osciloscopio
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OSCILOSCOPIO-VOLTIMETRO MULTIPROPOSITO USB PARA PC
Por Carlos Rodríguez Navarro
Es sabido que existe una multitud de programas que explotan las capacidades de
adquisición de datos de las tarjetas de sonido para convertir nuestro PC en un
osciloscopio virtual, pero si bien es cierto que>podemos ver el aspecto de la señal, no
podemos cuantificar, tanto en corriente alterna, como en corriente continua, el nivel de
esta, siendo esta circunstancia realmente una seria limitación si lo que realmente se
pretende es conocer la magnitud de la señal a medir y por tanto emular un verdadero
osciloscopio.
Sirviéndonos de la ingeniería inversa, por muy poco dinero se propone realizar un
pequeño cambio, bien en>su tarjeta de sonido o bien en un modulo usb de bajo coste,
para solventar esta grave limitación y realmente poder cuantificar el nivel de cualquier
señal>aplicada a su entrada y por tanto obtener un verdadero sistema de adquisición
de datos cuyas principales premisas serán: su bajísimo>coste, su alta fiabilidad, su
sencillez constructiva y su alta flexibilidad.
Gracias a la técnica descrita en estas líneas pues y un pequeño circuito, el lector podrá
cuantificar de una manera muy precisa cualquier variable física susceptible de ser
transformada en una variación de voltaje como pueden ser: intensidad, resistencia,
capacidad, inductancia, temperatura, humedad, luminosidad, presión y un largo
etcétera.
Como complemento al circuito se presenta un pequeño programa gratuito escrito en
Delhi 7 por el autor que funcionara sobre Windows Vista,cuya descarga es gratuita en
est a misma Web del autor en el apartado de descargas y que el lector podrá utilizar de
forma multidisciplinar tanto en modo osciloscopio de doble trazo como sistema de
adquisición de datos....
Adquisición de señales CC/CA a través de una tarjeta de sonido
Las tarjetas de sonido se>han convertido en un componente estándar de prácticamente
todos los ordenadores personales corrientes, estando prácticamente todas constituidas
como mínimo de dos partes:
Un bloque mezclador cuya misión es>unir diferentes fuentes de señal gracias a
un control por software de ganancia y de nivel en una única señal (que será la
entregada al conversor).
Un bloqueconvertidor A/D doble (es decir un convertidor analógico a digital y
un convertidor digital analógico), usualmente de alta precisión de 16bits, con
una frecuencia máxima de muestreo entre 44.1khz o 48khz.
A estos dos bloques básicos, pueden añadirse otros bloques más, como por ejemplo
otro conversor digital analógico para obtener una salida de audio estereo, pero desde
el punto de vista de la conversión A/D estos dos citados son los más importantes.
Por desgracia casi todas las tarjetas de sonido están aisladas de corriente continua por
medio de un condensador interno de desacople que se sitúa cerca de sus todas su
entradas. Esto como el lector imaginara, no solo nos imposibilita tomar medidas de CC,
sino que también nos impide hacer mediciones fiables y cuantificadas respecto a una
referencia dada (el motivo de semejante medida es claramente la de ajustar el nivel
cero de la señal de sonido procesada y utilizar esta como referencia de masa).
Normalmente este aislamiento de CC nunca ha sido un problema dado que el uso de las
tarjetas de sonido ha sido siempre la de capturar señales analógicas sin grandes
pretensiones (normalmente la captura de un micrófono JFET) por lo que la presencia
de estos condensadores solo sirve para la eliminación de la componente CC que tenga
la señal de entrada pasando al conversor A/D de la tarjeta solo el nivel de CA sin que
esto afecte a un uso normal de estas.
Ahora bien, si lo que se desea es utilizar el conversor A/D de la tarjeta de sonido para
medidas de mayor precisión ( como ejemplo para un osciloscopio virtual ) es evidente
que estos condensadores son una serio obstáculo para utilizar estas tarjetas como
medio de adquisición de datos, motivo por el cual habrá que estudiar otra forma de
referenciar el nivel cero con la mínima intervención sobre estas.
En>las líneas siguientes se mostraran dos soluciones de ingeniería inversa que
resuelven de un modo rápido, fiable y muy económico>con total satisfacción este
problema usando sin embargo dos perspectivas diferentes:
Modificando una tarjeta de sonido tipo PCI estándar.
Utilizando una pequeña unidad externa USB de bajo coste que basa su
funcionamiento en único Circuito Integrado.
Posibilidad de modificación de una tarjeta de sonido estándar PCI para medida de tensiones de continua
Si analizamos la entrada de línea de un Creative>modelo CT4810, estudiado el circuito
asociado al conector azul de entrada>será>similar al siguiente al de la imagen.
Ampliación entrada línea de la tarjeta de sonido
>CT4810
SEQ Ampliacion_entrada_linea_de_CT4810 1
Como podemos observar en la fotografía adjunta, es fácil esbozar el circuito asociado a
la línea de entrada , especialmente si nos fijamos en los grandes condensadores
electrolíticos C18 y C19 los cuales claramente nos están anulando el paso de continua a
las etapas posteriores, el cual consiste básicamente en un condensador en paralelo con
la entrada, y tras el, un divisor de tensión y en su punto medio un condensador en serie
de desacople electrolítico.
Este esquema esta lógicamente repetido para el otro canal y lo podemos ver en la
figura de más abajo:
Esquema circuito de entrada CT4801 SEQ Esquema_circuito_de_entrada_CT4801 1
Es fácil comprender que,si analizamos otras tarjetas el circuito será similar a este, si
bien la red previa a los condensadores de desacoplo (en nuestro caso formado C1-R2-
R3 y C2-R3-R6) puede cambiar.
Por ejemplo, el circuito anteriormente comentado, es muy similar en las siguientes
otras tarjetas:
-En la SB 16 es idéntica a la anterior (si bien los valores de los componentes pueden no coincidir).-En la CMI 8738SX por cada canal solo hay una resistencia y un condensador en paralelo y después el condensador de desacople.-En la Audio PCI5000 es simplemente una red RC previa por canal.-En la AWE64 es la mas compleja pues hay un operacional TL074 a la entrada en modo inversor, y a su salida ya podemos encontrar el condensador de desacople. Esta configuración serviría para realizar el ajuste que se describirá más adelante, incluso podríamos seguir el esquema de más abajo pues el Amplificador operacional nos serviría y solo tendríamos que modificar sus componentes externos.
Localizado el origen del problema, para poder hace mediciones de DC pues, solo nos
bastaría con reemplazar C18 o C19 por un puente, pero aun así tendríamos el
problema de la referencia de tierra (en este caso rondaría en torno a las 2.5v)…
Para solucionar nuestro problema, tras eliminar o cortocircuitar C18 y C19 de la tarjeta
original, podemos utilizar el siguiente sencillísimo esquema de un AO usado en modo
diferencial.
La salida de este, viene dado por la conocida formula:
Un análisis de la citada formula nos muestra que la salida vout puede ser un cierto
nivel de continua negativo de vref, si la tensión de entrada vin llega a ser un valor
aproximo a cero, es decir:
Es decir con esta configuración previa, conseguimos restar de la señal de entrada un
cierto nivel de continua de modo que la lectura tomada final este compensada por ese
valor y de ese modo el convertidor A/D nos da el valor real de la señal a medir.
Para facilitar este ajuste nos ayudaremos de la red R4-R6-R5, la cual nos servirá para
añadir el nivel justo de continua para compensar que la lectura del circuito sea cero.
Esquema de circuito de corrección SEQ Esquema_de_circuito_de_correcion 1
Del esquema final solo no queda mencionar la pequeña red de atenuación formada por
los divisores de tensión R9/J1a y R10/J2b los cuales junto con R8, cual nos servirán
apara atenuar la medida a un valor que no pueda dañar al A.O., obteniéndose con la
primera aproximadamente una atenuación de 1/10 y con la segunda en torno a 1/100.
Por ultimo, en cuanto la alimentación del circuito al ser simétrica de +-5v, aunque
podemos tomar los +5v , no podemos tomar los –5V de un conector Molex de HDD o
DVD , por lo que para simplificar el circuito tomaremos ambas directamente del
conector ATX en los pines 17(negro) ,18 (blanco) y 19(rojo).
Esquema conector ATX SEQ esqeuma_conectorATX
La solución integrada: el circuito integrado CM108
Aunque se ha visto que añadiendo un pequeño circuito basado en un simple A.O.
podemos adaptar cualquier tarjeta de sonido PCI para medir tensiones continuas, no
siempre es posible hacer esto, pues modernamente casi todas las tarjetas de sonido
suelen estar integradas en la placa madre (mas aun si se trata de un ordenador
portátil) siendo estas engorrosas de desmontar y por tanto difíciles de modificar en el
aspecto que se he explicado en las líneas anteriores.
Por tanto para aquellas personas que no puedan o no quieran modificar la tarjeta de
sonido de su PC, la utilización del chip CM-108 es perfecto para una simple aplicación
de adquisición de datos, pues por un bajísimo precio integra en una sola pastilla con
unos poquísimos componentes discretos asociados, el interfaz USB, la fuente, el
convertidor A/D y en definitiva todos los componentes necesarios para realizar
adquisición de señales analógicas en nuestro PC.
En efecto pues, el circuito integrado CM108 es una solución de audio con interfaz USB
de muy bajo coste cuyo diseño se ha basado en un único chip, conteniendo en su
interior todos los módulos analógicos esenciales incluyendo un doble conversor digital-
analógico y etapa de potencia para auriculares, un PLL, un pre-amplificador para una
entrada analógica, regulador de 3.3 voltios, así como un transceptor USB.
Este chip es muy usado en aplicaciones para convertir muy fácilmente cualquier PC u
ordenador portátil en un sistema de sonido y también para hacer llamadas por Internet
por VoIP (Skype, Messenger, etc.)
Muchas de las características de este chip son programables bien con puentes o bien a
través de una EEPROM externa. Además los ajustes de audio pueden ser mas
fácilmente controlados por unas patillas especificáis del chip.
A continuación se destacan algunas de las magnificas carastericticas este chip:
1. Encapsulado en LQFO de 48 patas.
2. Configuración de ancho de banda cero para relevar el ancho de banda del bus USB cuando esta
esté inactivo.
3. Soporta los formatos AES/EBU, IEC60958, S/PDIF para datos esterero PCM sobre salida S/PDIF.
4. Patilla de mute en grabación con patilla de salida para Led de indicación de estado.
5. Interfaz externo en EEPROM para datos de fabricantes como USB VID, numero de serie.
6. Función>de escritura>en>EEPROM>por especificación del>c nsumidor final para producción en
masa.
7. VID, PID, y cadena de producto por petición del fabricante.
8. 4 patillas de GPIO>con interfaz de lectura/escritura>vía interfaz>HID
9. Patillas para configurar el voltaje salida (3.5V o 2.5V).
10. Patilla para configurar el modo de ahorro de energía (100mA o 500mA, alimentado por el propio
Bus USB o>autoalimentado).
11. Transferencia sincrónica usando modo adoptivo por medio de un PLL interno para sincronización.
12. Rango de muestreo de 48K / 44. para reproducción y grabación
13. Función de Mute.
14. DAC embebido de latas prestación de 16-Bit Audio con salida amplificada de auriculares.
15. Función de reducción de ruido.
16. Convesor analógico/digital (ADC) de 16-Bit con preamplificador.
17. Bloque embebido de encendido en el reinicio.
18. Regulador de 5V a 3.3V para funcionamiento con 5 voltios.
19. Compatible con Win98 SE / Win ME / Win 2000 / Win XP y Mac OS9 / OS X sin driver adicional.
Pin # Symbol Type Description
1 SPDIFO DO, 8mA, SR SPDIF Output
2 DW DIO, 8mA, EEPROM Interface Data read from EEPROM
PD, 5VT
3 DR DO, 4mA, SR EEPROM Interface Data write to EEPROM
4 SK DO, 4mA, SR EEPROM Interface Clock
5 CS DO, 4mA, SR EEPROM Interface Chip Select
6 MUTER DI, ST, PU Mute Recording (Edge Trigger with de-Bouncing)
7 PWRSEL DI, ST Chip Power Select Pin, worked with MODE Pin
Speaker Mode HSelf Power with 100mA
LBus Power with 500mA
Headset Mode HBus Power with 100mA
LBus Power with 500mA
( H: Pull Up to 3.3V; L: Pull Down to Ground ) >
8 XI DI Input Pin for 12MHz Oscillator
9 XO DO Output Pin for 12MHz Oscillator
10 MODE DI, ST Operating mode select
HSpeaker Mode - Playback Only
LHeadset Mode - Playback & Recording
( H: Pull Up to 3.3V; L: Pull Down to Ground )
11 GPIO2 DIO, 8mA, GPIO Pin
PD, 5VT
12 LEDO DO, SR, 8mA LED for Operation;
Output H for Power On; Toggling for Data Transmit
13 GPIO3 DIO, 8mA, GPIO Pin
PD, 5VT
14 DVSS1 P Digital Ground
15 GPIO4 DIO, 8mA, GPIO Pin
PD, 5VT
16 SDIN DIO, 8mA, ADC I2S Data Input
PD, 5VT
17 ADSCLK DIO, 4mA, SR ADC I2S Serial Clock
18 MUTEP DI, ST, PU Mute Playback (Edge Trigger with de-Bouncing)
19 ADLRCK DO, 4mA, SR ADC I2S Left / Right Clock
20 ADMCLK DIO, 4mA, SR 11.2896MHz Output for 44.1KHz Sampled Data and
12.288MHz Output for 48KHz Sampled Data
21 LEDR DO, SR, 8mA LED for Mute Recording Indicator;
Output H when Recording is Muted
22 ADSEL DI, ST, PD ADC Input Source Select Pin
H: Use external (via I2S) ADC
L: Use internal ADC
( H: Pull Up to 3.3V; L: Pull Down to Ground )
23 TEST DI, ST, PD Test Mode Select Pin;
H: Test Mode
L: Normal Operation
( H: Pull Up to 3.3V; L: Pull Down to Ground )
24 AVSS1 P Analog Ground
25 VBIAS AO Microphone Bias Voltage Supply (4.5V), with a small Driving Capability
26 VREF AO Connecting to External Decoupling Capacitor for Embedded Bandgap> Circuit; 2.25V Output
27 MICIN AI Microphone Input
28 VSEL AI Line Out Voltage Swing Select
H: Line out Vpp> = 3.5 Volts
L: Line out Vpp> = 2.5 Volts
( H: Pull Up to 5V; L: Pull Down to Ground )
29 AVDD1 P 5V Analog> Power for Analog> Circuit
30 LOL AO Line Out Left Channel
31 LOBS AO DC 2.25V Output for Line Out Bias
32 LOR AO Line Out Right> Channel
33 AVSS2 P Analog Ground
34 AVDD2 P 5V Power Supply for Analog> Circuit
35 DVDD P 5V Power Supply for Internal Regulator
36 DVSS2 P Digital Ground
37 REGV AO 3.3V Reference Output for Internal 5V 3.3V Regulator
38 MSEL DI, ST Mixer Enable Select, worked with MODE pin
H: With Mixer / AA-Path Enable (With Default Mute)
L: Without Mixer / AA-Path Disable
( H: Pull Up to 3.3V, L: Pull Down to Ground )
USB Descriptors will also be changed accordingly
39 VOLUP DI, ST, PU Volume Up (Edge Trigger with de-Bouncing)
40 PDSW DO, 4mA , OD Power Down Switch Control Signal (for PMOS Polarity)
0: Normal Operation,
1: Power Down Mode (Suspend Mode)
41 USBDP AIO USB Data D+
42 USBDM AIO USB Data D-
43 GPIO1 DIO, 8mA, GPIO Pin
PD, 5VT
44 SDOUT DO, 4mA, SR DAC I2S Data Output
45 DAMCLK DO, 4mA, SR 11.2896 MHz Output for 44.1KHz Sampled Data and
12.288 MHz Output for 48KHz Sampled Data
46 DALRCK DO, 4mA, SR DAC I2S Left/Right Clock
47 DASCLK DO, 4mA, SR DAC I2S Serial Clock
48 VOLDN DI, ST, PU Volume Down (Edge Trigger with de-Bouncing)
Descripción de las patillas del CM108>
El modulo SL-8850
Si bien en las líneas anteriores se ha visto como el circuito integrado CM 108 es
perfecto para el cometido de adquisición de señal, este circuito integrado viene en
montaje LFQP lo cual implica una cierta complicación en el montaje y lo más grave: nos
arriesgamos a que el circuito no termine de funcionar correctamente.
Una solución mucho más sencilla que realizar nosotros el propio circuito utilizando el
chip CM108, es la de utilizar un montaje comercial que útiles dicho chip (en este caso
se ha usado el modulo SL -8850 del fabricante Speed Link, pero es obvio que existen
otros muchísimos módulos mas realizados por otros fabricantes) y practicar ingeniería
inversa con el: es decir estudiar su configuración y modificarlo posteriormente para
conseguir nuestro cometido.
El modulo SL-8850 es muy fácilmente localizable por la red y en las tiendas
especializadas, tal y como se vera mas adelante el esquema adaptado por el fabricante
sigue al pie de la letra la nota de aplicación del fabricante del chip CM-108, siendo
además su coste muy bajo (por unos 10 €) y sobre todo nos facilitara mucho nuestro
cometido pues ya esta montado, ajustado y probado y por supuesto ¡listo para
funcionar!
Aspecto de la placa de circuito impreso SEQ Aspecto_de_la_placa_de_circuito_impreso
Las caracerícticas de este modulo son:
1 entrada mono de micrófono con praemplificador.
2 salida de audio para auriculares.
Conversor de 16-bit A/D.
Rango de muestreo de 48K/44.1KHz tanto para reproducción como para
captura
Compatible con USB 2.
El esquema>de este circuito tal y como se había adelantado sigue casi al pie de la
letra>la hoja de aplicación del citado circuito>eliminando tan solo la eeprom, los
pulsadores para el volumen y de mute, el led de mute y el transceptor de infrarrojos,
quedando el circuito prácticamente con las conexiones de los jacks, el conector USB y
el cristal de cuarzo.
Además en la serigrafía de la placa los componentes SMD instalados coinciden con los
del esquema del fabricante del chip.
Esquema eléctrico SL-8850
En la parte superior del esquema esta la parte de alimentación y transmisión a través
del bus USB en los pines 41 y 42 por medio de dos circuitos formados por L1,L2,C3 y
C4 y las resistencias en serie R1,R2, R3.
Si bien la entrada de micrófono esta conectada de modo estándar, la salida para
auriculares es un poco atípica al no incluir condensadores electrolíticos de desacople ni
la señal de masa, usando como novedad una patilla especial del chip llamada LOBS
(pin31), la cual proporciona unos 2.25 voltios de salida, es decir Vcc/2.
Como experimentalmente se pudo comprobar que la patilla MCIN ( pin 27) puede
aceptar niveles de tensión continua y requiere aproximadamente unos 2.2 Voltios de
tensión para conseguir el nivel cero de continua, de esta forma casi sin darnos cuenta
tenemos en el propio chip todos los componente necesarios para poder hacer
mediciones de continua casi sin necesitar un circuito restador externo ( que por otro
lado hubiese sido dificultosa ya que necesitaríamos -5v que no podemos sacar del
puerto usb).
Dado pues que el circuito integrado ya contiene una referencia externa en la patilla
LOBS, lo que intentaremos es utilizar esta como referencia interna de modo que la
señal de entrada este referida a esta.
Para este cometido: conectaremos las masas de los jacks entre si y todos a la señal
LOBS, después eliminaremos el condensador de desacople C11, el cual sustituiremos
por una resistencia de pequeño valor y por ultimo con objeto de proteger la entrada
ante señales mayores conectaremos un par de diodos rápidos en paralelo con la señal
de entrada (esto es opcional).
Por ultimo conectaremos un condensador electrolítico a modo de filtro entre la masa
general y la masa ficticia creada con la señal LOBS.
El esquema final con las modificaciones últimas en trazado rojo, quedaría de la
siguiente forma:
Modificación propuesta al SL-8850
Circuito de control
Se podría conectar la señal a medir directamente al jack de micrófono e incluso
prescindir de los diodos en antiparalelo que mas a delante se comentaran y el
condensador de filtrado de vREF y no necesitaríamos comprar nada mas realizando
simplemente las mínimas modificaciones ya apuntadas (eliminando R10y
R13 ,substituyendo C11 por R10 y cortando la línea de masa del jack de micrófono que
va al interior y uniendo las masas de ambos jacks ) ,pero con objeto de proteger el
circuito y añadir bastantes funcionalidades más , se ha diseñado una simplísima red de
atenuación ,aislamiento y de desvió basándonos simplemente en un económico
conmutador DIP de 16 pines ( 8 microinterruptores) y unos pocos componentes
asociados.
Efectivamente con un mínimo coste y poco esfuerzo a nuestro conversor A/D basado en
el modulo SL-8850 podemos añadirle las siguientes prestaciones:
· Protección por sobre-tensión.
· Protección ante transitorios.
· Medidas de AC.
· Diferentes escalas de atenuación.
· Inyección o entrada de señal.
El circuito como se puede apreciar mas abajo , basa su funcionamiento en 8
microinterruptores contenidos en un mismo encapsulado DIP (se ha elegido este por
precio, tamaño y número de conexiones ), y asociado a estos se conectan una simple
red de resistencias en forma de divisores de tensión formadas todas por R1 como
elemento común y R2,R3,R4,R5,R6 como elementos variables (calculadas todas para
una reducción aproximada de aproximadamente 1000,100,50,10 o 50 veces el valor de
la tensión a su entrada).
El circuito se completa con un pequeño circuito de protección formado por los dos
diodos rápidos en configuración antiparalelo D1 y D2 lo cuales harán las veces de
protección frente a sobretensiones y transitorios (debido a que ambos no dejaran pasar
un tensión mayor a unos 0.7V) y un condensador C1 para impedir el paso de continua si
así se desea (modo AC).
Por ultimo para facilitar la inyección de señales a través de la misma sonda se han
conectado los dos últimos interruptores lo cuales o bien conectan la sonda a un canal
de la salida de la tarjeta de sonido o bien conectan la sonda a la salida de auriculares o
bien conectan esta al jack de micrófono (permitiendo pues que la sonda sirva como
medio de adquisición de datos o también parta inyectar señales desde esta misma)
Esquema red auxiliar
Las funciones del conmutador dip de 8 conexiones de izquierda a derecha son las
siguientes:
S1 on=escala 1/5 (conexiones 8 y 9)
S2 on =escala 1/10 (conexiones 7 y 10)
S2 on=escala 1/50 (conexiones>6 y 11)
S3 on=Escala 1/100 (conexiones>5 y 12)
S4 on=Escala1/1000 (conexiones>4 y 13)
S5= on medidas cc s5= off medidas ca (conexiones 3 y 14)
S6 on =sonda osciloscopio (conexiones 2 y 15)
S7on =sonda inyectora (conexiones 1 y 16)
Lista de componentesD1, D2= diodos rápidos de media señal 1N4148
R1=910K
R2=100K
R3=10K
R4=1K
R5=200k
C1=22 nf
C2=10mF/25V
S1 =conmutador DIP de 16 pines (8 micro-interruptores)
Modulo CMI108 (ver texto)
Varios:
1 pequeña placa de puntos
1 cajita sonda (se reutilizó de un bolígrafo linterna)
1 cable usb a usb
1 pinza de cocodrilo
(*)Todas las resistencias de ¼ W>5%
Construcción práctica
Dado que trabajaremos con un montaje en smd deberemos extremar la precaución de
no sobrecalentar los componentes en exceso, sobre todo al añadir y eliminar los
componentes de no dañar aquellos otros que están cerca o estropear las pistas
cercanas, para lo cual nos deberíamos de ayudar de una buena lente y un soldador de
15W o menos con un punta lo mas fina posible.
Una vez desmontada la carcasa de SL-8850, observando muy atentamente la fotografía
adjunta así como el esquema final eléctrico, seguiremos lo siguientes pasos:
· Eliminar resistencias R10, R13.
· Sustituir el condensador C11 por una resistencia de 1k (puede emplearse
R11).
· Cortar la línea de masa del jack de micrófono que va al interior (pues le
conectaremos una nueva masa procedente de LOBS).
· Hacer un Puente para unir las masas de ambos jacks.
Realizadas estas modificaciones pasaremos a montar la plaquita auxiliar, para lo cual
nos basaremos de una pequeña placa de circuito impreso de fibra de vidrio de
aproximadamente 100 x 400mm con paso de 2 mm. y siguiendo el esquema de más
arriba, seguiremos los siguientes pasos :
Montaremos un pequeño conmutador dip.
Soldaremos el condensador de desacople C1.
Soldaremos los dos diodos en antiparalelo.
Soldaremos las resistencias>por detrás del circuito impreso siguiendo el
esquema.
Conectaremos la sonda y un cablecillo al que conectemos una pequeña punta de
cocodrilo.
Conectaremos este circuito con los jacks de entrada y salida con cablecillos .
Añadir un condensador electrolíticos de 10mf /50v entre la placa y el SL-8850.
Revisado y comprobado con el polímetro que el circuito es correcto, antes de
encerrarlo en la caja conectaremos a sonda un cable usb y este a nuestro PC.
Una vez conectada la sonda a nuestro PC, suponiendo que estén instalados
correctamente los drivers del SL-8850 empezáremos por configurar este
dispositivo de audio como predeterminado a efectos de captura para que el
programa tome los datos desde este, para ello en Windows Vista nos iremos a
Inicioà>Panel de control>à>Hardware y sonido >à>Sonido>à>Pestaña
grabar.>
Pulsaremos con el botón derecho sobre el icono de micrófono>“c-media usb-
headphone set “y elegiremos>“Establecer como dispositivo predeterminado”.
Una vez definida por defecto el dispositivo ‘c-media usb headphone’, nos
descargaremos de ProductID="la Web" w:st="on" la Web de soloelectronicos
(http://personal.telefonica.terra.es/web/soloelectronicos/home.htm>>) el
programa diseñado para esta ocasión llamado “Oscivolt ” (el cual esta escrito y
compilado en Delphi 7 por el autor que escribe estas líneas).
Nótese que obviamente puede usarse cualquier otro programa comercial o no que
maneje la tarjeta de sonido, pero el programa que se propone además de estar en
español, ser gratuito y funcionar sobre Windows Vista (y versiones anteriores), no solo
nos mostrara la forma de onda en una pantalla sino también nos mostrara en un display
aparte al valor del pico de cualquier señal que introduzcamos.
En teoría solo nos queda descomprimir el paquete en un directorio y ejecutar el
programa Oscivolt.exe y si todo ha ido bien se iniciara el programa.
Arrancaremos el osciloscopio pulsando sobre el botón “comenzar/parar” y si hemos
instalado el sw correctamente y si tanto el SL-8850 modificado como el circuito auxiliar
están bien realizados, desde ese momento el programa debería de marcar la tensión
presente en su primer canal : en este caso debería ser sobre los 0 Voltios (debido a las
tolerancias de los componentes puede que esto varie, para lo cual deberemos ajustarlo
como se describirá mas adelante ) .
Para comprobar que el circuito responde bien ,seleccionaremos la ganancia del canal 1
al máximo ( valor 6), conmutaremos la escala 1/1000 ,el offset centrado y la base de
tiempos en 4ms/división , ganancia horizontal al mínimo (valor 1) y finalmente
seleccionaremos el disparador o trigger en la posición central , simplemente tocando
con un dedo la sonda deberíamos ver en pantalla los transitorios producidos .
Dadas las tolerancias de la redes de atenuación aquí empleadas, se hace necesario un
ajuste de cada escala en función del valor obtenido en la conversión, para lo cual o nos
serviremos de un polímetro digital y una fuente de alimentación variable (o en su
defecto de una o varias pilas).
El proceso es muy simple y simplemente se trata de aplicar pequeñas tensión continuas
no superiores de 5v , seleccionando la misma escala tanto en el sw del osciloscopio
como en la sonda, e ir anotando las lecturas binarias que aparecen en el display ( para
ello deberemos pulsar pulsar el botón “Ignorar INI”)
Para cada escala se anotaran tres valores:
Cero> es el valor binario que nos da la pantalla cuando en esa escala tenemos la punta conectada a masa.Valoran>= valor binario que nos muestra el programa.Valordig>= valor de la lectura del polímetro multiplicado por 100.
Tipo > pondremos 1 si la magnitud que deseamos que se muestre sea en
voltios, 2 si se desea en amperios, 3 en ohmios y finalmente 4 en binario (el
valor directo del conversor).
Estos valores se anotaran en el fichero osc.ini debajo de cada escala ([div1000], [div100], [div50],
[div10], [div5]) cumplimentando los epígrafes antes comentados borrando el valor por defecto y
anotando los nuevos valores.
Para facilitar las cosas si se maximiza la pantalla se mostrara en la parte inferior izquierda
precisamente estos valores (que se harán cero si se pulsa el botón ignorar INI).
Como ejemplo si para la escala de 1/1000, obtenemos un valor binario de 128 para los 0 voltios y el
valor de 145 para 1,425voltios, deberíamos buscar la sección [div1000] y cumplimentar los campos
cero=128, valoran=145, valordig=1425, tipo=1.
…….
[div1000]
Cero=128
Valoran=145
Valordig=1425
Tipo=1
…
Con ayuda de estos valores en cada escala el programa automáticamente calculara por interpolación
lineal el valor y la magnitud final que se mostrará en pantalla.
El circuito tal y como se ha descrito funciona bastante bien. Con el dispositivo se hizo una serie de
medidas encontrando que la sensibilidad máxima es de aproximadamente +/-120 mV sin el
preamplificador de micrófono conectado (si se conectase este ganancia es de aproximadamente de unos
+20bB (10x), qué quiere decir seria de unos +/-12 mV, lo cual parece demasiado bajo para objetivos
prácticos por lo que no fue probado)
A continuación se describirán las funciones más importantes del sw del osciloscopio:
· Comenzar/parar: Con este botón encendemos o apagamos el osciloscopio. Un vez este arrancado
un led rojo a la izquierda de dicho botón comenzara a parpadear y además aparcera un rotulo debajo de
la barra de menús con el cartel “Capturando”
· Doble canal la sonda propuesta es mono-canal, pero el sw propuesto acepta ambos canales por lo
que si se necesitan los dos canales se puede pulsar este botón.
· On Independientemente de la señal de entrada, si no esta pulsado, la señal siempre vale 0V. Se
utiliza muchas veces para ver la posición central de la señal.
· 1/1000 escala para dividir la seña por 1000 (se debe seleccionar el conmutador del circuito
también en esta posición).
· 1/100 escala para dividir la señal por 100 (se debe seleccionar el conmutador del circuito
también en esta posición).
· 1/50 escala para dividir la señal por 50 (se debe seleccionar el conmutador del circuito también
en esta posición).
· 1/10 escala para dividir la señal por 10 (se debe seleccionar el conmutador del circuito también
en esta posición).
· 1/5 escala para dividir la señal por 5 (se debe seleccionar el conmutador del circuito también en
esta posición).
· Ganancia vertical modifica la ganancia del amplificador vertical desde 1 hasta 6.
· Offeset Indica la posición central de la señal tanto para el canal derecho como del izquierdo.
· Intens Regula la intensidad de las señales.
· Foco Aumenta o disminuye el grosor de las señales.
· Escala aumenta o disminuye la luz de fondo de la pantalla
· Disparador Cambia el nivel del disparo cuando este está en manual.
· Tiempo Indica cuanto tiempo hay entre cada cuadro de la pantalla
· 11.025establece la escala de tiempos en 4 ms. por división
· 22,050establece la escala de tiempos en 2 ms. por división
· 44,100 establece la escala de tiempos en 1 ms. por división
· Ganancia horizontal establece la ganancia del amplificador horizontal. Puede variar desde 0 hasta
8.
· La pantalla tiene unos márgenes no visibles en los cuales la señal se dibuja pero no aparece. Con
este botón podemos indicar si queremos más margen en la parte izquierda o en la derecha
· Menú fichero Nos permite capturar cualquier imagen en pantalla a un fichero para posterior
análisis .También nos permite salir de la aplicación.
· Menú pantalla Nos permite variar el color de la pantalla y presentar o no en pantalla la escala de
milisegundos por división.
Manejo básico del osciloscopio
La pantalla Tal y como un osciloscopio normal existen unas marcas en la pantalla que la
dividen tanto en vertical como en horizontal, formando lo que se denomina reticula ó rejilla.
La separación entre dos líneas consecutivas de la rejilla constituye lo que se denomina una
división. Normalmente la rejilla posee 10 divisiones horizontales por 8 verticales del mismo
tamaño (cercano al cm), lo que forma una pantalla más ancha que alta. En las líneas
centrales, tanto en horizontal como en vertical, cada división ó cuadro posee unas marcas que
la dividen en 5 partes iguales (utilizadas como veremos más tarde para afinar las medidas)
Medida de voltajes Generalmente cuando hablamos de voltaje queremos realmente expresar
la diferencia de potencial eléctrico, expresado en voltios, entre dos puntos de un circuito.
Pero normalmente uno de los puntos esta conectado a masa (0 voltios) y entonces
simplificamos hablando del voltaje en el punto A (cuando en realidad es la diferencia de
potencial entre el punto A y GND). Los voltajes pueden también medirse de pico a pico (entre
el valor máximo y mínimo de la señal). Es muy importante que especifiquemos al realizar una
medida que tipo de voltaje estamos midiendo.
Un osciloscopio convencional es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otros medidas se
pueden realizar a partir de esta por simple cálculo (por ejemplo, la de la intensidad ó la potencia). Los
cálculos para señales CA pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para medir otras
magnitudes es empezar por el voltaje.
En la figura anterior se ha señalado el valor de pico Vp, el valor de pico a pico Vpp, normalmente el doble
de Vp y el valor eficaz Vef ó VRMS (root-mean-square, es decir la raíz de la media de los valores
instantáneos elevados al cuadrado) utilizada para calcular la potencia de la señal CA.
Realizar la medida de voltajes con el softwareOscivoltes bastante mas fácil que en un osciloscopio
convencional ( en el que habría que de contar el número de divisiones verticales que ocupa la señal en
la pantalla ajustando la señal con el mando de posicionamiento horizontal para utilizar las subdivisiones
de la rejilla para realizar una medida más precisa e intentando que la señal ocupara el máximo espacio
de la pantalla para realizar medidas fiables actuando sobre la ganancia del amplificador vertical) pues
solo habrá que observar que la escala de medida sea la mas próxima a la magnituda tomar y observar la
lectura de pico ofrecida en el display del canal 1.
Medidas de intensidad aplicaremos la ley de ohm, conectando enel circuito en serieuna
resistencia de bajovalory de alta disipación con su alimentación.
Como R es conocida y el valor de V nos lo da el osciloscopio, simplemente para saber la corriente que
circula por el circuito dividiremos la lectura del voltaje obtenido por el valor de la resistencia conocida.
Es posible configurar el sw para que nos de la Intensidad en Amperios sobre un escala dada,
simplemente tomando una muestra con un polímetro, cargando esta en la variable valorbin, anotando
también en valoran la lectura binaria y estableciendo la variable tipo a 2.
Medidas de resistencia eléctrica de un modo similar a la medida de la intensidad, aplicaremos
la ley de ohm conectando esta vez una pequeña fuente de alimentación en serie con el
circuito a medir (se aconseja de un valor de 1.5 voltios pero cualquier otro puede valer a
condición de que el valor de la tensión utilizada sea la misma que se empleo para calibrar el
instrumento).
Por tanto para configurar el sw simplemente tomaremos una resistencia conocida y la pondremos en
serie con una fuente de alimentación y tomaremos el valor binario de esta: el valor en milivoltios
obtenido lo cargaremos en la variable valorbin anotando en valoran la lectura binaria y estableciendo la
variable tipo a 3 .
Medida de tiempo y frecuencia Para realizar medidas de tiempo se utiliza la escala horizontal del
osciloscopio. Esto incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de subida y bajada de
impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realiza calculando la inversa del periodo. Al igual
que ocurría con los voltajes en un osciloscopio convencional, la medida de tiempos será más precisa si
el tiempo a objeto de medida ocupa la mayor parte de la pantalla, para ello actuaremos sobre el
conmutador de la base de tiempos (actuando sobre los botones 11.025, 22.050 y 44.100). Si
centramos la señal utilizando el mando de posicionamiento vertical podemos utilizar las subdivisiones
para realizar una medida más precisa.
Medida de tiempos de subida y bajada en los flancos
Las medidas estándar en un pulso son su anchura y los tiempos de subida y bajada. El tiempo de subida
de un pulso es la transición del nivel bajo al nivel alto de voltaje. Por convenio, se mide el tiempo entre
el momento que el pulso alcanza el 10% de la tensión total hasta que llega al 90%. Esto elimina las
irregularidades en las bordes del impulso.
La medida en los pulsos requiere un fino ajuste en los mandos de disparo. Para convertirse en un
experto en la captura de pulsos es importante conocer el uso de los mandos de disparo. Una vez
capturado el pulso, el proceso de medida es el siguiente: se ajusta actuando sobre el conmutador del
amplificador vertical y el y el mando variable asociado hasta que la amplitud pico a pico del pulso
coincida la señaladas como 0% y 100%. Se mide el intervalo de tiempo que existe entre que el impulso
corta a la línea señalada como 10% y el 90%, ajustando el conmutador de la base de tiempos para que
dicho tiempo ocupe el máximo de la pantalla del osciloscopio.
Configuración fichero osc.iniTodos los controles que presenta este osciloscopio se salvan en forma de parámetros en un fichero
llamado osc.ini que se localizara en el mismo path donde este la aplicación .De este modo, al cerrar la
aplicación esos parámetros salvan siempre el ultimo estado del osciloscopio de modo, que al arrancarlo
nuevamente no haya que modificar otra vez dichos controles
A continuación se detallan los diferentes parámetros que aparecen en el mismo fichero osc.ini
[Mode]
Dual=0 define el funcionamiento en modo monocanal o en modo dual
[Channel1] a continuación se definen todas los parámetros del canal 1 (para el canal 2 se repiten estos
mismos parámetros)
Gain=6 ganancia horizontal (de 0 a 6)
ofset=2 valor del offset (desde -160 a 160)
On=1 procesa o no ese canal
[Trigger]
Level=0 nivel de disparo del trigger o diparador
[Time]
Scale=11 escala de tiempos
Gain=10 ganancia base de tiempos
[Screen]
Scale=120 nivel de luminancia luz de fondo
Beam=30 nivel de brillo del foco
focus=1 nivel de saturación
color= clBlack color de fondo de pantalla
[ScreenData]
Time=1 valor base de tiempos
Mejoras futurasGracias a las nuevas posibilidades que ofrece este circuito para realizar mediciones de magnitud tanto
en tensiones continuas como en tensiones alternas (al margen de la presentación de su forma de onda
como si de un osciloscopio se tratase) el abanico de utilización de este circuito se abre de un modo casi
al infinito solo limitado por la imaginación del lector .
En efecto excepto en sistemas específicamente diseñados para ello, no es muy habitual encontrar
sistemas de adquisición de datos de una manera tan sencilla y económica,acercando con este circuito al
aficionado campos que hasta la fecha le estaban vedados.
Como pincelada del abanico de posibilidades de utilización de la sonda aquí presentada, en general
cualquier magnitud susceptible de ser convertida a una magnitud eléctrica es posible de ser tratada por
esta sonda, así podríamos destacar:
o Captura de tensiones CA/CC: fuentes de alimentacion, centrales
de suministro, paneles solares, etc.
o Captura de intensidad: fuentes de alimentación, seguimiento de
consumo eléctrico, etc. ·
o Captura de resistencia: estudio resistividad material, seguimiento
de valores en agricultura, detectores de mentiras, detectores de
nivel, etc.
o Captura de temperaturas externas: seguimiento de temperaturas
en habitáculos críticos como cámaras frigoríficas, control
climatización, control temperatura de piscinas, etc. ·
o Captura de humedad; estudio de humedad en habitáculos
cerrados, estudio humedad exterior, etc.
o Captura de luminosidad: estudio nivel de exposición solar, etc. ·
o Captura de presión: seguimiento de fuerza /par aplicada en un
punto para, balanzas, etc.
o Traza, Monitoreo y generación de alarmas en función de
señales de entrada diversas · etc.
Por ultimo como colofón final es interesante destacar algunos puntos de mejora tanto del circuito como
del sw :
Automatización de las escalas de medida: es obvio que las escalas de medida de la sonda y del sw
deben estar sincronizadas. Ciertamente el programa a través de puerto paralelo activa un BIT por
escala que se podría utilizar para conmutar las escalas. Esto se ha dejado implementado a nivel del
programa pero se ha obviado en el circuito final con objeto de simplificar al máximo el tamaño de la
sonda.
Aumento de canales de medida: una limitación importante del circuito de la sonda es la de soportar
un único canal canal analógica de entrada (aunque el sw soporta dos). Si se requiere esta funcionalidad
se podrían emplear conmutadores analógicos y un control remoto por el mismo puerto: de este modo se
podría admitir un número muy alto de canales analógicos.
Visualización remota de los datos: para aquellas aplicaciones que así lo requirieran se podría servir
los datos aportados por el sw desde otro Terminal remoto.
Alarmas programables : si sobrepasan n umbrales configurados de antemano activar alarmas
(sonoras, visuales, por correo electrónico, etc.) según se requisuieran.
NOTA: Para cualquier duda o sugerencia escribir a la siguiente dirección de correo electrónico:
Buffer Hardware for xoscopeI now have some pictures of the finished hardware.
Below is a circuit I built as a buffer between my oscilloscope probes and my sound card. Please refer to the HARDWARE file for a description of the circuit.
SCHEMATIC available as:
buff.fig , original xfig source buff.ps , postscript buff.gif , GIF image as seen here
LAYOUT details available as:
buff2.fig , original xfig source buff2.ps , postscript buff2.gif , GIF image as seen here
This layout is based on Radio Shack's part number 276-159.
The RS 276-159 looks like:
pcb.fig , original xfig source pcb.ps , postscript pcb.gif , GIF image as seen here
If you have any more questions about this, just let me know. I may need to document the assembly procedure better. For now, be sure to read the HARDWARE file which includes a parts list.
DISCLAIMERThis circuit was designed and built by me on my own time and equipment. My employer has absolutely nothing to do with it.
Utilizar el PC como osciloscopio
Con este sencillo tutorial construiremos una entrada al ordenador para ser utilizado como osciloscopio. Transformaremos nuestro pc en un osciloscopio. El osciloscopio es quizás el instrumento de medida más deseado por todo aficionado/a a la electrónica. Más deseado, porque es un instrumento caro y no todo aficionado se puede permitir ese gasto. Sin embargo podemos convertir nuestro ordenador en un osciloscopio "casero" con prestaciones aceptables.Lo que vamos a hacer es utilizar la tarjeta de sonido de nuestro ordenador como entrada, y un software especial para mostrar las señales que apliquemos a esa entrada. Antes de seguir hay que aclarar que las señales que podemos medir son señales de corriente alterna, no de corriente continua. La razón se encuentra en la entrada de nuestra tarjeta de sonido (en prácticamente todas). En ella existe un condensador electrolítico que bloquea las señales continuas que aplicamos a la entrada como medida de protección. El software que vamos a utilizar nos mostrará el monitor de nuestro ordenador con el aspecto de un osciloscopio.
Vamos por partes;
En cuanto al hardware lo que necesitamos es:
- 2 metros de cable rojo flexible, - 1 metro de cable negro flexible, - 2 conectores estéreo jack hembra de 6,3mm, - 1 conector macho jack estéreo de 6,3mm, - 2 pinzas de test rojas, - 1 pinza de test negra, - 2 resistencias de 100K ohmios y- 2 trimmers de 20K.
Los componentes utilizados
Lo que vamos a hacer son dos entradas diferentes para la entrada de línea de nuestra tarjeta de sonido. Una entrada irá sin ninguna atenuación, y en la otra haremos un divisor resistivo x 0.1. Es decir en esta segunda entrada todas las señales se atenuarán 10 veces. (Si no sabes hacer un divisor resistivo consulta nuestro tutorial como hacer un divisor resistivo). Por lo general las tarjetas de sonido admiten como máximo 5 voltios, por lo que cualquier señal (alterna) por encima de esa tensión no podremos medirla, ya que quemaremos la tarjeta de sonido. Con el divisor resistivo x 0.1 podremos medir por tanto 10 veces más, esto es 50 voltios, ya que 50x0,1 = 5Voltios. Se pueden hacer tantas entradas como queramos, en ese caso sería bueno sustituir los conectores jack hembra por un conmutador rotativo con tantas posiciones como divisores resistivos queramos.
El esquema sería este.
El cálculo de las resistencias lo haremos aplicando la fórmula. (Para un canal).
Siendo VCC/2 la salida hacia la tarjeta de sonido del ordenador (OUT-L y OUT-R) y VCC la entrada que queremos medir (JACK x0,1).Si queremos hacer un divisor resistivo que multiplique por 0,1 los valore serían:
Para el canal L: R1=100K y R3=11KPara el canal R: R2=100K y R4=11K
Como queremos que sea exacta la multiplicación tenemos que poner una resistencia variable de 20K, así
aproximadamente hacia la mitad del recorrido (un poquito más) estarán los 11K que necesitamos.
Podemos hacer tantos divisores resistivos como queramos.
El ajuste de los trimmers, uno para cada canal, es muy sencillo. Damos una tensión alterna a la entrada sin atenuación, medimos los voltios, y aplicamos la misma tensión a la entrada atenuada, giramos lentamente los trimmers hasta obtener 10 veces menos. Es aconsejable hacer el ajuste antes de enchufar la entrada de línea a la tarjeta de sonido.
Interior de la caja en la fase de montaje, con un canal que deja la
señal de entrada igual (x 1), y la otra entrada preparada para multiplicar x
0,1, (Evidentemente a un canal x 0,1 le
falta la resistencia variable.)
Caja finalizada con las conexiones para la entrada al ordenador mediante línea, con la multiplicación x 0,1 y x 1.
Y las otras conexiones de salida de línea y entrada de micrófono.
Las sondas han de ir conectadas a un terminal Jack macho. Cada cable rojo es un canal, el negro, evidentemente, la masa.
Detalle de las conexiones de nuestras sondas para el osciloscopio.
Hay que tener en cuenta que no se puede conmutar de una entrada a otra mientras se está midiendo, ya que el conector Jack hay un momento que conecta los terminales, masa con uno de los canales, por lo que se producirá un cortocircuito. Siempre hay que desconectar la pinza de medida, conectar el Jack a la otra entrada y volver a colocar la pinza en el lugar que queramos medir.
Ahora sólo queda elegir un software que nos convierta nuestro PC en un osciloscopio. En la red hay multitud de ellos, unos de pago y otros gratuitos. El más completo que hemos encontrado gratuito es Visual Analyser y puedes ver aquí la página del autor con sus características y puedes descargarlo gratuitamente.