Simplisimo osciloscopio usb sin PIC


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 demicrófono con praemplificador.

 

  • 2 salida de audio para auriculares.

 

  • Conversor de16-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 componentes

 

D1, 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.ini

Todos 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 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 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:

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

 

  • Captura de intensidad: fuentes de alimentación, seguimiento de consumo eléctrico, 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 habitáculos críticos como
    cámaras frigoríficas, control climatización, control temperatura de piscinas,
    etc.
    ·

 

  • Captura de
    humedad; estudio de humedad en habitáculos cerrados, estudio humedad exterior, etc.

 

  •   Captura de
    luminosidad: estudio nivel de exposición solar, etc.
    ·

 

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

 

  • 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.

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16 comentarios el “Simplisimo osciloscopio usb sin PIC

  1. charly dice:

    El circuito es muy simple de construir y por lo que veo utiliza ingenieria inversa para la adapatacion de un circuito ( una tarajeta de sonido usb ) a otra funcion al que no fue diseñada( pero qeu se parece bastante).
    Es una estupenda ,facil y muy economica forma de hacer un circuito electronico acorde con los nuevos tiempos.
    Ademas asi el resultado correcto siempre estara garantizado

    Me gusta

  2. nesecito este osciloscopio para simplificar mi trabajo les quedo muy agradecido

    Me gusta

  3. […] Simplisimo osciloscopio usb sin PIC julio, 20082 comentários LikeBe the first to like this post. […]

    Me gusta

  4. luis e dice:

    esta siplificado0 este osiloscopio esta mui completo era el que buscaba

    Me gusta

  5. Juan dice:

    Hola,
    he comprado el PEN USB SL-8850-SBK de Speedlink.
    Tengo unas cuantas dudas, que le estaré eternamente agradecido a quien me las resuelva.
    1. ¿Hay que unir los pines 1 y 2 del Jack del Microfono?
    2. ¿Donde se conecta la sonda, en el pin 3 del Microfono ?
    3. En mi PEN, las masas del Microfono y Auricular, ya están conectadas.
    4. Donde dice “Cortar por aquí” , en mi PEN no tiene ninguna Pista.

    Lo que yo he hecho hasta ahora es:
    1. Eliminar R10 y R13
    2. Sustituir C11 por R13.

    Me faltaría:
    4. “cortar la linea de masa del jack del microfono que va al interior”, ya que no la veo en la placa. ¿Que línea es la que corta exactamente? ¿Pin_X con Pin_Y?
    5. Añadir un condensador de 10mf/50v entre la placa y el SL-8850. ¿Donde, entre las masas de cada uno ?

    pues lo dicho, muchas gracias y felicidades por la página !!!

    Juan
    Las Palmas de Gran Canaria
    España

    Me gusta

  6. ANdres1551 dice:

    hola a todo porfavor si es q m pasan el link de la pag. de donde lo puedo sacar el programa!!!!!

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  7. Te lo puedes bajar desdfe http://personal.telefonica.terra.es/web/soloelectronicos en la parte de la izquierda donde pone “sw del autor”

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  8. Hola espero que a estas alturas ya te funcione el circuito.La realización creo que es bastante laboriosa pero en esencia es simple: lo unico que hay que hacer es intentar en primer lugar entender el esquema del circuito comercial para luego modificarlo para basicemnte aceptar cc y generar la tierra virtual
    suerte!!

    Me gusta

  9. Hola he readaptado la pagina para que se vea el esquema y todo el articulo mucho mejor. Si por lo que sea las imagenes necesita ampliarlas puede situarse sobre ellas y con el boton dercho pulsar “Guardar” ,con objeto de editarlas en su pc (por ejemplo para hacer zoom sobre estas)

    Me gusta

  10. Andres1551 dice:

    hola bueno les puedo pedir si me pueden mandar una vista detallada o varias fotos a mi correo [email protected]
    por que el dispositivo que tengo que puentear me llega en los siguientes dias porque aqui en la ciudad no lo encontre.
    saludos!

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  11. Andres dice:

    Buenas tardes,

    He comprado el modulo de sonido y me he llevado una desagradable sorpresa…Resulta que no coincide la imagen de la pcb con la que trae este modulo en la actualidad. Me han enviado el SL-8850-SBK-V2 y claro, no coinciden el nombre de ninguno de los componente ni el diseño del circuito…
    Os dejo un enlace con unas imagenes del circuito recibido, a ver si me podeis decir que tengo que modificar en este caso.
    http://www.mediafire.com/i/?gqutia3dnp26udx
    http://www.mediafire.com/i/?k8i7ttr5z93a78k

    Gracias

    Me gusta

  12. Es lógico que en 4 años desde que publique el articulo, haya cambiado el diseño
    La idea para modificarla no obstante siempre es la misma y es extrapolable a cualquier tarjeta de sonido pues en esencia es un DAC (solo hay que adaptarlo un poco)

    Me gusta

  13. Andres dice:

    El problema es que no tengo un esquema electrico como el que pusiste. Como tambien han cambiado el nombre de los componentes pues aun peor. ¿Sabes donde puedo conseguir un esquema actualizado?

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  14. La idea es hacer ingenieria inversa con el circuito para luego intentar mejorarlo.Basico es centrarse en el chip y por supuesto contar con una buena lupa!

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  15. Jarl dice:

    Otro problema es que el SL-8850-SBK-V2 trae en el chip un pegote de silicona negra que no deja ver como esta conectada la cosa y si me arriesgo a quitarla temo arrancar el chip de cuajo y si 12 eurillos es barato pa experimentar ya 24….

    Me gusta

  16. ATENCION ,IMPORTANTE

    EL CÓDIGO FUENTE EN DELPHI LO HE DEJADO EN LA SIGUIENTE URL

    https://github.com/soloelectronicos/Oscivolt/

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