Ein Soundkarten­vorschalt­gerät für ein SW-Oszilloskop

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• Die Schaltungen •
• Der praktische Aufbau •
• Kurztest und Pegelmessung

Ein neues Oszilloskop war zu teuer, ein preiswertes Angebot aus dem Versandhandel funktionierte nicht und musste zurückgeschickt werden (da war dann aber auch kein anderes zu bekommen), bei einem USB-Vorschaltgerät einer großen Elektroladenkette vertrug sich (2013!) die zugehörige Software nicht mit Windows XP (der Verkäufer meinte beim Rücktausch lediglich sinngemäß, wenn ich mir nur Produkte seines Hauses leisten könne, dann … ) – nun ja, besser, man bleibt Der Dumme Rest, als mit Euch, Jungs. 

Dann also ein einfaches Software-Scope.  Auch wenn das natürlich kein richtige Oszilloskop ersetzen kann. 

Zu dem Software-Scope, das mit der Soundkarte als Schnittstelle arbeitet, gehört natürlich eine Vorschaltbox, die zum einen die entsprechenden Ein- und Ausgänge bereitstellt und zum anderen die Soundkarte vor Beschädigung schützt (z. B. durch zu hohe Eingangspegel und zu kleine Lastwiderstände) und die Pegel an Ein- und Ausgang anpassen kann. 

Das Vorschaltgerät sollte also folgende Anforderungen erfüllen:

Eingangsanpassung

Der Eingangspegel sollte um ein definiertes Maß verringert werden und Signalspitzen von der Soundkarte fernhalten.  Weiterhin sollte die Eingangsschaltung einen definierten Eingangs­widerstand haben, der sich auch mit Einstellung des Pegels nicht ändert.  Die Schaltung zur Eingangsanpassung wird zweimal ausgeführt. 

Ausgangsverstärker

Der Eingangspegel vom Soundkartenausgang sollte zunächst gepuffert werden, um einen niederohmigen Ausgang zur Verfügung stehen zu haben.  Weiterhin sollte noch eine Verstärkung von maximal 10 dB möglich sein. 

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Die Schaltungen

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• Eingangsschaltung •
• Der Ausgangstreiber •
• Das Netzteil

Eingangsschaltung

Die folgende Abbildung 1 zeigt die Eingangsschaltung des Vorschaltgerätes

Am Eingang der Schaltung befindet sich ein Eingangsspannungs­teiler, um das Signal nach festen Dämpfungs­verhältnissen (Dämpfung von 1, 3, 10, 30 und 100) und einem weitgehend konstanten Eingangs­widerstand von 1 MΩ.  Letzteres ist wichtig, falls zur Messung ein Tastkopf mit eigener Pegeldämpfung eingesetzt werden soll.  Die Widerstände des Eingangsspannungs­teilers wurden direkt auf die Schalter gelötet.  Die Berechnung dieses Teilers wird weiter unten beschrieben. 

Diese Eingangsschaltung wurde zweimal aufgebaut – Kanal 1 ist mit dem linken Kanal, Kanal 2 mit dem rechten Kanal am Line-In der Soundkarte des PC verbunden. 

Nach dem Eingangsspannungs­teiler liegt ein mit hoher Spannung belastbarer Koppel­kondensator und die Ein­gangs­schutz­schaltung – Dioden gegen die positive bzw. negative Betriebs­spannung.  Die Ein­gangs­schutz­schaltung wurde über einen Gleichrichter (eine Graetzbrücke als ein Bauelement) dergestalt realisiert, dass der „+“-Kontakt (zwei Kathoden) mit der positiven Betriebs­spannung und der „-“-Kontakt (zwei Anoden) mit der negativen Betriebs­spannung verbunden wurden; die beiden Wechselspannungs­anschlüsse wurden an die Signaleingänge der beiden Kanäle gelegt. 

Es folgt ein Pufferverstärker in Form eines Operations­verstärkers.  Die Betriebs­spannung der verwendeten Operations­verstärker ist symmetrisch ± 13,75 V; sie wurde am Schaltkreis mit je 100 nF Keramik abgeblockt (nicht im Schaltplan eingezeichnet). 

Eine weitere Schutzschaltung befindet sich nach dem ersten Pufferverstärker – eine aus der Gitarrenelektronik bekannte Begrenzer­schaltung mit antiparallelen Dioden – hier Leuchtdioden – soll Spannungen größer als etwa ± 2 V vom Eingang des PCs fernhalten, damit die Soundkarte nicht beschädigt werden kann.  Für den angestrebten Eingangsspannungs­bereich von einigen hundert Millivolt hat die Schaltung keine Bedeutung, die LEDs sperren hier. 

Dieser Begrenzerstufe folgt ein weiterer Operations­verstärker, der das Signal um den Faktor 1,1 verstärkt.  Er gleicht damit die Signalabschwächung die durch den nachfolgenden Spannungsteiler aus dem Schutzwiderstand R₁₄ = 1 kΩ, dem Pull­down-Widerstand gegen Masse R₁₅ = 100 kΩ und dem Eingangs­widerstand der Soundkarte (üblicherweise 10 kΩ) aus. 

Die genauere Schaltung des Eingangsspannungs­teilers verlangte noch ein wenig Rechnerei und ist sicher auch ein wenig ungewöhnlich, unter anderen auch deswegen, weil hier mit Widerständen in Standardwerten (E6-Reihe) gearbeitet wurde.  beschrieben – die Bestückung ist weiter unten in Tabelle 1 aufgelistet. 

Der Spannungsteiler (siehe auch Abbildung 1) wird über zwei Ebenen geschaltet.  Zunächst schaltet die obere Schaltebene den oberen Widerstand des Spannungsteilers.  Hier bilden die Widerstände R₁ bis R₅ eine Reihe mit einem Gesamtwiderstand von 1 MΩ – so gesehen könnte man jetzt an einem beliebigen Punkt dieser Reihe ein entsprechend gedämpftes Signal abgreifen und hätte jeweils einen Eingangs­widerstand von 1 MΩ. 

Das funktioniert allerdings nicht hundertprozentig, da zum unteren Gesamtwiderstand jeweils noch der Pull­down-Widerstand am Eingang des Operations­verstärkers (10 MΩ) parallel­geschaltet wird.  Deswegen wird in den Fußpunkt des unteren Spannungsteiler­widerstandes R_u,1 noch eine weitere Schaltebene mit weiteren Widerständen R_u,2 eingeschleift, die diese Parallelschaltung kompensieren.  Insgesamt realisiert sich der Spannungsteiler dann aus einem oberen Spannungsteiler­widerstand zwischen Eingang und dem Schleifer der oberen Schalterebene R_u,ges. und einem unteren Spannungsteiler­widerstand:

\( \begin{equation} R_{\textrm{u,ges.}} = \textrm{10}\, \textrm{MΩ}\, ||\, (R_{\textrm{u,1}} + R_{\textrm{u,2}}) \tag{1}\end{equation} \)

Weiterhin ergibt sich der der realisierte Spannungsteiler aus dem Verhältnis zwischen

\( \begin{equation} \textrm{Teiler} = 1 + \cfrac{R_{\textrm{ob.}}} { \textrm{10} \textrm{MΩ} \,||\, (R_{\textrm{u,1}} + R_{\textrm{u,2}}) } \tag{2}\end{equation} \)

und Eingangs­wider­stand der gesamten Schaltung als Summe aus

\( \begin{equation} R_{\textrm{e}} = R_{\textrm{ob.}} + \textrm{10}\, \textrm{MΩ}\, ||\, (R_{\textrm{u,1}} + R_{\textrm{u,2}}) \tag{3}\end{equation} \)

Die ganze Rechnerei erfolgt dann in EXCEL.  Mit ein wenig Geduld und Spucke bekommt man das auch auf Widerstände der E6-er Normreihe hingebogen, so dass es noch halbwegs passt:

Tabelle 1:  Berechnung des schaltbaren Eingangsspannungs­teilers der Zusatzbox.  (Die Spalte R_u,ges meint die Serienschaltung von R_u,1 mit R_u,2, der der Widerstand R₁₀ mit 10 MΩ parallelgeschaltet wurde.)

Schalter- stellung	Widerstände am Schalter				Ergebnis
	Rob. [kΩ]	Ru,1 [kΩ]	Ru,2 [kΩ]	Ru,ges [kΩ]	Re [MΩ]	D
1	0	1000	100	991	0,991	1
2	680	320	32	340	1,02	3
3	900	100	1	100	1	10
4	968	32	1,47	33,4	1	30
5	990	10	0	10	1	100
6	1000	0	0	0	1	—

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Der Ausgangstreiber

Das als Software-Oszilloskop benutze Programm bietet auch die Möglichkeit, Testsignale zu erzeugen und über die Soundkarte auszugeben – das Vorschaltgerät sollte also auch einen Ausgangstreiber bzw. Ausgangsverstärker haben, der die von der Soundkarte kommenden Signale puffert und nach Bedarf auch verstärkt.  Hier die Schaltung: 

Im Gegensatz zur Eingangsschaltung, die zweimal aufgebaut wurde, gibt es nur eine Aus­gangs­treiber­schaltung.  Das hat zwei praktische Gründe – zum einen wird für die Messungen und Untersuchungen, für die das Gerät vorgesehen war, kein Stereoausgang gebraucht.  Vielmehr wird ein Ausgang mit einer Quellimpedanz von maximal 1 kΩ gebraucht, und hier beginnen die Probleme.  Der der Einfachheit halber vorgesehene Standard-Operations­verstärker TL082 ist für solche niedrigen Lasten nicht unbedingt vorgesehen, niedrige Lasten (weniger als einige kΩ) führen zu einer Verringerung der maximalen Aussteuerung des Operations­verstärkers. 

Das ist, führt man sich einmal im Datenblatt die Innenbeschaltung des TL082 zu Gemüte, auch nachvollziehbar – zwischen eigentlichen Ausgangstreiber und Ausgang liegen einige hundert Ohm an Schutzwiderständen. 

Aus diesem Grunde wurden die beiden einzelnen OPV eines Doppelschaltkreises TL082 parallel­geschaltet, das heißt, die Signaleingänge (nichtinvertierende Eingänge) wurde verbunden, die Gegenkopplung wurde von jedem Ausgang über einen (abschaltbaren Spannungsteiler an den invertierende Eingänge geführt und die Ausgänge wurden über zwei Widerstände von je 2,2 kΩ miteinander und mit dem Signalausgang des Gerätes verbunden. 

Praktischerweise ergibt sich so mit dem Pull­down von 10 kΩ am Geräteausgang eine Quellimpedanz von 1 kΩ (siehe Abbildung 2 – die Ausgangsimpedanz ergibt sich zu (R₂₅ || R₂₆ || R₂₇) = (2,2 kΩ || 2,2 kΩ || 10 kΩ) = 1 kΩ, zumindest solange, wie der Operations­verstärker den geforderten Strom liefern kann. 

Der Nachteil dieser Lösung ist, dass nach dem Ausgangspuffer durch den Spannungsteiler R₂₅ || R₂₆ zu R₂₇ ein Signalpegelverlust von knapp 1 dB (Faktor 0,9) auftritt. 

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Das Netzteil

Für die Spannungsversorgung der Schaltung stand zunächst nur ein Steckernetzteil mit einer Aus­gangs­wechsel­spannung von 12 V zur Verfügung, um die verwendeten Operations­verstärker mit einer symmetrischen Betriebs­spannung zu versorgen.  Hier sind normalerweise ±15 V üblich. 

Das Netzteil hat eine Sekundärwicklung mit einer Wechselspannung von 12 V (und mit einen Maximalwert / einer Scheitelspannung von etwa 17 V).  Um aus einem Netzteil mit einer Wicklung eine symmetrische Ausgangsspannung zu erzeugen, bleibt nur jeweils ein Einweggleichrichter mit relativ großem Elko.  Da der Strombedarf der beiden beschriebenen Schaltungen mit wenigen Operations­verstärkern wesentlich kleiner ist, als das Steckernetzteil an Strom liefern kann, sollte man an den Ladeelkos des Netzteils auch bei Einweg­gleichrichtung auf eine Spannung von etwa 16…16,5 V (die Scheitelspannung abzüglich der Flussspannung der Gleichrichterdiode) zurückgreifen können. 

Weiterhin sollte die Betriebs­spannung der Einfachheit halber mit zwei integrierten Spannungs­stabilisatoren stabilisiert werden.  Da die üblichen „Dreibeiner“ der LM 78xx-Serie selbst in einen Spannungsbedarf von 2…2,5 V haben, musste eine kleinere Betriebspannung als ±15 V gewählt werden.  Die Wahl fiel auf zwei Spannungs­stabilisatoren mit einstellbarer Ausgangsspannung (LM 317 bzw.  LM 337).  Sie wurden so beschaltet, dass ihre Ausgangsspannung bei 13,75 V liegt. 

(Die Stabilisatoren stellen sich so ein, dass die Spannung zwischen Ausgang und Referenzeingang bei 1,25 V liegt.  Durch die Beschaltung einen Spannungsteiler 100 Ω zu 1 kΩ ergibt sich eine stabilisierte Ausgangsspannung von 11 × 1,25 V = 13,75 V.)

Die restliche Beschaltung (Kondensatoren vor und hinter dem Schaltkreis, Freilaufdiode in Sperrrichtung zwischen Ein- und Ausgang) wurden aus dem Datenblatt übernommen.  Für die Kondensatoren 100 nF empfehlen sich Vielschicht-Keramik­kondensatoren – diese Kondensatoren müssen keinen Ansprüchen Audiophiler genügen. 

An den Ausgang der positiven Betriebs­spannung U_DD wurde noch (über einen Vorwiderstand) die Betriebs­spannungs-LED angeschlossen. 

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Der praktische Aufbau

Kurz zur Realisierung: Als Gehäuse fand ein Zweischalen-Plastegehäuse aus dem Sortiment von Conrad Verwendung.  Nicht dass die Dinger sonderlich schön wären, das ist im Grunde genommen nicht mal Tupperware (die könnte man jedenfalls häufiger öffnen und schließen), aber wenn ein neutrales Gehäuse (keine Keksdose, kein Selbstbau, nix mit Welpenfotos, Miss Kitty oder der Tower Bridge) sein soll, dann geht man halt zu Conrad, nimmt ein Gehäuse für gefühlte sieben Cent und zahlt noch sechs Euro für die Bank, die Händler und die andern alle.  Ende Kapitalismus­kritik. 

Noch ein Netzteil zu kaufen, wäre dann für Conrad zu viel der Ehre gewesen, die Stromversorgung erfolgte über ein schon vorhandenes externes Steckernetzteil 12 V ≈.  Gleichrichterdioden und Elkos wurden auf Lötleiste aufgebaut, der Rest auf einer Experimentier­platine für zwei DIL-Schaltkreise, ebenfalls von Conrad.  Der Eingangs­spannungs­teiler wurde allerdings direkt auf den Drehschalter gelötet, wie im Schaltplan der Eingangsstufe in Abbildung 1 gezeigt.  Die folgende Abbildung 4 zeigt – nur um einen Eindruck zu vermitteln – die genutzte Skizze zur Bestückung der Hauptplatine.  Falls das noch mal jemand verifizieren und zeichnen will – meinen Segen hat er.  Oder sie. 

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Kurztest und Pegel-Untersuchung

Es wurden, wenn auch erst in einem Einsatz des Gerätes zur Untersuchung einer Halb­leiter­schaltung, die Pegel ausgetestet.  Dabei fand das Programm Soundkarten-Oszillograph V1.46 von C. Zeitnitz Verwendung.  Bei der Messung und beim ersten Testeinsatz wurden über den gesamten Signalweg (vom Software-Signalgenerator durch Soundkarte und Vorschaltgerät bis zum Software-Oszilloskop) folgende Einstellungen getätigt und Pegel gemessen:

Signalgenerator

Signalgenerator im Programm Soundcard Oszillograph → Signalgenerator auf 1 V Amplitude

Lautstärke­einstellung Windows

Taskleiste → „Laut­sprecher“ Schiebesteller auf „voll“ → Mixer → im Fenster „Laut­stärke­mixer für Laut­sprecher (Realtek High Definition Audio)“ → in der ersten Spalte das Gerät „Laut­sprecher“: Schiebesteller auf „voll“, dann in der Spalte für die Anwendung „Soundcard Oszillograph“: Hier wurde der Schiebesteller auf 56 % eingestellt. 

Vorschaltgerät Ausgang

Pegelanhebung 10 dB ausgeschaltet

Breadboard

Ausgang des Vorschaltgerätes mit beiden Eingängen des Vorschaltgerätes verbunden.

Vorschaltgerät Eingang

Pegeldämpfung um den Faktor zehn (–20 dB), da ohne Pegeldämpfung entweder das Vorschaltgerät oder der Eingang der Soundkarte klippt.  (Die Aus­steuerungs­grenze liegt bei etwa 1,8 V, wahrscheinlich klippt hier der Eingangsverstärker der Soundkarte – der Über­steuerungs­schutz wie im Vorschaltgerät, bestehend aus zwei antiparallelen LEDs gegen Masse an einem Vorwiderstand von 10 kΩ, führt i. d. R. zu einer weicheren Begrenzung.)

Pegelmessung in Software-Oszilloskop

Im Programm Soundcard Oszillograph → Reiter Oszilloskop: Der Pegel (Spitze-Spitze) auf beiden Eingängen lag, nach der oben beschriebenen Einstellerei im Lautstärkemenü von Windows, bei 200 mV bzw. 203 mV.  Das entspricht der eingestellten Spannung im Signalgenerator (Amplitude = 1 V), vermindert um die Dämpfung 1 / 10 im Vorschaltgerät. 

Pegelanpassung im Vorschaltgerät – Ausgang

Im Ausgangstreiber des Vorschaltgeräts wird die Anhebung ≈ 10 dB (Faktor 3,2) aktiviert – im Programm Soundcard Oszillograph werden nun Pegel von 633 mV bzw. 644 mV Spitze /  gemessen, was einer Anhebung um den Faktor von ungefähr 3,2 entspricht. 

2. Versuch – Pegelvergleich:

Eine übersteuerte Testschaltung mit einem maximalen Aus­gangs­spannungs­hub von 9 V (Spitze-Spitze, Schaltung hängt an einer 9V-Batterie) an den Signaleingang des Vorschaltgerätes → dort wieder Dämpfung durch den Teiler zehn – das Software-Oszilloskop zeigt einen Eingangs­spannungs­hub von gut 900 mV an.

Die Pegel scheinen also halbwegs zu stimmen, wenn auch die komische Einstellerei in Windows etwas misstrauisch macht.  Außerdem schien der Ausgangstreiber bei größeren Aussteuerungen an einer nichtlinearen und kapazitiven Last doch zu kämpfen zu haben.  Insgesamt scheint es sinnvoll, das im Vorschaltgerät erzeugte Signal bzw. das Eingangssignal der Mess­schaltung zur Referenzzwecken und zur Sicherheit auf den zweiten Eingang zu legen, was u. U. etwas umständlich ist, zumal natürlich auch ein Eingang „weg ist“. 

Will sagen, leider kann man sich m. E. auf das Zusammenspiel von Software, Soundkarte und Vorschaltgerät nicht so verlassen wie auf eine (natürlich wesentlich teurere) Hardware-Lösung.  Man muss eben immer die Grenzen der einzelnen Komponenten mitdenken, und sei es nur die eingeschränkte Bandbreite einer Lösung via Soundkarte. 

Also, als Fazit ist kurz – „fourn joardenn raichts“ bzw. für nicht allzu genaue Messungen, d. h. eher qualitative Betrachtungen als belastbar genaue Untersuchungen ist die Lösung mit Vorschaltgerät und Software-Oszilloskop durchaus geeignet. 

Ein Nachtrag: Für den merkwürdigen Wert von 55 %–56 %, auf den die Lautstärke­einstellung in Windows gesetzt werden muss, gibt es wohl mehrere Erklärungen – eine liegt in der Schaltung des Ausgangstreibers des Vorschaltgeräts.  Hier werden die Ausgänge zweier Operations­verstärker mit einem Serienwiderstand von jeweils 2,2 kΩ über einen Elko an einen Pulldown von 10 kΩ zusammengeführt.  Es entsteht ein Spannungsteiler von 10 kΩ / 11,1 kΩ bzw. 55,5 % zu 50 %.  Entfiele – bei einem Ausgangstreiber mit einer Verstärkung von exakt 1 – dieser Spannungsteiler, so wäre die notwendige Einstellung in Windows genau 50 %.  Woher das aber jetzt kommt, ist wiederum nicht klar. 

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