miércoles, 25 de mayo de 2022

Osciloscopio Hantek 6022BE

Para la creación o reparación de circuitos electrónicos es necesario inspeccionar sus señales analógicas o digitales mediante un osciloscopio. En los equipos electrónicos actuales muchas de estas señales son de frecuencias muy altas y requieren el uso de osciloscopios muy caros. Para frecuencias más bajas como por ejemplo las usadas en ordenadores antiguos como el ZX Spectrum 48K podemos encontrar osciloscopios bastante más baratos. Si además optamos por un osciloscopio para ordenador el coste será aún menor. Yo para poder estudiar el funcionamiento de ordenadores y consolas antiguas compré el osciloscopio Hantek 6022BE.

Los osciloscopios que se conectan al ordenador no necesitan tener pantalla ni mandos de control, esto reduce bastante el precio. Esas funciones las realiza el ordenador mediante un software creado para ello. La máxima frecuencia que puede registrar un osciloscopio digital depende del número de muestras por segundo que es capaz de tomar. Según el teorema de Nyquist-Shannon el número de muestras debe ser más del doble que la frecuencia. Hay varias versiones del osciloscopio Hantek 6022BE que van de los 20 a los 200 MHz. Yo adquirí la versión más barata que puede registrar frecuencias de hasta 20 MHz mediante 48 MSa/s (Millones de muestras por segundo). En la parte de abajo tiene una etiqueta con el modelo y características.

El osciloscopio tiene dos canales por los que puede recibir dos señales a la vez. Cada canal tiene un conector BNC hembra al que se puede conectar una sonda. Junto con el osciloscopio vienen dos sondas Hantek PP80B que se componen de una pinza de cocodrilo para conectar a tierra, una punta para conectar al lugar del circuito donde se quiere medir y un conector BNC macho para conectar al canal del osciloscopio. Por seguridad las sondas deben conectarse y desconectarse del osciloscopio sin estar conectadas a un circuito electrónico o cualquier tipo de corriente eléctrica.



Los canales del osciloscopio pueden medir señales de un máximo de ± 5 V y tienen protección hasta ± 35 V. Para poder medir señales de mayor voltaje la sonda permite atenuar la señal. Mediante un interruptor se puede seleccionar entre 1X para voltaje original y 10X para voltaje dividido por 10. Esto hace posible medir señales de hasta ± 50 V, para mayores voltajes sería necesario utilizar otra sonda con mayor atenuación.

Cuando se selecciona X10 la sonda conecta en serie una resistencia de 9 MΩ y un condensador. El osciloscopio tiene una resistencia de 1 MΩ y otro condensador. Las dos resistencias forman un divisor de voltaje resistivo y los dos condensadores un divisor de voltaje capacitivo. El divisor resistivo actúa sobre las bajas frecuencias y el capacitivo sobre las altas frecuencias. El cable de la sonda actúa como un condensador cuya capacidad se añade a la del condensador del osciloscopio.

La relación entre las resistencias es de 9 a 1. Para que la señal se transmita correctamente la relación de los condensadores debe ser la inversa, 1 a 9. Para conseguir esto la sonda tiene un condensador variable que hay que ajustar hasta que la suma del condensador del osciloscopio, el cable y el condensador variable de la sonda sean 1/9 del condensador de la sonda. A este ajuste se le conoce como calibración o compensación de la sonda.

VA = Voltaje Atenuado
VS = Voltaje Señal

RS = Resistencia Sonda
RO = Resistencia Osciloscopio

CS = Condensador Sonda
CO = Condensador Osciloscopio
CCS = Capacidad Cable Sonda
CSV = Condensador Sonda Variable


VA = VS ⋅ (RO / (RS + RO))
VA = VS ⋅ (1 MΩ / (9 MΩ + 1 MΩ))
VA = VS ⋅ 1 / 10
VA = VS / 10

VA = VS ⋅ (CS / (CS + CO + CCS + CSV))
VA = VS ⋅ 1 / 10
VA = VS / 10

Con la sonda vienen varios accesorios que se pueden ver en la siguiente foto. Además la sonda permite el uso de otro accesorio no incluido. A continuación de la punta hay una banda de metal donde conectar un accesorio para realizar una conexión a tierra más corta y mejorar la integridad de la señal. Este accesorio consiste en un alambre enrollado alrededor de la banda con una de sus puntas sobresaliendo para conectar a tierra.

El primero de los accesorios de la imagen es una punta con gancho que se coloca sobre la punta de la sonda. Está compuesta por un gancho cubierto por una funda retráctil con muelle. Al deslizar la funda hacía atrás queda fuera el gancho para poder colocarlo alrededor de una pata de un componente electrónico. Cuando se suelta la funda esta vuelve a su lugar quedando la pata del componente atrapada entre el gancho y la funda.



En algunos casos no es posible utilizar el gancho ya que el componente no tiene patas o no hay espacio suficiente para colocar el gancho. En estos casos podemos utilizar uno de los dos manguitos de posicionamiento de color amarillo. El manguito con un pivote a cada lado nos permite fijar la sonda a una pata de un circuito integrado. La punta con gancho y los manguitos también sirven para tapar la banda de conexión a tierra para que no haga contacto con los componentes electrónicos.



En uno de los lados de la sonda hay un agujero y en su interior se encuentra el mando regulador del condensador variable. Usando la herramienta con punta plana se puede girar el mando para ajustar el condensador.

El último accesorio son anillos de colores para marcar las sondas. Cada canal del osciloscopio tiene un color. Las sondas deben tener un anillo con el mismo color del canal al que están conectadas. De esta forma solo es necesario mirar la sonda para saber a que canal está conectada sin tener que seguir el cable hasta el canal.

El osciloscopio genera una señal de onda cuadrada que se puede utilizar como referencia para ajustar el condensador variable de la sonda. Esta señal está accesible mediante dos anillas a la derecha de los canales. En una de las anillas se conecta el gancho de la sonda y en la otra la pinza de cocodrilo de conexión a tierra.


El osciloscopio se conecta a un puerto USB del ordenador mediante un conector USB tipo B en la parte de atrás. Además el osciloscopio tiene un puerto USBXI, una tecnología de Hantek para conectar con otros aparatos. El cable para conectar al ordenador tiene dos conectores USB tipo A. El conector negro se utiliza para la transferencia de datos y la alimentación del osciloscopio. El conector rojo debe ser para alimentar el osciloscopio si por el otro conector no recibe suficiente energía, en mi caso no he necesitado conectarlo.




Para controlar el osciloscopio desde el ordenador se incluye un software para Windows. Yo en lugar de ese software he utilizado OpenHantek6022. Desde su web se puede descargar un paquete para Debian, instalarlo y ejecutar el programa

wget https://github.com/OpenHantek/OpenHantek6022/releases/download/3.2.5/openhantek_20211216-31c5ee2_amd64.deb
apt-get install ./openhantek_20211216-31c5ee2_amd64.deb
OpenHantek

Si ejecutamos el programa sin conectar el osciloscopio podemos entrar en el modo demostración donde podemos hacer pruebas con dos señales simuladas. El programa se compone de un visor de los canales y una serie de controles a su derecha. El eje horizontal del visor corresponde al tiempo y el vertical al voltaje. El visor se divide en 10x8 cuadrados. En el control "Voltaje" se activan o desactivan los canales y se indica el número de voltios o milivoltios que representa cada división vertical. A la izquierda, con los indicadores "CH1" y "CH2" se fija la posición del voltaje 0 de los canales.

A continuación en el control "Horizontal", mediante el parámetro "Base de tiempos", se indica el tiempo al que equivale cada división horizontal. Cuanto más alta sea la frecuencia de la señal que queremos visualizar menor ha de ser el tiempo para ver solamente unos pocos ciclos. A partir del tiempo de las divisiones el software selecciona automáticamente el número de muestras por segundo necesarias para registrar la señal en el parámetro "Muestreo". A continuación se puede modificar manualmente este parámetro. Según se indica en la web del software el máximo número de muestras por segundo que permite es 30 MSa/s debido a inestabilidad en la comunicación osciloscopio-ordenador.

El programa permite mostrar las ondas de forma estacionaria para facilitar su visualización. Para ello analiza la señal para detectar las subidas y bajadas a partir de un determinado nivel de voltaje. Se configura con el control "Disparador" y dos flechas por canal arriba y a la derecha del visor. La flecha de arriba indica donde empieza el análisis y la de la derecha el nivel de voltaje. Arriba a la izquierda del visor se muestra información sobre el análisis. Si este sistema no es suficiente podemos parar el programa presionando el botón de pausa de la izquierda.

En la parte de abajo del visor se muestra información sobre las señales como voltajes y frecuencia. Además en el visor hay dos marcadores de tiempo, dos barras verticales, que nos permiten medir el tiempo y frecuencia entre dos instantes.

Antes de comenzar a realizar mediciones debemos compensar las sondas. Para ello tenemos que seleccionar la atenuación X10 y conectarlas a un canal y a la frecuencia de referencia. Una vez hecho esto podemos elegir la frecuencia de referencia en el parámetro "Salida calibración". Si por ejemplo seleccionamos una frecuencia de 1 o 10 KHz las divisiones horizontales deben ser de microsegundos. La señal tiene un voltaje pico a pico de 2 V, al dividirlo entre 10 queda en 0,2 V = 200 mV. Si ponemos el voltaje por división en 100 mV la señal ocupará 2 divisiones verticales.

En las siguientes imágenes se puede ver primero la señal de la sonda sin compensar y a continuación compensada. En la primera imagen se puede apreciar que la señal no es cuadrada y tiene un voltaje pico a pico superior a 200 mV. Debemos girar el mando de compensación de la sonda hasta que tenga forma cuadrada y voltaje pico a pico lo más cercano posible a 200 mV como en la segunda imagen.


Con las sondas compensadas ya podemos hacer mediciones, como ejemplo voy a mostrar tres señales de un ordenador ZX Spectrum 48K. A continuación se ve la señal de vídeo compuesto PAL antes de llegar al modulador de televisión. La sonda está en X1, cada división vertical equivale a 500 mV y el voltaje 0 del canal está abajo. La señal comienza al final de la quinta división (5 x 500 mV = 2500 mV = 2,5 V) y termina al final de la séptima división (7 x 500 mV = 3500 mV = 3,5 V). Por lo tanto el voltaje pico a pico es de 1 V. Abajo del visor se indica que el voltaje pico a pico es 1,09 V y la frecuencia 15,63 KHz. Midiendo con los marcadores de tiempo se muestra que la duración de una línea horizontal de vídeo es de 64 microsegundos, por lo que la frecuencia es de 15,6 KHz. El tiempo de las divisiones horizontales está fijado en 10 microsegundos para poder ver dos comienzos de línea.

La subportadora de color del sistema PAL tiene una frecuencia de 4,43361875 MHz y se puede medir en el pin 17 del chip LM1889N. Es necesario utilizar la atenuación X10 porque el voltaje es mayor de 5 V, cada división vertical está fijada en 200 mV y el voltaje 0 del canal está abajo. Como el voltaje está dividido por 10 lo que medimos en el visor lo tenemos que multiplicar por 10. La señal comienza aproximadamente a mitad de la cuarta división (3,5 x 200 mV x 10 = 7000 mV = 7 V) y termina al final de la quinta división (5 x 200 mV x 10 = 10000 mV = 10 V). Por lo tanto el voltaje pico a pico es de aproximadamente 3 V. Abajo del visor se indica que el voltaje pico a pico es 333 mV y la frecuencia 4,433 MHz. Midiendo con los marcadores de tiempo se muestra que la frecuencia es 4,43 MHz y el periodo 226 ns. El tiempo de las divisiones horizontales está fijado en 100 ns para poder ver varias ondas. 10 divisiones x 100 ns = 1000 ns. 1000 ns / periodo de 226 ns = 4,424 ondas.

La frecuencia del procesador Zilog Z80A es 3,5 MHz y se puede medir en su pin 6. El voltaje es de 5 V, justo el máximo que permite el osciloscopio, por lo que es mejor utilizar la atenuación X10 y fijar cada división vertical en 100 mV. Como el voltaje está dividido por 10 lo que medimos en el visor hay que multiplicarlo por 10. La señal ocupa 5 divisiones verticales, en total 5 x 100 mV x 10 = 5 V. Abajo del visor se indica que el voltaje pico a pico es 508 mV y la frecuencia 3,499 MHz. Midiendo con los marcadores de tiempo se muestra que la frecuencia es 3,51 MHz y el periodo 285 ns. El tiempo de las divisiones horizontales está fijado en 100 ns para poder ver varias ondas. 10 divisiones x 100 ns = 1000 ns. 1000 ns / periodo de 285 ns = 3,508 ondas.

Por último en la siguiente medición se utilizan los dos canales para mostrar las frecuencias de la subportadora de color PAL y del procesador a la vez. El máximo número de muestras por segundo que permite el canal 2 es la mitad del máximo posible (15 MSa/s). Al utilizar los dos canales el canal 1 también tiene este límite. En la imagen se puede apreciar como algunas ondas están peor dibujadas que al registrar las señales individualmente con el canal 1 y 24 MSa/s. Aún así abajo del visor podemos ver que las frecuencias han sido detectadas correctamente. Dada esta limitación no es recomendable utilizar el canal 2 o ambos canales a la vez para frecuencias altas que requieran más de 15 MSa/s a no ser que necesitemos ver dos señales a la vez.

Esto es lo básico que necesitamos saber para analizar señales electrónicas. En el manual del osciloscopio y del software OpenHantek6022 se puede encontrar más información. Para conocer mejor el funcionamiento de las sondas y su compensación se puede consultar el artículo The Secret World of Oscilloscope Probes.

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