LECCION 2 - LA SEÑAL DE RELOJ PATRON -1/2
 

Lección 2

Los Pulsos de reloj.

Introducción.

En todo laboratorio de electrónica digital que se precie, desde el profesional hasta el más modesto, de un principiante, debe disponer de un equipo generador de pulsos. No se puede realizar un trabajo metódico o un experimento con circuitos digitales, sin disponer de una referencia de tiempo precisa, dicha referencia de tiempo, forma la base para la circuitería digital secuencial. No es necesario que se base en un intervalo de un segundo para cada referencia de tiempo, de hecho puede servir cualquier intervalo, dependiendo de la aplicación. Sin embargo, un segundo es el incremento normal de tiempo usado por la ciencia y es fácilmente derivado de la línea de red  de CA domestica, la que alimenta al equipo.

Definición.

En electrónica, llamamos señal a una tensión que varía su potencial en el tiempo, el medio por el que viaja o se propaga es un factor que ejerce una resistencia al paso de la señal, dependiendo del medio, así se verá influenciada la señal, llegando a disminuir hasta potencial cero, este efecto se llama atenuación. Una señal que viaje por el aire, lo hará en todas las direcciones y alcanzará una distancia que dependerá básicamente de dos factores, la frecuencia y la potencia. La figura de la derecha muestra una parte (pulso) de una señal, el valor de la tensión es un factor de segundo orden que por ahora no nos preocupa.

Un pulso, como el que se aprecia en la imagen anterior, está compuesto por una señal rectangular, la podemos definir como una tensión que parte de 0V sube hasta una tensión digamos de 5V, que se mantiene por un tiempo y de pronto cae a 0V de nuevo (no es muy científica la definición, pero si explicita). La duración de un pulso puede ser muy larga (incluso días) o muy corta (pico segundos o menos).

En electrónica, cuando hablamos de trenes de pulsos, nos referimos a una serie de pulsos continuados por un intervalo de tiempo. Dos factores muy importantes en un tren de pulsos, por ser repetitivo, es la frecuencia de repetición y su nivel. Con estos dos factores, se puede conocer su frecuencia. 

La imagen de la izquierda, nos presenta una primera forma de onda de proporciones marca-espacio del 50:50 que corresponde a lo que se llama una onda cuadrada, en la parte del medio esta proporción aproximada es de 10:1 y por último la proporción es de 1:10 también aproximadamente. No obstante y a pesar del poco parecido, hay que notar que las tres formas de onda tienen la misma frecuencia, todos los pulsos empiezan en el mismo instante. 

En muchos circuitos digitales, nosotros necesitamos un tren continuo y regular de pulsos para controlar el momento adecuado de una secuencia y elegir entre varios circuitos. En algunos casos, necesitaremos dos trenes de pulso separados, uno inverso del otro. En otros casos, podemos querer dos ondas cuadradas, trenes de pulso en cuadratura (desfasados 90º).

En el tutorial uA555, se discutió sobre el multivibrador astable, en el, se muestro como puede producir un par de pulsos de reloj complementarios, conocimientos que podemos aplicar aquí. La frecuencia de reloj y su ciclo de función podrán ser cambiados, ajustando los valores de los dos condensadores de acoplo de los transistores. Hay una limitación sin embargo a esto: la frecuencia en que opera sólo es aproximada; no es muy exacta y está sujeto al envejecimiento de los componentes y a la dependencia del tiempo.

Este no es un problema para muchas aplicaciones, si es un problema serio cuando, dos circuitos separados se comunican entre sí, o cuando se requiere la exacta elección del momento adecuado. En casos así, necesitamos un reloj exacto cuya frecuencia sea conocida y estable. Muchos circuitos y equipos, sobre todo, si son alimentados por baterías, hacen uso de las características naturales de los cristales de cuarzo. No trataremos de éstos ahora, ya que se documentó en el tutorial 'base de tiempos'.

Generador de 1 Hz.

Uno de estos circuitos, es un generador de pulsos. No se necesita realizar un importante desembolso para disponer de un modesto generador fiable de pulsos. Vamos a abordar la tarea de trazar el esquema con el que podamos realizar un sencillo pero no menos eficaz y preciso sistema generador de pulsos de reloj y también de trenes de impulsos de cierta frecuencia. 

Básicamente, se trata de utilizar un oscilador que genere una frecuencia, la cual dividiremos en diferente partes para finalmente lograr un pulso por segundo, de ahí lo de pulsos de reloj. Bien, lo más común es pensar en utilizar una frecuencia que permita su división en partes exactas, para lograrlo, veamos como conseguirlo.

Contemplaremos dos modos de lograr el resultado propuesto. En un principio resolveremos el modelo más económico, con una precisión del 0'02 %. Haremos uso de un sencillo circuito para derivar un par de señales complementarias de reloj, del bobinado secundario de su transformador de alimentación, esto es conocido como reloj de línea, porque se deriva de la línea de tensión alterna (CA) doméstica y opera a su frecuencia de línea de 50 Hz.

Nota. -En Europa, la red de potencia funciona en una frecuencia de 50 Hz. o 50 ciclos por segundo. Es completamente esencial que esta frecuencia se mantenga con precisión, porque, muchos y diferentes generadores eléctricos por todo el continente están conectados a la red y todos vierten su potencia a la red para usarla las empresas y hogares. Para impedir sobrecargar excesivamente los generadores, éstos deben acoplarse en frecuencia y también en lazo cerrado de fase. Un tercer requisito es que sus salidas de tensión deben acoplarse para que ningún generador se encuentre absorbiendo corriente de los otros. El hecho, para lograr esta posibilidad es que está disponible y en uso durante muchos años, hay constantes mejoras que conforma el sistema al supervisar y controlar la tecnología que funciona fácilmente. 

En Norte América, el sistema de red, esencialmente trabaja de la misma manera, pero la frecuencia de línea es 60 Hz. En otras partes del mundo usan una de estas dos frecuencias y por consiguiente pueden usarse equipos eléctricos diseñados para el uso en cada sistema. La mayoría de los países usan una de estas dos frecuencias para sus sistemas de tensión de CA. Porque muchos generadores en diferentes lugares, aportan su tensión a la red de potencia, la frecuencia se mantiene muy precisa y se mantiene bastante estable.-

Así que, encontrará que este reloj de línea, es bastante satisfactorio para una amplia gama de demostraciones prácticas y por supuesto para nuestras practicas y desarrollos.

En la figura 1a, puede verse el esquema con los valores de los componentes, el esquema no es complicado y los resultados son los esperados. Pasemos a describir los dos circuitos integrados que lo componen.

Consta de dos CI CMOS estándar y unos pocos componentes pasivos. El motivo de utilizar la familia COMS, como ya se ha explicado, es debido al mayor rango de tensión de alimentación que, puede funcionar perfectamente entre 3,5V y 18V, su alta impedancia a los parásitos que la hace ideal en la mayoría de los casos y su bajo consumo.

En esencia, el circuito lo forma una resistencia Rs, un diodo zener Dz de 4V7, la resistencia R1 y una puerta del 4093B como inversor. Con los que conformará un escuadrador de impulsos de red después de recortarlos a 4'7V mediante el diodo zener Dz, la salida de la puerta N4, presentará unos impulsos con sus flancos de subida y bajada verticales, del orden de los nano-segundos cuya frecuencia es de 50Hz, la salida de N4 se inyecta a la entrada del divisor 4518B, se trata de un doble divisor decimal, contando el primero por 5 y el segundo por 10, a cuya salida obtenemos la frecuencia de 1Hz. 

esquema del generador de impulsos
Fig. 1a

Dado que no siempre se puede obtener una conexión a la red para obtener los 50Hz, se dispone del segundo circuito para tal efecto aunque no tan exacto, formado por un sencillo oscilador formado por la puerta N1 que, entrega una frecuencia bastante estable a la mencionada cadena de divisores y presenta a su salida una frecuencia que, puede ser variada mediante la resistencia ajustable Rx, permitiendo así, servir para diferentes operaciones en los equipos bajo prueba.

En esta segunda parte, aprovecharemos la puerta N1 del CI 4093, una resistencia variable Rx y un condensador cerámico Cx, construiremos un multivibrador astable, seguido de una segunda puerta N2 como separador, de esta forma la frecuencia que se genere no se verá afectada por la carga a su salida.

Como se ha mencionado, una parte del circuito es un discriminador de impulsos provenientes de la red. Estos 50Hz, se envían a un divisor por 5, formado por 1/2 CI 4518B, cuya configuración nos presenta la salida, por el pin 5 (Q3A), y ésta salida se conecta a su vez a la otra mitad del CI 4518B con la configuración, como divisor por 10, por lo que en la patilla 14 (Q4B), obtenemos un pulso de 1Hz/segundo.

El conmutador Co, permitirá que en la posición 1Hz, presente 1 pulso por segundo y en la posición 50k, la frecuencia que se puede ajustar, aproximadamente hasta los 50 kilociclos, en la salida.

El sinóptico del divisor binario/decimal CD4518B, se puede ver en la siguiente figura 2 y el diagrama de tiempos en la figura 3.

diagrama del CD4518B
Fig. 2.
diagrama de tiempos del CD4518B
Click para ampliar

Fig. 3

 


Segundo método.

La figura 4, muestra cómo extraer la señal de CLK y su inversa CLK, de la línea de red, mediante esta forma de extracción del doble secundario, se mejora el retardo que se introduciría si se empleara una puerta inversora a la salida de CLK, aunque, en algunas aplicaciones no se le de mucha importancia. La salida de CLK de 50Hz se aplica a la entrada del 4022B que es un divisor octal Johnson de 8 salidas más acarreo (CO), según la conexión elegida podremos restablecer la cuenta a 5 o 6, dependiendo de la frecuencia de la línea red. Por consiguiente, la línea de acarreo, no será  una onda cuadrada simétrica, pero tendrá una frecuencia de 10Hz independientemente de la frecuencia de línea alterna. Esta  referencia de 10Hz estará disponible por si la necesitara, pero probablemente no encontrará mucho uso en próximos experimentos. 

Extracción de pulsos de linea
Fig. 4

El segundo CI es un tipo CMOS 4017B contador decimal Johnson. No haremos ninguna conexión, permitiendo su natural secuencia de conteo, para que divida su señal de reloj de entrada simplemente por 10. Esto hará que, produzca señales de salida separadas para cada cuenta, más una onda cuadrada simétrica de salida de un 1Hz como señal de acarreo. Salvo con un algún procedimiento experimental concreto, no estamos interesados en las salidas individuales. Sin embargo, la onda cuadrada de 1Hz sí nos servirá muy bien como una referencia de 1 segundo de tiempo muy exacta que nosotros podemos usar en una amplia gama de próximos experimentos.

Sinoptico del reloj de línea de red.
Fig. 6

En la mayoría de los casos, podríamos usar simplemente dos CI 4017 en lugar de un 4017 y un 4022. Decidimos usar el 4022 como primer divisor, para obtener la frecuencia europea de 50Hz fácilmente y en el caso de una frecuencia de 60Hz, con un simple 'puente', se podrá cambiar esta opción. La señal de salida de acarreo (CO) es normalmente alto, la primera mitad del tiempo de cuenta, entonces baja para la segunda mitad. Los contadores se incrementan en el flanco ascendente de la señal de reloj, la señal de acarreo es absolutamente conveniente como señal de reloj de la etapa siguiente. 

Ahora, si utilizáramos un contador decimal para la primera etapa, la salida de acarreo sería baja para una cuenta completa en 60Hz, pero en 50Hz pasaría a baja, suficiente tiempo para restablecer (resetear) el contador. Esto no es suficientemente fiable. Para evitar este problema, aquí utilizamos un contador octal. Consecuentemente, la salida de acarreo es baja por una cuenta en 50Hz, o dos cuentas en 60Hz. Esto evita cualquier posible problema con los pulsos de reloj estrechos. 

Los componentes.

Para construir y comprobar la eficacia de este simple circuito de base de tiempos o base de tiempos de línea, se necesitan los siguientes componentes:

    • (1) Transformador: primario de 220V y dos secundarios de 6V.

    • (2) 10K, resistencia de ¼-vatio (marrón-negro-naranja).  

    • (2) Diodos Zener de 5'1V 500mA.

    • (1) 4093B CI 4 puertas Trigger-Schmith.

    • (1) 4017B CI contador decimal CMOS. 

    • (1) 4022B CI del contador octal CMOS. 

    • El hilo de montaje de varios colores. 

Construcción.

Utilice el tablero de pruebas para realizar el montaje de prueba y conecte cada componente y las conexiones según se aprecia en la figura siguiente. El puente rotulado como 50Hz, se debe cambiar cuando la frecuencia de red sea diferente de 50Hz por el de 60Hz. Si los resultados le satisfacen, no dude en realizar un circuito impreso que le asegure esta base de tiempos.

Ensamblado del reloj de línea de red CA

Esto, completa la construcción de este circuito experimental. Ahora, verifique su ensamblado cuidadosamente contrastando con la figura de arriba y corrija cualquier error que pueda encontrar. Conecte una resistencia de 270 W y un diodo LED serie en cada línea marcada como L0, L1, L2 y L3, para la práctica que sigue.

Práctica.

Paso 1. Conecte la alimentación a su circuito y observe los cuatro LEDs por unos momentos. ¿Reconoce un modelo de actividad definido por estos LEDs?

Paso 2. Active L0 encendido un período de tiempo de un minuto o dos. ¿Cuántos pulsos ve en un minuto?

Paso 3. Ponga el puente T en la otra posición, cambiará el rango de división del contador 4022. Al moverlo, notará el  comportamiento de los LEDs con el cambio, entonces cuente el número de pulsos por minuto mostrados por L0 después de conectar este puente en la posición cambiada. Devuelva el puente T a la posición correcta una vez hecho este paso.

Paso 4. Mire L3, L2 y L1 de nuevo. ¿Si especificamos que L0, es alto durante la primera mitad de la secuencia de contado y bajo durante la segunda mitad, que salidas de dígitos, 0 a 9, son mostradas por estos tres LEDs?

Cuando haya hecho sus determinaciones, apague la alimentación de su circuito experimental y compare sus resultados con la discusión que sigue.

Discusión.

En el Paso 1, debe de haber notado L0 parpadeó firmemente a un pulso por segundo y era alto sólo la mitad de ese tiempo. Los otro tres LEDs parpadearon brevemente en secuencia, con L2 en alto al mismo tiempo que L0, volviendo de nuevo a bajo cuando L1 es alto.

Cuando cronometró el parpadeo de L0 en el Paso 2, debe de haber encontrado que vio 50 pulsos precisamente por minuto. Si no consiguiera esta cuenta exactamente, usted tenía el puente T, muy probablemente en la mala posición.

Se mostró este punto exactamente en el Paso 3. Primero, cuando quitó el puente T de su posición inicial, todas las cuentas se detuvieron y el cuatro LED permanecía inmutable. Esto es porque, la resistencia de 10K, activa la función de reset o reinicialización del contador 4022 mientras el puente está quitado. Su propósito básico simplemente es prevenir la entrada de reset o reinicialización, permaneciendo el circuito abierto mientras el puente está desconectado.

pines_4017Cuando conectó el puente T en la posición mala, para su frecuencia de red, ya notó que L0 no mostró los 50 pulsos por minuto. Si lo pusiera para 50 Hz en un país de 60 Hz, contaría 72 pulsos por minuto. Si lo pusiera para 60 Hz en un país de 50 Hz, sólo contaría 50 pulsos por minuto. Claramente, el puente T debe ponerse correctamente para la elección exacta del momento adecuado.

Finalmente, en el Paso 4, supervisó los tres dígitos individuales. Desde que se encendieron en la secuencia inmediata, estos eran los dígitos necesariamente secuenciales en la secuencia de contado. También, desde que L2 se encendió al mismo tiempo que L0, éste debe ser la salida del dígito 0. De hecho, estaba viendo los dígitos en el orden 9, 0 y 1.

pines_4022Las figuras muestran las configuraciones correcta de pines del contador decimal 4017 y contador octal 4022. Puede usar éstos, si le gusta, para supervisar todas las salidas de dígitos individuales de estos contadores. El contador octal 4022 es muy similar al 4017, como puede ver, pero las salidas principalmente de dígito están en pines ligeramente diferentes.

Cuando haya completado esta practica, asegúrese de que la alimentación de su circuito experimental la ha apagado. Quite los cuatro puentes conectados a los LEDs y guárdelos para su uso posterior. Deje el resto de su circuitería en su lugar. Este circuito digital es ahora una parte permanente de su experiencia.

A estas alturas, su tablero de pruebas está casi lleno con la circuitería digital de pruebas, mientras no quedando casi ningún trozo para probar más circuitos experimentales. Su próxima práctica terminará de rellenar su tablero de pruebas, no dejando ningún espacio vacío en absoluto.

En vista de esto, debe considerar construir o comprando un sistema de tablero, con las fuentes de alimentación y circuitería de entrada/salida por separado del tablero (típicamente montado en una tabla del circuito impreso). Si usted prefiere no hacer esto, es el momento para conseguir un segundo tablero para pruebas, para que tenga el espacio suficiente de nuevo para construir y montar sus circuitos experimentales.

En la próxima parte desarrollaremos un circuito algo más elaborado, partiendo de dispositivos de fácil adquisición y de bajo coste.


Quién, dedicado a la electrónica digital, no se ha visto alguna vez en la imposibilidad de medir o seguir un proceso, en un equipo que tiene en su laboratorio, quién no ha intentado medir un nivel lógico con su tester o polímetro analógico, incluso con uno digital, el primero por la histéresis que le transfiere el sistema mecánico de la bobina y su muelle y el segundo debido a la velocidad con que operan los sistemas digitales actuales, ambos son inservibles en cierto modo.

Como se ha visto anteriormente en esta lección, en un laboratorio de electrónica digital, es imprescindible disponer de una señal de reloj, además de un generador de trenes de impulsos, un display y un generador manual de impulsos, libre de rebotes mecánicos para poder abordar correctamente la labor de prueba y reparación en su caso, de los equipos electrónicos que nos rodean en la actualidad, ya que todos ellos están gobernados en buena parte, por un sistema digital que nos interesa conocer.

Ahora, presentaremos de nuevo un circuito, con el cual obtendremos alguna de dichas señales y prestaciones, aunque la forma de lograrlas sea un tanto diferente.

Básicamente realizaremos el mismo circuito, debido a que no siempre es posible utilizar el reloj de línea de CA, hemos pensado añadir un oscilador además de unos pocos componentes y unas oportunas variaciones en el trazado de las pistas del circuito impreso y dispondremos de un nuevo y más preciso generador de señales digitales de reloj y listo para el laboratorio personal.

circuito_oscilador_4060_rcEn principio, utilizaremos el circuito de la derecha, con un CI 4060B, se trata como ya se ha descrito en otro artículo, de una cadena de divisores tipo 4017 al que se le ha dotado de unas puertas inversoras que con la aportación de unos componentes discretos externos, podemos constituir un oscilador de bastantes buenas prestaciones, como describiremos.

Los componentes y los valores necesarios están descritos en el propio esquema mostrado. El oscilador interno tan sólo requiere de un condensador externo y una resistencia, en este caso se dispone de R4 y una resistencia ajustable VR1, para aproximarse a la frecuencia deseada, en la salida se ha dispuesto una resistencia que limite la corriente del diodo LED, con el cual tendremos una visión directa de los pulsos obtenidos, el condensador puede ser sustituido por una resonancia cercana a la frecuencia deseada. Ciertamente, este oscilador cubre gran parte de las expectativas que nos hemos propuesto, sin embargo cuando hemos de sincronizar la respuesta entre dos dispositivos que requieran cierta precisión, este circuito puede introducir algún tipo de error, es por esto que se ha pensado en mejorar este circuito inicial.

Cápsula del cristal de cuarzo de un reloj de pulsera. El esquema del circuito, también se describe en el artículo base de tiempos, aquí se desarrollará, para tratar de explicar su funcionamiento y aprovechar sus posibilidades. Necesitaremos un pequeño cristal de cuarzo de los que llevan los relojes de pulsera personales, cualquier reloj en desuso nos servirá, abra la tapa trasera con cuidado y localice una especie de cilindro con dos cortos hilos en uno de sus extremos como el de la derecha, suele estar en un área lateral del círculo del reloj, desuelde con sumo cuidado dichos hilos y guarde en lugar seguro este cristal de cuarzo, luego lo usará para esta práctica.

Circuito_oscilador_4060_xtalEn el circuito de la derecha, destaca el oscilador que se ha construido alrededor de un cristal de cuarzo de 32.768KHz, que oscilará mediante los inversores internos del 4060B, esta frecuencia posteriormente se dividirá por la cadena de divisores que tiene el propio CI. 

Este CI tiene diez salidas con otras tantas frecuencias de las que utilizaremos la que más se adapte a nuestros intereses. Así, seleccionando la patilla de salida adecuada, se aplica a la entrada de un segundo divisor que puede ser el 4022 o 4040, de modo que podamos obtener entre otras las siguientes salidas: 1Hz, 10Hz, 25Hz, 50Hz, 1KHz y 10KHz.

Aprovechando la información que se presenta en el mencionado artículo, podemos construir un equipo con ciertas prestaciones, que nos puede servir para calibrar muchas de las aplicaciones digitales en nuestro laboratorio y sobre todo podemos sincronizar dos eventos que se encuentren distantes.

Proponemos realizar un circuito con el cual, con un 'toque' de un dedo conmutemos una señal, de este modo evitaremos utilizar interruptores mecánicos y aprovechamos las posibilidades de los CI CMOS. Hay muchos circuito que nos permiten este tipo de posibilidades, hemos optado por este, se trata del circuito de la derecha, en él, se ha descrito uno de los cuatro posibles pulsadores controlados por tacto. Los componentes están descritos en el propio esquema, el relé puede ser de un sólo contacto o doble contacto.

Este circuito de conmutación digital utiliza el CI 4001B y con un CI podemos disponer de cuatro conmutadores como el mostrado. Los transistores darlington pueden sustituirse por un  CI como el ULN2003, que dispone de ocho transistores darlington que admiten 0'5 A de consumo, con esto será más compacto el montaje.

En la próxima ampliación trataremos de mejorar esta parte del tema, si alguien desea hacer una aportación de ideas o realizando un circuito que englobe estas ideas u otras, estoy abierto a todos, sólo tienen que indicarlo en el siguiente enlace.

Sus aportaciones técnicas mediante correo-e a este enlace >>
 -admin@hispavila.com?subject=AporteTecnico:-  << Por cierto quite los -guiones-

Tablero de pruebas.

Una aplicación sencilla para construir montajes de prototipos, consiste en conseguir un tablero como el que se muestra debajo y añadir un sistema de alimentación, un generador de pulsos como el descrito más arriba, un pequeño teclado hexadecimal y por supuesto un contador de dos display, todo ello configurado como un equipo de pruebas.

En la imagen anterior podemos imaginar dispuestos unos bornes con los cuales podemos abordar proyectos analógicos con tensiones simétricas así como digitales, un borne con una señal de reloj de 1Hz y una segundo borne con un tren de impulsos, estos son algunos de las más típicos. Este proyecto es fácilmente realizable y será de gran ayuda en nuestras prácticas de electrónica digital o analógica, en innumerables casos nos proporcionará un soporte ante las pruebas de nuevos circuitos o simples prácticas en las que ampliaremos nuestros conocimientos en materia de electrónica.

 Estaría bien como se ha dicho que, el tablero de pruebas formara parte de los dispositivos de laboratorio, unido al resto de equipos antes mencionados compondrían un verdadero tablero de pruebas para laboratorio. 

Para continuar pulsa el botón adecuado >

Los comentarios serán bienvenidos.
Copyright © 2000 All Rights Reserved.

   Creado: Ago. 21, 2000
Revisado: 13-11-2004