ELECTRÓNICA DIGITAL
Laboratorio nro 5
TEMPORIZADORES Y GENERADORES DE CLOCK
1.- Competencias especificas de la sesión
- Implementación de circuitos temporizadores.
- Implementación de circuitos generadores de clock.
- Implementación de circuito contador utilizando temporizadores y generadores de clock.
2.- Contenido a tratar
- Circuitos Temporizadores
- Circuitos Generadores de Clock.
- Aplicaciones con contadores.
3.- Materiales y Equipo
- Entrenador para Circuitos Lógicos
- PC con Software de simulación.
- Guía de Laboratorio. El trabajo se desarrolla de manera GRUPAL.
3.- Marco Teórico
Osciladores Astable:
Un astable es un
circuito multivibrador que no tiene ningún estado estable, lo que
significa que posee dos estados inestables entre los que conmuta, permaneciendo
en cada uno de ellos un tiempo determinado. La frecuencia de conmutación
depende, en general, de la carga y descarga de condensadores. Entre sus
múltiples aplicaciones se cuentan la generación de ondas periódicas (generador
de reloj) y de trenes de pulsos.
Funcionamiento:
Al aplicar la tensión de
alimentación (Vcc), los dos transistores iniciaran la
conducción, ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las
resistencias R-2 y R-3, pero como los transistores no serán exactamente
idénticos, por el propio proceso de fabricación y el grado de impurezas del
material semiconductor, uno conducirá
antes o más rápido que el otro.
Supongamos que es
TR-1 el que conduce primero. En estas condiciones el voltaje en su colector
estará próximo a 0 voltios, por lo que C-1
comenzará a cargarse a través de R-2, creando al principio una muy pequeña
diferencia de potencial entre sus placas y, por tanto, trasladando el voltaje
próximo a 0 hasta la base de TR-2, que se pondrá en corte. Cuando el voltaje en
C-1 alcance los 0,6 V, TR-2 comenzará a conducir, pasando la salida a nivel
bajo (tensión próxima a 0V). C-1, que se había cargado vía R-2 y unión
base-emisor de TR-2, se descargará ahora provocando el bloqueo de TR-1.
C-2 comienza a cargarse vía R-3 y al alcanzar la tensión de 0,6 V provocará nuevamente la conducción de TR-1, la descarga de C-1, el bloqueo de TR-2 y el pase a nivel alto (tensión próxima a Vcc (+) de la salida Y).
A partir de aquí la secuencia se repite indefinidamente, dependiendo los tiempos de conducción y bloqueo de cada transistor de las relaciones R-2/C-1 y R-3/C-2. Estos tiempos no son necesariamente iguales, por lo que pueden obtenerse distintos ciclos de trabajo actuando sobre los valores de dichos componentes.
C-2 comienza a cargarse vía R-3 y al alcanzar la tensión de 0,6 V provocará nuevamente la conducción de TR-1, la descarga de C-1, el bloqueo de TR-2 y el pase a nivel alto (tensión próxima a Vcc (+) de la salida Y).
A partir de aquí la secuencia se repite indefinidamente, dependiendo los tiempos de conducción y bloqueo de cada transistor de las relaciones R-2/C-1 y R-3/C-2. Estos tiempos no son necesariamente iguales, por lo que pueden obtenerse distintos ciclos de trabajo actuando sobre los valores de dichos componentes.
Oscilador
Monoestable:
El monoestable es un circuito multivibrador que
realiza una función secuencial consistente en que al recibir una excitación
exterior, cambia de estado y se mantiene en él durante un periodo que viene
determinado por una constante de tiempo. Transcurrido dicho período, la salida
del monoestable vuelve a su estado original. Por tanto, tiene un estado estable
(de aquí su nombre) y un estado casi estable.
Funcionamiento:
Al aplicar la tensión de
alimentación (Vcc), los dos transistores iniciarán la
conducción, ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las
resistencias R-2 y R-3, pero como los transistores no serán exactamente
idénticos, por el propio proceso de fabricación y el grado de impurezas del
material semiconductor, uno conducirá
antes o más rápido que el otro.
Supongamos que es
TR-2 el que conduce primero. El voltaje en su colector estará próximo a 0 voltios (salida Y a
nivel bajo), por lo que la tensión aplicada a la base de TR-1 a través del
divisor formado por R-3, R-5 , será insuficiente para que conduzca TR-1. En
estas condiciones TR-1 permanecería bloqueado indefinidamente.
Pero si ahora aplicamos un impulso de disparo de nivel alto por la entrada T, el transistor TR-1 conducirá y su tensión de colector se hará próxima a 0 V, con lo que C-1, que estaba cargado a través de R-1 y la unión base-emisor de TR-2, se descargará a través de TR-1 y R-2 aplicando un potencial negativo a la base de TR-2 que lo llevará al corte (salida Y a nivel alto) . En esta condición la tensión aplicada a la base de TR-1 es suficiente para mantenerlo en conducción aunque haya desaparecido el impulso de disparo en T.
Seguidamente se inicia la carga de C-1 a través de R-2 y TR-1 hasta que la tensión en el punto de unión de C-1 y R-2 (base de TR-2) sea suficiente para que TR-2 vuelva a conducir y TR-1 quede bloqueado. La duración del periodo cuasi estable viene definido por los valores de C-1 y R-2.
Pero si ahora aplicamos un impulso de disparo de nivel alto por la entrada T, el transistor TR-1 conducirá y su tensión de colector se hará próxima a 0 V, con lo que C-1, que estaba cargado a través de R-1 y la unión base-emisor de TR-2, se descargará a través de TR-1 y R-2 aplicando un potencial negativo a la base de TR-2 que lo llevará al corte (salida Y a nivel alto) . En esta condición la tensión aplicada a la base de TR-1 es suficiente para mantenerlo en conducción aunque haya desaparecido el impulso de disparo en T.
Seguidamente se inicia la carga de C-1 a través de R-2 y TR-1 hasta que la tensión en el punto de unión de C-1 y R-2 (base de TR-2) sea suficiente para que TR-2 vuelva a conducir y TR-1 quede bloqueado. La duración del periodo cuasi estable viene definido por los valores de C-1 y R-2.
Monoestables
integrados:
Se encuentran monoestables
integrados en varias familias lógicas,
tanto TTL (9601, 74121 y otros) como CMOS (4047, 4528,
...). Son circuitos que comprenden parte analógica, que es la generación del pulso,
y parte digital, que proporciona varias funciones
lógicas entre las entradas y las salidas digitales.
La precisión de la
temporización depende de la parte analógica, que suele consistir en un
generador de corriente que carga un condensador C (externo) y
un comparador de tensión. Muchas veces el
generador de corriente sólo es una resistencia R (externa o interna)
conectada a Vcc. La duración del pulso es función de R·C, aunque la
dependencia exacta depende del modelo. Entonces, las tolerancias
de R y C aparecen directamente como errores en la duración
del pulso, así como sus variaciones con la temperatura. Además es la parte más
sensible al ruido.
La parte digital les añade
distintas prestaciones, produciendo diversos tipos de monoestables:
·
Restaurable o resetable: Una entrada
de reset permite interrumpir el pulso en cualquier momento, dejando
el dispositivo preparado para un nuevo disparo.
·
Redisparable (retriggerable): Permite
reiniciar el pulso con un nuevo disparo antes de completar la temporización.
Digamos que se tiene un temporizador de 4 ms, pero a los 2 ms de iniciado el
pulso se realiza un nuevo disparo; la duración que se obtiene es de 2 + 4 = 6
ms. Los monoestables no redisparables sólo permiten el disparo cuando
no existe ninguna temporización en curso. Es decir, en el ejemplo anterior
ignoraría el segundo disparo y se obtendría un pulso de 4 ms solamente.
·
Monoestable-Multivibrador: Son monoestables
dobles (Dos, normalmente independientes) en la misma cápsula que permiten su
conexión de forma que el fin del pulso generado por uno de ellos dispara al
otro. Permiten el control preciso e independiente de los tiempos alto y bajo de
la señal de salida.
·
Para temporizaciones largas, se añaden
contadores a un multivibrador que prolongan la duración del pulso. Por ejemplo,
el ICM7242.
El uso de monoestables en
circuitos digitales está fuertemente desaconsejado, ya que añaden
imprecisiones debidas a los componentes analógicos, mayor sensibilidad al ruido
y a fuertes golpes , y aumentan el consumo en niveles altísimos y el tamaño es
demasiado grande. En su lugar se utilizarán contadores digitales que generen
las temporizaciones a partir de un reloj de referencia.
Otros Monoestables:
Además de los circuitos anteriores, existen circuitos con
una parte digital muy reducida, que se pueden utilizar bien como monoestables o
como multivibradores y existen tanto en tecnología bipolar como cmos. El NE555 es el paradigma
de este tipo de circuitos.
Multivibrador
monoestable con amplificador operacional:
Inicialmente el
operacional, por sus propias imperfecciones físicas, generará aleatoriamente
una pequeña diferencia entre sus terminales, la cual rápidamente se regenerará
a través de la realimentación del operacional, haciendo que éste entre en
saturación alcanzando un estado estable indefinidamente.
Si se inyecta una señal
cuadrada a la entrada del disparador, compuesto por R4, C2 y D2, se producirá
un impulso negativo en el terminal no inversor.
Si inicialmente el
circuito se encontraba en modo de saturación positiva el pulso establecerá una
diferencia entre los terminales suficiente para cambiar el modo a saturación
negativa, a partir de este momento el multivibrador entra en un estado
"cuasi estable". El condensador C1, fijado a la tensión del diodo D1,
comenzará una descarga tratando de alcanzar el voltaje de saturación negativa,
pero al superar negativamente el valor del divisor de tensión entre R1 y R2,
conmutará nuevamente a saturación positiva. El condensador volverá a cargarse
con una constante de tiempo C1*R3 buscando el voltaje de saturación positiva
hasta encontrar el voltaje del diodo D1, permaneciendo estacionado en ese valor
hasta la generación de un nuevo pulso.
Es importante resaltar dos
intervalos de tiempo: el tiempo de modo "cuasi estable" y el tiempo
de recuperación del condensador. La generación de un nuevo pulso debe respetar
la suma de estos dos intervalos, de lo contrario podría no obtenerse los
resultados esperados.
4.- Simulación
5.- Evidencias de trabajo
6.- Vídeo
7.- Observaciones y Conclusiones
Observaciones:
- · Hubo algunos componentes en mal estado por lo que se tuvo que reemplazar por otro en algunos maletines.
- · Los componentes electrónicos más necesarios hubo en escasas cantidades por lo que tuvimos que pedir prestados a otros grupos.
- · El módulo Lukas propoboard tenía algunos defectos.
Conclusiones:
- · Se llego a identificar las aplicaciones de la Electrónica Digital.
- · Se llego a describir el funcionamiento de las unidades y dispositivos de almacenamiento de información.
- · Se logro implementar los circuitos de lógica combinacionales y secuenciales.
- · Se logro implementar los circuitos correctamente el software de simulación.
- · Se implemento el oscilador monoestable.
