OSCILOSCOPIO VIRTUAL IMPLEMENTADO EN PC CON CONEXIÓN USB. Doffo Augusto Santiago, Giraudo Lucas Matias Tutor: Rabinovich, Salomón

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1 OSCILOSCOPIO VIRTUAL IMPLEMENTADO EN PC CON CONEXIÓN USB Doffo Augusto Santiago, Giraudo Lucas Matias Tutor: Rabinovich, Salomón Carrera: Ingeniería Electrónica. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Villa Maria, Av. Universidad 435, CP: 5900, Villa Maria, Córdoba, Argentina, TEL: Correo electrónico del autor a responder: lucasgiraudo_03@hotmail.com Introducción El proyecto se centra en la creación de una placa de adquisición de datos, a la cual se le aplica una señal de tensión analógica y esta es capaz de muestrearla y enviarla por el puerto USB a la PC. El sistema consta de un hardware compuesto por dos placas atenuadoras y una de control y procesamiento. La parte de software fue desarrollada en LabView de National Instruments, que a través de un entorno sencillo permite visualizar uno o dos canales simultáneos, controlar las escalas verticales (tensión por división) y la horizontal (tiempo). Además tiene la posibilidad de tomar medidas sobre la señal de entrada como frecuencia, tensión de offset, tensión pico a pico, entre otras. La utilización principal es la de un osciloscopio, ya que tiene la capacidad de representar señales de amplitud variable de 50mVpp a 15 Vpp, controlables por hardware y software. Cuenta con una resolución de 8 bits y un ancho de banda desde 10 Hz hasta 20 KHz. El dispositivo consta de tres bloques interconectados, los cuales se detallan de acuerdo a como es procesada la señal externa al sistema: Hardware: es la etapa de entrada al sistema y es la que ajusta la señal para que pueda ser muestreada correctamente por el microcontrolador. Firmware: se encarga de tomar las muestras y enviarlas al PC, además permite comunicar las órdenes dadas por el usuario a la etapa de atenuación. Software: es la etapa de presentación y la de interacción con el usuario, realiza el control lógico de las operaciones y adapta los datos digitales para ser mostrados en pantalla. Hardware Figura 1. Circuito acondicionador de la señal de entrada 1

2 La señal a medir es ajustada en amplitud mediante la utilización de un Amplificador Operacional configurado en Inversor (LF353). Para variar la Ganancia de este AO se selecciona el valor de R f (resistencia de realimentación) por medio de un multiplexor analógico de 8 entradas (CD4051). Los niveles de las patas de control del multiplexor son manejados por el microcontrolador PIC el cual obedece al ajuste de la escala vertical realizado por el operador en la PC. Los valores de R f fueron calculados para que el nivel máximo de señal a la salida, en cada escala, sea de 10V pp. Seguida a esta etapa se coloca un Amplificador Operacional configurado como sumador inversor (LF353) en el cual a la señal de entrada se le suma un nivel de continua de -5V y se la divide por dos. De esta manera, la señal de salida de esta etapa queda limitada en amplitud (máximo 5V) y montada sobre una componente continua de 2,5 V, proporcionando un valor de señal apto para ser digitalizado por el conversor del microcontrolador. Al estar el Amplificador Operacional configurado como sumador inversor, la señal invertida por la primera etapa se vuelve a invertir quedando de forma original. Cabe destacar que cada canal (CH1 y CH2) tendrán a la entrada un bloque atenuador como el descripto anteriormente. Los niveles de alimentación necesarios para el AO y el Multiplexor son de ±5V. Los +5V se obtienen desde el puerto USB. De igual manera se alimenta al microcontrolador PIC. Los -5V son extraídos de un convertidor de voltaje monolítico CMOS (ICL7660), que utiliza el principio de las capacidades conmutadas para convertir un voltaje de entrada positivo en un voltaje negativo sólo con dos capacitares externos. Este integrado es capaz de doblar, dividir y multiplicar el voltaje de entrada positivo, pero sólo es capaz de entregar 200uA a una tensión de 5V. Punto importante a la hora del cálculo de consumo del bloque atenuador. Calibración del Atenuador Producto del error propio de los resistores y de los valores comerciales disponibles, se contrastó los valores teóricos calculados con los valores obtenidos mediante la medición con un Osciloscopio de Laboratorio (TEK-220). En la siguiente tabla reflejamos el trabajo de comparación realizado en el laboratorio: Tabla 1. Calibración de la etapa de entrada Escala Amp. Max. Ganancia Salida Entrada Ganancia Medida FC [mv/div] [mv] Teórica [V] [V] ,4 0, ,03 0, ,6 0,064 56,25 0, ,4 0,136 25,00 1, ,32 0,332 10,00 1, ,32 0,664 5,00 1, ,5 3,32 1,36 2,44 1, ,4 3,52 0,97 1, ,5 3,32 7,12 0,47 1, ,25 3, ,30 0,84 El factor de corrección (FC) de cada escala fue introducido en el software de manera tal que la visualización de amplitud de señal en pantalla sea la correcta. 2

3 Firmware El sistema se basa en la utilización de un microcontrolador de la familia 18F de Microchip, el cual tiene embebido el hardware necesario para realizar la conexión de datos por medio de USB con la computadora. El software interno del PIC18F2455, se basa en el control de todo el sistema y de establecer una comunicación con el programa del Osciloscopio que corre en la computadora. Este firmware fue escrito en lenguaje C. El microcontrolador será capaz de manejar las atenuaciones de entrada y de tomar los datos que de las placas de canales provengan, para ello se utilizó el conversor analógico-digital interno del micro, el cual es capaz de tomar unas muestras por segundo (sps) con 8 bits de resolución y 5 V pp, las cuales nos permiten graficar señales de entrada cuya frecuencia varíe hasta unos 20 Khz. Protocolo de conexión: Al conectar el dispositivo a un puerto USB libre de la PC, el mismo es alimentado por dicha conexión y con ello comienza el ciclo de procesamiento. En primer lugar enciende el led de estado en color rojo, indicando que se ha conectado correctamente pero que aún no hay un vínculo lógico con el sistema operativo. Luego de instalado en la PC, cambia el color del led a amarillo. Pasado estos pasos, establece como se comportarán los canales analógicos y las puertas digitales. Se inicializa además el módulo de A/D y el led de estado se pone de color verde. A partir de ahora el PIC entra en un ciclo infinito en el cual toma 250 muestras de la señal de entrada separadas la cantidad de microsegundos que se haya indicado en la base de tiempos del software, además recibe e interpreta los distintos comandos provenientes de la PC. Para el caso de dos canales, hay una secuencia lógica que va variando el canal activo en cada uno de los ciclos de muestreo. Al apagar el programa de la PC, el PIC lo detecta y detiene todas las aplicaciones que está realizando, guarda los valores actuales a memoria y pone de color amarillo el Led de estado. Software LabVIEW es un entorno de programación destinado al desarrollo de aplicaciones, similar a los sistemas de desarrollo comerciales que utilizan el lenguaje C o BASIC. Sin embargo, LabVIEW se diferencia de dichos programas en un importante aspecto: los citados lenguajes de programación se basan en líneas de texto para crear el código fuente del programa, mientras que LabVIEW emplea la programación gráfica o lenguaje G para crear programas basados en diagramas de bloques. La figura 2 muestra el panel frontal donde se pueden apreciar la pantalla y los controles. 3

4 Figura 2. Panel frontal del instrumento en la PC A continuación se procede a detallar la función de cada uno de los controles que se observan en la figura 2. Menú FUNCIONES En este menú podemos apreciar tres botones, los cuales al ser presionados aparecerán a la derecha de la pantalla las indicaciones de cada uno. Función Medidas: esta opción nos permite visualizar las medidas de la señal mostrada en pantalla como se observa en la figura 3. Las cuales son: o Frecuencia: Tiene precisión de cinco dígitos, y es calculada en base a los tiempos de muestreo de conversor A/D. o Amplitud: Representa la amplitud pico de la señal. Para establecer esta medida, al igual que en todas las siguientes, se tuvo que tener en cuenta la escala vertical y el valor de atenuación aplicado en la etapa de acondicionamiento de la señal. o Tensión Pico-Pico: indica la tensión pico-pico de la señal ingresada, para lo cual se deben tener en cuenta las mismas condiciones anteriores. o Tensión RMS: aquí se muestra la verdadera tensión eficaz de la señal, la cual es muy requerida en instrumentos, y solo se puede obtener en aquellos de altas prestaciones. o Tensión DC: Indica el nivel de tensión continua se la señal, lo cual permite saber si se encuentra montada sobre un nivel de DC. Figura 3. Distintas vistas del menú funciones 4

5 Función Cursores: Esta opción permite visualizar un cursor, el cual se desplaza sobre el trazo de la señal, indicando los valores de tiempo y tensión en el punto en que se encuentra. El movimiento del mismo se realiza a través del mouse. Función Adquisición: esta función en un comienzo del programa se encuentra en la posición normal, la cual permite visualizar la señal tal cual ingresa en el instrumento. Luego de presionar este botón aparece un submenú a la derecha del grafico el cual nos permite a través de una barra elegir el valor por el cual se promediará la señal. Entre las opciones tenemos: promedio de dos valores de la señal adquirida, de cuatro o de ocho. Esto nos permite visualizar la señal mas uniforme. Selección de canales: Al presionar el botón ON/OFF de un canal, se observara en pantalla la señal correspondiente en la entrada del mismo. Con la perilla VOLTS/DIV se podrá elegir la escala conveniente para visualizar la señal, la cual posee 10 niveles diferentes. Comenzando en 5 mv/div hasta 1.5 V/Div, y los restantes niveles entre estos dos, los cuales permiten una conveniente visualización de señales cuya amplitud varíe desde cero hasta 15V, el cual es el rango máximo de entrada. La perilla OFFSET permite montar la señal sobre una componente continua desde -10V hasta 10V, lo cual nos permitiría observar aquellas pequeñas señales montadas sobre una alta tensión continua, reduciendo esta a cero y aumentar el rango de VOLTS/DIV, ya que este osciloscopio no cuenta con acoplamiento de AC. El valor de la componente sumada a la señal se observa en el indicador debajo del control, el cual permite también modificar este valor. Base de tiempo Este control cumple la función típica de los osciloscopios, cambiar la longitud de tiempo que representa el eje horizontal, para así poder regular la cantidad de información que se quiere visualizar, que en señales se traduce en periodos. Los valores que dispone son de 5 ms/div hasta 20us/Div, con valores intermedios, totalizando 10 niveles diferentes que se adaptan al ancho de banda del instrumento. Para abarcar este rango de frecuencias es necesario modificar el tiempo entre conversiones en el ADC, por lo que al cambiar el valor de la base de tiempo se envía al microcontrolador una determinada orden que le indica que delay debe aplicarse para cada nivel de base de tiempo escogido. Pestaña CONTROLES Se encuentran dos cuadros cuyas funciones detallaremos a continuación: El cuadro DISPOSITIVO permite seleccionar la dirección del dispositivo conectado a la PC. Cada dispositivo USB posee una dirección determinada por dos campos de 16 bits confiriéndole una identidad única en el mundo. El programa reconoce la dirección y reemplaza el código hexadecimal por la palabra Osciloscopio, el cual es el nombre asignado al dispositivo. El botón llamado DISPARO envía al hardware el valor que se detalle en cuadro de texto continuo, este valor tiene la finalidad de indicar al microcontrolador el nivel de disparo que se realiza a nivel hardware. Así se poseen dos vías de disparo, una por hardware y otra por software que se complementan para lograr que la señal se mantenga estable en la pantalla 5

6 Menú de disparo El osciloscopio cuenta con dos formas de disparo, las cuales permiten sincronizar el hardware con el software, ya que sin estas dos posibilidades, el manejo del mismo sería algo complicado, porque se le tendría que mandar el nivel de disparo en cada momento al circuito, lo que provocaría que el sistema funcione demasiado lento. Es por esto que se define un nivel de disparo fijo, a nivel hardware, el cual se puede modificar enviando los valores convenientes, si es necesario. Mediante el switch Source, se activa o desactiva la opción de disparo por software. Si se encuentra en la posición EXT, el disparo está desactivado, pudiendo visualizar la señal tal como ingresa a la PC, estando esta disparada por el nivel establecido en el hardware. Una vez activado dicho interruptor (llevado a la posición CH B), se habilita el disparo a nivel software, lo cual permite, como se mencionó anteriormente, el ajuste fino del nivel de disparo. A este nivel, lo podemos ajustar mediante la perilla que se encuentra a la derecha, visualizando el nivel de disparo en el display que se encuentra en la parte inferior, el cual permite a su vez, colocar un nivel de disparo arbitrario. Para visualizar donde se encuentra el nivel de disparo con respecto a la señal ingresada, se colocó a la izquierda del gráfico, un cursor que se mueve de acuerdo con el valor del disparo, permitiendo de esta manera, que el manejo por parte del usuario sea más confortable. Otra opción en el menú disparo a nivel software, es poder establecer si el mismo se va a ejecutar en la pendiente positiva o negativa de la señal ingresada. Este control se establece mediante el interruptor Slope. Almacenamiento de una señal A veces es muy importante almacenar una señal determinada para luego poder visualizarla con más detenimiento. Para almacenar una señal, especificamos el nombre del archivo y la dirección donde se va a guardar la misma. Luego, si se quiere observar la señal almacenada, debemos especificar el nombre del archivo almacenado previamente y presionar sobre el botón OBSERVAR. Conclusión Con este proyecto se consiguió realizar un instrumento muy útil en las actividades de la ingeniería electrónica, permitiendo satisfacer las necesidades elementales de procesamiento y visualización de señales. Se han concentrado todas las operaciones de proceso y comunicación en un solo chip, el PIC18F2455, permitiendo una conexión de alta velocidad y una tasa de muestreo de 200 kilo muestras por segundo (ksps) con una resolución de conversión de amplitud de 8 bits. La etapa de entrada logra una alta impedancia de entrada y un amplio rango de operación. Las mediciones se han calibrado con un instrumento de alta gama confiriéndole exactitud a las mediciones, con un error relativo máximo acotado al 0,1%. Así se a logrando un sistema simple, compacto y confiable a un costo inferior a los 15 dólares, lo cual le confiere una excelente relación entre prestaciones y precio. Referencias Fairchild Semiconductor TM, Hoja de datos de CD4051, noviembre de Fairchild Semiconductor TM, Hoja de datos de LF353, 1 de junio de Microchip, Hoja de datos de PIC18F2455, 12 de agosto de Intersil, Hoja de datos de ICL7660, abril Mahesh L. Chugani, Abhay R. Samat, Michael Cerna, LabVIEW Signal Processing, Prentice Hall PTR,