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Mi "osciloscopio de audio" no puede medir tensiones estáticas/constantes, sino sólo cambios

No tengo un osciloscopio (cuesta mucho) así que decidí hacer un "osciloscopio de audio"

Funciona muy bien en muchos aspectos. Al conectar un módulo receptor de IR al osciloscopio de audio puedo ver claramente las señales (correctas) al pulsar un mando a distancia.

Sin embargo, hay un problema muy molesto. Sólo consigo monitorizar los CAMBIOS de tensión, pero NO la tensión estática/constante continua. Si el osciloscopio recibe una tensión constante (por ejemplo, si se conecta a una batería), después de un corto período de tiempo, se "recalibra" o se "acostumbra" a la tensión y empieza a considerarla como tensión cero.

En el ejemplo tengo primero el osciloscopio sin y la tensión. Muestra correctamente la tensión cero.

Entonces conecto el osciloscopio a 5V (desde el USB) y correctamente el osciloscopio muestra voltaje positivo... por un tiempo muy corto, y luego se vuelve loco y eventualmente "recalibra"/"se acostumbra" a los 5V y piensa que es 0V (¡aunque los 5 voltios siguen aplicados!)

Top spike shows the time when I started to apply 5V

¿Alguien sabe cómo medir tensiones constantes/estáticas correctamente con un osciloscopio de audio, o sabe por qué existe este "problema"? Supongo que un osciloscopio real no se comporta de esta manera.

Vídeo de Youtube que muestra el comportamiento

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Eso sería porque tu tarjeta de sonido está acoplada a la CA.

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Por eso se llama "osciloscopio de audio". La CC no es audio.

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Puede que siga siendo demasiado, pero puedes conseguir un osciloscopio de bolsillo por 100 dólares. El mío vino directamente de China, pero en Estados Unidos Adafruit hace uno que parece mejor construido. Cualquiera de ellos hará más que tu osciloscopio de audio (aunque no tanto como un osciloscopio de mesa básico), y son más pequeños que un multímetro.

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Asmyldof Puntos 9125

Siento entrometerme después de que se haya dado una buena respuesta, pero quería añadir algo más de conocimiento divertido como herramienta de procrastinación...

Para ampliar la diferencia básica entre el acoplamiento de CA y de CC:

El acoplamiento de CA en la tarjeta de sonido es muy importante para protegerla de los efectos nocivos de los micrófonos baratos, los dispositivos baratos de entrada/salida de línea y las cajas de PC baratas, todos los cuales pueden hacer trucos sucios para crear una señal con lo que se llama una polarización de CC. Como la tarjeta de audio no puede manejar fácilmente la salida a una DC-bias o no siempre puede procesar correctamente una entrada con DC-bias, la acoplan para AC, lo que elimina toda la DC-bias.

Lo que ocurre con tu USB es que aplicas los 5V y eso crea un impulso similar al de la corriente alterna hacia los 5V, pero luego ese aspecto de la corriente alterna desaparece cuando los 5V se quedan ahí y la entrada real de la tarjeta de sonido se asienta de nuevo en 0V.

A modo de ilustración, este es el aspecto del acoplamiento de CA:

schematic

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

El condensador bloquea cualquier tensión continua. Por el momento, sólo asume que tengo razón cuando digo que la resistencia de un condensador al flujo de corriente es inversa a su valor, multiplicado por la frecuencia, así: "Resistance" = 1 / ("sort of Frequency" * Capacity) (No me apetece entrar en matemáticas complejas ni en radianes ni en pi en este momento).

Por lo tanto, si la frecuencia se hace más grande, conducirá las corrientes más fácilmente, también si la capacidad se hace más grande, conducirá más fácilmente. Pero puedes ver que para la CC, donde la frecuencia es 0, no cerca de 0, sino realmente 0, su resistencia se vuelve "infinita".

DC no pasará.


Fijación del acoplamiento de CA en este escenario:


No será fácil. Pero se puede hacer sin modificar la tarjeta de sonido. Modificar la tarjeta de sonido es, como mínimo, poco aconsejable.

EDIT: También puedes cortar la señal para obtener una onda de corriente alterna que puedas usar, se me acaba de ocurrir :-S -- Ver abajo para eso

Esta parte de la respuesta se da más "por diversión" que un verdadero "esto es lo que debes hacer". Esta solución es engorrosa y requiere mucho más trabajo del que vale, pero es para mostrar que se podría hacer con algún "abuso" creativo.

Podrías convertir un dispositivo de audio de 2 canales acoplados a la CA en un canal único acoplado a la CA+CD, pero requiere conocimientos de hardware y software.

Básicamente se convierte la tensión continua en una señal alterna a través de un método conocido:

Puedes usar un uC barato con un ADC de 10 bits incorporado para obtener una impresión decente del voltaje DC presente filtrando primero la AC, luego conviertes ese número de 10 bits en una señal PWM con suficiente resolución, o como una frecuencia con una fórmula conocida (bastante más difícil en la mayoría de los casos, pero elimina el riesgo de que el valor PWM 0x00 o 0xFF se convierta en DC de nuevo).

A continuación, puedes ponerlo en el otro canal de sonido (es decir, el izquierdo si utilizas el derecho para la señal original) y combinar esa información con la señal de CA que estabas recibiendo para obtener la señal de CA+CD acoplada.

Ilustrado que se ve así:

schematic

simular este circuito

Pero entonces, si usted está usando un microcontrolador y algo de programación, es un pequeño paso de actualizar a un tipo de Arduino-Scope de la herramienta. Me imagino que algún tutorial o thinger listo está por ahí alrededor de la marca de $ 25 con 20kHz o más rendimiento.

También puedes utilizar un multivibrador tipo LM/NE/LMC555 para obtener la señal PWM o un oscilador controlado por tensión y seguir sin microcontroladores.

De todos modos, para explicarlo rápidamente:

El amplificador óptico amortigua la señal. Tendrá que ser capaz de acercarse a su alimentación negativa en la entrada y en la salida, pero muchos op-amps de tipo LM3** probablemente estarán bien para señales por debajo de 20kHz.

La salida se pone entonces hacia el condensador C2, que almacena los picos positivos, pero como hay una resistencia, tarda un tiempo en cargarse, por lo que esto hace que responda lentamente a las frecuencias por encima de cierto punto. También se descargará de nuevo por los valles bajos, pero de nuevo a través de la resistencia, porque la entrada del ADC no se lleva mucha corriente. Así que la resistencia y el condensador promedian el valor en una especie de valor DC. Si estás midiendo por encima de 50Hz, el promedio se volverá más y más estable con estos valores. Por supuesto, la medición de CC te costará algo de tiempo, debido a la carga de C2.

El uC/NE555 convierte el voltaje que ve en la entrada en un valor PWM, si lo hace de acuerdo a un algoritmo fijo el PC puede medir la señal AC en el canal izquierdo y recalcular lo que debe haber sido el nivel DC. Con PWM es bastante importante usar una frecuencia baja, porque PWM necesita muchas frecuencias más altas para ser visto correctamente y la tarjeta de sonido sólo puede ver hasta 22kHz, así que tal vez incluso tan bajo como 100Hz para la frecuencia PWM. No hay problema, ya que C2 hace que la respuesta DC sea un poco lenta. No vayas demasiado bajo, o la tarjeta de audio podría filtrarlo.

Por supuesto D1 y D2 y R1 están ahí para recortar la señal PWM de la MCU para proteger el canal de audio izquierdo de la misma manera que D3 y D4 protegen el derecho.

Jugando un poco y con un ADC de 10 bits en el esquema anterior (en el que se desperdicia bastante de su rango), aún se podrían obtener 5mV o más de reconocimiento de CC sobre el rango de diodos de 0,7V en la señal después del potenciómetro.

EDITAR: Cortar la señal:

Si quieres medir señales de CC y de baja frecuencia + CC con una tarjeta de sonido, puedes trocearla:

schematic

simular este circuito

Aquí puedes alimentar el inversor con una tensión USB. (Cuando empieces a conectar diferentes puertos al mismo juguete de bricolaje, asegúrate de que utilizas hardware antiguo que puedas echar de menos. Es fácil equivocarse en los primeros experimentos)

Un chopper más limpio sería (pero requerirá de nuevo una alimentación equilibrada que no puedes obtener del puerto USB):

schematic

simular este circuito

Esto es más ordenado, porque ahora el Op-Amp actúa como un buffer entre la entrada y los interruptores del chopper, por lo que la entrada no puede ver la corriente fluctuante del chopping, lo que ayudará a evitar que provoque oscilaciones donde no las habría si no estuviera midiendo.

Pero como se ha dicho, se necesita un voltaje + y - que no puede venir del USB por razones de seguridad. Puedes alimentar el inversor con la misma, aunque sea un poco más allá de su fuente de alimentación, pero también puedes alimentarlo sólo con los 3V. Sin embargo, deberías conseguir un conjunto de MOSFETS con un Vgt (voltaje de umbral de puerta) de 2,3V o inferior.

Básicamente, cuando la salida del inversor se eleva con respecto a tierra, esto hará que el MOSFET conduzca, entonces esto también carga a C1 a través de R3. Cuando la entrada del inversor Schmidt cruza un nivel determinado hacia arriba, conmutará su salida a bajo, lo que entonces extraerá la carga de la puerta del MOSFET y hará que deje de conducir. Esto también descargará C1 a través de R3. Luego, cuando C1 cruce otro nivel inferior hacia abajo, la salida de la compuerta volverá a subir, comenzando de nuevo.

La señal analógica no será lo suficientemente baja como para que necesites dos MOSFETs espalda con espalda, porque los diodos ya están recortando la señal, así que para este ejemplo específico también puedes usar un MOSFET normal de un solo canal N con su fuente a tierra.

También podrías usar MOSFETs de otra manera para no necesitar los diodos de protección, pero creo que esto iría demasiado lejos y requeriría un curso de mirar las hojas de datos para buscar las características de los diodos del cuerpo y muchas más cosas incómodas.

El último esquema ofrece una salida Chopped y otra no Chopped, por lo que se puede seleccionar para la señal original acoplada a la CA, o la señal AC+DC Chopped.

Lo que ocurre es que el MOSFET de corte que se enciende y apaga automáticamente convertirá la señal en una que es su valor original la mitad del tiempo y 0V la otra mitad. Así que se convertirá en una onda cuadrada. Cualquier señal razonablemente más lenta, como la DC o cualquier cosa hasta 50Hz, puede ser recuperada bastante bien por el software e incluso puedes interpretar el picado de tu trazado tú mismo en el interior de tu cerebro, si no puedes cambiar el software. Por supuesto, el caso especial en el que la propia señal es 0V, el picado no cambiará nada y tu pantalla mostrará correctamente 0V de todos modos.

Por supuesto, las frecuencias que están cerca de sus frecuencias de picado, o son más altas, se deformarán por el picado y requerirán matemáticas más avanzadas para encontrar la vuelta, no voy a entrar en eso.

Con los valores dados para C1 y R4 R3 (error tipográfico) Espero que la frecuencia se convierta en entre 1kHz y 3kHz para el chopper, pero la experimentación mostrará si algunos valores pueden necesitar ser ajustados.

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El picado era una opción en la que estaba pensando. Buena respuesta y muchos detalles.

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Gracias Muy buena respuesta. Ahora entiendo con más precisión cuál era el "problema" y cómo se puede trabajar en torno a él. Me ha despertado la imaginación y la curiosidad. No puedo entender todos los detalles (todavía), pero leo un par de veces más y estoy seguro de que lo conseguiré.

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@taz0k Espero que encuentres una buena manera de probar algunos trucos con algún hardware antiguo, pero siempre es bueno leer más detalles. Soy conocido por algunos aquí por seguir divagando ideas, así que siempre me alegro si algunas resultan realmente útiles ;-)

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krgrant Puntos 11

Las entradas de la tarjeta de sonido (como normalmente cualquier entrada de audio) son Acoplado a CA es decir, a través de un condensador. Por eso sólo son sensibles a los cambios de tensión.

No es un fallo de la tarjeta de sonido, es una característica.

Los osciloscopios reales tienen la posibilidad de elegir entre señales de entrada de acoplamiento AC o DC.

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Gracias. Quizás no sea un problema de la tarjeta de sonido, pero sí de un "osciloscopio de audio". ¿Hay alguna forma de evitarlo? ¿Hay algo que esté acoplado a la CA o a la CC y nunca a ambas?

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No, no hay forma (fácil) de evitarlo. Sí, una entrada puede estar acoplada a la CA o a la CC, pero no a ambas. (Lo que no significa que no se puedan medir señales de CA con acoplamiento de CC). Puedes convertir fácilmente una entrada acoplada a CC en una entrada acoplada a CA (simplemente añadiendo un condensador) pero no al revés (tendrías que quitar el condensador de acoplamiento de la tarjeta de sonido, lo que probablemente introduciría varios otros problemas).

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Gracias. Hm, podría intentar encontrar y quitar ese condensador de un ordenador viejo si encuentro uno. Supongo que la (única) solución es, por desgracia, comprar un osciloscopio.

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cuddlyable3 Puntos 373

El artículo de makezine enlazado afirma que "el ancho de banda de la tarjeta de sonido es mucho menor: entre 20 y 15 kHz. Si se sale de este rango, las mediciones se vuelven descuidadas". Al autor de la pregunta le habría ayudado una explicación más completa de que una tensión invariable es efectivamente una frecuencia de cero, es decir, muy por debajo de 20 Hz. El osciloscopio de bricolaje sólo muestra el paso de la tensión cuando la fuente se conecta por primera vez, seguido de un descenso hasta cero. Esto es consistente con un filtro de paso alto como la Fig. 1 aquí https://en.wikipedia.org/wiki/High-pass_filter que es también el circuito de entrada de la mayoría de los equipos de audio, incluidas las tarjetas de sonido. Los filtros de paso alto se utilizan para el acoplamiento de CA en las entradas de muchos amplificadores de potencia de audio, para evitar la amplificación de las corrientes de CC que pueden dañar el amplificador, robar el espacio libre del amplificador y generar calor residual en la bobina de voz del altavoz.

No hay nada aquí que "se vuelva loco" como se alega.

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La captura de pantalla mostró un gran paso positivo, entonces un gran paso negativo (esto, junto con la parte positiva de la curva de decaimiento, son las "bananas" a las que se refiere OP), entonces el decaimiento al que te refieres.

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Aunque apuesto a que si integras el área bajo las secciones positiva y negativa de la curva, obtendrás cero.

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Podía haber sido más claro y haber escrito que "a mis ojos" parece que se va al garete porque para mí era un comportamiento inesperado, porque no entendía cómo funciona una tarjeta de sonido.

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