Construccion.de.Un.osciloscopio.digital

7/22/2019 Construccion.de.Un.osciloscopio.digital

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74 ELECTRONICA y servicio

CONSTRUCCION DEUN OSCILOSCOPIO

DIGITAL

CONSTRUCCION DEUN OSCILOSCOPIO

DIGITAL

Oscar M on toya F igue roa

Este pequ eo oscil o scop io

exper im enta l , est form ado p or u n a

m at r i z de d iez po r d iez leds

( fo rm ando un to ta l de 100 ), en l a

qu e se desp l i egan fo rm as de on dasenci l las. Tam bin tien e la cap acid ad

de crecer , ya sea para au m entar e l

tam ao d e la pa n ta l l a o p ara

aum en ta r la f recuen c ia mxim a de

desp l iegu e. En este pro yecto

desarr o l lar em os la vers in ms

senc i l l a .

Introduccin

Como seguramente es de su conocimiento,

el osciloscopio es un instrumento que se utiliza

para graficar las variaciones de voltaje de una

seal electrnica en una pantalla, generalmen-

te de tipo TRC (tubo de rayos catdicos).En sus inicios, los osciloscopios eran pura-

mente analgicos y con funciones bsicas de tra-

zo de seales. Las variables que se podan monito-

rear eran, por ejemplo, la frecuencia y la amplitud

y tal vez una entrada para seal de disparo ex-

terna, pero nada ms. Esencialmente eran utili-

zados para mostrar la presencia de una seal y

su forma de onda sin cuantificar su valor.

Con el tiempo, y al apreciar el potencial de

estos instrumentos, se fueron incorporando nue-


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75ELECTRONICA y servicio

vas caractersticas: se mejor la precisin en laslecturas; se aument el rango en escalas para

visualizar la seal, tanto en periodo (tiempo)

como en amplitud; se aument la velocidad de

despliegue, permitiendo mostrar dos seales dis-

tintas al mismo tiempo y compararlas (funcin

conocida como de doble trazo); se increment

el ancho de banda y se le dotaron de otras pres-

taciones, por ejemplo, la compatibilidad con las

computadoras personales (figura 1).

Conviene tener presente que en los oscilos-copios de doble trazo, hay dos pares de conec-

tores por medio de los cuales se acopla cada una

de las seales para el despliegue; a estas entra-

das de seal se les conoce como canal 1 y canal

2, respectivamente (figura 2). Igualmente, cabe

mencionar que el ancho de banda es la capaci-

dad mxima en frecuencia del equipo para mos-

trar la seal; actualmente encontramos instru-

mentos con una capacidad superior a los 300

MHz, los cuales generalmente son utilizados en

circuitos de comunicaciones. Aunque para fines

de reparacin de circuitos electrnicos comer-

ciales, como electrodomsticos, es suficiente con

un osciloscopio desde 10 MHz.

Precisamente, con el aumento del ancho debanda, los osciloscopios comenzaron a utilizar

elementos digitales, aumentando as su preci-

sin. Tambin empezaron a emplearse otras tc-

nicas para el despliegue de seales en lugar del

convencional TRC; concretamente, surgieron los

osciloscopios con pantalla de cristal lquido o de

plasma (figura 3).

La ventaja de los osciloscopios digitales es-

triba en que se puede obtener una mayor canti-

dad de datos de una seal electrnica con unmnimo esfuerzo por parte del usuario. Por ejem-

plo, en una misma pantalla se muestra la forma

de onda de la seal, el periodo en su valor nu-

mrico, la frecuencia, los valores de intensidad

(eficaz o RMS), etc.

Adems puede generar una copia impresa de

lo que se muestra en pantalla a travs de una

impresora trmica.

ADC (Convertidor analgico/digital)

La conversin de una seal analgica en una

numrica, es la parte inicial del proceso de des-

pliegue de los osciloscopios digitales. Recorde-

mos que, en una seal analgica se tiene una se-

rie infinita de posibles valores intermedios entre

un rango definido de intensidad. Esta seal trans-

Seal extradade unavideograbadora.Observe laspuntas delosciloscopiopertenecientesa los canales1 y 2

Figura 1

Figura 2

Como una respuesta a las necesidades modernas de procesarinformacin, el ociloscopio digital puede ser compatible concomputadoras personales.


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formada en su equivalente digital corresponde-

r a una serie de valores perfectamente defini-

dos y finitos que representan la seal original.

Para realizar la conversin de una seal ana-

lgica en una digital, se utilizan circuitos opera-

cionales en su funcin de comparadores de vol-

taje; al respecto, cada uno de los comparadoresse dispara con un nivel de voltaje fijo diferente

(figura 4).

La salida de cada comparador, se activa cuan-

do el voltaje de la seal de entrada alcanza el

valor de intensidad para el cual fue asignado

previamente. Con las salidas de los distintos

comparadores, se obtiene una serie de posibles

salidas que se resumen en la tabla 1. Cada valor

posible en la tabla puede codificarse en un valor

binario, de forma que a cada valor muestreadopor los circuitos comparadores corresponder un

nico valor binario.

La capacidad de despliegue de un osciloscopio

digital est determinada por la cantidad de mues-

treos (comparaciones) que el circuito de entra-

da puede realizar. Cuanto ms grande sea el

nmero de muestras, ms fiel ser la represen-

tacin digital.

Hay que recordar que las seales analgicas

son continuas en el tiempo, mientras que las

seales de tipo digital son discretas, es decir, tie-

nen valores definidos; y entre ms pequeos

sean los intervalos, mejor estar representada

la seal analgica.

Los osciloscopios modernos digitales son muy

prcticos, ya que presentan mediante una serie

de mens cada una de las funciones especiales,

facilitando el trabajo y guiando al usuario demanera muy intuitiva hasta obtener los resulta-

dos deseados.

Tambin despliegan valores en formato alfa-

numrico, con ayuda de un puntero en pantalla;

e igualmente, permiten conocer el valor exacto

de voltaje en algn punto especfico de la seal

trazada en el osciloscopio.

Estos equipos ofrecen la capacidad de alma-

cenar en memoria las formas de onda obtenidas

de circuitos electrnicos, para ser consultadas

Figura 3

Osciloscopio porttil digitalde Hitachi

Vcc

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

Vcc

D

Voltaje de

entrada analgico

R

R

R

R

R

R

R

R

11

12

13

14

15

16

17

18

( )

C bel

A

B

C

Salida

codificada

en binaria

Saturacin

Comparadores

Codificador

Figura 4


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posteriormente, funcin que es inexistente en los

equipos analgicos.

Construccin de un osciloscopiodigital de bolsillo

El osciloscopio digital que proponemos para su

construccin requiere de pocos componentes. En

la tabla 2 se muestra la lista.El circuito est formado por una matriz de diez

por diez leds (formando un total de 100), en la

que se despliegan formas de onda sencillas. Tam-

bin tiene la capacidad de crecer, ya sea para

aumentar el tamao de la pantalla o para au-

mentar la frecuencia mxima de despliegue. En

este proyecto desarrollaremos la versin ms

sencilla.

Funcionamiento del circuito

Para entender el funcionamiento bsico del cir-

cuito, observemos el diagrama de la figura 5.

Al acoplar una seal de entrada al circuito

convertidor analgico/ digital, se genera un va-

lor alto en slo una de sus lneas de salida; esta

seal se utiliza para activar al circuito vertical,

de modo que, segn sea el valor de la seal de

entrada, dicho circuito activa la lnea que le co-

rresponda en la matriz de leds.

Por otra parte, el circuito horizontal es el en-

cargado de generar el desplazamiento en el tiem-

po. Para ello, activa de manera secuencial una

lnea en la matriz de leds y, mediante un circuito

contador de tipo CMOS, inicia su cuenta en el

extremo izquierdo y la termina en el extremo

derecho.La interseccin de las lneas verticales y hori-

zontales en la matriz va formando una imagen

aproximada de la seal de entrada. Por su parte,

el reloj se encarga de generar un pulso constante

que sirva de tiempo base para el desplazamiento

de la cuenta del circuito horizontal. La frecuencia

de dicho reloj se controla manualmente para po-

der ampliar la imagen de la seal mostrada.

Diagrama esquemtico

De la misma forma que un osciloscopio conven-

cional, nuestro prototipo del circuito de

osciloscopio digital requiere de una pantalla (for-

mada por la matriz de leds) para mostrar las for-

mas de onda de las seales. Vea en la figura 6 el

diagrama esquemtico.

En la matriz, los leds estn interconectados

de tal manera que sus ctodos se unen en forma

de lneas horizontales y sus nodos en forma de

dadiroirpedrodacifidoC

sadartnE sadilaS

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0

0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0

0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0

0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0

0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0

0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0

0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1

11

12

13

14

15

16

17

18

a b c tuoC

Tabla 1NOICPIRCSED AICNEREFER

odargetniotiucriC roditrevnoc(4193ML

)latigid/ociglana

odargetniotiucriC edrodatnoc(7104DC

)SOMCopitadaced

laenilortemoicnetoP 1R

ttaw2/1asmholiK1edaicnetsiseR 2R

mhogeM1edteserP 3Rttaw2/1asmholiK1edaicnetsiseR 4R

ocimarecoocitlortceleroticapaCsoidaraforcim10.0ed 1C

odargetniotiucriC )rodaziropmet(555EN

odargetniotiucriC atreupmoc(1104DC

)sadartnesodDNAN

soritsodolopnurotpurretnI 1WS

euqepsdel001 os noiccelearoloC

ocinofeleterbmalA

otiucricarapadarofrepallilbaT

oserpmi

opitotorP

Tabla 2


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lneas verticales. De esta manera, si se alimenta

una lnea horizontal cualquiera y una vertical,

slo un led se encender a la vez; esto significa

que, mediante la activacin de lneas horizonta-

les y verticales, se puede hacer que cualquier led

especfico encienda por coordenadas (figura 7).

Como ya mencionamos, nuestro osciloscopio

digital dispone de dos elementos de control: uno

( )

Convertidor

A/DCircuito

vertical

Matriz

de leds

Base de

tiempos

(Reloj)

Circuito

horizontal

Seal de entrada

VIN

t

Diagrama a bloques del circuito osciloscopio Figura 5

LM3914

9

10

11

12

13

14

15

16

18

1

17

3 2 4 7 10 1 5 6 9 11

3A

2

1

15

CD4017

16

R3

R4

C1+

6

7

2

1

3

13 814

NE

555

Osciloscopio digital

Seal de entrada

8 4

5

6

7

2

8

4

R1

R2

3

+V

CD4011

5

6

14

4

7

9

+V

SW1

b

B

Diagrama esquemtico

Figura 6


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horizontal y otro vertical. El horizontal se en-

carga de realizar el barrido en el eje (X, es decir,

en frecuencia) y el vertical dibuja la forma de

onda de la seal en amplitud en el eje Y.

La salida del circuito vertical LM 3914, un cir-

cuito convertidor A/ D, se activa en 1 (lgico bi-

nario positivo) y la salida del circuito horizontal

CD4017, contador de dcada, se activa en 0 (l-

gico negativo).El efecto de esto es el mismo que se obtiene

al conectar en las lneas verticales la terminal

positiva de una batera y en las lneas horizon-

tales la terminal negativa, ya que se provoca que

el led correspondiente se encienda.

El CD4017 es un circuito contador de dcada,

lo cual significa que cuando los pulsos de reloj

llegan a la terminal 15 del circuito, ste inicia su

cuenta progresiva haciendo que de manera

secuencial -de izquierda a derecha- se active enbajo una lnea del circuito.

Los pulsos de reloj son proporcionados por el

temporizador NE555, que se encuentra en con-

figuracin de astable, es decir, siempre est ge-

nerando pulsos de reloj cuya frecuencia queda

determinada por el arreglo de resistencias R3,

R4 y capacitor C1.

La variacin de la resistencia de R3, provoca

aumento o disminucin de la frecuencia del cir-

cuito. El aumento de frecuencia de los pulsos de

reloj provoca una mayor velocidad en el barrido

horizontal.

LM3914 acta como convertidor analgico/

digital, para cada valor que toma la seal de

entrada. Este circuito activa una de sus diez sa-

lidas, siendo la elegida aquella que representa

el nivel ms aproximado de la l nea de entrada.

Con la variacin de R1 se calibra la relacin devoltajes de entrada con lneas de salida.

Extensin del circuito

Este circuito se puede ampliar en cuanto a su

capacidad de pantalla y de barrido, conectando

circuitos similares en cascada. Esto es, para el

circuito de control vertical se deber conectar

en cascada otro circuito LM3914, de tal forma

que ahora la capacidad de la pantalla sea de 20lneas horizontales, con lo que podemos incre-

mentar la amplitud visible.

Para el circuito de control horizontal, se de-

ber conectar otro contador de dcada en cas-

cada, con lo que se completa la pantalla cuadra-

da de 20 x 20 leds.

La frecuencia determinada por R3, R4 y C1 se

puede variar mediante el potencimetro R3. Aqu

debemos considerar que la frecuencia mxima

de operacin de nuestro osciloscopio digital es-tar determinada no tanto por el reloj, ya que si

se requiere podemos implementar un oscilador

con cristal; en realidad, depende de la frecuen-

cia mxima de operacin de los chips de control

horizontal y vertical. Esta puede ser una prcti-

ca interesante para quien le guste experimentar

con los alcances mximos de operacin de los

dispositivos y de la conexin en cascada de ele-

mentos para crear dispositivos con mayor capa-

cidad.

Conclusin

Si bien el presente circuito puede servir como una

herramienta para observaciones sencillas (por

ejemplo, las seales de un control remoto), tam-

bin nos ayuda a comprender conceptos como

la forma en que operan los teclados en matriz.

En este caso, tenemos un arreglo de 10 x 10 con

la posibilidad de controlar 100 interruptores.

Matriz de

leds

Forma de onda

desplegada

t

VIN Simulacin de operacin

Voltaje de entrada

Figura 7

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