Base de Tiempos Patron

BASE DE TIEMPOS PATRÓN

Introducción.

Cuantas veces nos hemos visto como técnicos, en la necesidad de disponer de un generador de señal con una frecuencia conocida para un trabajo. Cuando hemos de reparar un equipo digital, algunas veces se necesita disponer de un pulso con la característica de ajustarse al tiempo real y además otra con una frecuencia algo mayor como de 10Hz o incluso más, o si alguien quiere montar un reloj con algunas prestaciones, en muchos casos se ve en la necesidad de disponer de un generador de impulsos precisos calibrado y con diferentes salidas de frecuencia, lo que se llama una base de tiempos. En esta ocasión, vamos a abordar este interesante tema.

En muchos circuitos digitales, necesitamos un tren de pulsos regular y continuo para el control de tiempos de varios circuitos. En algunos casos, queremos dos trenes de pulsos separados, uno inverso del otro.  En otros casos, podemos necesitar dos trenes, pulsos de onda cuadrada en cuadratura (desfasadas 90°). En otro tutorial el multivibrador astable se mostró cómo se puede producir un par de pulsos del reloj complementarios.

Sin lugar a dudas podríamos utilizar un microcontrolador, pero considero que no todos pueden disponer de esta tecnología y doy por supuesto que los circuitos CMOS, sí están al alcance de muchos técnicos y aficionados a la par de que estos resultan más didácticos.

El tema de cómo extraer una línea de 1 Hz de la línea de tensión domestica, ya se abordó en la lección 2 de electrónica, allí se desarrolló el tema con bastante detalle, ahora, describiremos otro método para obtener el mismo resultado con el que además tendremos la posibilidad de extraer otras frecuencias si nos interesarán.

Nos planteamos utilizar un cristal de cuarzo, de bajo coste, algunos circuitos integrados de la familia CMOS y con un poco de tiempo dispondremos fácilmente de una base de tiempos de gran precisión, la del cristal de cuarzo. A dicho dispositivo (base de tiempos) lo dotaremos de tantas salidas calibradas como deseemos. La gama de frecuencias en la que se puede operar con este dispositivo como se verá, cubre la mayoría de las necesidades que se puedan presentar a la hora de experimentar y reparar cualquier equipo a nuestro alcance. Incluso nos puede servir para crear un cronómetro.

El Circuito.

El esquema básico se muestra debajo, en principio utilizaremos el cristal de cuarzo que se describe más abajo, nos serviremos del esquema inicial, en el que el 4060B nos permite realizar un oscilador y con la cadena de divisores internos obtendremos distintas salidas entre las que escogeremos la más adecuada a nuestros intereses, este es el esquema:

Fig. 01- Esquema del circuito 4060 con cristal de cuarzo.
Fig. 01

En este esquema, pueden apreciarse las 10 salidas que dispone el CI 4060B, la salida seleccionada (Q14), se aplica a la entrada de un divisor 4013B y la salida a un segundo divisor, de modo que  podamos obtener distintas frecuencias de salida: 1Hz, 10Hz y 100Hz.


Fig. 02- Esquema del generador de tiempos.

En el esquema de la figura 02, puede apreciarse como se decía, la gran sencillez del circuito. En esta figura, el único componente que puede calificarse de un tanto sofisticado, es el cristal de cuarzo, y como se verá, no implica ningún extra este cristal de cuarzo, el que aquí vamos a utilizar. En cuanto a los CI, el 4060B es un divisor de 14 registros con un oscilador interno y con las posibilidades presentadas por el divisor 4518B, tenemos todos los elementos activos.

La Precisión.

Algún lector puede pensar que con un simple oscilador a cuarzo de 1MHz se puede obtener una frecuencia patrón y la precisión obtenida sería más que suficiente. Quien haya intentado este sistema recordará con tristeza la cruda realidad y al final la 'precisión' de ese oscilador o mejor dicho la imprecisión es de 100 ppm (partes por millón) o en porcentaje del 0' 01% ya que la frecuencia de un oscilador de 1MHz bien ajustado varía entre 999.900 y 1.000.100 Hz. Máxime si no se dispone de un frecuencímetro dotado de un oscilador patrón muy estable, es difícil ajustar un oscilador de cuarzo como el descrito, para conseguir una salida de 1Hz/segundo.

El oscilador que aquí se propone, generalmente tiene una deriva de menos de 1 segundo al día o sea, un segundo cada 86.400 segundos, lo que representa una precisión cercana al 0' 001%, en otras palabras, 10 veces mejor que en el caso de un cristal de cuarzo de 1 MHz.

De todos es sabido que los actuales relojes de pulsera y casi estoy por decir, todos los que se hacen hoy en día, utilizan un pequeño cristal de cuarzo. La cuestión ahora es, conseguir un reloj de pulsera o del tipo que sea, por supuesto electrónico, los mecánicos, pues son bonitos si funcionan, y ... mejor, para los nostálgicos. Ver imagen.

Por qué, utilizar este tipo de cristal, muy sencillo, estos cristales habitualmente suelen tener bastante precisión y oscilan en su frecuencia fundamental a 32.768KHz. Esto unido a la precisión comentada anteriormente, es lo que nos hace decidir por este tipo de oscilador, esta frecuencia es un múltiplo de 2 y ésta es la clave de utilizar este tipo de cristal de cuarzo para nuestra base de tiempos patrón.

Es cierto que algunos cristales de cuarzo de estos oscilan a frecuencias más elevadas múltiplo de ésta, como 32.768KHz, en este caso será suficiente que oscile en la submúltiplo que hemos mencionado, ya que necesitaríamos disponer una cascada de divisores para conseguir el propósito. El circuito correspondiente con sus salidas se muestra al final del artículo.

¿Ya conseguimos el cristal? Ahora, es cuestión de adquirir un circuito CMOS del tipo CD4060B. Este dispositivo tiene la particularidad de llevar incorporado un oscilador interno de precisión que mediante una red RC (un resonador) o cristal de cuarzo externo (nuestro caso), ataca a una cadena de 14 divisores con acarreo y con sus respectivas salidas. Esto nos permite disponer de otras tantas tomas de frecuencia o datos, en concreto, son diez (10) salidas, Q4, Q5,... a Q14, saltándose la Q11, esto es más que suficiente para extraer los pulsos de señal que mejor le convenga en cada momento al diseñador. Este es el diagrama interno del 4060B.

Por otra parte, el circuito integrado CD4020B, es un contador binario compuesto por 14 registros, de los que podemos elegir el que más nos interese, también puede utilizarse el 4040B, con similares posibilidades.

Sin embargo vamos a utilizar el CI 4518B, debido a que en la misma cápsula contiene dos contadores BCD, mediante los cuales podemos obtener distintos divisores, en nuestro caso los conectaremos para obtener un divisor por 100 a cuya salida se tendrá la frecuencia de 1 Hz.

En caso de utilizar este circuito para la construcción de un reloj, para la puesta en hora, se puede igualmente extraer una segunda señal que debe ser de alrededor de diez ciclos/segundo más o menos, como señal de avance o retroceso rápido y cuando estemos cerca de la hora deseada, con el de pulso por pulso haremos la aproximación final.

Nota. Si en alguna ocasión se ha de utilizar este sistema, no conviene utilizar cristales de mucho más de 20Mhz. ya que en ese caso, si se rebasa la frecuencia de trabajo del circuito integrado, éste puede entrar en avalancha y estropearse o bien dejar de oscilar por exceso de frecuencia.  Hay que recordar, también aquí, que el consumo de un circuito digital, es directamente proporcional a la frecuencia de trabajo, y de igual forma, se verá afectado por la temperatura debido al aumento de frecuencia, pudiendo deteriorarse por dicho motivo.

Espero que haya quedado claro el tema, en caso de dudas, póngase en contacto con el autor, que tratará de resolver en la mayor brevedad, las posibles dudas.

Ahora, vamos a abordar la construcción de la placa de circuito impreso. Para ello, necesitaremos disponer de una placa de fibra de vidrio virgen, para un mejor rendimiento,  ya que no se alterarán las condiciones de trabajo debido a la humedad ambiente entre otros.

Para su construcción, es cuestión de seguir las 'pistas' una a una y trazarlas siguiendo punto por punto todos y cada uno los puntos de conexión a los que se refiere según el esquema de la figura 01 y 02. Ciertamente no es un esquema complejo. No obstante vamos a intentar ayudar en lo posible al que decida hacer el montaje. El aspecto del montaje se aprecia en la foto de la derecha.

 

Los componentes

Los componentes necesarios se encuentran fácilmente en los comercios del ramo.

      1 R1 - resistencia de 10 MW
      1 C1 - condensador cerámico de 22pf
      1
    C2 - condensador ajustable de 2 a 22 pf
      1
    C3 - condensador electrolítico de 200µf/25V
      1 Cx -
    cristal de cuarzo de 32.768KHz.
      1 CI1 -
    CD4060B
      1 CI2 - CD4013B
      1 CI3 - CD4518B

 

Ensamblado.

Para ensamblar los componentes, como siempre, es conveniente empezar por insertar todas las resistencias, seguiremos por insertar los condensadores cerámicos y electrolíticos, luego, los zócalos y luego los transistores si los hubiera, dejando para el final los circuitos integrados por se los componentes más delicados. 

Atención, cuando tenga que soldar las patillas de un circuito integrado, debe respetar al máximo que la temperatura no alcance la cápsula, para lograr en lo posible esto, empiece por tener muy limpia la punta del soldador, procure que no sea de más de 15 W o 25 W, y dentro de lo posible haga la soldadura lo más rápido que pueda, no debe superar los 350ºC (piense que el estaño funde a los 340ºC), esto quiere decir que el tiempo de contacto entre la punta del soldador, el estaño y la patilla con la pista, no debe superar los 2 segundos. 

Esto es el primer paso, para evitar que se acumule la temperatura en el cuerpo del circuito integrado, procure soldar las patillas a intervalos y alternadas entre un extremo y el otro, usted mismo debe controlar que la temperatura de la cápsula no sea muy alta mediante el tacto de la misma, debe poder soportar la temperatura de la cápsula con su dedo. A la hora de insertar el circuito integrado, asegúrese de insertarlo en la dirección adecuada, haciendo coincidir la patilla 1 del lado de la muesca, con la correspondiente en la patilla 1 de la placa de circuito impreso, piense que todos hemos puesto alguna vez un circuito integrado invertido, sufriendo las consecuencias que puede imaginar. 

Revise ocularmente que no hay errores de conexión ni cruces de pistas o los temidos micro cortes de construcción por ser difíciles de encontrar, para evitar en lo posible este efecto, debería platear o estañar las pistas, si opta por estañar las pistas hágalo con sumo cuidado evitando sobre pasar la temperatura para no desprender las pistas, empiece por cubrir con alguna pasta decapante para que el estaño corra rápido.

Por último vamos a aplicar la tensión de alimentación entre los terminales +Vcc y -Vdd. Si utiliza zócalos para los CI, no los inserte hasta asegurarse que no hay errores. Los pulsos de reloj se pueden recoger entre cualquier salida y masa. Mediante un frecuencímetro podrá calibrar el prototipo, con sólo ajustar el condensador C2, hasta obtener 1Hz. en la salida correspondiente. 

Si no dispone de un frecuencímetro, el ajuste no será tan fiable pero entonces debe hacer con sucesivos ajustes de calibrado por comparación con un reloj y los resultados que obtenga de la punta lógica con la cual puede tener una idea aproximada de la señal de salida, cuando haya realizado no menos de diez aproximaciones de calibrado, puede que tenga un 85% de seguridad en la exactitud. Es conveniente que lea el tutorial sobre procedimientos de trabajo. 

NOTAS.  

Dado la insistencia en algunas consultas hechas por los lectores interesados en este proyecto de la base de tiempos, sobre el motivo de la existencia de una resistencia de 10MW en paralelo con el cristal de cuarzo, aclararé que ésta resistencia tiene la finalidad de estabilizar la frecuencia a la que oscila el cristal, evitando en lo posible que se sature o entre en auto oscilación fuera de la frecuencia fundamental, mejorando así su funcionamiento. Cierto que sin ella sigue funcionando, pero se comprometen su estabilidad y precisión, cosa muy importante en este caso.

Puede añadirse un diodo led y una resistencia a la salida de 1Hz para disponer de una respuesta óptica de su funcionamiento.

Atendiendo las normas establecidas, sobre los esquemas , aclararemos que, dos líneas que se cruzan en un esquema, eléctricamente estarán aisladas entre sí. En cambio, una línea que termina al encontrarse perpendicularmente con otra, habitualmente, significa que ambas están conectadas eléctricamente entre sí. En la mayoría de los casos, salvo raras excepciones, nosotros trazaremos un punto de mayor espesor en cada uno de los casos en que los mencionados cruces sean conexiones eléctricas y dejaremos que se crucen sin más cuando no haya conexión entre ambas líneas, tratando de mejorar la legibilidad de los esquemas, hago hincapié en que se trata de esquemas no el circuito impreso, en cuyo caso no puede haber cruces físicos.

Para un mayor conocimiento de cómo trazar un circuito impreso recomendamos se dirija al glosario, donde encontrará un tutorial que le guiará paso a paso.

La sencillez del montaje es patente, y su puesta a punto es igualmente sencilla, en cuanto a su ajuste, se recomienda si es posible utilizar un frecuencímetro para su calibración, para lo cual, bastará con controlar la frecuencia en patilla 7 del CD4060, cuya frecuencia debe ser: 

La frecuencia fundamental del cristal 32768KHz, en Q4 (patilla 7), nos dará (click para respuesta) por lo que nos permitirá saber si el cristal esta oscilando en su frecuencia fundamental, si esto es así, podemos dar por concluida la calibración y podremos asegurar que tenemos una base de tiempos con una estabilidad relativa a la calidad del cristal de cuarzo, que suele estar en torno al 0'001 %. En caso de no disponer del citado frecuencímetro, recomiendo que se proceda a una serie de sucesivas pruebas de calibrado por aproximación, lo que puede ser algo lento pero igualmente puede lograr una relativa precisión como ya se ha comentado arriba.

Otros tutoriales o manuales que tienen relación con este tema:

Circuito integrado 4060.
Circuito integrado 4518B
Circuitos temporizadores de precisión (próximamente).
Circuitos impresos.

 27-11-04.- Se ha modificado el esquema inicial dados los problemas que presentaba su 'ajuste' para lograr la frecuencia de 1Hz/s, sustituyendo el CI 4013B por el 4518B que se adapta mejor.

En un próximo tratado sobre el tema, aprovecharemos este proyecto (montaje), para completarlo con otros y mejorar su utilización.

Los componentes están disponibles en el comercio de su ciudad.

Fecha de actualización: 27-12-2004