ARTCULO DE TAPA

Hoy en da existe una grancantidad de soluciones paraque una computadora demesa pueda convertirse enun instrumento electrnico.La mayora son programasque emplean la placa desonido como elemento deadquisicin de datos o placade entrada y, por lo tanto,poseen limitantes tanto enla tensin y frecuencia de laseal a medir como endichos valores de las sea -les que son capaces deg e n e r a r. Para solucionareste inconveniente, seemplean circuitos (tarjetas)de interfase de entrada y/osalida que amplan las caractersticas del instrumento. Desde Internet se pueden descargar unaserie de aplicaciones gratuitas muchas de las cuales son muy limitadas pero tambin existenprogramas con licencia aceptable que realmente funcionan muy bien. Entre los instrumentosque pueden crearse con una computadora normal de mesa tipo PC podemos mencionar:

Analizador de EspectrosFrecuencmetroGenerador de FuncionesOsciloscopio

Sin dudas, el instrumento ms atractivo para el tcnico en electrnica es el osciloscopio y es poreso que, si bien describiremos diferentes aplicaciones, nos centraremos en el Osciloscopio paraque Ud. tenga herramientas econmicas de muy buen desempeo. Tambin le brindamos el cir -cuito de una interfase para la entrada de cada canal.

Por Horacio Daniel Vallejo e Ismael Cervantes de Andahvquark@webelectronica.com.ar, icervantes@saberinternacional.com.mx

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Paol de Electrnica

Introduccin

Contar con instrumentos que permitan medir las dife-rentes caractersticas de una seal con cierta precisin esun sueo de todo tcnico en electrnica. Generalmente,la adquisicin de un osciloscopio que permita desarrollarla tarea profesional con cierta facilidad, es un lujo que notodos pueden darse ya que este instrumento puede cos-tar, como mnimo, entre 400 y 500 dlares cuando nosreferimos a un equipo analgico de ancho de banda limi-tado. Sin embargo, para la mayora de las aplicaciones(an en reparacin de televisin) las seales que debenanalizarse poseen frecuencias de barrido horizontal overtical, es decir, con un osciloscopio de audio es sufi-ciente. Ahora, para aplicaciones en comunicaciones sedebe contar con un frecuencmetro y un analizador deespectros y este ltimo suele tener un costo muy superiorque el de un osciloscopio.

Pensando en todo esto, y teniendo en cuenta la grancantidad de programas intiles que hay por Internet, deci-dimos preparar el siguiente informe y ofrecerle herra-mientas gratuitas o de bajo costo que Ud. puede bajar denuestra web.

Todos los archivos mencionados en este artculopuede descargarlos desde www.webelectronica.com.ar,para ello debe dirigirse al cono password e ingresar laclave paol. Aclaramos que la mayora son software deuso libre o gratuitos pero otros poseen licencia y debernadquirirla con el fabricante. Editorial Quark, propietaria deSaber Electrnica, ha alcanzado acuerdos con algunasempresas para que sus lectores puedan utilizar algunosprogramas sin cargo alguno, siempre que se comprome-tan a darle uso con fines de investigacin, estudio y desa-rrollo, pero no para fines comerciales. Por tal motivo roga-mos que lea atentamente las condiciones de uso de cadaprograma antes de descargarlos.

Si Ud. es socio del Club Se habr recibido variosmails en los que le ofrecamos un paquete eduactivocompleto a un bajo costo (lo publicitamos con la frase:Tenga un Osciloscopio por slo $120); dicho paqueteest compuesto por textos, videos y Cds con programaspara instalar en su PC que ya incluyen la licencia de uso.A continuacin describiremos algunos de los instrumen-tos ofrecidos en dicho paquete y luego, si lo desea, podradquirir la licencia del que le interese con el fabricante opodr descargar de nuestra web aquellos que sean deuso libre y/o gratuito.

El Analizador de Espectros

El analizador de espectros es un instrumento demedicin por medio del cual, es posible observar las dis-

tintas componentes que conforman al espectro de algunaseal que se encuentre bajo estudio (figura 1).

Se trata de un instrumento muy parecido a un osci-loscopio, pero aporta sus detalles de manera particular,por lo tanto, para comprender la informacin que reportaes necesario saber que para la lectura de los parmetrosque aparecen en su gratcula (pantalla), se tiene queidentificar al eje de las ordenadas (eje de las Xs), en elcual se muestra el contenido espectral de la seal, quenormalmente emplea una escala logartmica en dB. Porotra parte, cuando observamos con detalle el correspon-diente eje de las abscisas (eje de las Ys), nos encontra-mos con la magnitud de frecuencia a la cual se encuen-tra trabajando la seal bajo estudio, y que a su vez nosreporta los distintos valores de frecuencia en donde seencuentran los armnicos derivados de la frecuencia prin-cipal, que entre otras aplicaciones nos sirve para medir lamagnitud de la onda estacionaria, presente en la sealbajo estudio.

Normalmente los analizadores de espectro electrni-cos utilizan de manera muy generalizada la transformadarpida de Fourier (FFT) como mtodo para transformaruna forma de onda determinada, en sus componentesdentro del espectro de frecuencias.

Los parmetros ms importantes que reporta un ana-lizador de espectros y que pueden ser modificados por elusuario, son el SPAN o rango de frecuencias a represen-tar en pantalla y tambin la amplitud de referencia, pormedio de la cual se permite variar el rango de tensionesde la seal de entrada y el margen dinmico de visuali-zacin de las mismas.

Algunas aplicaciones en donde se utiliza un analiza-dor de espectros es en ajuste de sintonizadores, medi-cin de EMI (emisiones electromagnticas), comunicacio-nes wireles (inalmbricas), dispositivos de control remoto,telefona celular, diseo de circuitos de RF, WLAN, micr-fonos inalmbricos, receptores GPS, antenas, etc.

A continuacin se describen 2 analizadores de espec-tros que pueden ser implementados en una PC por mediode software especfico.

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Figura 1

1) LF SPECTRUM ANALYSER V1.1 empleandola tarjeta de sonido Sound Blaster 16 (SB16 SOUNDCARD). Desarrollado por Henk Thomassen (c) June1996.

Este analizador de espectros opera en bajas frecuen-cias dentro del rango de 0 a 20kHz, ya que emplea comoelemento de toma de muestras a la tarjeta de sonido SB-16 o tarjetas 100% compatibles con el formato AWE32.

El analizador de espectros se activa ejecutando elprograma FFT.EXE (bjelo a partir del link dado ennuestra web, con los datos brindados ms arriba) el cualse trata de una aplicacin de uso libre que puede serempleado inclusive para modificar el cdigo fuente que leacompaa, recordando que todo esto es con fines libresde lucro, o dicho en otras palabras no comerciales, figu-ra 2. Para emplear el programa se deben seguir lossiguientes pasos:

Crear una carpeta en el disco duro (por ejemplo C:\FFT).Acceder a la nueva carpeta (C:\FFT).Copiar el archivo FFT.EXE.Ejecutar el programa FFT.EXE.

Requerimientos MnimosPara que el programa pueda trabajar adecuadamen-

te, se requiere que el sistema cuente con lo siguiente;microprocesador a partir de 386 en adelante, por lomenos monitor VGA (640 x 480 puntos, 16 colores).Sistema operativo a partir de win98. Tarjeta de sonidocompatible con SB-16.

Descripcin de los ControlesEl programa es operable casi totalmente por medio

del ratn, tenindose como teclas activas las que a con-tinuacin se describen:

F2: Guarda en el archivo FFTxxxx.PCX la imagen dela pantalla en blanco y negro.

Alt-F2: Guarda en el archivo FFTxxxx.PCX la imagende la pantalla en color.

F3: Salir del programa o del modo de congelacin.La mayora de los controles se utilizan por medio del

botn izquierdo del ratn, mientras el cursor este apun-tando a un botn de control, que se encuentran en la ima-gen del analizador de espectros, cuya descripcin seencuentra a continuacin:

Y-Escala +/-: Aumenta o disminuye los valores de laescala Y.

Y-Escala Log/Lin: Cambia entre escala logartmica(dBm) o escala lineal (mW).

X-Escala +/-: Aumenta o disminuye los valores de laescala Y.

Mode (botn superior): Selecciona tipo de ventana. Mode (botn de en medio): Selecciona desplegar

en pantalla los modos de visualizacinAbsoluto/Real/Imaginario/Argumento.

Modo (botn inferior): Cambia el modo de visualiza-cin entre Spectrum y Scope. En el modo Scope los con-troles menos relevantes son desactivados.

Display (botn superior): Indicador de pico (Peak)encendido/apagado.

Display (botn de en medio): Selecciona entre lne-as o puntos en la imagen de la pantalla.

Display (botn inferior): Funcin de refrescamientode datos on/off.

Exit: Sale del programa.Up/Down: Mueve la imagen Arriba/Abajo en la pantalla.SB16 controls: Manipula los controles relevantes del

mezclador de la tarjeta de sonido.

SB ControlTodos los controles del mezclador de la tarjeta SB16

son directamente accesibles desde la interfaz de usuarioque se encuentra en la aplicacin, ya que el programaFFT comprueba el medio ambiente de la tarjeta de soni-do SOUND BLASTER, por lo que verifica las variablesque corresponden al puerto de control para la configura-cin de la tarjeta de sonido, tales como el canal DMA. Sila tarjeta Sound Blaster no se encuentra instalada, laconfiguracin que adoptara la aplicacin FFT, ser toma-da como estndar, por lo que se utilizarn los valoresPort = 0x220, DMA bajo = 1, DMA alto = 5). Para un fun-cionamiento normal se requiere la tarjeta SB16, pero elprograma se ejecutar con el mezclador del panel conlos comandos de la SB16 desactivados. A continuacinse muestra la descripcin de los controles de la tarjetaSB-16:

Input Selection: Por medio del botn izquierdo del

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Figura 2

ratn en el recuadro pequeo identificado comolnea/cd/mic, se selecciona el canal de entrada, identifi-cndose la seleccin realizada por medio de la ilumina-cin en color verde el recuadro. No es posible utilizaral mismo tiempo las diferentes entradas de manerasimultnea, debido a las diferencias existentes entre lasganancias de las seales de lnea/cd/mic. El empleo almismo tiempo de las entradas derecha e izquierda de uncanal no tiene problema.

Output Selection: Por medio del botn izquierdo delratn, se controlan todos los canales que se puedenconectar con la salida de la tarjeta de sonido.

Volume control: El volumen puede ser ajustado pormedio del control de entrada de canal lnea/cd/mic y porlos canales de salida, moviendo la barra deslizante.Cuando cambie la magnitud del control de volumen en lapantalla, se ajustarn de manera automtica los valoresque se muestran en la imagen.

Gain setting: Existe un ajuste de ganancia para cadaentrada y salida (x1, x2, x4, x8) que aparece en el anali-zador de espectros.

Mediciones Sobre la Imagen de la PantallaSi el cursor del ratn se coloca sobre la imagen de la

pantalla, y se oprime el botn izquierdo, la imagen secongela pudiendo realizar mediciones colocando el cur-sor del ratn sobre los puntos especficos que se quierananalizar. Si se oprime por segunda vez el botn izquierdodel ratn sobre la imagen ya congelada, se desplegarnlos valores relativos con respecto de la posicin del cur-sor. Para descongelar la imagen se tiene que presionar elbotn derecho del ratn, para que nuevamente se tomenuna serie de muestras.

Modo ScopeEl propsito de la aplicacin del modo scope es veri-

ficar si la magnitud de la seal de entrada se encuentralimitada ya sea por el DAC o por las entradas de losamplificadores de la tarjeta de sonido. La limitacin pormedio del DAC es claramente visible en la pantalla delanalizador de espectros, pero al limitar la entrada con losamplificadores (que tal vez son de proteccin) slo dis-torsiona la seal (por la tarjeta SB-16 ocurre para lasseales mayores a 1,2 Veficaz).

Input: Internal (Entrada: Interna)El programa FFT.EXE incluye una funcin simple que

genera una seal senoidal rectificada, adems de algo deruido, para poder mostrar una imagen en la pantalla, si esque no se cuenta con una tarjeta de sonido en la PC.

Cabe aclarar que por la presente aplicacin, no setendr responsabilidad alguna por los daos causados yasea por el uso adecuado o inadecuado. El presente pro-

grama se distribuye tal cual sin garanta expresa oimplcita. Por lo que nadie ser responsable por cualquierprdida de informacin o dao en la PC donde se insta-le, ya sea directa o indirectamente, por el uso de esteproducto.

La utilizacin de la presente aplicacin se encuentratotalmente bajo el riesgo de quien lo desee utilizar.

2) SPECTROGRAM V4.1.2 Desarrollado porRichard Horne

Este programa, que acta como un analizador deespectros instalado en una PC, tiene como principio deoperacin lo siguiente: la mayora de los sonidos ordina-rios son complejas combinaciones de los distintos com-ponentes de frecuencia o armnicos con una ampliagama de frecuencia e intensidad. El espectrograma quese obtiene con la presente aplicacin es simplementeuna muestra de la frecuencia con sus respectivas com-ponentes de una seal de audio en funcin del tiempo.En el analizador de espectros presente se analizan gra-baciones de audio digital (formato PCM), para produciruna relacin del valor de la frecuencia frente al tiempo,con intensidad armnica representada por un color varia-ble en la escala. Los espectrogramas resultantes mues-tran la fascinante estructura oculta de las frecuencias delas seales de audio, y puede ser empleado para identi-ficar o clasificar los sonidos particulares (figura 3).

El programa SPECTROGRAM V4.1.2 emplea comobase fundamental, la herramienta matemtica conocidacomo transformada rpida de Fourier (FFT), para preci-samente realizar el anlisis de frecuencias. Las FFT sue-len ser especificadas por el nmero de puntos que a laentrada son utilizados para cada clculo, que siempreson trminos que se dan en potencias de dos (512, 1024,2048, etc).

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Figura 3

La frecuencia de resolucin de un espectro siempreest en funcin de la tasa de muestreo digital de la sealde audio, dividido entre el nmero de puntos que a laentrada se tomaron en la operacin FFT. Cuanto mayorsea el nmero de puntos de datos, ser ms fina la reso-lucin de la frecuencia. La frecuencia mxima calculadapor la FFT y el lmite superior de frecuencia del espectro-grama tendr como referencia a la mitad de la tasa demuestreo digital que fue utilizado (figura 4).

La eleccin de la tasa de muestreo depende total-mente de la frecuencia ms alta de la seal de audio quese analizar. Tenindose como regla de oro la de usaruna frecuencia de muestreo que sea el doble del valor dela frecuencia ms alta en la seal de audio. Es decir, sise espera no tener componentes de frecuencia por arribade 11kHz, con la tasa de muestreo de 22kHz ser sufi-ciente.

El programa Spectrogram nos proporciona dos modosbsicos de operacin, que son el de Analizar y Buscar,para obtener mayor informacin en cuanto a la operacincompleta del software, se recomienda instalar el progra-ma y leer el correspondiente archivo de ayuda. En resu-men se trata de un analizador de espectros que trabajacon el rango de frecuencias que va de 0 a 20kHZ, ya queemplea la tarjeta de sonido de una PC, por lo tanto serequieren de las siguientes caractersticas en una PC:

Sistema operativo a partir de Windows 95 o WindowsNT 4.0., mnimo 16MB o ms de memoria RAM, monitory tarjeta de video mnimo VGA (256 colores).

Frecuencmetro

Se trata de un contador de pulsos, para que demanera indirecta se obtenga un valor de frecuencia, elpresente frecuencmetro toma como base, la tarjeta de

sonido de una PC, por lo que su ancho de banda no esmuy amplio, pero en la mayora de las aplicaciones essuficiente como para contar con un frecuencmetro ennuestra casa. El archivo que hemos analizado y quepuede descargar de nuestra web es el FrecuencyCounter 1.01 (figura 5). En el link que proveemos tambinencontrar versiones superiores con licencia NoComercial, pero recomendamos comenzar a utilizar esteprograma para aprender a usarlo y luego ensayar versio-nes superiores que le ofrecern ms prestaciones.

El frecuencmetro que se describe, tiene como con-troles bsicos el ajuste del Timer y el Trigger, para reali-zar la medicin de la frecuencia de una determinadaseal, siempre y cuando esta tenga una frecuencia deoperacin que se encuentre dentro del rango de 0 a20kHz.

Generador de Funciones

1) BIP Electronics Lab Sine Wave Generator - 3.0.

El generadorB I P (figura 6),desarrollado porb i k k e l @ v i a . n l ,proporciona unaseal que trabajapor medio deondas sinusoida-les y tambinpuede descar-garse desde ellink provisto ennuestra web. Ellaboratorio deelectrnica desoftware BIP,desarrolla aplica-

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Implementacin de Instrumentos Electrnicos Mediante PC

Figura 4

Figura 5

Figura 6

ciones para utilizar el hardware de cualquier PC estndary son totalmente gratuitos, disponibles a travs deInternet.

El generador de onda sinusoidal BIP utiliza la tarjetade sonido como salida de la seal sinusoidal. El genera-dor de seales tiene las siguientes propiedades:

Frecuencia de muestreo: El oscilador emplea auto-mticamente la mxima frecuencia de muestreo disponi-ble en la salida que sea seleccionada, como se empleauna tarjeta de sonido, por lo general el mximo es de44kHz, pero las personas podrn escuchar como mximo22kHz (si los odos estn sanos), pero se puede emplearcomo un generador sin problema.

Impedancia de salida: Es la misma que presentauna tarjeta de sonido, que normalmente es muy baja (locual representa un parmetro muy bueno), a fin de poderconectar un altavoz (que no es necesario para esta apli-cacin si es que slo se quiere escuchar un tono).

Precisin: El generador utiliza 8-bits para generar lasmuestras que componen a la seal de onda sinusoidal.La onda sinusoidal se crea utilizando un algoritmo secre-to que hace uso especial de instrucciones de punto flo-tante en el microprocesador.

No tiene caso adquirir un generador comercial, conespecificaciones mucho ms altas a las mostradas aqu,ya que el generador BIP desarrollado por el laboratorio deSoftware, esta diseado para aquellos aficionados quequieren experimentar un poco con un dispositivo de apli-cacin electrnica antes de comprar un equipo costoso.

2) SweepGen - An Audio Sweep Generator

El generador de funciones SweepGen (figura 7),desarrollado por David J Taylor, enciende el equipo desonido de la PC, junto con el oscilador y generador debarrido de frecuencias. Al igual que los instrumentos de

prueba de audio, se pueden encontrar diversas seales adiferentes frecuencias empleando la tarjeta de sonido,que se encuentra instalada en la PC, para producir lasseales senoidales que matemticamente son correctas.Dicha fidelidad depender en todo momento de la calidadde la tarjeta de sonido.

Modos de operacin: SweepGen tiene 3 modos deoperacin:

Frecuencia fija (sin barrido).Barrido simple lento que dura alrededor de 45 segun-

dos, para poder grabar la seal en una cinta para su pos-terior anlisis.

Barrido rpido, dura alrededor de 0.75 segundos, parasu empleo por medio de un osciloscopio para su posterioranlisis.

En el modo de barrido rpido, se puede seleccionarentre valores de frecuencias continuas o valores de fre-cuencias entrecortadas, teniendo un ciclo til con un valorde 3 a 1 con respecto del estado lgico 0.

En ambos modos de operacin por barrido, se puedeseleccionar entre valores de frecuencias con desplaza-miento logartmico, o lineal, utilizndose el modo logpara examinar respuestas de frecuencia que cambian devalor muy rpido, mientras que el modo lineal es conve-niente utilizarlo para analizar la banda de frecuencia enque trabajan los filtros.

Rango de frecuencias: Puede ser programado cual-quier rango de frecuencias en el barrido, pero si es nece-sario determinar los valores mnimo y mximo de opera-cin, necesitamos recordar que este generador opera conla tarjeta de sonido de la PC, por lo tanto opera entre elvalor que va de 0 a 20kHz.

Para obtener respuestas convenientes, existen 4 ran-gos de frecuencias predefinidas que se encuentran deacuerdo con lo siguiente:

Wide: 20Hz a 20kHzHF: 1kHz a 15kHzSpeech: 300Hz a 3kHzLF: 50Hz a 1kHz

Niveles de salida: Existen una serie de valores quepueden ser seleccionados, que van de 0 dB a -20dB.Tenindose una breve fraccin de segundo como retardoen lo que se refresca al nuevo valor al que fue seleccio-nado el control.

3) Audacity

Desde la pgina del autor pueden descargarse ver-siones tanto para Windows como para Mac, nosotros

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Figura 7

descargamos la versin 1.2.6 a cuyo link puede accederdesde nuestra web con los datos brindados al comienzode esta nota. Una vez instalado el programa pulse en elicono correspondiente y aparecer una pantalla como laindicada en la figura 8. Se trata de un pro-grama que genera seales de audio y grabatonos MP3.

Para generar tonos de audio ingrese enGenerar > Tono > Sinusoide y luego selec-cione las caractersticas del tono. Por defec-to est ajustado en 440Hz, con la amplitudmxima (1) y 30 segundos de duracin. Si enesas condiciones pulsa la tecla de reproduc-cin aparece un tono de 440Hz en amboscanales de la salida de audio de la plaquetade audio de su PC. Si tiene conectados losparlantes puede realizar la prueba y escu-char el tono.

Mientras se genera la seal aparece unoscilograma de la misma generada en unosciloscopio que se maneja tanto en ganan-cia horizontal como vertical. En principiopara analizar el eje horizontal con ms facili-dad vamos a cambiar la frecuencia del tonopor otro de 1kHz que tiene un perodo exac-to de 1 ms. Tome el cursor de tiempo queest debajo del osciloscopio y muvalo paraobservar diferentes zonas de los 30 segun-dos que dura el tono. Por defecto, la fre-cuencia de barrido es muy baja y no se lle-gan a observar las sinusoides. Pulsando enla lupa (+) que est arriba del osciloscopio sepuede abrir la imagen hasta que se observecada ciclo separadamente. Ahora el cursorpermite ajustar el comienzo del tono y obser-var por ejemplo que los mximos se produ-cen exactamente cada 1 ms, tal como mues-

tra la figura 9. Observe que a los 0 segundos comienza laseal con un flanco positivo partiendo de 0 y cuando vuel-ve a pasar por cero con la misma direccin el tiempo esde 1 ms o 0,00100 segundos. Para aumentar el tamaovertical de la imagen haga click sobre el borde inferior delosciloscopio y arrastre hacia abajo.

Observe bien el oscilograma; cada 80s hay un pun-tito. Esos puntitos marcan el momento de realizar unmuestreo de la seal analgica de entrada. En este casoparticular de generar seales con una forma determinada(senoidal, triangular, cuadrada) no hay seales de entra-da sino funciones, que se generan matemticamente.Pero de cualquier modo las funciones no dan valorescontinuos sino muestreados cada cierto tiempo quedepende de la frecuencia de muestreo. El ejemplo tienelas caractersticas de una codificacin de CD; es decir 16bits, y una frecuencia de muestreo de 44.100Hz. Estosvalores se pueden observar en el tablero a la izquierdadel oscilograma en donde adems se agrega mono quesignifica que los dos canales de la plaqueta de audio tie-

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Implementacin de Instrumentos Electrnicos Mediante PC

Figura 8

Figura 10

Figura 9

nen el mismo tono de 1kHz con la mismaamplitud (el valor mximo de 1 que corres-ponde con el 0dBm o 660mV eficaces).

Para poner una frecuencia de muestreoms baja se selecciona la tecla marcadapista de audio a la izquierda del oscilogra-ma y se elige una frecuencia de muestreo depor ejemplo 8000Hz, tal como muestra lafigura 10.

En dicha figura vemos que las muestrasestn mucho ms separadas y que la sealde 1kHz est algo deformada. Sin embargoen el tono que sale por los parlantes (boci-nas) no se aprecia prcticamente ningunadistorsin. Un muestreo de 8kHz para unaseal de 1kHz genera 8 puntos de inflexinpor cada perodo de la seal muestreada. Enefecto, cuente los puntos de inflexin y verque hay exactamente 8. La distorsin, segnnos cuenta el Ing. Picerno, se debe a que lacomputadora genera las seales senoidalescon una aproximacin lineal; es decir conlneas rectas.

Si utilizo una frecuencia de muestreo de11.500Hz para ver una seal de 8kHz elresultado es el que muestra la figura 11.

El teorema del muestreo dice que la fre-cuencia de muestreo debe ser por lo menosel doble que la mxima frecuencia a reprodu-cir y por eso el estandar CD utiliza una fre-cuencia de muestreo de 44.100Hz parareproducir una frecuencia mxima de 20kHz,tal como muestra la figura 12.

Como puede observar, la seal se vebastante distorsionada, sin embargo el odolo reconoce como senoidal porque no puedeescuchar los productos de la distorsin queson todos superiores a 20kHz y por lo tantoinaudibles.

El programa permite usar una frecuen-cia de muestreo de 96.000Hz como mxi-mo, as que puede utilizarla para mejorar laforma de seal, pero luego al grabarla vol-ver a tener una frecuencia de 44.100Hzcomo frecuencia de muestreo porque saes la norma de CD.

Tambin existe otra predisposicin quemejora la forma de seal. Es la cantidad debits a la que se produce la digitalizacin. Untono de 20.000Hz a 32 bits se observa como lo indica lafigura 13.

Esto es lo que genera el programa pero para sacar-lo de la PC debe pasar por una placa de sonido y enton-

ces la seal se ve influenciada por dicho circuito, demodo que no podemos garantizar que no se deforme sidicha placa tiene una frecuencia de muestreo menor ono trabaja a 32 bits.

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Figura 12

Figura 11

Figura 13

Osciloscopio

1) BIP Electronics Lab Oscilloscope - 3.0

El presente osciloscopio, desarrollado porbikkel@via.nl, es una aplicacin que tiene cmo objetivoacercar instrumentos tiles al alcance de todos por mediodel empleo de una PC comn, recordando que estos pro-gramas se encuentran de manera gratuita a travs de laInternet.

Este osciloscopio emplea la tarjeta de sonido de laPC, para que se puedan introducir las seales que serequieran analizar, esto significa que la eficacia en lamedicin que se realice, depende directamente de la cali-dad que tenga la tarjeta de sonido. Al ejecutar el progra-ma aparecer una pantalla como la de la figura 14. Elosciloscopio posee las siguientes caractersticas:

Frecuencia de muestreo: De acuerdo con el circuitode interfase con el que se adquieren las seales, se

cuenta con un ancho de banda que va de 0 a44kHz, recordando que es a travs de la tarjeta desonido que se realiza la captura de la seal amedir. Por lo tanto, considerando el teorema demuestreo (tambin llamado teorema de Nyquist),que dice que el valor de la frecuencia de muestreodebe ser mayor a la frecuencia de la seal que seest midiendo, se recomienda que unicamente semidan seales que trabajan con frecuencias quevan de 0 a 22kHz.Impedancia de entrada: La impedancia de entra-da es la que nos presenta a la entrada la tarjeta desonido, pero en algunos casos es importantegarantizar que la impedancia de entrada es sufi-cientemente alta, por lo que se puede agregar unresistor con un valor de 470k, conectada en seriecon la entrada de la tarjeta de sonido.

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Figura 12

Precisin: Para el procesamiento dela seal, se cuenta con 8 bits para digitali-zar las muestras de la seal de entrada, yaunque no es lo ms adecuado, se tieneuna respuesta ptima, considerando quese tienen resultados fiables.

2)Oscilloscope for Windows ver -sion 2.51

Se trata de un osciloscopio desarrolla -do por Konstantin Zeldovich (1996-1997)que funciona para sistemas operativos apartir de Windows 95, el osciloscopio 2.51es una aplicacin que est diseada paraemplearse en computadoras caseras,empleando la tarjeta de sonido como medio para adquirirlas seales. El osciloscopio proporciona total funcionali-dad de una manera completa y amigable, bajo el entor-no de Windows.

El presente osciloscopio permite realizar los siguien-tes anlisis de seales:

Analizar en tiempo real cualquier seal elctrica.Medicin de frecuencias.Analizar los espectros de seales en tiempo real.Trazar figuras de Lissajous.

Como se utiliza la tarjeta de sonido, no es de extraarque el osciloscopio presente varios inconvenientes, talescomo la limitada amplitud en cuanto al voltaje que sepueda medir, adems del ancho de banda relativamentebajo que va de 20Hz a 20kHz, y como una de las msimportantes, la posibilidad de daar la PC cuando seconecta a una fuente de seal desconocida. La vista dela pantalla al ejecutar este programa se muestra en lafigura 15.

Las especificaciones importantes a tener en cuenta,para la operacin del presente osciloscopio son:

Osciloscopio de doble trazo, con almacenamientodigital, adems de contar con analizador de espectro entiempo real y medir de correlacin.

Longitud del Buffer.- 52 msAncho de banda: 20Hz 20kHz mxNivel de entrada: Limitado por la capacidad de la tar -

jeta de sonido, que es de aproximadamente 2 Vp-p.Refrescamiento de la imagen: aproximadamente 6

fps.Almacenamiento de datos: En cualquier medio desde

floppy disk hasta memorias USB, o como texto en cual -quier formato de Windows.

3) Sound Card Oscilloscope V 1.30

Se trata de un programa que permite obtener un osci-loscopio digital con un generador de seales integrado,un analizador de espectros (FFT) y un grabador de archi-vos de onda. El autor reafirma que no es un softwaregratuito y que para su uso en aplicaciones comerciales sedebe tener la licencia correspondiente. Los requerimien-tos mnimos para su funcionamiento son:

Windows 2000, XP o Vista.Una PC con una tarjeta de sonido instalada.50MB de espacio en disco.

Para la instalacin descargue el archivo ZIP desde ellink brindado en nuestra pgina y haga click ensetup.exe. El programa se puede iniciar a partir de aha travs del men de programas del sistema operativoWindows.

Este software se puede usar para la presentacin y elanlisis de ondas sonoras. Los datos se pueden grabartanto directamente de la tarjeta de sonido (con un micr-fono o desde la entrada LINE) como de una fuente talcomo un CD o Mediaplayer. La entrada del osciloscopiose define con el mezclador de sonido de Windows, talcomo veremos ms adelante. El software obtiene susdatos desde la entrada de la tarjeta de sonido mediantela interfaz de Windows. No se comunica directamente conla tarjeta de sonido. Por lo tanto, los problemas quepudiera tener la tarjeta de sonido se deben solucionar anivel del sistema operativo. La interfaz del usuario estdispuesta como un osciloscopio convencional. Sinembargo, en la ventana del programa, se suministranposiciones adicionales para la presentacin XY y el an-lisis de frecuencia.

Cuando instalemos el programa y lo ejecutemos, apa-

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Figura 15

recer la imagen de la figura 16. El softwaremuestra la seal presente en el canal izquier-do y el derecho de la tarjeta de sonido. Elcanal izquierdo se representa como unalnea verde y el canal derecho como unalnea roja. En la ventana de la interfaz delusuario hay perillas y ventanas de entradapara las tres funciones siguientes: Amplitud,Tiempo y Disparo.

Posiciones de la amplitud:La escala de amplitud de los dos canales

se puede establecer independientemente ascomo en forma conjunta o sincronizada. Esteltimo caso se habilita al comienzo del pro-grama y se puede deshabilitar medianteSync CH 1&2 en el panel frontal. En el casodel control de canales independiente, elcanal activo tiene que seleccionarse mediante el botn Select CH (ver figura 17).

Los valores de amplitud se dan en unidades por divi-sin de la pantalla del osciloscopio y se muestran paraambos canales arriba de esta pantalla. El valor de ampli-tud corresponde al nivel de sonido digitalizado divididopor 32768. Esto representa la resolucin en 16 bits de losdatos que se toman de la tarjeta de sonido. Debido a lasdiferentes posiciones del volumen en el panel de controlde sonido en Windows el nivel de sonido absoluto no sepuede determinar directamente. Por lo tanto, los valorespresentados se deben interpretar en unidades arbitrarias.La posicin de amplitud se refiere tanto a la ventana delosciloscopio como al grfico XY. Se puede asignar uncorrimiento a cada canal individualmente; de esa maneralos dos trazos se pueden separar entre s, para ello debehacer un click en uno de los campos de corrimiento y deinmediato aparecern dos cursores horizon-tales de modo que al mover uno de ellos seproducir el cambio de posicin de la sealmostrada en la pantalla del osciloscopio, tam-bin se puede asignar un valor numrico enuno de los campos (figura 18).

Si la seal del canal est fuera de la ven-tana visible de la pantalla, el cursor se mos-trar en el borde superior o inferior de la pan-talla (dependiendo de dnde est ubicada laseal real). Los cursores desaparecernautomticamente de la pantalla despus deunos pocos segundos de no modificar elcorrimiento.

Base de tiempoLa posicin de Tiempo se refiere a todo

el rango representado y NO al valor por uni-

dad como en un osci-loscopio normal. Elrango va desde unmilisegundo hasta10000 milisegundos.Cuanto ms grandesea el rango, mspequea es la veloci-dad de exploracinque se utiliza. Esto esinevitable a causa de la extensin del uso de la CPU dela computadora. En la posicin de disparo single la velo-cidad de exploracin se aumenta de nuevo dado que lautilizacin de la computadora aqu es menos importante.

DisparoLos modos de disparo son off, auto, normal y

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Figura 16

Figura 17

Figura 18

single. Estos corresponden a los modos normales de lososciloscopios. El umbral de disparo se puede ajustar yasea en la ventana de entrada de seleccin de disparo odesplazando la cruz amarilla de la ventana del oscilosco-pio usando el mouse. El tiempo de disparo slo se puedeajustar desplazando la cruz con el mouse.

En el modo de disparo single SHOT la llave RUN/stopse desactiva automticamente y se requiere una nuevaentrada o toma de datos, se debe oprimir nuevamente.

El botn Auto set dispara el programa para estimarla base de tiempo y el nivel de disparo ptimos. La fre-cuencia principal que se encuentra en el canal de dispa-ro se usa para obtener la base de tiempo. El umbral setoma de la amplitud de la seal. Si la amplitud es dema-siada pequea, el botn no tiene ningn efecto. Por deba-jo de 20Hz el resultado no es confiable debido a la limita-da ventana de tiempo que se usa para el anlisis.

Modo de canalPor defecto, se muestran dos canales en la ventana

del osciloscopio. Con la llave de seleccin de modo en laparte inferior de la ventana del programa, se puede elegirla suma, la diferencia o el producto de los canales.

Anlisis de los datosEn la interfaz del usuario tambin hay una llave de

corrida/detencin, la cual se puede usar para interrumpirla toma de datos y dar tiempo para analizar el contenidopresente de la ventana. El selector real time permiteconmutar mediciones en tiempo real de la frecuencia prin-cipal, la amplitud pico a pico y el valor eficaz de la seal.El resultado se muestra en el borde superior de la panta-lla, tal como puede observarse en la figura 19. Esta medi-cin requiere cierta potencia de la CPU y debe apagarsesi se observa cualquier problema.

La amplitud o Tiempo/Frecuencia se puede medir conla ayuda de cursores en la ventana del osciloscopio. Loscursores correspondientes se pueden activar mediante lacaja selectora debajo de la ventana. Los cursores se pue-den desplazar con el mouse.

En el modo de amplitud se muestran los valores delos dos cursores as como la diferencia de amplitud, de laforma mostrada en la figura 20.

Para el modo de tiempo, la diferencia de tiempo y lafrecuencia apropiada se muestran directamente. Losdatos tambin se pueden examinar con mayor detalleusando el zoom. El detalle alrededor de la posicin de lalnea de disparo perpendicular se aumenta. Desplazandola lnea de disparo, se puede cambiar el rango.

Grfico X-YAqu se muestran dos canales comparndolos entre

s. Por lo tanto se pueden producir por ejemplo, figuras de

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Figura 19

Figura 20

Figura 21

Lissajous (figura 21). Para este caso las frecuencias sepueden ajustar en el generador de seales.

El cursor encima del grfico permite cambiar el tiem-po de persistencia de los datos mostrados. Para unaposicin mayor de tiempo, aumenta la ventana de tiempomostrada en la pantalla. Las seales que cambian rpidose deben mostrar mejor con una persistencia ms corta.

Los controladores a lo largo de los ejes X e Y permi-ten un escalamiento del canal apropiado. El rango repre-sentado se elige ajustando la perilla de amplitud de laventana del programa.

Anlisis de frecuenciaEn la ventana de anlisis de frecuencia, la presenta-

cin muestra el resultado del anlisis de Fourier del canalseleccionado. El canal se puede elegir con el botn deseleccin encima de la grilla. Por defecto, el grficomuestra la amplitud de seales de 0 a 10kHz. La ampli-tud as como la frecuencia se pueden mostrar con unaescala logartmica.

La escala vertical se puede ajustar automticamente

seleccionando la caja de control de autoescala que estencima del grfico (vea la figura 22). Se puede realizar unajuste manual haciendo doble click en el valor mximo omnimo del eje e ingresando un nuevo valor. Esto se debehacer slo si se inhabilita la autoescala.

Debajo del grfico hay una barra rodante y un controlde desplazamiento del zoom; permiten cambiar el rangoindicado. Estos controles so deben usarse si se ha dete-nido la toma de datos con el botn de corrida/detencin.El cursor del zoom muestra detalles del anlisis de fre-cuencia: use el mouse para establecer la lnea amarillaperpendicular en la frecuencia de inters y accione el cur-sor del zoom hasta el detalle deseado.

Los dos valores de salida debajo de los cursoresmuestran la frecuencia en la posicin del cursor y el valorde la frecuencia ms fuerte encontrada a partir de un an-lisis armnico de los datos. Note que el anlisis deFourier siempre se basa en datos con una velocidadplena de muestreo de 44,1kHz. Por lo tanto el controladorde tiempo automticamente salta a un valor predefinidocuando esta ventana est activa.

Seleccionando peak hold permite almacenar losvalores mximos de amplitud del anlisis de Fourier. Estopermite mostrar la funcin de transferencia cuando seusa un generador de ruido blanco (figura 23).

Dentro del anlisis de frecuencia, tambin se proveeun filtro ajustable de seleccin de frecuencia (filtro Besselde dcimo orden). Se pueden seleccionar tres tipos de fil-tros: pasabajos, pasaaltos y pasabanda. Las frecuenciascrticas se pueden ajustar con los controles de desplaza-miento. Por encima del filtro de seleccin de frecuenciahay un botn para abrir un control de filtro en una venta-na separada. Esta funcin le permite a uno observar elefecto del filtro directamente en la ventana del oscilosco-pio. Haciendo doble click en el botn, o cerrando la ven-tana, se restablecen las posiciones originales.

Funcin de transferenciaAdems del anlisis de frecuencia de un canal indivi-

dual, es posible medir la funcin de transferencia. Estamedicin usa la relacin del Canal 1 y el Canal 2 paradeterminar la dependencia de la frecuencia con la carac-terstica de transferencia. Para obtener la funcin detransferencia se debe seleccionar una seal de ruido ouna onda cuadrada en el generador de seales a fin decubrir todo el espectro de frecuencia en una sola medi-cin. Alternativamente se puede utilizar un barrido de fre-cuencia. El Canal 1 debe contener la seal original y elCanal 2 debe contener la seal filtrada.

Generador de sealesEn el programa se integra un generador de seales

de dos canales. El generador se puede liberar de la ven-

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Figura 22

Figura 23

tana del programa oprimiendo el botn que se encuentraencima del panel, se desplegar una imagen como la dela figura 24.

El generador produce ondas sinusoidales, rectangula-res, triangulares y diente de sierra con amplitud variabley frecuencia variable. Tambin se incluye un generadorde ruido blanco. Se puede ajustar la fase de la seal.

El modo de barrido permite el barrido de frecuenciadesde la frecuencia principal hasta la frecuencia final enforma continua dentro de la ventana de tiempo especifi-cada. La figura 25 muestra la pantalla generada cuandose ha establecido una seal senoidal automtica.

Al abrir el generador de seales, se desactivan amboscanales y se deben reactivar mediante un botn en laparte inferior de la ventana. La frecuencia se puede cam-biar en pasos de 0,5Hz. La seal generada por medio deeste programa se enva directamente a la tarjeta o placade sonido. Esto debe activarse en el mezclador de soni-do del sistema operativo Windows (usualmente designa-do como Wave Out). Si adems se activa la grabacinde la fuente Wave, las seales se visibilizan en el osci-loscopio y se pueden presentar para producir, por ejem-plo, figuras de Lissajous.

ExtrasEn esta ventana hay algunas posiciones para los dis-

positivos de audio de Windows. Del lado derecho estnlos dispositivos de audio para entrada y salida de sonido.Si estn presentes varios sistemas de sonido, se puedeseleccionar aqu el equipo usado (figura 26).

Del lado izquierdo estn los botones para iniciar laoperacin de los mezcladores de audio de Windows.Note que cada opresin de un botn abre una pequeaventana mezcladora. En los mezcladores se pueden con-figurar las entradas y las salidas. En la parte inferior de laventana de posiciones hay un botn para reinicializar lasposiciones del programa. Esto incluye todas las posicio-

nes; cualquier cambio hecho por el usuario hasta esemomento se perder.

El lenguaje del programa se puede cambiar con elbotn correspondien-te, en el ngulo infe-rior derecho de lapantalla. Al pulsar elbotn se desplegaruna imagen como lade la figura 27 en laque puede seleccio-

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Figura 24

Figura 26

Figura 25

Figura 27

nar el lenguaje, al momento de escribir este artculo anno se encontraba disponible la opcin ESPAOL. El cam-bio del lenguaje se aplicar en el prximo inicio del pro-grama.

Para Expertos SolamenteLas posiciones normales de la tarjeta de sonido son

44,1kHz con una resolucin de 16 bits por muestra. Sepueden establecer mayores velocidades de muestreo ymayores resoluciones de muestreo en el archivo de ini-cializacin scope.ini ubicado en el camino de instalacindel programa. Los parmetros correspondientes sonSamplingRate y Bits, que se comentan en el archivooriginal.

La mayora de las tarjetas de sonido corrientes (inclu-so las versiones ya instaladas) soportan hasta 100kHz y16 bits. Si la tarjeta de sonido no soporta la velocidad demuestreo y/o la resolucin de los bits, se mostrar unmensaje de error al comienzo del programa.

Un parmetro adicional en el archivo scope.ini esMaxFrequency, el cual determina el valor mximo de lafrecuencia mostrada en el anlisis de Fourier. El valor pordefecto es 20kHz.

Informacin adicional: Tenga presente que una altavelocidad de muestreo/resolucin en bits pueden condu-cir a una carga importante para la CPU.

Para un muestreo de 100k con resolucin de 16 bitsla carga es ms de 4 veces mayor que en condicionesnormales. Por lo tanto monitoree la carga de la CPUcuando se aumentan las posiciones.

Fuentes de seal para el osciloscopioUsualmente se disponen las siguientes entradas:

Line-In: Puerto en la PCMicrophone: Puerto en la PC, o interno (laptop) a

menudo slo mono.Wave Out: Sonido interno, por ejemplo reproductor

de MP3, Media-Player; generador de seales.CD Player: Msica directamente de un CD.

El equipo que aparezca en el osciloscopio debe selec-cionarse a partir de las entradas mencionadas anterior-mente. Con algunas tarjetas de sonido se pueden selec-cionar varias fuentes al mismo tiempo, en una pantallacomo la que aparece en la figura 28. El volumen del equi-po tambin se puede ajustar aqu. Esto tiene un efectodirecto en la amplitud del osciloscopio.

Salida de seal mediante la tarjeta de sonidoPara definir qu sonido se enva a la salida de la tar-

jeta de sonido, se debe seleccionar el equipo apropiado

en el mezclador de audio de Windows, ajustando los con-troles de la figura 29. Frecuentemente, en este panel, semezclan varias fuentes al mismo.

Importante: A veces puede ocurrir que no se lista unaentrada o una salida en la ventana. En este caso se debeactivar as: Options->Properties (figura 30).

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Figura 28

Figura 29

Figura 30

Grabador de audioEl grabador de audio permite guardar datos en un

archivo de onda. El nombre del archivo de salida tieneque seleccionarse antes de que se oprima el botn depausa o de grabacin.

Hay tres modos diferentes para almacenar datos:

1 Trigger (auto): Guardar automticamente los datosdisparados actualmente.

2 Trigger (manual): Guardar manualmente los lti-mos datos disparados en el archivo.

3 Rec. Button: Iniciar la escritura del archivo con elbotn de grabacin (independiente del disparo).

Independientemente del modo, se puede escribir enel archivo de salida un tamao limitado. La longitud sedefine mediante los selectores correspondientes en laventana de grabadores. La longitud se define por defectomediante la ventana de los osciloscopios, pero se puedeestablecer en un valor diferente por parte del usuario. Entodos los casos la escritura se detendr cuando se opri-me Pausa o Detencin.

Tenga presente que el archivo seleccionado se sobre-escribir SIN cualquier advertencia. Dado que el archivopresente se cerrar despus que el botn stop haya sidopresionado, defina un nuevo archivo de salida ANTES deoprimir Pausa o Detencin.

El archivo de onda resultante contendr 100 muestrasde silencio entre los datos grabados. Puntos determina-dos al comienzo del archivo de onda marcan el inicio decada porcin escrita.

La figura 31 muestra la venta de ajuste del grabadorde audio.

Conclusin

El autor libera el uso de este programa para fineseducativos. Si algo funciona mal y descubri una falla,

por favor enve un correo a Christian@Zeitnitz.de. Siusa el programa para un proyecto en una universidad oescuela, por favor, escrbale al autor informando dichasituacin.

Este programa se puede usar y transmitir para uso enescuelas.

Invitamos a todos nuestros lectores a que experimen-ten con los programas de uso libre que aqu se exponeny que armen la interfaz que se propone como montaje enesta misma edicin con el objeto de ampliar las caracte-rsticas del osciloscopio. Para descargar todos los pro-gramas que mencionamos en este artculo, le recorda-mos que debe dirigirse a nuestro portal:

www.webelectronica.com.ar

Debe seleccionar la opcin password e ingresar laclave (como lector) paol. Si ingresa como socio delClub SE, podr descragar archivos adicionales. Le recor-damos que para ser socio de nuestra comunidad de elec-trnicos debe registrarse en lnea sin cargo alguno.

Finalizamos diciendo que la aplicacin que mejoresresultados muestra es la ltima que expusimos, SoundCard Oscilloscope, y que para su uso comercial debecontar con la licencia apropiada, sin embargo, para fineseducativos y de aprendizaje puede utilizar el programasin inconvenientes.

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Figura 31