Osciloscopio_de_Leds

Marco Antonio Nuño Morales, Código: D00762466, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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“OSCILOSCOPIO CON PANTALLA DE LEDS” Marco Antonio Nuño Morales,

[email protected]

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

2.1 Utilización …………………………………………………………………….3

2.2 Osciloscopio Analógico ………………………………………………………4

2.2.1 Limitaciones del osciloscopio analógico …………………………...5

2.3 Osciloscopio Digital ………………………………………………………….6

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


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1.0) RESUMEN El objetivo de este proyecto es diseñar y construir una herramienta muy útil en el estudio de la electrónica, haciendo posible que cada estudiante de esta materia y sus derivados pueda adquirir uno, teniéndolo en casa y así tener mucho mas tiempo para la práctica 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 analógico o digital que normalmente se encuentra en los laboratorios de los planteles universitarios.

Cave mencionar este osciloscopio tendrá una pantalla de diodos LED y su lectura será menos precisa que la de un osciloscopio normal. Este osciloscopio no va a suprimir al osciloscopio ya conocido ya que tendrá funciones mucho más sencillas. 2.0) ANTECEDENTES Aquí se da una explicación general del funcionamiento de los osciloscopios digitales y analógicos 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 diseño del osciloscopio de LED’s se explicara mas adelante.

Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectros.

Presenta los valores de las señales eléctricas 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 así 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 según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo en teoría el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos. 2.1) Utilización En un osciloscopio existen, básicamente, dos reguladores que ajustan la señal de entrada y permiten, consecuentemente, medirla en la pantalla y de esta manera se pueden ver la forma de la señal medida.


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

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

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

pantalla, permitiendo saber cuánto representa cada cuadrado de esta para, en consecuencia, conocer el valor de la señal a medir, tanto en tensión como en frecuencia. 2.2) Osciloscopio analógico La tensión a medir se aplica a las placas de desviación vertical de un tubo de rayos catódicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (denominada así porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca). Esta tensión 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 señal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos.

Figura 1.- Representación esquemática de un osciloscopio.


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En la Figura 1 se puede ver una representación esquemática de un osciloscopio con indicación de las etapas mínimas fundamentales. El funcionamiento es el siguiente: En el tubo de rayos catódicos el rayo de electrones generado por el cátodo y acelerado por el ánodo 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

desviación, tiene lugar una desviación del haz de electrones debido al campo eléctrico creado por la tensión aplicada. De este modo, la tensión en diente de sierra, que se aplica a las placas de desviación horizontal, hace que el haz se mueva de izquierda a derecha y durante este tiempo, en ausencia de señal en las placas de desviación vertical, dibuje una línea 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 desviación del rayo.

Si en estas condiciones se aplica a las placas de desviación vertical la señal a medir (a través del amplificador de ganancia ajustable) el haz, además de moverse de izquierda a derecha, se moverá hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la polaridad de la señal, y con mayor o menor amplitud dependiendo de la tensión aplicada.

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

El margen de escalas típico, que varía de microvoltios a unos pocos voltios y de microsegundos a varios segundos, hace que este instrumento sea muy versátil para el estudio de una gran variedad de señales.

2.2.1) Limitaciones del osciloscopio analógico

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

• Las señales deben ser periódicas. Para ver una traza estable, la señal debe ser periódica ya que es la periodicidad de dicha señal la que refresca la traza en la pantalla.


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• Las señales muy rápidas reducen el brillo. Cuando se observa parte del período de la señal, el brillo se reduce debido a que la tasa de refresco disminuye.

• Las señales lentas no forman una traza. Las señales 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. También existían cámaras Polaroid especialmente adaptadas para fotografiar las pantallas de osciloscopios. Manteniendo la exposición durante un periodo se obtiene una foto de la traza.

• Sólo se pueden ver transitorios si éstos son repetitivos.

2.3) Osciloscopio digital En la actualidad los osciloscopios analógicos están 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 señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo.

Las características y procedimientos señalados para los osciloscopios analógicos son aplicables a los digitales. Sin embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como el disparo anticipado (pre-triggering) para la visualización de eventos de corta duración, o la memorización 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 analógicas y digitales.

Estos osciloscopios añaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitería analógica, como los siguientes:

• Medida automática de valores de pico, máximos y mínimos de señal. Verdadero valor eficaz.

• Medida de flancos de la seña l y otros intervalos. • Captura de transitorios. • Cálculos avanzados, como la FFT para calcular el espectro de la señal.


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

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

En este circuito se suprimió 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 después de que la señal de entrada supere cierto nivel y los frene después de cada barrido.

Si quieres medir señales de menos de 100mV se puede agregar algún amplificador operacional en la entrada, pero así como figura en el gráfico anda bárbaro.

Figura 2.- Muestra de conexión de LED’s en forma de matriz.

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


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

solo 4017. Con R1, R2 y C1 se establece la frecuencia de conteo (período 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 potenciómetro para ajustar la frecuencia hasta que la señal se quede fija en la pantalla (la señal se detiene cuando la frecuencia de la base de tiempo es múltiplo de la de la señal).

Figura 3.- Muestra de algunas señales.

Figura 4.- Cara de un osciloscopio de LED’s.

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


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Así quedarla el circuito:

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

varios motivos:

1.- Una pantalla de más de 20 x 32 tiene 640 leds, esto requiere una plaqueta doble faz con 1300 agujeros y 52 pistas. Más allá 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 conectándolo directamente, pero como la pantalla trabaja por multiplexación, el brillo máximo se divide por la cantidad de columnas que tenga la pantalla, por eso si la pantalla tiene más 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).


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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 podrá ir agregando más filas y columnas.

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

Figura 6.- LM3914 en serie.

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


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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 tensión se produce el disparo, cuando el potencial supera al voltaje de histéresis 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 está seteado, la única forma de resetearlo es cuando el contador enciende el último led, quedando el circuito a la espera de un nuevo pulso. En resumen: Supongamos que queremos medir una señal de 10V pico, la pantalla permanecerá apagada hasta que el ciclo positivo de la señal supere la tensión de trigger a la que se lo ajustó, por ejemplo 2 V, en este momento empieza a producirse el barrido, el cual seguirá ejecutándose hasta llegar al extremo derecho de la pantalla, sin importar la frecuencia ni la forma de onda de la entrada (que se irá dibujando en la pantalla). Al terminar el barrido horizontal, la pantalla permanecerá apagada hasta que la tensión de entrada alcance exactamente 2V para que el próximo dibujo quede superpuesto perfectamente con el anterior. Todo este proceso se realiza tan rápido 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 electrónica, este es un proyecto meramente con fines estudiantiles debido a que en las grandes industrias electrónicas este tipo de osciloscopio quedaría relativamente corto en comparación con uno real. En el mercado se presentan muchas marcas y por lo tanto precios para osciloscopios digitales o analógicos pero el precio estaría muy por encima de lo que se invertiría fabricando uno de este tipo, pudiéndose clasificar como “casero” y por ellos estaría mucho más al alcance de cualquier estudiante a nivel técnico o a nivel de ingeniaría. 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

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