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Scientia Et TechnicaISSN: 0122-1701scientia@utp.edu.coUniversidad Tecnológica de PereiraColombiaCortés Osorio, Jimmy Alexander; Chaves Osorio, José Andrés; Medina A., Francisco AlejandroDiseño y construcción de un osciloscopio digital implementado en MatlabScientia Et Technica, vol. XIII, núm. 34, mayo, 2007, pp. 489-494Universidad Tecnológica de PereiraPereira, ColombiaDisponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id 84934083Cómo citar el artículoNúmero completoMás información del artículoPágina de la revista en redalyc.orgSistema de Información CientíficaRed de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y PortugalProyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
Scientia et Technica Año XIII, No 34, Mayo de 2006. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701489DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN OSCILOSCOPIO DIGITAL IMPLEMENTADO ENMATLABRESUMENLa experimentación, diseño, construcción y pruebas de laboratorio de sistemaselectrónicos, requiere de la utilización mancomunada de diferentes equiposque aseguren la calidad de las actividades realizadas.Uno de tales equipos es el Osciloscopio, instrumento indispensable en eldesarrollo de sistemas analógicos o digitales; cuyo uso permite el monitoreoconstante de señales en cualquier etapa de las diferentes secciones queconforman dichos sistemas.El Osciloscopio es fundamental para la determinación de parámetros ycaracterísticas propios de señales periódicas como: frecuencia, amplitudmáxima, nivel DC y forma de onda.Así mismo su uso se hace recurrente en la medición de variables eléctricas;hecho por el cual se requiere el acceso permanente a equipos como elOsciloscopio que permiten monitorear diferentes tipos de señales en tiemporeal.A raíz de lo anterior se plantea el diseño y construcción de un OsciloscopioDigital, implementado por software a través de una aplicación en Matlab cuyasentradas están asociadas a la tarjeta de Sonido de un PC.PALABRAS CLAVE: Valor Pico, Frecuencia, Onda, Período, Fase, Análogo,Digital, Sonda, Señales DC (Corriente Directa) y AC (Corriente Alterna).JIMMY ALEXANDER CORTÉSOSORIOIngeniero Electricista.Universidad Tecnológica de Pereira.CandidatoaMagísterenInstrumentación Física.Universidad Tecnológica de Pereira.Profesor AsistenteUniversidad Tecnológica de Ingeniero Electricista.Universidad Tecnológica de Pereira.Especialista en Pedagogía.Universidad Nacional Abierta y aDistancia.CandidatoaMagísterenInstrumentación Física.Universidad Tecnológica de Pereira.Profesor Asistente.Universidad Tecnológica de Pereira.jachaves@utp.edu.coABSTRACTThe experimentation, design, construction and laboratory tests of electronicsystems require the use of different kinds of equipment that assures the qualityof the made activities.One of such equipment is the Oscilloscope, indispensable instrument in thedevelopment of analog or digital systems; whose use allows the constantobservation of signals in any stage of the different sections that form thesesystems.The Oscilloscope is fundamental for the determination of parameters and owncharacteristics of periodic signal such as: frequency, maximum amplitude, DCvalue and waveform. Also its use is made recurrent in the measurement ofelectrical variables; a fact which requires permanent access to equipment likethe Oscilloscope to observe different types from signals in real time.As a result of the previous justifications is considered the design andconstruction of a Digital Oscilloscope, implemented by software through anapplication in Matlab whose inputs are associated to the card of Sound of aPC.FRANCISCOALEJANDROMEDINA A.Ingeniero de Sistemas.Universidad Antonio Nariño.CandidatoaMagísterenInstrumentación Física.Universidad Tecnológica de Pereira.Profesor Auxiliar.Universidad Cooperativa.fmedina@utp.edu.coKEYWORDS: Peak Value, Frequency, Wave, Phase, Analog, Digital, DCSignals (Direct Current) and AC Signals (Altern Current).transductores adecuados (elementos que convierten unamagnitud física cualquiera en una señal eléctrica) de tal1 INTRODUCCIÓNmodo que a través de su implementación es posibleEl osciloscopio es un instrumento versátil utilizado pordeterminar valores como: presión, ritmo cardiaco,profesionales de diferentes áreas como la electrónica, lapotencia de sonido, nivel de vibraciones en un vehículo,medicina y la mecánica entre otras.etc1.Un osciloscopio puede medir indirectamente un grannúmero de variables físicas, por medio del uso deFecha de Recepción: 29 Agosto de 2006Fecha de Aceptación: 07 Febrero de 20071http://usuarios.iponet.es/agusbo/osc/osc.htm
490Scientia et Technica Año XIII, No 34, Mayo de 2006. Universidad Tecnológica de PereiraLos equipos electrónicos se dividen en dos tipos:Analógicos y Digitales; los primeros trabajan convariables continuas, mientras que los segundos lo hacencon variables discretas; así por ejemplo un tocadiscos esun equipo analógico y un lector de disco compacto es unequipo digital.De igual forma los Osciloscopios pueden ser analógicos odigitales. Los primeros trabajan directamente con la señalaplicada, esto significa que esta señal entra al sistema,después de lo cual es amplificada y posteriormente sedesvía un haz de electrones en sentido vertical y de formaproporcional a dicho valor de entrada.En contraste los osciloscopios digitales utilizan unconversor analógico-digital (A/D) para almacenardigitalmente la señal de entrada, reconstruyendoposteriormente esta información en la pantalla1.Fundamentalmente el osciloscopio posee dos partes unapantalla de visualización de resultados en forma deimágenes y controles que permiten y facilitan la lecturade resultados; un ejemplo de estas dos partes puedeobservarse en la Figura 1 y una descripción de cada unase realiza a continuación.La pantalla está dividida en una malla cuadriculada, quepermite medir, por medio de una relación preestablecidaentre distancia y voltaje.De otro lado se encuentran los controles, los cuales sedistribuyen de forma tradicional en cinco secciones(vertical, horizontal, disparo, visualización y conexión),cuya función básica es la de ajustar la lectura al niveldeseado.Los usos principales que se le dan al osciloscopio son:Diagnosticar averías en un circuito electrónico.Medir la fase entre dos señales eléctricas.Determinar el nivel DC de una señal eléctrica.Construir figuras de Lissajouss.Determinar directamente el período y el voltaje pico deuna señal.Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.Determinar la forma de onda de señales DC y AC.Determinar que parte de la señal es ruido y la variaciónque presenta este ruido en el tiempo.Este trabajo presenta una discusión acerca del uso de unatarjeta de sonido convencional de PC para laimplementación de un osciloscopio digital mediante lautilización del software MATLAB, ya que en la literaturaespecializada se encuentran muy pocos reportes alrespecto y los que se encuentran, discuten principalmentealrededor de la utilización de FPGAS y tarjetasespecializadas para la adquisición de las señaleseléctricas.De tal forma que este proyecto busca mostrar unaaplicación sencilla y económica de las tarjetas de sonidoconvencionales para el desarrollo de osciloscopiosdigitales y sintetizadores de señal de baja frecuencia.2. DEFINICIONES2.1 El OsciloscopioEl osciloscopio es básicamente un dispositivo devisualización gráfica que muestra señales eléctricasvariables en el tiempo.El eje vertical, denominado Y, representa el voltaje;mientras que el eje horizontal, denominado X, representael tiempo.2.1.1 Partes Principales del Osciloscopio Típico.Figura 1. Pantalla y Controles en un Osciloscopio2.1.2 Tipos de Osciloscopio y su FuncionamientoComo se mencionó anteriormente, los osciloscopios sonfundamentalmente de dos tipos Analógicos y Digitales;lo cual depende de la forma en que cada uno trata la señala ser medida y que no influye dramáticamente en el tipode señales que el instrumento puede medir.Para entender el funcionamiento de cada tipo deosciloscopio es necesario detenerse en los procesosinternos llevados a cabo por el instrumento. Por loanterior se define a continuación cada uno de dichostipos.2.1.2 .1 Osciloscopio AnalógicoEl osciloscopio analógico es un instrumento electrónico ycomo tal está constituido por bloques interconectados querealizan funciones específicas tal como se presenta en laFigura 2.
Scientia et Technica Año XIII, No 34, Mayo de 2006. Universidad Tecnológica de Pereira491combinada del trazado horizontal y de la deflexiónvertical traza la gráfica a medir de la señal en la pantalla,como se muestra en la figura 3.La sección de disparo se requiere para estabilizar lasseñales repetitivas (asegurando que el trazado comienceen el mismo punto de la señal repetitiva).Así que para utilizar de forma correcta un osciloscopioanalógico, se requiere la implementación de cuatroajustes básicos, como se explica a continuación:Figura 2. Interior de un Osciloscopio AnalógicoEn la figura 2 se puede observar que cuando se conecta lasonda a un circuito eléctrico, la señal eléctrica laatraviesa y se dirige a la sección vertical; dependiendo dedonde se sitúe el mando del amplificador vertical la señalserá atenuada o amplificada 2.En la salida de este bloque ya se dispone de la suficienteseñal eléctrica para atacar las placas de deflexiónverticales (que generalmente están en posiciónhorizontal) y que son las encargadas de desviar el haz deelectrones, que surgen del cátodo e impactan la capafluorescente del interior de la pantalla en sentido vertical.El movimiento descrito es hacia arriba si la tensión espositiva con respecto al punto de referencia (GND) óhacia abajo si es negativa. La señal también atraviesa lasección de disparo y de este modo se inicia el barridohorizontal (encargado de mover el haz de electronesdesde la parte izquierda de la pantalla a la parte derechaen un determinado tiempo).Sobre la atenuación ó amplificación que necesita la señaleléctrica. En este ajuste se utiliza el mando AMPL. Paraajustar la amplitud de la señal antes de que sea aplicada alas placas de deflexión vertical. Conviene que la señalocupe una parte importante de la pantalla sin llegar asobrepasar los límites.Sobre la base de tiempos. En este ajuste se emplea elmando TIMEBASE para ajustar lo que representa entiempo una división horizontal de la pantalla. Paraseñales repetitivas es conveniente que en la pantalla sepuedan observar aproximadamente un par de ciclos.Sobre el sistema de disparo de la señal. En este ajuste seusan los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) yTRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizarlo mejor posible señales repetitivas.Sobre los controles que afectan a la visualización:FOCUS (enfoque), INTENS (intensidad, la cual nuncadebe ser excesiva), Y-POS (posición vertical del haz) yX-POS (posición horizontal del haz).2.1.2 .1 Osciloscopio DigitalFigura 3. Ejemplo de señales leídasEl trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigueaplicando la parte ascendente de una señal diente desierra a las placas de deflexión horizontal (las que estánen posición vertical), la cual puede ser regulable entiempo actuando sobre el mando TIME-BASE 2.El retrazado (recorrido de derecha a izquierda) se realizade forma mucho más rápida con la parte descendente dela misma señal diente de sierra, de esta forma la acciónFigura 4. Interior de un Osciloscopio DigitalLos osciloscopios digitales poseen un sistema deprocesamiento digital de la señal; el cual realiza una tomade datos, dichos datos se almacenan y posteriormente sevisualizan reconstruyendo la señal original, tal como seobserva en la Figura 4.Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital aun circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la2http://usuarios.iponet.es/agusbo/osc/osc 1.htm
Scientia et Technica Año XIII, No 34, Mayo de 2006. Universidad Tecnológica de Pereira492señal de la misma forma que lo hace el osciloscopioanalógico.El conversor analógico-digital del sistema de adquisiciónde datos muestrea la señal a intervalos de tiempodeterminados y convierte la señal continua de voltaje enuna serie de valores digitales llamados muestras.En la sección horizontal una señal de reloj determinacuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidadde este reloj se denomina velocidad de muestreo y semide en muestras por segundo, tal como se aprecia en laFigura 5.Figura 5. Reconstrucción de una señal muestreadaNúmero de BitsGeneraciónMúsicalRelaciónRuido - SeñalTecnologíadeSonidoAudio - Line Out (1/8" Mini)Audio - RCA Digital Coax(S/PDIF)Audio - TOSlink Optical DigitalAudio Internal - Digital CD AudioGame - 15 pin D-shell(MIDI/Joystick)MIDI - 5 pin mini-DIN24 BitsWave Table Synthesis108 dBCreative Labs EAX Advanced HDDolby DigitalDTS [Digital Theater Systems]En la Figura 6, puede observarse una imagen de laventana principal del Osciloscopio.Los valores digitales muestreados se almacenan en unamemoria como puntos de señal. El número de los puntosde señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla sedenomina registro.La sección de disparo determina el comienzo y el final delos puntos de señal en el registro. La sección devisualización recibe estos puntos del registro, una vezalmacenados en la memoria, para presentar en pantalla laseñal. Dependiendo de las capacidades del osciloscopiose pueden tener procesos adicionales sobre los puntosmuestreados, incluso se puede disponer de un predisparopara observar procesos que tengan lugar antes deldisparo.Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja deuna forma similar a uno analógico, para poder tomar lasmedidas se necesita ajustar el mando AMPL., el mandoTIMEBASE así como los mandos que intervienen en eldisparo.3. DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA3.1. Diseño DEL OsciloscopioPara la adquisición de datos en el Osciloscopio asistidopor computador se optó por utilizar la tarjeta de sonidodel PC debido a su fácil acceso, la cual cuenta con lassiguientes especificaciones:DescripciónFabricanteURLTipo de SistemaTipo de RanuraTipo de InterfaceAudigy 2 ZS platinum sound blasterPCI sound card sb0350Creativehttp://www.creative.comPCPCIAudio - Headphone Out 1/4Audio - Line In (1/8" Mini)Audio - Line In (RCA Phono)Figura 6. Ventana del OsciloscopioPara la generación de las señales analógicas se siguieronlos siguientes pasos:3.1.1. Creación del objeto de entrada analógica.Para crear el objeto de adquisición de entrada de señalesanalógicas por la tarjeta de sonido se utilizó el comandoanaloginput. De la siguiente manera:AO analoginput('winsound',0);3.1.2. Parámetros de Configuración de la Adquisiciónde DatosLos parámetros de la adquisición de datos se establecenmediante el uso de las siguientes instrucciones:muestras tiempo(tiempoindex)* ido.frec rTrigger',handles.sonido.muestras);A continuación se describe la función realizada por cadauna de dichas instrucciones:
Scientia et Technica Año XIII, No 34, Mayo de 2006. Universidad Tecnológica de PereiraTiempoindex toma los valores del control que permitemanejar el período de la señal ampliándolo oreduciéndolo lo que repercute en una disminución oaumento de la frecuencia en la señal visualizada.El control se realiza cambiando el Botón de control detiempo de barrido que cambia el rango de tiempo porcada división en la pantalla del osciloscopio, como seaprecia en la Figura 7.493Los parámetros para el inicio de la adquisición de datosse establecen mediante el uso de las siguientesinstrucciones:start(AO);trigger(AO);data getdata(AO);canal1 data(:,1);canal2 data(:,2);ganancia [0.001 0.01 0.1 0.2 0.5 1 2 5];data(:,1) data(:,1)/ganancia(gananciaindex1) ,2) data(:,2)/ ganancia(gananciaindex2) ata);pause(handles.sonido.pausa/10);A continuación se describe la función realizada por cadauna de dichas instrucciones:Figura 7. Control Tiempo de barridoSampleRate indica la frecuencia de Muestreo en Hz,por defecto, dicho muestreo inicia en 8.000 Hz ypuede subir hasta 44.100 Hz (tasa máxima demuestreo de la tarjeta utilizada empleando el control,que se indica en la Figura 8). Dicho rango defrecuencias en la adquisición se estableció de manerapractica al realizar pruebas al sistema diseñado, confin de determinar características propias delOsciloscopio terminado.Start(AO); Configura la tarjeta de sonido para iniciar laadquisición de datos.trigger(AO); Inicia la adquisición de datosgetdata(AO); Configura el voltaje de entrada en loscanalescanal1 data(:,1); Captura los datos del canal 1 y se hacelo mismo para el canal 2.gananciaindex1; Controla el rango de voltios por cadadivisión de la señal de voltaje que va a ser leída en lapantalla del osciloscopio diseñado como se aprecia en laFigura 10.Figura 8. Indicador Tasa de muestreoTriggerType configura el inicio de la adquisición pordisparo manual.Figura 10. Control amplitud de voltajeSamplesPerTrigger indica el número de muestras pordisparo, por defecto, el conteo inicia en 80muestraspor disparo y puede subir hasta 800 muestras pordisparo, utilizando el control que se aprecia en laFigura 9. El rango de valores anteriormenteenunciado es de gran importancia ya que permite alaplicativo funcionar con apropiadas rapidez,fidelidad y confiabilidad.handles.osc.dcc1 desplaza verticalmente la señalsegún los requerimientos de quien realiza lecturas,tal como se observa en la Figura 11.Figura 9. Indicador Muestras por disparo.3.1.3. Inicio de AdquisiciónFigura 11. Botón deslizante
Scientia et Technica Año XIII, No 34, Mayo de 2006. Universidad Tecnológica de Pereira494plot(data); permite graficar las señales adquiridas porla tarjeta de sonido, tal como puede observarse en laFigura 12de entrada no sean un criterio relevante; lo anterior sedebe a sus limitaciones técnicas así como a susnecesidades en el acondicionamiento de señales alimplementar aplicaciones más sofisticadas.5. BIBLIOGRAFÍA[1] http://usuarios.iponet.es/agusbo/osc/osc.htmFigura 12. Pantalla del Osciloscopiopause(handles.sonido.pausa/10); controla el tiempode espera entre los ciclos de adquisición, por defectoinicia en 1 y puede subir hasta 10, dicho control serealiza por medio sistema indicado en la Figura 13.[2] http://usuarios.iponet.es/agusbo/osc/osc 1.htm[3] http://www.mathwords.com/r/root mean square.htmReferencia estadística sobre el tratamiento de losDatos RMS[4] http://www.ieeproteus.com/img/spice006.jpg[5] SERWAY, Raymond A, JEWETT Jhon W, FísicaII, Texto basado en Cálculo, Tercera edición, 544páginas, Thomson, 2004Figura 13. Control Muestras por disparo3.1.4. Finaliza la generación y elimina el objeto deadquisición.Mediante la implementación de las siguientesinstrucciones, se da fin a la adquisición de datos a travésde la tarjeta de sonido:delete(AO);clear AO;A continuación se describe la función realizada por cadauna de dichas instrucciones:delete(AO); Elimina la configuración del objeto creado.clear AO; Elimina el objeto de adquisición.4. CONCLUSIONESEl diseño implementado a través de Matlab 7.0, presentaalgunas limitaciones tecnológicas importantes querestringen el diseño al espacio académico, las cualesestán relacionadas con las características eléctricas de latarjeta de sonido utilizadaLa adquisición de datos esta restringida a realizar sumuestreo a una frecuencia máxima de 22 kHz, ya que latarjeta de sonido utilizada en el diseño toma muestras auna tasa máxima de 44 kHz. Esta característica estaasociada al Teorema del muestreo, el cual plantea quecomo mínimo se debe muestrear una señal al doble de sufrecuencia a fin de garantizar la apropiada reconstrucciónde dicha señal.La tarjeta de sonido resulta útil para el diseño deprototipos de sistemas básicos de adquisición de datosanalógicos, donde la frecuencia y la amplitud de la señal[6] PROAKIS,MANOLAKIS,DigitalSignalProcessing, Tercera edición, 1016 páginas, PrenticeHall.
2.1.1 Partes Principales del Osciloscopio Típico. Fundamentalmente el oscilo scopio posee dos partes una pantalla de visualización de resultados en forma de imágenes y controles que permiten y facilitan la lectura de resultados; un ejemplo de estas dos partes puede observarse en la Figura 1 y una descripción de cada una
