Osciloscopio casero con PIC y LCD color

Teotekaplan · Ultima edición por Teotekaplan el Dom, 12 Ago 2007 5:00 pm, editado 3 veces

Comienzo otro proyecto (ambicioso éste) y confiando en que los dioses me ayuden a terminarlo. Nace de una necesidad cada vez mayor de tener entre mis herramientas un osciloscopio para poder reparar y montar determinados tipos de circuitos, y de la falta de un elemento importante: dinero para comprarme uno hecho.

Por esto, me decidí hace poco tiempo a buscar información en la red sobre métodos sencillos para diseñar un osciloscopio casero. Evidentemente no podrá tener ni la calidad, ni las prestaciones de un equipo profesional... aunque espero que no le tenga mucho que envidiar a cualquiera de ellos.

Poco a poco iré plasmando aquí mis ideas y mis avances en el diseño e intentaré completarlo todo... qué remedio... necesito uno.

Bueno, al tajo. Lo primero que necesito es definir una serie de especificaciones técnicas que deseo que tenga.

Tendrá una base de tiempos que irá desde los 10uS/div hasta 500mS/div. Unos fondos de escala que irán desde los 10V/div hasta 50mV/div. Será de un solo canal y el disparo será controlado por software...

Ahora -con estas especificaciones me arreglo de momento- voy a ir comentando las partes que se necesitan para realizar un osciloscopio:

-Adecuación de la señal de entrada: Debemos atenuar las señales mayores de 5 voltios y amplificar las menores. Además, necesitamos un filtro para evitar el "aliasing" y las interferencias por alta frecuencia.

-Conversión analógica/digital. Una vez tengamos la señal con la amplitud adecuada, debemos ir digitalizándola en base a la escala de tiempos seleccionada.

-Memorización de los datos en una RAM. Una RAM estática, paralelo, debe ser más veloz que el conversor a la hora de almacenar los datos.

-Procesador. Procesa los datos recibidos por el ADC, la memoria, los botones y envía la información al display gráfico.

-Base de tiempos. Un oscilador de frecuencia variable y muy estable, que nos servirá de referencia de tiempo para digitalizar la señal.

-Visualización. A través de un display gráfico 128x64 pixels

-Control. Utilizando una botonera (varios pulsadores).

ADECUACIÓN DE LA SEÑAL.

Primeramente hemos de pasar la señal por un amplificador de ganancia variable, que dependerá del fondo escala (voltaje) seleccionado de forma que cualquier señal de entrada aparezca en la salida de ese amplificador con una amplitud máxima de 2.5 Voltios pico a pico.

Otra característica que debe tener esta etapa, es que con cero voltios en su entrada, debe proporcionar 1.25 V en su salida. Con ésto logramos que los períodos positivos de la onda a medir, aparezcan entre los 1.25 y los 2.5 voltios, y los periodos negativos de 1.25 a 0 voltios. Esto es así para poder introducir la señal al conversor A/D.

Es decir, primero adecuamos, y luego le sumamos 1.25 voltios de contínua, para evitar la aparición de ondas negativas a la entrada del ADC.

CONVERSOR ANALÓGICO/DIGITAL.

A su entrada, nuestra señal puede variar de 0 a 2.5 voltios, recordando que 1.25 voltios corresponden en realidad a cero.

Utilizaré en este caso un conversor capaz de tomar 1MSPS (millón de muestras por segundo), lo que me permitirá capturar ondas hasta una frecuencia de 500 Khz. La resolución del conversor será de 8 bits para facilitar su almacenaje rápido en la memoria RAM.

8 bits significa que la tensión de entrada puede ser digitalizada en 256 valores distintos. Usando una tensión de referencia de 2.5 voltios, el conversor A/D será capaz de digitalizar con una resolución cercana a los 10mV/bit. El número 0 corresponderá a -1.25V , el número 128 a 0V y el 255 a 1.25 V.

MEMORIA RAM.

Los datos que salen del ADC han de ser guardados con rapidez, ya que en el peor de los casos debemos almacenar una muestra por microsegundo. Por esto no podemos utilizar memorias FLASH o EEPROM de interface serie (I2C, SPI...). Debemos recurrir a la tradicional memoria RAM paralelo, de forma que podamos introducir directamente los 8 bits del conversor A/D en el bus de datos de la memoria.

La memoria irá conectada de un modo similar a un DMA (acceso directo a la memoria) con el conversor, de forma que el procesador esté libre de la tarea de capturar los datos, y sea el propio conversor quien los guarde en la RAM directamente.

La capacidad que he elegido es de 2048 bytes. La pantalla que usaré tiene 128 pixels de ancho, con lo que realmente no necesito almacenar más por cada toma de muestras aunque a la hora de capturar, siempre está bien tener alguna de más...

Qué más...

BASE DE TIEMPOS.

Esto es importante y tiene que tener una precisión casi absoluta. Es el reloj que marcará el ritmo de las capturas de la señal y debe poder marcar un ritmo desde 1 Mhz (para 10 uS/div) hasta 20 Hz para 500mS/div.

PROCESADOR.

Usaré un pic 18F4550, funciona hasta 48 Mhz, tiene interface USB (para futuras expansiones no viene mal) y unos cuantos buses de datos para conectar los diferentes dispositivos: ADC, RAM, circuitos de tiempo, de ganancia, display, botonera...

VISUALIZACION.

La loca idea de utilizar un display de esos gráficos azules de 128x64 pixels...

En fin... aquí está el reto... ahora me queda ir parte por parte, escribiendo buenos ladrillazos... y rezando para que todo se pueda montar y funcione a la primera Sonriente

'Me lo contaron y lo olvidé. Lo vi y lo entendí. Lo hice y lo aprendí.'

Pirer · Publicado: Lun, 19 Dic 2005 8:36 pm **Asunto**:

Vaya lios en los que te metes, Teo, jejeje.
Venga, ánimo y a ver si los planetas se te alinean y acabas este post con algunas fotos de tu osciloscopio funcionando Guiño

1 Saludo

tonio · modder País: Sexo: Registrado: 05 enero 2005 Mensajes: 50

suerte con ello y que sepas ke komo consigas hacerlo te convertiras en mi dios electronico Asustado

salu2

Teotekaplan

Bueno, esto lo tengo ya listo.

Consta de dos amplificadores operacionales puestos en cascada y en configuración de amplificador inversor. El primero de ellos tiene una ganancia de 0.47 (la ganancia de un amplificador no inversor es R1 / R2) , en este caso 470/1000 , lo que quiere decir que la señal de salida será 0.47 veces la entrada. Es un atenuador de señal.

Las resistencias R3,R4 y R5 junto con el potenciómetro RV1 conforman un punto de ajuste, para asegurarnos de que en las medidas con alta ganancia, obtengamos un nivel de continua de cero voltios exactos. En la práctica se pondría la entrada a masa y se ajustaría el potenciómetro hasta leer en la salida del primer operacional una tensión de cero voltios.

El diodo doble BAV199 tiene la configuración de dos diodos en serie con un punto central común. Conectando los extremos a +5 y -5 V y la unión a la entrada del operacional, nos servirá de protección contra sobretensiones. Esto impedirá que la tensión de entrada alcance niveles peligrosos. En la práctica impide que la onda de salida sea mayor de 10 Vpp (un tope de entrada de unos 22Vpp).

Ya sabemos una cosa... no podemos medir señales que tengan más de 20 voltios de amplitud. De sobra para la vida diaria.

Bueno, continuamos con la segunda parte de esta etapa.

A la salida de nuestro primer amplificador-atenuador, tenemos otro operacional configurado también como no inversor. En este caso la ganancia es variable y viene determinada por la posición del potenciómetro RV2. Este será en la práctica un potenciómetro digital de 256 posiciones, lo que nos permitirá variar el rango de voltajes usando software, lo que nos ahorra un conmutador.

La ganancia calculada puede ir desde 0.004 hasta 255.

Posteriormente, le añadimos una tensión contínua de 1.25 voltios. El resultado es que para un tensión de entrada 0, tendremos 1.25 en salida. Para entradas de -1.25 voltios, cero en salida, y para entradas de 1.25 , 2.5 voltios en salida.

resumiendo:

Cogemos la señal, la multiplicamos por 0.47 , la pasamos por la ganancia variable de 0.004 a 255 y le sumamos 1.25 V.

Con esto ya podemos atacar la siguiente etapa: El conversor analógico/digital, pero antes necesitamos otra etapa... alimentación Sonriente

En este caso los amplificadores trabajan con una tensión dual de +5 y -5 voltios, además de una tensión de referencia de +2.5 y -2.5 . En la siguiente entrega, diseñaré la etapa de alimentación del circuito.

P.D. La tensión de R7 es de 2.5V que se me olvidó ponerlo y luego se me olvida del todo...

'Me lo contaron y lo olvidé. Lo vi y lo entendí. Lo hice y lo aprendí.'

Kienco · Publicado: Lun, 19 Dic 2005 9:50 pm **Asunto**:

Wenas:

Una idea brillante Teo, mucha suerte.

Cuando lo consigas estaria bien poder pedir prestado un oscilo comecial para poder hacer los ultimos ajustes, como referencia, pero esto es para el final.

Si hay algo que podamos ayudarte, haznoslo saber, que tener un oscilo en casa por menos de lo que cuestan es algo genial.

Venga, Teo, te mando mi animo desde Madrid. Suerte.

Teotekaplan · Publicado: Lun, 19 Dic 2005 10:25 pm **Asunto**: ETAPA DE ALIMENTACIÓN

El circuito en sí, consume pocos miliamperios y podría alimentarse unas horas con baterías recargables, pero debido a la retroiluminación del LCD y a las pocas ganas de andar recargando baterías cada poco, usaré una fuente de alimentación conectada a 220V.

Necesitamos cuatro tensiones principales: +5 , -5 , +2.5 y -2.5.

Para obtener los 5 y -5 usaremos un sencillo esquema de alimentación simétrica usando los reguladores 7805 y 7905

Se compone de: transformador con toma central (6+6Volt), rectificador en puente, filtrado, estabilización y posterior filtrado mediante bobina y condensador (hay que evitar a toda costa la aparición de ruido en la alimentación.

Con esta fuente ya obtenemos los 5 y -5 V.

Ahora... necesitamos unas tensiones adicionales de 2.5 - 2.5 para referencia del conversor A/D y funcionamiento de los operacionales de entrada.

Para realizarlo utilizaremos dos operacionales y un diodo zener de 2.5 voltios

El primer operacional está configurado como seguidor de tensión. La tensión en su salida es igual a la de su entrada. En este caso, el zener nos proporciona los 2.5 V que el operacional nos sacará.

Para obtener la tensión negativa , usamos un operacional configurado como amplificador inversor (como los que vimos antes) y con una ganancia 1 (señal de entrada = señal de salida invertida). Al meter los 2.5 voltios, nos los invertirá produciendo -2.5

Esto, lógicamente, lo hace porque estamos alimentando los operacionales con una tensión dual de +/-5V . Sin ésta no podríamos tener tensiones negativas en salida.

'Me lo contaron y lo olvidé. Lo vi y lo entendí. Lo hice y lo aprendí.'

danysoriano · Publicado: Lun, 19 Dic 2005 10:39 pm **Asunto**:

Teo, tienes mp

Pirer · Publicado: Lun, 19 Dic 2005 10:40 pm **Asunto**:

una preguntita:
al 7909, no hay que alimentarlo con tensión negativa? es decir, con -7v, por ejemplo. Si la alimentación es positiva, irá bien?

1 Saludo

Teotekaplan · Publicado: Lun, 19 Dic 2005 10:42 pm **Asunto**:

Es que la tensión de entrada es negativa... lo que hago es aprovechar la toma central del transformador como masa, cero voltios... así tendré dos ramas, una con tensión positiva y otra negativa.

'Me lo contaron y lo olvidé. Lo vi y lo entendí. Lo hice y lo aprendí.'

Pirer · Publicado: Lun, 19 Dic 2005 11:08 pm **Asunto**:

ams.... ok ok!

no me habia fijado en la toma central del transformador.

1 Saludo

Ernesto13 · modder País: Sexo: Registrado: 29 mayo 2005 Mensajes: 401

Puede que esta sea una pregunta estupida pero no se mucho de electronica y veo que casi todos los circuitos que toman corriente de 220 lo tienen, ¿Para que es el puente de diodos?

mabalana · modder País: Sexo: Registrado: 09 enero 2004 Mensajes: 73

La corriente de 220v es corriente alterna, es decir que cambia de sentido varias veces por segundo.
Entonces para pasarlo a corriente continua que es aquella que no cambia (el positivo siempre es positivo y el negativo es negativo) se pone un puente de diodos los cuales solo dejan pasar la electriciadad en un sentido.
Espero que te sirva para que lo entiendas.
Hasta luegoo
P.D.: Si no lo entiendes te lo explico con fotos que pienso que lo podras entender mejor, pero hazlo por mp para no estropear el post de teo

AMD 64bits 3400+ .-. ASRock K8NF4G-SATA2 .-. Memoria kingston 768 mb 400 DDR .-. Seagate 160 gb. SATA .-. Grabadora DVD NEC 3520a.

Ernesto13 · modder País: Sexo: Registrado: 29 mayo 2005 Mensajes: 401

Muchisimas gracias de verdad, que ya lo entiendo, es como un conversor de corriente alterna a corriente continua ... Muchas gracias!! me has aclarado varias dudas Muy feliz

sqki · Publicado: Mar, 20 Dic 2005 12:42 am **Asunto**:

Yo solo tengo una pregunta Teo: ¿tu que has estudiado? si has estudiado algo claro es solo por saber como eres un mounstro en electronica y eso pues es por preguntar... es que flipo con las cosas que haces....

#=Sqki=#

Teotekaplan · Publicado: Mar, 20 Dic 2005 12:57 am **Asunto**:

La verdad que menudo tocho por hoy, pero es que estoy en el sofá tirao y sigo dándole vueltas al tema XDD es una obsesión... y para no liarme mucho más la cabeza, pues me siento aquí otro rato y así pongo las ideas que tengo claras ahora... antes de que se me olviden.

Voy a dar un repaso a la etapa de entrada, explicar porqué es así cada parte y cómo manejar el amplificador de ganancia variable.

Bueno, el primer amplificador veíamos que tiene una ganancia de 0.47 y que gracias a la protección de los diodos, su salida máxima es de +/- 5V. En realidad es algo menos. El AO está alimentado por una tensión dual de +/- 5V así que es imposible que dé más en salida. Se ha elegido esta ganancia tan extraña porque así podemos introducir sin problemas tensiones hasta 10 Vp (Voltios de pico), ya que 10 * 0.47 = 4.7Vp . Estamos dentro del margen del primer operacional.

La explicación para el siguiente es un poco más larga, y todo es culpa del conversor A/D.

Éste maneja un bus de 8 bits, con lo que puede samplear una tensión en n/256 valores. Si introducimos una tensión de referencia de 2.5 V, tendremos como dije antes, una resolución cercana a los 10 mV/bit. Esto significa que la tensión a aplicar en su entrada debe oscilar entre 0 y 2.5

Habíamos quedado en que íbamos a presuponer una masa virtual de 1.25 V (justo la mitad) de forma que las tensiones por debajo -hasta cero- se consideran negativas a efectos de dibujar, y las tensiones por encima -hasta 2.5- positivas. Tenemos un margen de maniobra de 1.25V.

¿Qué tiene que hacer el segundo amplificador? Convertir la variación máxima del primero 0 a 4.7V. en una máxima de 0 a 1.25V. ¿Y cómo lo conseguimos? Modificando la ganancia del AO según la escala de voltajes que tengamos seleccionada a través del PIC.

Voy a presuponer una gráfica con una altura de 3+3 divisiones verticales. 3 positivas y 3 negativas. Y voy a empezar con una escala de voltajes: 5V/div.

Hasta aquí podríamos visualizar una tensión de 15Vp, pero el primero nos limita a 4.7V, con lo que el rango a adaptar es de 4.7 a 1.25.... 1.25/4.7 = 0.266

0.266 esa es la ganancia de nuestro segundo AO en la escala de 5V/div... vamos a comprobarlo...

Metemos 10V * 0.47 = 4.7V --> 4.7V * 0.266 = 1.2502Volt., nuestro tope de escala...

Otra comprobación... metemos 7.5V * 0.47 = 3.525 --> 3.525V * 0.266 = 0.937V. (justo el 75% del voltaje).

Bien, esto hay que calcularlo para cada una de las escalas... así que ahí va la peazo tabla: (los puntos son comas decimales)

ESCALA MEDIDA MAX GANANCIA
5V/div 15Vp 0.266
2V/div 6Vp 0.266
1V/div 3Vp 0.417
500mV/div 1500mVp 0.833
200mV/div 600mVp 2.083
100mV/div 300mVp 4.167
50mV/div 150mVp 8.333
20mV/div 60mVp 20.833
10mV/div 30mVp 41.667
5mV/div 15mVp 83.333

Y por eso necesito un potenciómetro digital, para poder modificar la ganancia del segundo operacional, en función de la escala de tensiones que utilice.

Antes de seguir, una nota mental... Esto quizás me sirva para programar un ajuste de escala automático... sólo tengo que comprobar que la tensión en el segundo operacional es menor de 2.5V , si la supera significa que en la configuración actual me salgo de rango y tengo que aumentar una escala... (fin de la nota mental).

Ahora sabemos que necesitamos variar la ganancia desde 0.266 hasta 83.333.... y para eso tenemos un potenciómetro de 100 K dividido en 256 resistencias de 390.625 voltios...

Queda calcular qué posición de 0 a 255 tiene que tener el potenciómetro, para ajustar su resistencia de forma que la ganancia obtenida (R2/R1) sea igual a la deseada.

Formulita... (creo)

Voy a llamar P1 (extremo izquierdo y cursor) que forman R1, y P2 (extremo derecho y cursor) que formarían R2.

Ganancia = R2/R1 = P2/P1

Sabemos que P2 + P1 = 100000

Y que P1 = 100000 - P2. Entonces viene el lío para averiguar P2...

Ganancia = P2 / (100000-P2)

¿Quien me la despeja? Es muy tarde y tengo la cabeza como plastilina...

'Me lo contaron y lo olvidé. Lo vi y lo entendí. Lo hice y lo aprendí.'

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