Las etapas fundamentales de nuestro circuito
se muestran en la figura 1, sobre él, realizaremos
nuestro análisis.
En el diagrama a bloques se observan flechas
con líneas gruesas y sólo una flecha
de línea delgada, esto se debe a que en
las flechas gruesas se conducen más de
1 conductor y en la flecha delgada está
simbolizada un conductor. A partir de estos bloques
nacen las mejoras.
Teoría de operación del
circuito de osciloscopio de estado sólido:
Los circuitos integrados LM3914 y 4017.
La generación de video en la matriz de
10 por 10 leds es creada por la intersección
de positivo y negativo.
Esta intersección siempre se lleva a cabo
en el interior de un elemento de imagen (en nuestro
caso un led), siempre y cuando la polarización
aplicada a las terminales de éste sea directa.
Lo anterior se ilustra en la figura 2.
Para que lo ilustrado en la figura sea posible,
es necesario que los circuitos de visualización
produzcan polaridad contraria uno con respecto
del otro, es decir, que uno de ellos cuente con
salidas activas en nivel lógico bajo (0V)
y el otro con salidas activas en nivel lógico
alto (voltaje de alimentación), por tal
motivo nos referimos a los circuitos integrados
LM3914 y 4017 que cumplen con las características
requeridas.
El LM3914 es un circuito integrado monolítico
que censa una tensión analógica
y la muestra en 10 leds. A través de la
predisposición de una de sus patas puede
generar una barra creciente o sólo encender
un led.
La corriente por los leds se puede programar
eliminando de este modo la necesidad de utilizar
resistores individuales para cada led. La programación
de corriente por los leds depende del valor de
resistencia conectado entre la terminal 7 y GND.
Como la terminal 7 es una salida de tensión
de referencia ajustable por el diseñador,
es preferible indicar que la corriente que circula
por cada led es aproximadamente 10 veces la corriente
drenada por el circuito desde la terminal 7.
El circuito integrado contiene una fuente de
tensión de referencia ajustable (la misma
terminal 7 nombrada anteriormente) y un divisor
de tensión de precisión de 10 pasos
que genera una tensión para cada comparador.
Vamos a considerar un ejemplo para que usted
entienda cómo funciona el sistema. Suponga
que usted desea medir una tensión comprendida
entre 1 y 6V (excursión total 5V). Simplemente
en la entrada de tensión mínima
debe colocar una tensión continua y estable
de 1V y en la entrada de tensión máxima,
una tensión continua y estable de 6V. Luego
debe colocar una fuente regulada variable en “tensión
a medir” y comprobará que a 1,5V
se enciende el primer led porque la salida del
comparador se va a GND con tensiones de entrada
superiores a 1,5V. Con 2V de entrada se enciende
el segundo led y así sucesivamente hasta
que en 6V se encienda el décimo led.
En la figura 3 se muestra el diagrama a bloques
del LM3914 en donde se observa que a los elementos
nombrados sólo se le agrega una etapa buffer
(o repetidora), cuya función es aumentar
la impedancia de entrada. También se agrega
sobre la entrada un diodo zéner de 35 V
para evitar el ingreso de pulsos que puedan dañar
al componente.
Se incluyen dos etapas auxiliares, una de selección
de modo de operación (simple led o barra)
y una fuente de tensión de referencia programable.
La fuente de referencia se programa con un divisor
de tensión conectado a la terminal 8. Una
simple fórmula permite ajustar la tensión
de salida en un amplio rango comprendido entre
1,25V y la fuente +V.
Habitualmente la tensión regulada de salida
se utiliza como “E máxima”
y con un divisor de tensión se genera la
“E mínima”. Resulta obvio que
cuando la tensión mínima se ajusta
en 0V la terminal de E mínima (4) se conectará
a GND.
Por otra parte el circuito que se encarga de
producir el barrido horizontal está construido
con base al 4017, como muestra el diagrama de
la figura 4, este circuito integrado es capaz
de producir una secuencia decimal y como único
requisito, aparte del voltaje de alimentación,
es necesario una señal de reloj continua,
es decir, no es un decodificador de binario sino
un contador de ciclos.
Nuestro circuito original no contempla etapa
de entrada; sólo se deberá asegurar
que el voltaje en el punto a visualizar no sobrepase
los 9V de la alimentación. R1 se utiliza
para ajustar la ganancia vertical, es decir, para
ver bien la señal en la pantalla y R3 se
utiliza para sincronizar el osciloscopio con la
señal de entrada, es decir, funciona como
calibrador de la base de tiempo.
Diagrama Esquemático del Osciloscopio
de Estado Sólido.
En la figura 5 se puede observar el diagrama
del osciloscopio de estado sólido.
Ahora bien, para mejorar la precisión
en general, sin perder la pantalla de leds; seguidamente
explico la expansión de los circuitos de
despliegue vertical, barrido horizontal y base
de tiempo.
Retornando nuevamente a las características
tan apreciables del circuito integrado LM3914
como generador de despliegue vertical; agreguemos
otro circuito in- tegrado del mismo tipo conectado
en cascada con el primer LM3914, esto se consigue
estableciendo referencias de voltaje mínimo
y voltaje máximo, obteniendo el circuito
que se muestra en la figura 6.
Con esto tendremos el doble de resolución
en el circuito de despliegue vertical; para incrementar
el ancho de la pantalla, es decir, la resolución
horizontal; para tal efecto utilizaremos 2 circuitos
integrados 74HC154 conectados en cascada obteniendo
así 32 salidas, pero tanto el LM3914 como
el 74HC154 poseen sus salidas activas en estado
lógico bajo y por lo tanto no se cumple
con la teoría de generación de video
propuesta al inicio de este tema; el problema
se resuelve utilizando, a las salidas del 74HC154,
el circuito integrado 74HC540 el cual posee en
su interior 8 compuertas inversoras (dispuestas
en una arquitectura de fácil acceso a la
hora del diseño de circuito impreso) habilitando
la generación de video; en la figura 7
se muestra el diagrama de esta sección.
Ahora sólo nos falta detallar la mejora
en la base de tiempo; este circuito resulta de
gran prioridad para incrementar la precisión
de lectura de frecuencia. Esta etapa tiene su
corazón en un oscilador patrón con
base en un cristal de cuarzo de 10MHz. La salida
del oscilador patrón es aplicada a 9 contadores
síncronos, configurados para dividir por
cinco y dividir por dos; por lo tanto obtenemos
frecuencias de barrido dadas por los divisores,
en la tabla 1 se observan estas divisiones. Ahora
sólo nos falta integrar la etapa de entrada
de nuestro osciloscopio de estado sólido;
utilizaremos un divisor de voltaje formado por
resistencias junto con un amplificador operacional;
esto se muestra en la figura 8.
Por último, en la figura 9 se puede observar
el circuito completo del osciloscopio a leds,
cabe aclarar que el montaje se ha realizado en
un experimentador digital por lo cual aún
no se ha construido el diseño de la placa
de circuito impreso, la que se colocará
en Internet oportunamente. Por otra parte, deseo
comentarles que quedo a disposición de
todos los lectores interesados en compartir ideas
sobre este proyecto y que acepto sugerencias para
el diseño de futuras versiones de este
osciloscopio.
Bibliografía: Libro de Electrónica
para estudiantes de Radio Shack.
