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 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 de un tren de pulsos, por ser repetitivo, es su frecuencia y su nivel. Con estos dos factores se puede conocer su frecuencia. 

En 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 aproximadamente 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. Y en otros casos, podemos querer dos ondas cuadradas, trenes de pulso en cuadratura (desfasados 90º).

En otro tutorial se discutió sobre el multivibrador astable, y se mostró como producir un par de pulsos de reloj complementarios, conocimientos que podemos aplicar aquí. La frecuencia de reloj y su ciclo de función podrían 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 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 la división exacta para lograrlo, veamos como lograrlo.

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) y opera a su frecuencia de línea de 50 Hz.

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, estos 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. 

Se 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.

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. 

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 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, con 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.

Fig. 2.

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. 

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.

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 este circuito de base de tiempos o base de tiempos de línea, se necesitan los siguientes componentes:

• (1) 10K, resistencia de ¼-vatio (marrón-negro-naranja).  

• (1) 4017 CI contador decimal CMOS. 

• (1) 4022 CI del contador octal CMOS. 

• El hilo de montaje de varios colores. 

Construcción.

Utilice el tablero de pruebas para realizar el montaje y conecte cada componente y las conexiones según se aprecia en la figura siguiente. El puente rotulado como 50 Hz se debe cambiar cuando la frecuencia de red sea diferente de 50Hz.

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.

Práctica.

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

Paso 2. Active a 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 60 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 LEDs 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.

Cuando conectó el puente T en la posición mala, para su frecuencia de red, ya notó que L0 no mostró los 60 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.

Las 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.

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