Adaptador de sondas de osciloscopio para tarjeta de sonido de ordenador
2012-02-05
He aquí un aparato para poder conectar sondas de osciloscopio a la tarjeta de sonido de un ordenador sin cargar el circuito estudiado. La entrada utilizada puede ser la de línea o la de micrófono. En combinación con un programa adecuado (como xoscope), permite usar el ordenador como un osciloscopio para frecuencias de audio.
El aparato adaptador.
Actualización: hay una versión mejorada de este diseño con un generador de señal de referencia que sirve para calibrar el instrumento.
Diseño
La idea era ésta: aprovechar la tarjeta de sonido del ordenador para hacer un osciloscopio, quizá de bajas prestaciones, pero quizá útil. Las ventajas son éstas:
- las entradas de la tarjeta de sonido son esterofónicas, así que sería posible tener dos canales incluso con una sola entrada;
- un computador programable de propósito general permite hacerle toda clase de tratamientos a la señal.
También hay desventajas:
- el ancho de banda es bajo (abarca sólo frecuencias de audio);
- sólo es posible usar acoplamiento de alterna;
- la impedancia de entrada de la tarjeta de sonido puede ser muy baja, así que, si se conecta la sonda directamente, como ésta tiene una impedancia muy alta, no se capta una buena señal;
- las tensiones de trabajo e impedancias de entrada de las tarjetas de sonido pueden variar significativamente de un modelo a otro.
Hay que vivir con los primeros dos obstáculos. El tercero puede superarse sin más que colocar algún dispositivo para adaptar las impedancias. El cuarto sugiere hacer el aparato con amplificación (y atenuación) regulable para poder modificar la amplitud de la salida. Los objetivos de adaptación de impedancias y de amplificación regulable son fáciles de cumplir con un amplificador operacional con realimentación en configuración de amplificación no inversora. Esta configuración tiene unas características de entrada muy interesantes, pero no atenúa, así que la atenuación se regula con un potenciómetro adicional a la entrada. Esto es interesante porque así es posible trabajar con señales que en el origen se salen del rango de tensiones del modo común del amplificador operacional.
Como hay dos canales disponibles, el aparato consta de dos amplificadores paralelos, uno para cada canal. Puede haber ocasiones en las que sólo se necesita un canal, así que interesa poner sendos interruptores para conectar o desconectar cada canal por separado.
Cada amplificador recibe la entrada a través de una sonda de osciloscopio. La entrada está deriva a tierra a través de un resistor y un condensador paralelos especificados por el fabricante. Como la tarjeta de sonido tiene acoplamiento de alterna, no hay motivos para medir niveles de continua. Para evitar problemas (por ejemplo, niveles de continua suficientes para saturar el amplificador), se pone un condensador en serie con la entrada; este condensador está elegido para que la frecuencia de corte esté en el rango de los infrasonidos y no se vea afectada la capacidad de entrada que especifica el fabricante.
Como había espacio, pareció buena idea incluir potenciómetros en serie con la salida para limitar lo que llega a la entrada de la tarjeta de sonido. Como la impedancia de entrada de la tarjeta de sonido puede ser desconocida, si los potenciómetros de salida están ajustados para una resistencia no despreciable, entonces la señal que se ve en el ordenador tiene también una calibración desconocida. Esto no es un problema si no es importante la amplitud precisa de la señal.
Las entradas de línea y de micrófono de la tarjeta de sonido son de tipo TRS (jack), así que la salida del aparato es del mismo tipo. Los conectores TRS son un poco horribles.
El aparato con los cables de entrada y salida conectados.
Componentes electrónicos
El circuito usa unos pocos componentes:
- Dos amplificadores operacionales UA741 (U1 y U2). Estos amplificadores operacionales no son gran cosa, pero tenía muchos disponibles y el funcionamiento del circuito no es del todo malo con ellos. Sería interesante usar modelos de mejores prestaciones.
- Zócalos para poder cambiar los amplificadores operacionales.
- Dos diodos emisores de luz (led) de bajo brillo (D1 y D2).
- Dos resistores de 680 kΩ (R4 y R9) para limitar la corriente de los led. Con valores más pequeños (unos 330 Ω, por ejemplo), el brillo sería mayor.
- Dos interruptores o conmutadores de tres circuitos (S1 y S2).
- Dos potenciómetros de 1 MΩ (R1 y R6). Sirven para atenuar la señal de entrada cuando ésta es demasiado elevada y supera el rango de entrada de los amplificadores. El valor de 1 MΩ da la resistencia de entrada recomendada por el fabricante de las sondas de osciloscopio.
- Dos condensadores de 20 pF (C2 y C4). Es la capacidad de entrada recomendada por el fabricante de las sondas de osciloscopio. Vale usar valores próximos (por ejemplo, 18 pF).
- Dos condensadores de 100 nF (C1 y C3). Con este valor, mucho mayor que el de los otros dos condensadores, la capacidad de entrada no se ve afectada significativamente.
- Dos potenciómetros de 100 kΩ. Sirven para regular la amplificación.
- Dos resistores de 1 kΩ. Junto con los potenciómetros anteriores, fijan la máxima amplificación, que es de 101 con la configuración de amplificador no inversor utilizada. Esta amplificación, algo elevada, podría ser aprovechable con unos amplificadores operacionales mejores.
- Dos potenciómetros de 10 kΩ para limitar la salida.
- Dos conectores BNC hembra para las sondas de osciloscopio.
- Un conector TRS hembra (jack) para montar en panel.
- Cuatro pilas de tipo AA, bien primarias de 1,5 V, bien secundarias de 1,2 V.
- Dos portapilas de dos pilas de tipo AA (B1 y B2). Un par de pilas da la tensión positiva referida a la tierra y el otro da la tensión negativa referida a la tierra.
- Muchos conectores (machos y hembras) para los portapilas y para unir los componentes del panel frontal a la placa del circuito.
- Una placa perforada.
- Cable.
- Estaño para soldar.
- Cable jack con dos extremos macho.
- Dos sondas de osciloscopio de 60 MHz. Esto es mucho más que la máxima frecuencia con la que trabajará el aparato, pero no había sondas con menos ancho de banda.
Todos los resistores pueden ser de los muy comunes de tolerancia del 5 % y potencia disipada admisible de 250 mW.
Esquema del circuito
Aquí está el esquema del circuito en diferentes formatos. Lo dejé anotado en inglés.
- Imagen PNG.
- Imagen escalable PostScript.
- Imagen escalable PDF.
- Imagen Original en el formato de gschem.
El programa informático gschem es parte del proyecto gEDA, software libre para el diseño de circuitos electrónicos.
Construcción
Los componentes discretos que no van en el panel frontal están soldados a la placa perforada. Los componentes del panel frontal están enchufados a conectores en la placa. La carcasa está hecha a partir de una caja de cartón que había que reciclar y que fue cortada y plegada a la medida adecuada para alojar todos los componentes.
Interior del aparato. A falta de conectores con seguro para
evitar desenchufes accidentales, hubo que improvisar con cinta
adhesiva.
Resultados
El aparato funciona y las deficiencias del UA741 no son demasiado formidables. Ahora bien, se hace evidente la importancia de usar buenos conectores. Los que pude improvisar han resultado ser muy malos; los contactos tienden a soltarse y, cuando no son buenos, la señal empieza a llenarse de ruido.
Dos formas de onda capturadas.
El aparato está probado en dos tarjetas de sonido. Una daba buena calidad, mientras que la otra daba una calidad muy baja por defectos de la propia tarjeta. Obviamente, este juguete ni siquiera se aproxima a poder competir con un buen osciloscopio, pero puede ser útil cuando sólo son necesarias unas prestaciones muy humildes.
Actualización: hay una versión mejorada de este diseño con un generador de señal de referencia que sirve para calibrar el instrumento.
Categorías: DIY, Electricidad
