2015年2月11日

手機平板的示波器實作


接頭
介紹手機示波器的裝置前,要先認識一下這幾種用在耳機或是麥克風的聲源接頭。

一般最常見到的接頭,是中間的那種立體聲接頭,上面金屬的部份會有兩條黑環,如果是用在電腦上面的,通常都是3.5mm的尺寸。而最左邊那種單聲道的,一般比較少用到,除非你特別去找。最右邊那種則是用在手機或是平板電腦上面的,為什麼比中間的多出一節,有什麼用處呢?等一下會說。
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這種立體聲的接頭,一般的規範都是頂端是左聲道,接下來分別是右聲道和地線。
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一般手機或平板電腦的耳機孔和麥克風都是同一個,因為它們用的是TRRS的接頭,但是不同的廠商用的標準不一樣,所以規範也不同。

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iPhone和iPad系列應該都是用CTIA的標準(由頂端下數,分別是左、右、地和麥克風),而其他android和windows phone則兩種都有可能,哪家屬於哪種規格,可以參考這篇文章《手機耳機接口國家標準(OMTP)與國際標準(CTIA)區別》的說法。


既然要把訊號輸入手機、平板或電腦裡,所以我們只要注意麥克風和地線在那個位置就行。


示波器接頭製作
先以電腦音效卡用的接頭來說吧,這篇《自製示波器看閃爍頻率》的接法,就是像下圖這樣。做好之後,插入麥克風孔,就可以輸入訊號進電腦了。
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理論上,要把訊號輸入手機或平板電腦裡,應該也是直接接就可以了,但一般不能這樣作,必須在麥克風和地線之間並聯一個電阻,這樣子,我們自製的示波器接線才會被裝置辨識為麥克風,這樣才能輸入訊號。再來,需要串聯一個電容來抑制雜訊,不過有時我會省略掉這個零件。
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至於那個電阻應該要多少,圖上我寫4.7k歐姆,但是不同裝置所需的阻值卻可能不同,舉例來說:

  • 小米2手機需要用到30K歐姆
  • iPad用1K到4.7K都是可以的
這篇文章中,也整理了一些裝置對應的阻值,像他就整理了三星手機可能用到1K-1.5K的阻值。


製作好的手機示波器線就像這樣,可以把電阻和電容藏在接頭的黑環裡。
小米示波器連接線30k


而我為了實驗不同的阻值,所以另外做了一個可插拔不同電阻的接線,藏在熱縮套裡的是一個切割成小塊的電木板。
示波器測試線4.7k


把線材插入手機後,如果有順利被手機辨識出「麥克風」的話,小米2手機會出現這樣的圖示,沒成功的話就只有耳機圖示。如果是其他家,如iPad的話,不管有沒有成功,都不會看到圖示。

那些看不到圖示的都只能從app去作測試,才知道成功與否。

手機顯示



有保護電路的示波器裝置
前面寫的和電腦相接或是手機平板相接的示波器線材,都必須小心使用,如果輸入的電壓過高,有可能會讓裝置損壞。因此需要一個能作到電路保護的電路,就如同我這篇《有保護電路的音效卡示波器》所作的,加上一個有分壓電路的裝置就可以。再加上一些改變,還可以把這樣的電路給手機示波器使用喔。
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感測器與應用
手機示波器或是電腦示波器可以作哪些應用呢?結合以下各種感測器就可以作相關的檢測和紀錄喔。其實也不用糾結於示波器啦,換成錄音機的app或是電腦軟體(如audacity)就可以作資料擷取紀錄囉。
感測器
上述的感測器由左至右分別是壓電片、紅外線發射與接收、光電晶體、光敏電阻、電容式麥克風。


  • 壓電片可以偵測振動,當然聲音也是一種振動,所以也能偵測聲音,此外也可以拿來偵測固體的振動。
  • 紅外線發射和接收組,是把示波器的鱷魚夾夾住紅外線接收器(黑的那顆),然後拿紅外線LED(透明那顆)去照射接收器。當紅外線被遮斷,示波器就會有峰出現。
  • 光電晶體,類似紅外線接收器,不過感受的是可見光,比起光敏電阻來說,優點是反應時間快。
  • 光敏電阻,當然是偵測光照的,缺點就是有延遲時間,大約是數毫秒,所以若要偵測快速出現的訊號,請使用光電晶體。
  • 麥克風,當然是偵測聲音的。雖然手機或平板就有內建麥克風,但如果你想偵測固定位置或是遠端的訊號,還是要外接麥克風比較好。




測試實例
以下是幾個實作偵測的例子,這是利用光電晶體來偵測數位相機快門的時間,兩個峰值分別代表快門開和快門關的時間點。



作法是把光電晶體對著鏡頭,光線則是由觀景窗射入,快門一關的時候,產生第一個訊號,快門再開則產生第二個訊號。這個測試的概念是來自這篇文章《用手機測量你的相機快門速度!》,測試了之後會發現數位單眼相機的快門時間,都可能有一點點略長或略短的誤差時間。
相機快門



接下來的應用是結合光電晶體或是光敏電阻,直接讓室內日光燈或是檯燈照射感測器,就可以看出這些光線閃爍的波型,再用有FFT功能的app,則可以測量出閃爍的頻率。
日光燈



這個是測試閃光燈的持續時間。由於我的外接閃光燈的規格書沒有說它的閃光持續時間是多少,因此我使用了光電晶體來偵測,當使用全光輸出的時候,閃光燈的持續時間是3.5毫秒,而且可以看出亮度會逐漸衰減。
閃光燈-3.5ms


而調整到不同設定值時,可以作到光線閃快一點,弱一點。但是有多快呢?還是要用示波器來測。透過檢測可以發現閃光持續時間大約是230微秒,而且光線並沒有突然衰減。
閃光燈-250us


用來檢測閃光燈是因為我用photoduino來拍攝觸發攝影,我需要知道到底我需要設定閃光燈到哪一個設定值,才能符合我的需求。


App建議

上面幾個測試畫面都是使用Sound Oscilloscope這個app,是android的平台上,我目前認為最好用的,也可以直接作頻譜分析。

如果是特別要看頻譜分析,可以使用Sound Frequencies這個軟體


至於iOS系列的免費app,有以下幾個可以參考。(我覺得付費的有幾個應該更合用,但是我沒買,所以不知道好不好用)


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