informe sobre la cosntruccion de un osciloscopio digital

OSCILOSCOPIO DIGITALMarcelo Vicente Ramírez Sánchez

Profesional en formaciónEscuela de Electrónica y Telecomunicaciones, UTPL

e-mail: [email protected]

RESUMEN: El presente informe es un extracto del trabajo realizado hasta la fecha en lo que concierne a gestión productiva II, entre las cuales se encuentran el análisis de las características básicas de los osciloscopios, además un resumen completo de los elementos más importantes usados en el diseño básico del osciloscopio digital, entre otros elementos y herramientas utilizadas para el diseño del mismo.

PALABRAS CLAVE: LCD, microcontrolador, osciloscopio, ATmega32.

I. INTRODUCCIÓN

Mi trabajo en Gestión productiva II, consiste principalmente en la implementación y optimización de un osciloscopio digital. Para culminar mi trabajo con éxito he visto prescindible analizar de una manera minuciosa las herramientas y los componentes que llevan protagonismo en el mismo. Entre los componentes más principales está el denominado cerebro, que es el Atmega32, también la interfaz gráfica entre el usuario y los datos ya procesados por el micro como es la LCD Gráfica, entre otros elementos más. Además de analizar estos componentes también he visto la necesidad de recalcar las características básicas que componen a un osciloscopio digital y sus complementos, para así tener una idea clara de la forma en que se puede implementar el proyecto.

II. HERRAMIENTAS

Lo primero que se necesita para la programación de un microcontrolador es el software para escribir el código. Para este caso el software para la programación del micro es totalmente gratuito y se puede descargar desde la página principal de Atmel, incluyendo las herramientas para programar en C o C++.

El software para escribir el código es el AVRStudio (Figura 1.), y además es necesario tener

instalado el WINAVR, el cual nos servirá para programar nuestro micro en lenguaje C.

Figura 1. Ventana principal del software AVRStudio

Tal como consta en el cronograma de trabajo, el primer mes de labor en gestión productiva II lo dediqué al estudio de este software aunque debido a la poca información explícita sobre el uso de este programa no se me hizo impedimento para conocer sus características básicas.

Una vez estudiado el software para escribir el programa en el micro, proseguí con el estudio de la LCD gráfica. Para llegar a conocer su uso es necesario leer el datasheet que se lo puede descargar desde internet. La GLCD que utilicé para el osciloscopio es la TS-12864A-2 (Figura 2.).

Figura 2. GLCD TS-12864A-2

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Ya que es más necesario llegar a conocer su uso que su funcionamiento a continuación detallo las características más importantes que pude rescatar de esta GLCD [1].

El cerebro del proyecto es un microcontrolador Atmega32 de la familia de los AVR’s, a continuación presento la distribución de sus respectivos pines (Figura 3.) [2], y una imagen del micro (Figura 4).

Figura 3. Distribución de pines del microcontrolador Atmega32

Figura 4.Microcontrolador Atmega32

III. DISEÑO DEL PROTOTIPO

La primera fase del proyecto de gestión productiva II consistió en el armado y el estudio de los elementos principales que llevan el protagonismo en el funcionamiento de este interesante y muy importante dispositivo

1 Debido que el software en el que simulé no cuenta con el driver L293B, tuve que armar su arquitectura interna. Además no coloque los diodos de protección en la simulación.

El diagrama de bloques del osciloscopio digital básico que he montado se encuentra en la figura 5. Aquí se da a denotar todos los elementos básicos para que funcione el osciloscopio.

Figura 5. Diagrama de bloques del osciloscopio digital

Generalizando, un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada “eje Z” que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la traza.

Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos, en teoría.

En un osciloscopio existen, básicamente, dos tipos de controles que son utilizados como reguladores que ajustan la señal de entrada y permiten, consecuentemente, medir en la pantalla y de esta manera se pueden ver la forma de la señal medida por el osciloscopio, esto denominado en forma técnica se puede decir que el osciloscopio sirve para observar la señal que quiera medir.

El primer control regula el eje X (horizontal) y aprecia fracciones de tiempo (segundos, milisegundos, microsegundos, etc., según la resolución del aparato). El segundo regula el eje Y (vertical) controlando la tensión de entrada (en Voltios, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo de la resolución del aparato).

Estas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide la pantalla, permitiendo saber cuánto representa cada cuadrado de esta para, en consecuencia, conocer el valor de la señal a medir, tanto en tensión como en frecuencia.

Esto es básicamente lo que debe realizar un osciloscopio para que sea funcional, pues bien el osciloscopio que ya he armado y probado solo me genera la visualización de la señal entrante, y es por ello que actualmente ya me encuentro trabajando en lo que es la implementación y perfeccionamiento del prototipo, los resultados de este trabajo se los conocerá al final del trabajo de gestión productiva.

Como ya explique anteriormente el osciloscopio que he implementado solo me genera la visualización de la señal entrante, y para ello he programado y quemado el microcontrolador Amega32 de la familia de los AVR con el código generado por el AVRStudio, el código en sí consta de lo que es la conversión de una señal analógica a digital, lectura de los pulsadores y potenciómetros, como también el manejo de la LCD gráfica.

Luego procedí con simular los componentes en Proteus para verificar el código de programación y conexiones (Figura 6.). Proteus es un software muy útil al momento de simular diseños de circuitos, debido a que cuenta también con una amplia gama de microcontroladores y componentes electrónicos muy utilizados en la actualidad.

Figura 6.Armado del osciloscopio digital en Proteus para su correspondiente simulación

Además de simular el circuito, Proteus también permite hacer el diseño de la PCB, para realizar este diseño Proteus se enlaza con un software denominado ARES (Figura 7.). Con este programa se simplifica enormemente el armado de las pistas del circuito que vamos a diseñar, basta con colocar en el área de trabajo los componentes del circuito y rutear las pistas.


Figura 7. Diseño del osciloscopio digital en Ares para la construcción de la PCB

Aparte de la facilidad que ofrece Ares al momento de diseñar la PCB, también nos brinda la posibilidad de representar la baquelita en 3D (Figura 8), de esta forma podemos estar más seguros del resultado del producto final, y a su vez corregir cualquier tipo de errores futuros al momento de implementar el circuito físico.

Figura 8. Representación en 3D del acabado final del osciloscopio digital

Antes de empezar a armar el circuito en la baquelita, se procedió a probarlo en el protoboard para poder verificar su funcionamiento (Figura 9.), esta prueba nos da la oportunidad de verificar componentes y conexiones, como a su vez nos da una perspectiva más amplia de la ubicación de los componentes para poder reducir dimensiones de tamaño al momento de armar la baquelita

Estando ya seguro de que todo el circuito funciona correctamente, se procedió con la implementación del osciloscopio en la baquelita.

Figura 9. Osciloscopio digital montado en Protoboard

Luego de revisar todas las conexiones del circuito y estando seguro de su funcionamiento se procedió con la impresión de las pistas en papel fotográfico (Figura 10.). Hay que tener mucho cuidado al momento de elegir el papel fotográfico correcto, ya si elegimos un incorrecto jamás se podrá transferir las pistas a la baquelita.

El método que utilicé para la transferencia de las pistas a la baquelita de cobre fue el método térmico, o sea por transferencia de calor, para lograr esto solo necesité la plancha de mi casa y un poco de paciencia debido a que necesité realizar varios ensayos para lograr el acabado que requería tener la baquelita.

Figura 10. Impresión de las pistas del osciloscopio digital en papel fotográfico

Debido a que el esquema de las pistas se diseñó en dos caras, se tuvo que conseguir una baquelita de dos caras de cobre para poder quemar el diseño. El proceso de quemado no tuvo muchos inconvenientes (Figura 11.), todo resulto conforme lo esperado.


Figura 11. Diseño final de la baquelita

Una vez ya quemada la baquelita, y con las pistas de cobre ya señaladas en los dos lados de las caras, procedí con abrir los agujeros por donde deben soldarse los componentes del circuito, para esto usé un taladro eléctrico con una broca de 1mm. Ya al finalizar con la preparación de la baquelita, empecé a montar y a soldar los componentes (Figura 12.).

Figura 12. Diseño final de la baquelita con la GLCPara finalizar, el dispositivo que he armado hasta

el momento (figura 13 y figura 14) básicamente presenta la forma de onda de la señal entrante, y es por eso que es necesario el perfeccionamiento del circuito tanto en software como en hardware para que el osciloscopio pueda ser más funcional y práctico.

Figura 13. Diseño final del osciloscopio digital

Figura 14. Osciloscopio digital en funcionamiento

IV. MEJORAMIENTO DEL PROTOTIPO

Actualmente me encuentro trabajando en la programación para el mejoramiento del osciloscopio, para poderle ingresar más funciones y utilidades, luego procederé a rediseñar el hardware con las nuevas implementaciones en software, y de esa forma cumplir con los objetivos propuestos para el trabajo de gestión productiva II.

He visto necesario rescatar las características y funcionalidades más importantes en los osciloscopios digitales para tener una percepción más clara del producto final a cual quiero llegar, a continuación las detallo:

El osciloscopio es sin duda el equipo más importante en el mundo de las mediciones, para poder caracterizar señales en lo que corresponde a su variación en tensión en dependencia del tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X,


representa el tiempo. Básicamente un osciloscopio cumple con estas funciones:

-Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.

-Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. -Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. -Localizar averías en un circuito. -Medir la fase entre dos señales.

-Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc.

Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disc es un equipo digital.

Los osciloscopios pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla.

Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no

repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente) [3].

Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes:

-Ondas senoidales-Ondas cuadradas y rectangulares-Ondas triangulares y en diente de sierra-Pulsos y flancos ó escalones

MEDIDAS EN LAS FORMAS DE ONDA

-Periodo y Frecuencia: Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al número de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1 ciclo por segundo.

Una señal repetitiva también posee otro parámetro: el periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo.Periodo y frecuencia son recíprocos el uno del otro.

-Voltaje: Voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una señal (Vpp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa.

-Fase: La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un círculo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360º. Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no estén en fase, o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas señales. En este caso se dice que ambas señales están desfasadas, pudiéndose medir el desfase con una simple regla de tres: Siendo ‘t’ el tiempo de retraso entre una señal y otra. [4]

CONCLUSIONES

- Para el trabajo referente a gestión productiva II y para presentar el primer avance de este proyecto no


solamente he implementado el osciloscopio, sino que también he adquirido nuevos conocimientos en lo que tiene que ver con instrumentación, programación, simulación, manejo de LCD’s gráficas, diseño de PCB’s, y muchos otros conocimientos más que se me hacen indispensable saber para culminar con éxito este trabajo.

- La primera parte del trabajo tenía como objetivo implementar el osciloscopio digital, el cual fue realizado cabalmente. En cuanto a los objetivos específicos que se han logrado está el estudio de todas las herramientas utilizadas para la programación del microcontrolador, además del diseño del prototipo, simulación y diseño de pcb, debido a que el objetivo final es el mejoramiento y perfeccionamiento del prototipo actualmente me encuentro ya trabajando en lo que tiene que ver con la optimización del software.

- El circuito implementado es de bajo costo y factible de implementar debido a que se puede programar el microcontrolador sin mover ni cambiar ningún componente del circuito. El bajo costo y la factibilidad se debe en cuanto a los costos y la disponibilidad de los materiales que fácilmente se los puede conseguir en nuestro medio.

- En cuanto a los alcances futuros de este proyecto se le puede incluir una multitud de funcionalidades, para lo cual es recomendado conocer todas las características básicas generales de los osciloscopios. Y es en este aspecto del proyecto en el cual me encuentro trabajando actualmente.

REFERENCIAS

[1]. TS-12864A-2 Dot Matrix LCD Module (Graphic Type) Data Sheet. Documento disponible [en línea]. <http://mohpooria.110mb.com/Ebook/TS12864A-2_en.pdf>

[2]. ATMEGA 32. Microcontroller with 32K Bytes. Data Sheet. Documento disponible [en línea]. <http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf>

[3]. [4]. EL OSCILOSCOPIO. Funcionamiento y características del osciloscopio. Osciloscopios digitales. Tipos de ondas. Documento disponible [en línea]. <http://www.alipso.com/monografias/2559_osciloscopio>


informe sobre la cosntruccion de un osciloscopio digital

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