Osciloscopio de Leds

Marco Antonio Nuo Morales, Cdigo: D00762466, [email protected] Proyecto de Diseo con Electrnica Integrada.

Pgina 1

OSCILOSCOPIO CON PANTALLA DE LEDS Marco Antonio Nuo Morales,

[email protected]

0.0) INDICE HOJA DE PRESENTACION 1 0.0 INDICE 2 1.0 RESUMEN ...3 2.0 ANTECEDENTES ...3

2.1 Utilizacin .3

2.2 Osciloscopio Analgico 4

2.2.1 Limitaciones del osciloscopio analgico ...5

2.3 Osciloscopio Digital .6

3.0 DESARROLLO ...7 4.0 RESULTADOS ..12 5.0 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ...12


Pgina 2

1.0) RESUMEN El objetivo de este proyecto es disear y construir una herramienta muy til en el estudio de la electrnica, haciendo posible que cada estudiante de esta materia y sus derivados pueda adquirir uno, tenindolo en casa y as tener mucho mas tiempo para la prctica del los temas de su carrera, gracias a que el costo que genera el desarrollo de este osciloscopio es relativamente bajo si lo comparamos con un osciloscopio analgico o digital que normalmente se encuentra en los laboratorios de los planteles universitarios.

Cave mencionar este osciloscopio tendr una pantalla de diodos LED y su lectura ser menos precisa que la de un osciloscopio normal. Este osciloscopio no va a suprimir al osciloscopio ya conocido ya que tendr funciones mucho ms sencillas. 2.0) ANTECEDENTES Aqu se da una explicacin general del funcionamiento de los osciloscopios digitales y analgicos comunes, este funcionamiento no es igual al del osciloscopio con pantalla de diodos LED pero se pone para tener un conocimiento de esta herramienta como es en la realidad. El funcionamiento y diseo del osciloscopio de LEDs se explicara mas adelante.

Un osciloscopio es un instrumento de medicin electrnico para la representacin grfica de seales elctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrnica de seal, frecuentemente junto a un analizador de espectros.

Presenta los valores de las seales elctricas 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 as 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 segn su funcionamiento interno, pueden ser tanto analgicos como digitales, siendo en teora el resultado mostrado idntico en cualquiera de los dos casos. 2.1) Utilizacin En un osciloscopio existen, bsicamente, dos reguladores que ajustan la seal de entrada y permiten, consecuentemente, medirla en la pantalla y de esta manera se pueden ver la forma de la seal medida.


Pgina 3

El primero regula el eje X (horizontal) y aprecia fracciones de tiempo (segundos,

milisegundos, microsegundos, etc., segn la resolucin del aparato). El segundo regula el eje Y (vertical) controlando la tensin de entrada (en Voltios, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo de la resolucin del aparato).

Estas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide la

pantalla, permitiendo saber cunto representa cada cuadrado de esta para, en consecuencia, conocer el valor de la seal a medir, tanto en tensin como en frecuencia. 2.2) Osciloscopio analgico La tensin a medir se aplica a las placas de desviacin vertical de un tubo de rayos catdicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las placas de desviacin horizontal se aplica una tensin en diente de sierra (denominada as porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca). Esta tensin es producida mediante un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la seal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos.

Figura 1.- Representacin esquemtica de un osciloscopio.


Pgina 4

En la Figura 1 se puede ver una representacin esquemtica de un osciloscopio con indicacin de las etapas mnimas fundamentales. El funcionamiento es el siguiente: En el tubo de rayos catdicos el rayo de electrones generado por el ctodo y acelerado por el nodo llega a la pantalla, recubierta interiormente de una capa fluorescente que se ilumina por el impacto de los electrones.

Si se aplica una diferencia de potencial a cualquiera de las dos parejas de placas de

desviacin, tiene lugar una desviacin del haz de electrones debido al campo elctrico creado por la tensin aplicada. De este modo, la tensin en diente de sierra, que se aplica a las placas de desviacin horizontal, hace que el haz se mueva de izquierda a derecha y durante este tiempo, en ausencia de seal en las placas de desviacin vertical, dibuje una lnea recta horizontal en la pantalla y luego vuelva al punto de partida para iniciar un nuevo barrido. Este retorno no es percibido por el ojo humano debido a la velocidad a que se realiza y a que, de forma adicional, durante el mismo se produce un apagado (borrado) parcial o una desviacin del rayo.

Si en estas condiciones se aplica a las placas de desviacin vertical la seal a medir (a travs del amplificador de ganancia ajustable) el haz, adems de moverse de izquierda a derecha, se mover hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la polaridad de la seal, y con mayor o menor amplitud dependiendo de la tensin aplicada.

Al estar los ejes de coordenadas divididos mediante marcas, es posible establecer una relacin entre estas divisiones y el perodo del diente de sierra en lo que se refiere al eje X y al voltaje en lo referido al Y. Con ello a cada divisin horizontal corresponder un tiempo concreto, del mismo modo que a cada divisin vertical corresponder una tensin concreta. De esta forma en caso de seales peridicas se puede determinar tanto su perodo como su amplitud.

El margen de escalas tpico, que vara de microvoltios a unos pocos voltios y de microsegundos a varios segundos, hace que este instrumento sea muy verstil para el estudio de una gran variedad de seales.

2.2.1) Limitaciones del osciloscopio analgico

El osciloscopio analgico tiene una serie de limitaciones propias de su funcionamiento:

Las seales deben ser peridicas. Para ver una traza estable, la seal debe ser peridica ya que es la periodicidad de dicha seal la que refresca la traza en la pantalla.


Pgina 5

Las seales muy rpidas reducen el brillo. Cuando se observa parte del perodo de la seal, el brillo se reduce debido a que la tasa de refresco disminuye.

Las seales lentas no forman una traza. Las seales de frecuencias bajas producen un barrido muy lento que no permite a la retina integrar la traza. Esto se solventa con tubos de alta persistencia. Tambin existan cmaras Polaroid especialmente adaptadas para fotografiar las pantallas de osciloscopios. Manteniendo la exposicin durante un periodo se obtiene una foto de la traza.

Slo se pueden ver transitorios si stos son repetitivos.

2.3) Osciloscopio digital En la actualidad los osciloscopios analgicos estn siendo desplazados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre otras razones por la facilidad de poder transferir las medidas a un ordenador personal.

En el osciloscopio digital la seal es previamente digitalizada por un conversor analgico digital. Al depender la fiabilidad de la visualizacin de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al mximo.

Las caractersticas y procedimientos sealados para los osciloscopios analgicos son aplicables a los digitales. Sin embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como el disparo anticipado (pre-triggering) para la visualizacin de eventos de corta duracin, o la memorizacin del oscilograma transfiriendo los datos a un PC. Esto permite comparar medidas realizadas en el mismo punto de un circuito o elemento.

Existen asimismo equipos que combinan etapas analgicas y digitales.

Estos osciloscopios aaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitera analgica, como los siguientes:

Medida automtica de valores de pico, mximos y mnimos de seal. Verdadero valor eficaz.

Medida de flancos de la sea l y otros intervalos. Captura de transitorios. Clculos avanzados, como la FFT para calcular el espectro de la seal.


Pgina 6

3.0) DESARROLLO En su pequea pantalla de 10 leds de altura por 16 leds de ancho (leds de 3mm) se ve bastante bien la forma de la sea l y si a las perillas del control de amplitud y de base de tiempo se le dibuja una escala, se podr medir la amplitud y la frecuencia de las seales con un error menor al 10% (con un poco de prctica).

El ancho de banda es desde continua hasta 40 KHz, por encima de esta frecuencia vas a seguir "viendo" seal, pero no confes mucho en la amplitud ni en la forma.

En este circuito se suprimi la parte del Trigger para no complicar el esquema, pero

si se requiere agregar, tienes que colocar un circuito que solo deje pasar los pulsos del 555 al 74c93 despus de que la seal de entrada supere cierto nivel y los frene despus de cada barrido.

Si quieres medir seales de menos de 100mV se puede agregar algn amplificador operacional en la entrada, pero as como figura en el grfico anda brbaro.

Figura 2.- Muestra de conexin de LEDs en forma de matriz.

La pata 9 del 3914 es el control de efecto, este hace que se prenda solo el led ms alto, o que se enciendan tambin los inferiores (tipo vmetro), segn se la conecte al positivo o al negativo. Para este caso se tiene que usar el efecto del led ms alto, para que la seal no se vea rellena.


Pgina 7

Si se requiere armar con pantalla de 10x10, se reemplazar el 7493 y el 4514 por un

solo 4017. Con R1, R2 y C1 se establece la frecuencia de conteo (perodo de la base de tiempo), a C1 se va cambiando de valor con una llave de 6 puntos (por ejemplo) con 6 capacitores de distintas capacidades (para seleccionar el rango) y a R1 o R2 se coloca un potencimetro para ajustar la frecuencia hasta que la seal se quede fija en la pantalla (la seal se detiene cuando la frecuencia de la base de tiempo es mltiplo de la de la seal).

Figura 3.- Muestra de algunas seales.

Figura 4.- Cara de un osciloscopio de LEDs.

Para expandir la pantalla, lo nico que se hace es ir conectando los LM3914 en cascada (para el vertical) y lo mismo con los integrados que usen para el horizontal.


Pgina 8

As quedarla el circuito:

Figura 5.- Circuito de Osciloscopio con pantalla de LEDs. Se recomienda que no exceder la cantidad de leds con que se quiera armar, por

varios motivos:

1.- Una pantalla de ms de 20 x 32 tiene 640 leds, esto requiere una plaqueta doble faz con 1300 agujeros y 52 pistas. Ms all de 160 leds (10x16) deja de ser un circuito para principiantes (estudiantes) sobre todo por el costo. 2.- Por cada 10 leds del vertical tienen se agrega un LM314 y por cada 10 o 16 del horizontal hay que agregar un contador con su decodificador. 3.- La corriente que entregan los integrados pueden hacer brillar bastante bien a un led conectndolo directamente, pero como la pantalla trabaja por multiplexacin, el brillo mximo se divide por la cantidad de columnas que tenga la pantalla, por eso si la pantalla tiene ms de 16 leds horizontales, habria que agregarle un driver para poder hacer circular corrientes muy altas por el led para compensar el poco tiempo que permanece encendido (los leds pueden trabajar perfectamente con corrientes de mas de 1 amper, si prende durante 1ms y permanece apagado 30 ms por ejemplo).


Pgina 9

4.- Estos drivers formados por un transistor para cada led, hay que agregarlo tanto en el horizontal como en el vertical, con lo que hay que sumar 52 transistores a nuestra lista de componentes. Si se tiene en cuenta todo esto antes de mandarse a armar un osciloscopio de led se

recomienda empezar probando con una pantallita de 10x10 y cuando se conozca exactamente como funciona se le podr ir agregando ms filas y columnas.

Adems, si se suman todos los componentes (incluso el tiempo de construccin) para armarse uno de mas de 20x32 mejor se optara por comprarse uno usado (uno de verdad) o armarse algo con una pantalla de monitor en desuso. Aqu se muestra la forma de conectar los LM3914 en serie, los contadores para el horizontal son tan fciles de conectar en cascada que se pueden sacar de cualquier lugar.

Figura 6.- LM3914 en serie.

Tambin para agregar un circuito de Trigger, se muestra el circuito.


Pgina 10

Figura 7.- Circuito de Trigger.

Este circuito de trigger es simple y anda muy bien, se trata de un divisor resistivo

que sirve para regular a que tensin se produce el disparo, cuando el potencial supera al voltaje de histresis de la compuerta NOT (schmitt trigger) el flip-flop se setea colocando un "1" en la entrada de la AND, de esta forma los pulsos que vienen de la base de tiempo (555 o cualquier otra) pasan y llegan al contador. Una vez que el FF est seteado, la nica forma de resetearlo es cuando el contador enciende el ltimo led, quedando el circuito a la espera de un nuevo pulso. En resumen: Supongamos que queremos medir una seal de 10V pico, la pantalla permanecer apagada hasta que el ciclo positivo de la seal supere la tensin de trigger a la que se lo ajust, por ejemplo 2 V, en este momento empieza a producirse el barrido, el cual seguir ejecutndose hasta llegar al extremo derecho de la pantalla, sin importar la frecuencia ni la forma de onda de la entrada (que se ir dibujando en la pantalla). Al terminar el barrido horizontal, la pantalla permanecer apagada hasta que la tensin de entrada alcance exactamente 2V para que el prximo dibujo quede superpuesto perfectamente con el anterior. Todo este proceso se realiza tan rpido que el resultado es una imagen sin desplazamientos en la pantalla. 4.0) RESULTADOS Se acaba de presentar un prototipo de una herramienta indispensable en el estudio de la electrnica, este es un proyecto meramente con fines estudiantiles debido a que en las grandes industrias electrnicas este tipo de osciloscopio quedara relativamente corto en comparacin con uno real. En el mercado se presentan muchas marcas y por lo tanto precios para osciloscopios digitales o analgicos pero el precio estara muy por encima de lo que se invertira fabricando uno de este tipo, pudindose clasificar como casero y por ellos estara mucho ms al alcance de cualquier estudiante a nivel tcnico o a nivel de ingeniara. 5.0) REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1.- http://www.gratisweb.com/carcassweb 2.- http://es.wikipedia.org/wiki/Osciloscopio 3.- http://www.comunidadelectronicos.com/sitios2.htm#Circuitos

Osciloscopio de Leds

Documents

Transcript of Osciloscopio de Leds