Borradores para grupoC – Diseño de un osciloscopio digital 1 NOTA

Borradores para grupoC – Diseño de un osciloscopio digital
NOTA: Este documento se ha realizado intencionalmente con un formato de “borrador”.
Las características básicas del diseño del osciloscopio son las siguientes:
La impedancia de entrada tiene que ser de 1 Mohm con una capacidad en paralelo entre 15 y 30 pF.
La entrada del osciloscopio debe poder soportar hasta 80V en continua. En señales senoidales de
hasta 10 MHz de frecuencia debe soportar 40V de pico.
El atenuador debe incluir tres escalas de tensión (por ejemplo, 1, 10, 100). Estas escalas tienen que
poderse controlar electrónicamente (no sirve utilizar conmutadores mecánicos).
Debe incluirse un atenuador pasivo adicional para obtener escalas 1-2-5.
El ancho de banda del osciloscopio debería ser igual o mayor de 10 MHz.
El diseño del osciloscopio se divide en los siguientes bloques:
1. Atenuador activo. Debe incluir los elementos necesarios para poder seleccionar el modo DC o el
modo AC mediante control electrónico. También debe incluir un mecanismo que pueda desplazar la
forma de onda sumando un nivel de tensión continua (mediante control electrónico).
2. Atenuador pasivo (1-2-5).
3. Amplificador de alta frecuencia.
4. Circuito analógico de adaptación para el ADC de tipo half-flash.
5. Convertidor ADC.
6. Memoria de datos.
7. SW de control del sistema y comunicación con el PC.
ESTADO DEL PROYECTO:
En la sesión del 10 de Septiembre se trató el primer bloque (atenuador activo). Los pasos dados se
resumen a continuación.
En primer lugar se estudió un atenuador pasivo con 3 resistencias de valores 900k, 90k, y 10k, que
se selecciona mediante un conmutador mecánico. Este circuito funciona en continua y en bajas
frecuencias (hasta aprox. 20 kHz). A frecuencias mayores, la señal se atenúa debido a la capacidad
de entrada del siguiente bloque. Además, este método incumple la norma de diseño que indica la
necesidad de cambiar las escalas de forma electrónica.
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En el siguiente paso añadimos un condensador en paralelo con cada resistencia. De esta forma se
elimina el problema del ancho de banda. El producto RC de cada elemento tiene que ser igual:
R1·C1= R2·C2 = R3·C3
y los valores de C1, C2 y C3 deben ser grandes en comparación con la capacidad de entrada del
amplificador (operacional , etc.).
Sin embargo, todavía tenemos algunos problemas. En primer lugar, todavía estamos utilizando un
conmutador mecánico. Se podrían utilizar relés en su lugar, pero los relés presentan varios
inconvenientes (coste, desgaste, efecto de suciedad al trabajar con corrientes bajas ...).
En segundo lugar, la aplicación de una tensión de 80V DC a la entrada con el conmutador en la
posición de mayor sensibilidad (A) destruiría el circuito posterior (generalmente un operacional que
está alimentado a +/- 5V).
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El siguiente paso es el de intentar utilizar conmutadores electrónicos, por ejemplo el chip
74HC4053 que incluye 3 conmutadores. La tensión máxima de alimentación de estos conmutadores
no suele ser elevada. En general se alimentan con +5V, masa, y –5V.
Por lo tanto, en un primer estudio, parece que esta opción no permitiría la aplicación de 80V DC.
Sin embargo, existe la posibilidad de conseguir que las tensiones elevadas no lleguen al 74HC4053.
El método que sigue se basa en mantener las tensiones de los terminales de este chip que actúan
como conmutadores, a un nivel muy próximo a cero. La figura siguiente muestra un circuito
posible.
Al finalizar las sesiones del 10 de Septiembre, se hizo la sugerencia de intentar encontrar en
texas, national, etc. operacionales adecuados para el atenuador activo, y posibles
multiplexores.
En la siguiente sesión (24 ó 25 de Septiembre según grupo), una vez debatidos los circuitos del
atenuador, intentaremos añadir la posibilidad de controlar el modo DC/AC y el desplazamiento de
continua mediante control electrónico.
Dependiendo del timing, podríamos abordar también el diseño de un atenuador pasivo que permita
obtener escalas 1-2-5, y el amplificador de alta frecuencia.
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En las sesiones del 24 y 25 de Septiembre añadimos un circuito de AC/DC controlado
electrónicamente. También añadimos un circuito que permite realizar un desplazamiento
vertical, electrónicamente.
A continuación, mostramos los circuitos citados:
Los 3 opamps se alimentan con +5V y –5V.
X2 y X3 están en el mismo chip (a y b).
El bloque añadido de la derecha permite seleccionar el mod AC o DC.
El bloque inferior izquierdo permite desplazar la señal verticalmente.
Este circuito no permite desplazar verticalmente cuando está activado el modo AC. Existen
circuitos más complejos que permiten esa opción.
Para aquellos que todavía no han realizado búsquedas de dispositivos en la red, insistimos en
que es importante intentar encontrar en texas, national, etc. operacionales adecuados para el
atenuador activo, posibles multiplexores y amplificadores del tipo CFOA (current feedback
operational amplifier).
En la próxima sesión intentaremos diseñar el atenuador 1-2-5, y el circuito del amplificador de alta
frecuencia (CFOA).
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En la siguiente sesión intentamos finalizar el resto de los elementos del osciloscopio que son
estrictamente analógicos. Estos elementos son: atenuador pasivo, amplificador de alta frecuencia y
circuito de desplazamiento y recorte.
ATENUADOR PASIVO:
Se utiliza un multiplexor de 4 entradas
y una salida (la mitad de un 4052).
Los valores de las resistencias tienen
que ser moderadamente pequeños para
evitar atenuación en alta frecuencia
debido a capacidades parásitas. Las
relaciones entre los valores de las
resistencias tienen que ser 5-3-2 para
obtener las escalas x1, x2 y x5.
La combinación del atenuador
1,10,100 de entrada y del de 1,2,5
permite obtener 9 combinaciones.
AMPLIFICADOR DE ALTA
FRECUENCIA:
La ganancia del circuito de entrada
(TLE2071) en la escala más sensible
es de 0,5.
El amplificador de alta frecuencia (1/2 AD8002) debe tener una ganancia de aproximadamente 20.
La ganancia total sería entonces de aproximadamente 10.
El amplificador que se va a utilizar debe tener un producto ganancia*ancho de banda (GB) de algo
más del doble que el que limitaría el ancho de banda. De esta forma, esta etapa no limita a penas el
ancho de banda.
Se utiliza el AD8002 que tiene un
GB de aproximadamente 600
MHz. Se requiere al menos un
valor de 10*20MHz = 200 MHz
que está lejos de los 600 MHz.
La segunda versión de Uviscope
tiene una ganancia de 2 en el
circuito de entrada. Por lo tanto, el
amplificador utiliza una ganancia de 5 para mantener la ganancia total de 10. En este caso, el ancho
de banda es de 600MHz / 5 =
120
MHz, más que suficiente para
trabajar con una frecuencia de
corte de 20 MHz. En este
caso, el circuito es:
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CIRCUITO DESPLAZADOR DE TENSION Y RECORTADOR (protección del ADC)
El rango de tensión de salida del amplificador no es adecuado para conectarlo directamente al
convertidor analógico-digital elegido, que es el ADC1175 de National Semiconductor.
Este ADC se elige por su coste moderado para ser un convertidor subranging de 8 bits. Su
frecuencia máxima de conversión es de 40 Mbytes por segundo, insuficiente para trabajar con
señales de frecuencias de más de unos 4 MHz (10 muestras por periodo). En una revisión de este
osciloscopio habría que aumentar significativamente la frecuencia de conversión.
El ADC1175 requiere que se le entreguen señales dentro del rango de 0,6V a 2,6V. Sin embargo la
señal disponible está dentro de un rango de -4V y +4V aproximadamente. El circuito que se
comenta a continuación incluye un desplazador de tensión (para subir el nivel a valores positivos) y
un recortador o limitador que evita que la tensión entregada al ADC pueda salir fuera del rango
permitido por el fabricante (a riesgo de mal funcionamiento y/o daños al ADC).
La conexión de R3 y D1 (en
paralelo con R2) actúa como
recortador o limitador. De esta
forma se consigue que la tensión
en la salida del operacional quede
limitada a -0.6V. En Vo se queda
en 0.5 V, protegiendo al ADC.
El bloque superior (R4,C1,LM336)
se utiliza para obtener una tensión
de continua estable de -2,5V (ver
flecha).
Ajustando el potenciómetro se
puede conseguir que por R5
circule una corriente adecuada
hacia arriba. Esa corriente hace
que la tensión de salida del
operacional se desplace hacia
valores positivos.
La segunda versión de Uviscope
utiliza un circuito de adaptación
diferente. La figura siguiente
muestra
el
circuito.
El
circuito
de
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desplazamiento (R7,C1,Pot1,R6) es similar al del primer Uviscope. Sin embargo, el circuito de
recorte (limitador) es diferente. El bloque de la izquierda (AD8002) es el amplificador de alta
frecuencia, con una ganancia de 5. El bloque R3,R4,D1, forma el circuito recortador. Cuando la
tensión de Ventrada es negativa, el diodo no conduce, y la salida del segundo operacional es Ventrada*5*1.3/(0.820+0.470) = -5*Ventrada aproximadamente. Por lo tanto, la ganancia es -5. En
la salida del segundo operacional, en realidad, además de esa -tensión hay un desplazamiento
ajustado por Pot1 para evitar tensiones negativas en el ADC.
Sin embargo, cuando la tensión Ventrada es suficientemente positiva, la salida del primer
operacional es también positiva, y una parte de la corriente que fluye por R3 se deriva hacia masa
mediante el diodo. De esta forma, la tensión máxima en el ánodo del diodo es aproximadamente 0,6
V. Ahora, la salida del segundo operacional es -0.6*1.3/.47 = -1.8V, al que hay que añadir el
desplazamiento, de forma que finalmente el nivel no sea nunca negativo.
La gráfica de la función de transferencia (mediante simulación) es aproximadamente:
Trazado rojo marca 2,6V
Trazado rosa marca 0,6V
Trazado verde es la tensión de salida (al ADC) frente a la tensión en la salida del primer operacional
(el de la izquierda).
Se observa que el trazado verde es lineal entre 0,6 y 2,6 V (zona utilizable del ADC).
Todo el trazo verde está dentro de una zona que no daña al ADC.
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