osciloscopio-voltimetro multiproposito usb para pc

OSCILOSCOPIO-VOLTIMETRO MULTIPROPOSITO USB PARA PC

Por Carlos Rodrguez Navarro

Es sabido que existe una multitud de programas que explotan las capacidades de adquisicin 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 seal, no podemos cuantificar, tanto en corriente alterna,

como en corriente continua, el nivel de esta, siendo esta circunstancia realmente una seria

limitacin si lo que realmente se pretende es conocer la magnitud de la seal a medir y por tanto

emular un verdadero osciloscopio.

Sirvindonos de la ingeniera inversa, por muy poco dinero se propone realizar un pequeo

cambio, bien en>su tarjeta de sonido o bien en un mdulo USB de bajo coste, para solventar esta

grave limitacin y realmente poder cuantificar el nivel de cualquier seal>aplicada a su entrada y

por tanto obtener un verdadero sistema de adquisicin de datos cuyas principales premisas sern:

su bajsimo>coste, su alta fiabilidad, su sencillez constructiva y su alta flexibilidad.

Gracias a la tcnica descrita en estas lneas pues y un pequeo circuito, el lector podr cuantificar

de una manera muy precisa cualquier variable fsica susceptible de ser transformada en una

variacin de voltaje como pueden ser: intensidad, resistencia, capacidad, inductancia,

temperatura, humedad, luminosidad, presin y un largo etctera.

Como complemento al circuito se presenta un pequeo 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 podr utilizar de forma multidisciplinar tanto en

modo osciloscopio de doble trazo como sistema de adquisicin de datos....

Adquisicin de seales CC/CA a travs de una tarjeta de sonido

Las tarjetas de sonido se>han convertido en un componente estndar de prcticamente todos los

ordenadores personales corrientes, estando prcticamente todas constituidas como mnimo de

dos partes:

Un bloque mezclador cuya misin es>unir diferentes fuentes de seal gracias a un control por

software de ganancia y de nivel en una nica seal (que ser la entregada al conversor).

Un bloque convertidor A/D doble (es decir un convertidor analgico a digital y un convertidor

digital analgico), usualmente de alta precisin de 16bits, con una frecuencia mxima de muestreo

entre 44.1khz o 48khz.

A estos dos bloques bsicos, pueden aadirse otros bloques ms, como por ejemplo otro

conversor digital analgico para obtener una salida de audio estereo, pero desde el punto de vista

de la conversin A/D estos dos citados son los ms importantes.

Por desgracia casi todas las tarjetas de sonido estn aisladas de corriente continua por medio de

un condensador interno de desacople que se sita cerca de sus todas su entradas. Esto como el

lector imaginara, no solo nos imposibilita tomar medidas de CC, sino que tambin 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 seal 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 seales analgicas sin grandes pretensiones

(normalmente la captura de un micrfono JFET) por lo que la presencia de estos condensadores

solo sirve para la eliminacin de la componente CC que tenga la seal 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 precisin ( como ejemplo para un osciloscopio virtual ) es evidente que estos

condensadores son una serio obstculo para utilizar estas tarjetas como medio de adquisicin de

datos, motivo por el cual habr que estudiar otra forma de referenciar el nivel cero con la mnima

intervencin sobre estas.

En>las lneas siguientes se mostraran dos soluciones de ingeniera inversa que resuelven de un

modo rpido, fiable y muy econmico>con total satisfaccin este problema usando sin embargo

dos perspectivas diferentes:

Modificando una tarjeta de sonido tipo PCI estndar.

Utilizando una pequea unidad externa USB de bajo coste que basa su funcionamiento en nico

Circuito Integrado.

Posibilidad de modificacin de una tarjeta de sonido estndar PCI para medida de tensiones de

continua

Si analizamos la entrada de lnea de un Creative>modelo CT4810, estudiado el circuito asociado al

conector azul de entrada>ser>similar al siguiente al de la imagen.

Ampliacin entrada lnea de la tarjeta de sonido >CT4810

SEQ Ampliacion_entrada_linea_de_CT4810 1

Como podemos observar en la fotografa adjunta, es fcil esbozar el circuito asociado a la lnea de

entrada , especialmente si nos fijamos en los grandes condensadores electrolticos C18 y C19 los

cuales claramente nos estn anulando el paso de continua a las etapas posteriores, el cual consiste

bsicamente en un condensador en paralelo con la entrada, y tras el, un divisor de tensin y en su

punto medio un condensador en serie de desacople electroltico.

Este esquema esta lgicamente repetido para el otro canal y lo podemos ver en la figura de ms

abajo:

Esquema circuito de entrada CT4801 SEQ Esquema_circuito_de_entrada_CT4801 1

Es fcil comprender que,si analizamos otras tarjetas el circuito ser 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 idntica 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 despus

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 configuracin servira para

realizar el ajuste que se describir ms adelante, incluso podramos seguir el esquema de ms

abajo pues el Amplificador operacional nos servira y solo tendramos que modificar sus

componentes externos.

Localizado el origen del problema, para poder hace mediciones de DC pues, solo nos bastara con

reemplazar C18 o C19 por un puente, pero aun as tendramos el problema de la referencia de

tierra (en este caso rondara 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 sencillsimo esquema de un AO usado en modo diferencial.

La salida de este, viene dado por la conocida formula:

Un anlisis de la citada formula nos muestra que la salida vout puede ser un cierto nivel de

continua negativo de vref, si la tensin de entrada vin llega a ser un valor aproximo a cero, es

decir:

Es decir con esta configuracin previa, conseguimos restar de la seal 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 seal a medir.

Para facilitar este ajuste nos ayudaremos de la red R4-R6-R5, la cual nos servir para aadir el nivel

justo de continua para compensar que la lectura del circuito sea cero.

Esquema de circuito de correccin SEQ Esquema_de_circuito_de_correcion 1

Del esquema final solo no queda mencionar la pequea red de atenuacin formada por los

divisores de tensin R9/J1a y R10/J2b los cuales junto con R8, cual nos servirn apara atenuar la

medida a un valor que no pueda daar al A.O., obtenindose con la primera aproximadamente

una atenuacin de 1/10 y con la segunda en torno a 1/100.

Por ultimo, en cuanto la alimentacin del circuito al ser simtrica 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 solucin integrada: el circuito integrado CM108

Aunque se ha visto que aadiendo un pequeo 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 porttil) siendo estas engorrosas de desmontar

y por tanto difciles de modificar en el aspecto que se he explicado en las lneas anteriores.

Por tanto para aquellas personas que no puedan o no quieran modificar la tarjeta de sonido de su

PC, la utilizacin del chip CM-108 es perfecto para una simple aplicacin de adquisicin de datos,

pues por un bajsimo precio integra en una sola pastilla con unos poqusimos componentes

discretos asociados, el interfaz USB, la fuente, el convertidor A/D y en definitiva todos los

componentes necesarios para realizar adquisicin de seales analgicas en nuestro PC.

En efecto pues, el circuito integrado CM108 es una solucin de audio con interfaz USB de muy bajo

coste cuyo diseo se ha basado en un nico chip, conteniendo en su interior todos los mdulos

analgicos esenciales incluyendo un doble conversor digital-analgico y etapa de potencia para

auriculares, un PLL, un pre-amplificador para una entrada analgica, regulador de 3.3 voltios, as

como un transceptor USB.

Este chip es muy usado en aplicaciones para convertir muy fcilmente cualquier PC u ordenador

porttil en un sistema de sonido y tambin para hacer llamadas por Internet por VoIP (Skype,

Messenger, etc.)

Muchas de las caractersticas de este chip son programables bien con puentes o bien a travs de

una EEPROM externa. Adems los ajustes de audio pueden ser mas fcilmente controlados por

unas patillas especificis del chip.

A continuacin se destacan algunas de las magnificas carastericticas este chip:

1. Encapsulado en LQFO de 48 patas.

2. Configuracin de ancho de banda cero para relevar el ancho de banda del bus USB cuando

esta est inactivo.

3. Soporta los formatos AES/EBU, IEC60958, S/PDIF para datos esterero PCM sobre salida

S/PDIF.

4. Patilla de mute en grabacin con patilla de salida para Led de indicacin de estado.

5. Interfaz externo en EEPROM para datos de fabricantes como USB VID, numero de serie.

6. Funcin>de escritura>en>EEPROM>por especificacin del>c nsumidor final para produccin

en masa.

7. VID, PID, y cadena de producto por peticin del fabricante.

8. 4 patillas de GPIO>con interfaz de lectura/escritura>va interfaz>HID

9. Patillas para configurar el voltaje salida (3.5V o 2.5V).

10. Patilla para configurar el modo de ahorro de energa (100mA o 500mA, alimentado por el

propio Bus USB o>autoalimentado).

11. Transferencia sincrnica usando modo adoptivo por medio de un PLL interno para

sincronizacin.

12. Rango de muestreo de 48K / 44. para reproduccin y grabacin

13. Funcin de Mute.

14. DAC embebido de latas prestacin de 16-Bit Audio con salida amplificada de auriculares.

15. Funcin de reduccin de ruido.

16. Convesor analgico/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


PD, 5VT

14 DVSS1 P Digital Ground


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


23 TEST DI, ST, PD Test Mode Select Pin;

H: Test Mode

L: Normal Operation


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-


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)

Descripcin de las patillas del CM108>

El modulo SL-8850

Si bien en las lneas anteriores se ha visto como el circuito integrado CM 108 es perfecto para el

cometido de adquisicin de seal, este circuito integrado viene en montaje LFQP lo cual implica

una cierta complicacin en el montaje y lo ms grave: nos arriesgamos a que el circuito no termine

de funcionar correctamente.

Una solucin mucho ms sencilla que realizar nosotros el propio circuito utilizando el chip CM108,

es la de utilizar un montaje comercial que tiles dicho chip (en este caso se ha usado el modulo SL

-8850 del fabricante Speed Link, pero es obvio que existen otros muchsimos mdulos mas

realizados por otros fabricantes) y practicar ingeniera inversa con el: es decir estudiar su

configuracin y modificarlo posteriormente para conseguir nuestro cometido.

El modulo SL-8850 es muy fcilmente 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 aplicacin del fabricante del chip CM-108, siendo adems 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 caracercticas de este modulo son:

1 entrada mono de micrfono con praemplificador.

2 salida de audio para auriculares.

Conversor de 16-bit A/D.

Rango de muestreo de 48K/44.1KHz tanto para reproduccin como para captura

Compatible con USB 2.

El esquema>de este circuito tal y como se haba adelantado sigue casi al pie de la letra>la hoja de

aplicacin 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 prcticamente con las

conexiones de los jacks, el conector USB y el cristal de cuarzo.

Adems en la serigrafa de la placa los componentes SMD instalados coinciden con los del

esquema del fabricante del chip.

En la parte superior del esquema esta la parte de alimentacin y transmisin a travs 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 micrfono esta conectada de modo estndar, la salida para auriculares es un

poco atpica al no incluir condensadores electrolticos de desacople ni la seal 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 tensin continua y requiere aproximadamente unos 2.2 Voltios de tensin 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 necesitaramos -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 seal de entrada este

referida a esta.

Para este cometido: conectaremos las masas de los jacks entre si y todos a la seal LOBS, despus

eliminaremos el condensador de desacople C11, el cual sustituiremos por una resistencia de

pequeo valor y por ultimo con objeto de proteger la entrada ante seales mayores conectaremos

un par de diodos rpidos en paralelo con la seal de entrada (esto es opcional).

Por ultimo conectaremos un condensador electroltico a modo de filtro entre la masa general y la

masa ficticia creada con la seal LOBS.

El esquema final con las modificaciones ltimas en trazado rojo, quedara de la siguiente forma:

Modificacin propuesta al SL-8850

Circuito de control

Se podra conectar la seal a medir directamente al jack de micrfono e incluso prescindir de los

diodos en antiparalelo que mas a delante se comentaran y el condensador de filtrado de vREF y no

necesitaramos comprar nada mas realizando simplemente las mnimas modificaciones ya

apuntadas (eliminando R10y R13 ,substituyendo C11 por R10 y cortando la lnea de masa del jack

de micrfono que va al interior y uniendo las masas de ambos jacks ) ,pero con objeto de proteger

el circuito y aadir bastantes funcionalidades ms , se ha diseado una simplsima red de

atenuacin ,aislamiento y de desvi basndonos simplemente en un econmico conmutador DIP

de 16 pines ( 8 microinterruptores) y unos pocos componentes asociados.

Efectivamente con un mnimo coste y poco esfuerzo a nuestro conversor A/D basado en el modulo

SL-8850 podemos aadirle las siguientes prestaciones:

Proteccin por sobre-tensin.

Proteccin ante transitorios.

Medidas de AC.

Diferentes escalas de atenuacin.

Inyeccin o entrada de seal.

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, tamao y nmero de

conexiones ), y asociado a estos se conectan una simple red de resistencias en forma de divisores

de tensin formadas todas por R1 como elemento comn y R2,R3,R4,R5,R6 como elementos

variables (calculadas todas para una reduccin aproximada de aproximadamente 1000,100,50,10

o 50 veces el valor de la tensin a su entrada).

El circuito se completa con un pequeo circuito de proteccin formado por los dos diodos rpidos

en configuracin antiparalelo D1 y D2 lo cuales harn las veces de proteccin frente a

sobretensiones y transitorios (debido a que ambos no dejaran pasar un tensin mayor a unos

0.7V) y un condensador C1 para impedir el paso de continua si as se desea (modo AC).

Por ultimo para facilitar la inyeccin de seales a travs de la misma sonda se han conectado los

dos ltimos 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

micrfono (permitiendo pues que la sonda sirva como medio de adquisicin de datos o tambin

parta inyectar seales 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 componentes

D1, D2= diodos rpidos de media seal 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 pequea placa de puntos

1 cajita sonda (se reutiliz de un bolgrafo linterna)

1 cable usb a usb

1 pinza de cocodrilo

(*)Todas las resistencias de W>5%

Construccin prctica

Dado que trabajaremos con un montaje en smd deberemos extremar la precaucin de no

sobrecalentar los componentes en exceso, sobre todo al aadir y eliminar los componentes de no

daar aquellos otros que estn cerca o estropear las pistas cercanas, para lo cual nos deberamos

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 fotografa adjunta as

como el esquema final elctrico, seguiremos lo siguientes pasos:

Eliminar resistencias R10, R13.

Sustituir el condensador C11 por una resistencia de 1k (puede emplearse R11).

Cortar la lnea de masa del jack de micrfono 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 pequea placa de circuito impreso de fibra de vidrio de aproximadamente 100

x 400mm con paso de 2 mm. y siguiendo el esquema de ms arriba, seguiremos los siguientes

pasos :

Montaremos un pequeo conmutador dip.

Soldaremos el condensador de desacople C1.

Soldaremos los dos diodos en antiparalelo.

Soldaremos las resistencias>por detrs del circuito impreso siguiendo el esquema.

Conectaremos la sonda y un cablecillo al que conectemos una pequea punta de cocodrilo.

Conectaremos este circuito con los jacks de entrada y salida con cablecillos .

Aadir un condensador electrolticos de 10mf /50v entre la placa y el SL-8850.

Revisado y comprobado con el polmetro que el circuito es correcto, antes de encerrarlo en la caja

conectaremos a sonda un cable usb y este a nuestro PC.4

Una vez conectada la sonda a nuestro PC, suponiendo que estn instalados correctamente los

drivers del SL-8850 empezremos 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 Inicio>Panel de control>>Hardware y sonido >>Sonido>>Pestaa grabar.>

Pulsaremos con el botn derecho sobre el icono de micrfono>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 diseado

para esta ocasin llamado Oscivolt (el cual esta escrito y compilado en Delphi 7 por el autor que

escribe estas lneas).

Ntese que obviamente puede usarse cualquier otro programa comercial o no que maneje la

tarjeta de sonido, pero el programa que se propone adems de estar en espaol, ser gratuito y

funcionar sobre Windows Vista (y versiones anteriores), no solo nos mostrara la forma de onda en

una pantalla sino tambin nos mostrara en un display aparte al valor del pico de cualquier seal

que introduzcamos.

En teora 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 botn comenzar/parar y si hemos instalado el

sw correctamente y si tanto el SL-8850 modificado como el circuito auxiliar estn bien realizados,

desde ese momento el programa debera de marcar la tensin presente en su primer canal : en

este caso debera ser sobre los 0 Voltios (debido a las tolerancias de los componentes puede que

esto varie, para lo cual deberemos ajustarlo como se describir mas adelante ) .

Para comprobar que el circuito responde bien ,seleccionaremos la ganancia del canal 1 al mximo

( valor 6), conmutaremos la escala 1/1000 ,el offset centrado y la base de tiempos en 4ms/divisin

, ganancia horizontal al mnimo (valor 1) y finalmente seleccionaremos el disparador o trigger en la

posicin central , simplemente tocando con un dedo la sonda deberamos ver en pantalla los

transitorios producidos .

Dadas las tolerancias de la redes de atenuacin aqu empleadas, se hace necesario un ajuste de

cada escala en funcin del valor obtenido en la conversin, para lo cual o nos serviremos de un

polmetro digital y una fuente de alimentacin variable (o en su defecto de una o varias pilas).

El proceso es muy simple y simplemente se trata de aplicar pequeas tensin 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 botn 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 polmetro 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 epgrafes 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 harn cero si se pulsa el botn 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, deberamos buscar la seccin [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 automticamente calculara por

interpolacin lineal el valor y la magnitud final que se mostrar 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 mxima es de aproximadamente +/-120 mV sin el

preamplificador de micrfono conectado (si se conectase este ganancia es de aproximadamente

de unos +20bB (10x), qu quiere decir seria de unos +/-12 mV, lo cual parece demasiado bajo para

objetivos prcticos por lo que no fue probado)

A continuacin se describirn las funciones ms importantes del sw del osciloscopio:

Comenzar/parar: Con este botn encendemos o apagamos el osciloscopio. Un vez este

arrancado un led rojo a la izquierda de dicho botn comenzara a parpadear y adems aparcera un

rotulo debajo de la barra de mens 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 botn.

On Independientemente de la seal de entrada, si no esta pulsado, la seal siempre vale 0V.

Se utiliza muchas veces para ver la posicin central de la seal.

1/1000 escala para dividir la sea por 1000 (se debe seleccionar el conmutador del circuito

tambin en esta posicin).

1/100 escala para dividir la seal por 100 (se debe seleccionar el conmutador del circuito






1/5 escala para dividir la seal por 5 (se debe seleccionar el conmutador del circuito tambin

en esta posicin).

Ganancia vertical modifica la ganancia del amplificador vertical desde 1 hasta 6.

Offeset Indica la posicin central de la seal tanto para el canal derecho como del izquierdo.

Intens Regula la intensidad de las seales.

Foco Aumenta o disminuye el grosor de las seales.

Escala aumenta o disminuye la luz de fondo de la pantalla

Disparador Cambia el nivel del disparo cuando este est en manual.

Tiempo Indica cuanto tiempo hay entre cada cuadro de la pantalla

11.025establece la escala de tiempos en 4 ms. por divisin

22,050establece la escala de tiempos en 2 ms. por divisin

44,100 establece la escala de tiempos en 1 ms. por divisin

Ganancia horizontal establece la ganancia del amplificador horizontal. Puede variar desde 0

hasta 8.

La pantalla tiene unos mrgenes no visibles en los cuales la seal se dibuja pero no aparece.

Con este botn podemos indicar si queremos ms margen en la parte izquierda o en la derecha

Men fichero Nos permite capturar cualquier imagen en pantalla a un fichero para posterior

anlisis .Tambin nos permite salir de la aplicacin.

Men pantalla Nos permite variar el color de la pantalla y presentar o no en pantalla la

escala de milisegundos por divisin.

Manejo bsico 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 rejilla. La separacin

entre dos lneas consecutivas de la rejilla constituye lo que se denomina una divisin.

Normalmente la rejilla posee 10 divisiones horizontales por 8 verticales del mismo tamao

(cercano al cm), lo que forma una pantalla ms ancha que alta. En las lneas centrales, tanto en

horizontal como en vertical, cada divisin cuadro posee unas marcas que la dividen en 5 partes

iguales (utilizadas como veremos ms tarde para afinar las medidas)

Medida de voltajes Generalmente cuando hablamos de voltaje queremos realmente expresar la

diferencia de potencial elctrico, 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 tambin medirse de pico a pico (entre el valor mximo y mnimo de

la seal). 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 clculo (por ejemplo, la de la intensidad la

potencia). Los clculos para seales CA pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para

medir otras magnitudes es empezar por el voltaje.

En la figura anterior se ha sealado el valor de pico Vp, el valor de pico a pico Vpp, normalmente el

doble de Vp y el valor eficaz Vef VRMS (root-mean-square, es decir la raz de la media de los

valores instantneos elevados al cuadrado) utilizada para calcular la potencia de la seal CA.

Realizar la medida de voltajes con el softwareOscivoltes bastante mas fcil que en un osciloscopio

convencional ( en el que habra que de contar el nmero de divisiones verticales que ocupa la

seal en la pantalla ajustando la seal con el mando de posicionamiento horizontal para utilizar las

subdivisiones de la rejilla para realizar una medida ms precisa e intentando que la seal ocupara

el mximo espacio de la pantalla para realizar medidas fiables actuando sobre la ganancia del

amplificador vertical) pues solo habr que observar que la escala de medida sea la mas prxima 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 disipacin con su alimentacin.

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 polmetro, cargando esta en la variable valorbin,

anotando tambin en valoran la lectura binaria y estableciendo la variable tipo a 2.

Medidas de resistencia elctrica de un modo similar a la medida de la intensidad, aplicaremos la

ley de ohm conectando esta vez una pequea fuente de alimentacin en serie con el circuito a

medir (se aconseja de un valor de 1.5 voltios pero cualquier otro puede valer a condicin de que el

valor de la tensin 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 alimentacin 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 ocurra con los voltajes en un osciloscopio convencional, la medida de tiempos ser

ms 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 seal utilizando el mando de posicionamiento

vertical podemos utilizar las subdivisiones para realizar una medida ms precisa.

Medida de tiempos de subida y bajada en los flancos

Las medidas estndar en un pulso son su anchura y los tiempos de subida y bajada. El tiempo de

subida de un pulso es la transicin 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 tensin 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 sealadas como 0% y 100%. Se mide el intervalo de tiempo que existe entre que

el impulso corta a la lnea sealada como 10% y el 90%, ajustando el conmutador de la base de

tiempos para que dicho tiempo ocupe el mximo de la pantalla del osciloscopio.

Configuracin fichero osc.ini

Todos los controles que presenta este osciloscopio se salvan en forma de parmetros en un

fichero llamado osc.ini que se localizara en el mismo path donde este la aplicacin .De este modo,

al cerrar la aplicacin esos parmetros salvan siempre el ultimo estado del osciloscopio de modo,

que al arrancarlo nuevamente no haya que modificar otra vez dichos controles

A continuacin se detallan los diferentes parmetros que aparecen en el mismo fichero osc.ini

[Mode]

Dual=0 define el funcionamiento en modo monocanal o en modo dual

[Channel1] a continuacin se definen todas los parmetros del canal 1 (para el canal 2 se repiten

estos mismos parmetros)

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 saturacin

color= clBlack color de fondo de pantalla

[ScreenData]

Time=1 valor base de tiempos

Mejoras futuras

Gracias 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 presentacin de su

forma de onda como si de un osciloscopio se tratase) el abanico de utilizacin de este circuito se

abre de un modo casi al infinito solo limitado por la imaginacin del lector .

En efecto excepto en sistemas especficamente diseados para ello, no es muy habitual encontrar

sistemas de adquisicin de datos de una manera tan sencilla y econmica,acercando con este

circuito al aficionado campos que hasta la fecha le estaban vedados.

Como pincelada del abanico de posibilidades de utilizacin de la sonda aqu presentada, en

general cualquier magnitud susceptible de ser convertida a una magnitud elctrica es posible de

ser tratada por esta sonda, as podramos destacar:

Captura de tensiones CA/CC: fuentes de alimentacion, centrales de suministro, paneles solares,

etc.

Captura de intensidad: fuentes de alimentacin, seguimiento de consumo elctrico, etc.

Captura de resistencia: estudio resistividad material, seguimiento de valores en agricultura,

detectores de mentiras, detectores de nivel, etc.

Captura de temperaturas externas: seguimiento de temperaturas en habitculos crticos como

cmaras frigorficas, control climatizacin, control temperatura de piscinas, etc.

Captura de humedad; estudio de humedad en habitculos cerrados, estudio humedad exterior,

etc.

Captura de luminosidad: estudio nivel de exposicin solar, etc.

Captura de presin: seguimiento de fuerza /par aplicada en un punto para, balanzas, etc.

Traza, Monitoreo y generacin de alarmas en funcin de seales de entrada diversas etc.

Por ultimo como colofn final es interesante destacar algunos puntos de mejora tanto del circuito

como del sw :

Automatizacin 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 travs de puerto paralelo activa un BIT por

escala que se podra 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 mximo el tamao de

la sonda.

Aumento de canales de medida: una limitacin importante del circuito de la sonda es la de

soportar un nico canal canal analgica de entrada (aunque el sw soporta dos). Si se requiere esta

funcionalidad se podran emplear conmutadores analgicos y un control remoto por el mismo

puerto: de este modo se podra admitir un nmero muy alto de canales analgicos.

Visualizacin remota de los datos: para aquellas aplicaciones que as lo requirieran se podra 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 electrnico, etc.) segn se requisuieran.

osciloscopio-voltimetro multiproposito usb para pc

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