، تمام سیم‌هایی که از برد کشیده بودی رو به قطعات روی پنل (کلیدها، ولوم‌ها، فیش‌های موزی، جک‌های صدا و ال‌ای‌دی) لحیم کن. بعدش برد الکترونیکی و پنل‌های چوبی رو با چسب حرارتی سر جای خودشون تو قاب فلزی فیکس کن.

در نهایت قاب رو ببند، پیچ‌هاش رو سفت کن و سرولوم‌ها رو جا بزن.

+2

آخرین قدم تو بخش ساخت‌وساز، درست کردن یه استند کوچیک برای موبایله. با 3 تیکه چوب کوچیک یه پایه بساز، با چسب به هم وصلشون کن و بعد کل این پایه رو با چسب حرارتی روی سقف دستگاه (قاب فلزی) بچسبون تا گوشیت موقع کار با اسیلوسکوپ زاویه دید خوبی داشته باشه.

+8

حالا وقتشه نتیجه زحماتت رو ببینی! کابل صدای 4 پین رو از یه طرف به گوشی و از طرف دیگه به جک مادگی پشت دستگاه وصل کن. برای تست سیگنال ژنراتور، یه بلندگو به فیش‌های خروجی قدرت وصل کن و یه موج سینوسی با فرکانس پایین (مثلا بین 300 هرتز تا 1 کیلوهرتز) تو اپلیکیشن بساز. باید صدای واضحی از بلندگو بشنوی که با بالا بردن فرکانس، زیرتر می‌شه.

اگه می‌خوای یه تست دقیق‌تر انجام بدی، می‌تونی خروجی مدارت رو به یه اسیلوسکوپ حرفه‌ای وصل کنی و شکل موجت رو با یه دستگاه استاندارد مقایسه کنی.

نتیجه واقعا شگفت‌انگیزه! درسته که خروجی این مدار به پای تجهیزات آزمایشگاهی چند هزار دلاری نمی‌رسه، اما برای کارهای الکترونیکی روزمره فوق‌العاده دقیق و کاربردیه.

ورودی اسیلوسکوپ مدار هم بی‌نقص کار می‌کنه؛ ال‌ای‌دی هشدار دقیقا ولتاژ رو روی 1.8± ولت لیمیت می‌کنه تا به گوشیت آسیبی نرسه. اگه دیدی ال‌ای‌دی روشن شده، کافیه کلید تغییر رنج رو بزنی تا سیگنال تضعیف بشه و به راحتی بتونی شکل موج رو تو اپلیکیشن اسیلوسکوپ گوشیت ببینی.

• محدودیت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری:

باید بدونی که کارت صدای موبایل‌ها فقط برای پردازش فرکانس‌های صوتی انسان طراحی شده. این یعنی پهنای باند مؤثر دستگاهی که ساختی بین 150 هرتز تا 15 کیلوهرتز هست. با وجود اینکه اپلیکیشن می‌تونه فرکانس‌های بالاتری تولید کنه، اما تو فرکانس‌های خیلی بالا شکل موج ضعیف می‌شه و کیفیتش افت می‌کنه.

طبیعتا این مدار نمی‌تونه جایگزین ابزارهای حرفه‌ای مگاهرتزی بشه، اما برای یادگیری، تست مدارهای صوتی و پروژه‌های دانشجویی یه ابزار فوق‌العاده‌ست.

یکی دیگه از چالش‌ها، اجرای هم‌زمان اپلیکیشن‌های تولید و نمایش سیگناله. تو خیلی از گوشی‌های اندرویدی، وقتی نرم‌افزار سیگنال ژنراتور رو می‌فرستی تو بک‌گراند تا اپلیکیشن اسیلوسکوپ رو باز کنی، صدای خروجی قطع می‌شه! البته تو بعضی از گوشی‌ها و تبلت‌های جدید این مشکل حل شده و به راحتی از اجرای هم‌زمان (Split Screen) پشتیبانی می‌کنن.

اگه گوشیت این قابلیت رو نداره، ساده‌ترین راه حل اینه که از دو تا موبایل استفاده کنی (یکی برای سیگنال دادن و اون یکی برای اسیلوسکوپ). به همین خاطر بود که گفتیم دو تا جک صدا تو پنل پشتی کار بذاری.

• ایده‌هایی برای ارتقای اسیلوفون:

با اینکه این مدار محافظت خوبی برای گوشی داره، اما کاملا ایزوله نیست. اگه می‌خوای روی مدارهای ولتاژ بالا کار کنی، می‌تونی برای ورودی‌ها از اپتوکوپلر استفاده کنی. اپتوکوپلر سیگنال‌ها رو از طریق نور منتقل می‌کنه و گوشیت رو در برابر ولتاژهای بالا کاملا ایزوله و ایمن می‌کنه.

برای تغذیه هم می‌تونی به جای استفاده از منبع تغذیه خارجی، یه باتری شارژی و افزاینده ولتاژ داخل خود دستگاه بذاری تا کاملا پرتابل بشه. ما تو آیسی‌مدار عاشق دیدن خلاقیت‌های شما هستیم! پس اگه این اسیلوسکوپ موبایلی رو ساختی، حتما یه عکس خفن از روی میز کارت بگیر و تو بخش نظرات برامون بفرست تا بقیه هم از این ایده کاربردی انرژی بگیرن.