Osciloscopio digital de 20 MSPS

Osciloscopio digital de 20 MSPS ( Mega Samples Per Second ). PC based digital oscilloscope 20 MS/s.

Consideraciones previas.

Este osciloscopio digital está basado en el convertidor analógico-digital ADC1173 de National Semiconductor. Según el datasheet, el fabricante garantiza que puede operar a una frecuencia de reloj máxima de 15 MHz. Sin embargo también indica que puede trabajar a 20 MHz cuidando el diseño. Yo lo he probado hasta 28 Mhz de frecuencia de muestreo y a 24 MHz funciona sin ningún problema. Esto quiere decir que se toman como máximo 24 millones de muestras de la señal analógica por cada segundo. Esto no quiere decir que podamos digitalizar una señal de 24 MHz de frecuencia. Normalmente se acepta que podemos reconstruir de forma aproximada la señal de entrada tomando 4 puntos por cada periodo de dicha señal. El ancho de banda analógico de cualquier osciloscopio digital se obtiene como resultado de dividir la frecuencia de muestreo máxima por cuatro. ( véase especificaciones de modelos comerciales ).

Fig. 1. Montaje del osciloscopio en una caja artesanal.

Aplicando un reloj de 24 MHz tendremos un osciloscopio cuyo ancho de banda analógico será por lo tanto de 6 MHz. Esto es más que suficiente para la mayoría de aplicaciones ya que podrán visualizarse señales de vídeo. Esto proporciona al aficionado la oportunidad de fabricar un buen osciloscopio por un precio muy razonable. Todos los componentes han sido reciclados, excepto el convertidor analógico-digital que se compró en Farnell por algo menos de 4 euros.

Fig. 2. Primeras pruebas en el entrenador.

Fig. 3. Montaje final.

Puesto que la familia lógica fast TTL puede trabajar tranquilamente hasta 90 MHz las limitaciones en cuanto al ancho de banda están restringidas por el uso de memorias y por el convertidor. El diseño se puede conservar cambiando todos los integrados HC por F y sustituyendo la memoria y el convertidor por otros más rápidos. La familia TTL F consume una cantidad considerable de corriente. Así mismo, la sección analógica deberá de incluir operacionales cuyo ancho de banda analógico sea por lo menos el doble del ancho de banda analógico máximo proyectado. Todo ha sido montado sobre plano de masa y desacoplada la alimentación mediante condensadores cerámicos de 100 nF ( uno por integrado ). Hay que realizar siempre conexiones cortas de los condensadores y sus patillas lo más proximas posible al positivo de alimentación del integrado a desacoplar. Usad condensadores cerámicos ( multicapa para los más sibaritas ). Las alimentaciones de los integrados se realizan con el clásico cableado en estrella. ( Todos los positivos parten de un punto común ). En este tipo de cableado de un punto común parten un cable para cada circuito integrado. El desacoplo en BF se consigue mediante un condensador de 100 uF- 470 uF sobre este punto común positivo y masa. Téngase en cuenta que la familia HC es más propensa al ruido, por lo tanto deberá de cablearse cuidadosamente la red de alimentación. Es conveniente usar cable de sección moderada ya que de esta forma se reduce la inductancia parásita del cable. Por lo demás, el plano de masa funciona a las mil maravillas. Al tratarse de un prototipo inicial las placas de circuito están pendientes de diseño. Un buen montaje, siguiendo estas instrucciones nos dará una forma de onda limpia en la pantalla.

Fig. 4. Esquema eléctrico del osciloscopio.

Sección lógica de alta velocidad.

Está formada por contadores síncronos 74F161 y lógica TTL estándar de control. Estos contadores pueden llegar a una frecuencia máxima de 100 MHz. La memoria empleada procede de la caché de una placa base 486. El modelo HA24257AKC-15 tiene un tiempo de acceso de tan solo 15 ns con lo cual podría realizarse un osciloscopio de 60 MSPS ( 10 MHz ) si cambiaramos el convertidor ADC. Se ha optimizado el diseño de forma que en el tiempo de un periodo de la señal de reloj se realice: a) incremento de direcciones del contador, b) Sample and Hold c) conversión analógica digital y d) almacenamiento en RAM.

Fig. 5. Sección de alta velocidad.

Dichas memorias disponen de 32 kBytes, limitándose el uso a 512 muestras. Posteriormente se podrá ampliar fácilmente al máximo para usar el osciloscopio como registrador analógico de señales aperiódicas al disponer de la funcionalidad de reloj y disparo externo. Como ejemplo, podremos digitalizar curvas de transistores, válvulas, etc, etc. Al digitalizar dichas curvas, se pueden calcular matemáticamente la pendiente de dichas curvas, obteniendose de esta forma parámetros interesantes de los componente electrónicos como pueden ser la transconductancia de fets y mosfet, resistencia dinámica de diodos y una infinidad más de parámetros. También se pueden comprobar que las conmutaciones de los Mosfet en una fuente conmutada sean las adecuadas.

Convertidor Analógico-Digital.

Se ha utilizado el tipo ADC1173. Tuve que montar una plaquita extra para poder alojar el delicado encapsulado TSSOP24 ( véase figuras 15 y 16 ). Las patillas de este encapsulado tienen una anchura de 0,45 mm y están separadas tan solo 1,27 mm. Con un poco de paciencia se puede dibujar con un rotulador indeleble sobre una placa de cobre virgen. Según especificaciones, el rango óptimo de digitalización esta entorno a 1 V. He utilizado una tensión de 0,8 V de referencia. Se ha elegido este valor para que se ajusten los 256 valores posibles del convertidor a las 8 divisiones de la rejilla de la pantalla del osciloscopio. De esta forma, sin necesidad de amplificación ninguna de la señal de entrada cubrimos todo el rango desde 0,1 V/div hasta 50 V/div en pasos 1, 2, 5.

Fig. 6. Sección del convertidor ADC.

Para cubrir el rango inferior requeriremos de amplificación. Los 0,8 V se obtienen con un potenciómetro ( a ser posible multivuelta ) a partir de una fuente de referencia externa tipo TL431 que proporciona 2,5 V +/- 0,4 % estabilizada en temperatura, dando mayor precisión que la fuente de referencia interna del convertidor. El convertidor funciona con una tensión estabilizada de 3,3 V de la que se encarga un circuito dedicado tipo RT9163 tipo SMD. Es muy importante que esta alimentación esté muy bien filtrada y desacoplada. Puede ser usado cualquier otro tipo de regulador de 3,3 V / 0,5 A. Este en concreto tiene buenas características de estabilidad y bajo nivel de ruido. Es recomendable el uso de condensadores de tántalo nuevos en el regulador de 3,3 V. Cuando sean soldados no deben calentarse mucho puesto que tienen la manía de cortocircuitarse. No ha sido necesario adaptar los niveles lógicos TTL de 3,3 V a la salida del convertidor hacia la memoria que

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