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Microcontroladores PIC Controladores y Microcontroladores Un controlador es un dispositivo electrónico encargado de, valga la redundancia, controlar uno o más procesos. Por ejemplo, el controlador del aire acondicionado, recogerá la información de los sensores de temperatura, la procesará y actuará en consecuencia. Al principio, los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos. Más tarde, se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de E/S,… sobre una placa de circuito impreso (PCB). Actualmente, los controladores integran todos los dispositivos antes mencionados en un pequeño chip. Esto es lo que hoy conocemos con el nombre de microcontrolador. Diferencia entre microcontrolador y microprocesador Es muy habitual confundir los términos de microcontrolador y microprocesador, cayendo así en un error de cierta magnitud. Un microcontrolador es, como ya se ha comentado previamente, un sistema completo, con unas prestaciones limitadas que no pueden modificarse y que puede llevar a cabo las tareas para las que ha sido programado de forma autónoma. Un microprocesador, en cambio, es simplemente un componente que conforma el microcontrolador, que lleva acabo ciertas tareas que analizaremos más adelante y que, en conjunto con otros componentes, forman un microcontrolador. Debe quedar clara por tanto la diferencia entre microcontrolador y microprocesador: a modo de resumen, el primero es un sistema autónomo e independiente, mientras que el segundo es una parte, cabe decir que esencial, que forma parte de un sistema mayor. Arquitectura interna de un microcontrolador Como ya hemos visto, un microcontrolador es un dispositivo complejo, formado por otros más sencillos. A continuación se analizan los más importantes. Procesador Es la parte encargada del procesamiento de las instrucciones. Debido a la necesidad de conseguir elevados rendimientos en este proceso, se ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de von Neumann. Esta última se caracterizaba porque la CPU se conectaba con una memoria única, donde coexistían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses. Arquitectura von Neumann En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos. Arquitectura Harvard El procesador de los modernos microcontroladores responde a la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción. Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento del computador es el fomento del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descomponiéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez. Memoria de programa El microcontrolador está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. Como éste siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente. Existen algunos tipos de memoria adecuados para soportar estas funciones, de las cuales se citan las siguientes: - ROM con máscara: se graba mediante el uso de máscaras. Sólo es recomendable para series muy grandes debido a su elevado coste. - EPROM: se graba eléctricamente con un programador controlador por un PC. Disponen de una ventana en la parte superior para someterla a luz ultravioleta, lo que permite su borrado. Puede usarse en fase de diseño, aunque su coste unitario es elevado. - OTP: su proceso de grabación es similiar al anterior, pero éstas no pueden borrarse. Su bajo coste las hacen idóneas para productos finales. - EEPROM: también se graba eléctricamente, pero su borrado es mucho más sencillo, ya que también es eléctrico. No se pueden conseguir grandes capacidades y su tiempo de de escritura y su consumo es elevado. - FLASH: se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero que suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. Son recomendables aplicaciones en las que es necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto. Por sus mejores prestaciones, está sustituyendo a la memoria EEPROM para contener instrucciones. De esta forma Microchip comercializa dos microcontroladores prácticamente iguales que sólo se diferencian en que la memoria de programa de uno de ellos es tipo EEPROM y la del otro tipo Flash. Se trata del PIC16C84 y el PIC16F84, respectivamente. Memoria de datos Los datos que manejas los programas varían continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM estática (SRAM) es la más adecuada, aunque sea volátil. Hay microcontroladores que disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no volátil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte en el suministro de la alimentación no ocasiona la pérdida de la información, que está disponible al reiniciarse el programa. El PIC16F84 dispone de 64 bytes de memoria EEPROM para contener datos. Líneas E/S, recursos auxiliares, programación de microcontroladores. Líneas de E/S A excepción de dos patitas destinadas a recibir la alimentación, otras dos para el cristal de cuarzo, que regula la frecuencia de trabajo, y una más para provocar el Reset, las restantes patitas de un microcontrolador sirven para soportar su comunicación con los periféricos externos que controla. Las líneas de E/S que se adaptan con los periféricos manejan información en paralelo y se agrupan en conjuntos de ocho, que reciben el nombre de Puertas. Hay modelos con líneas que soportan la comunicación en serie; otros disponen de conjuntos de líneas que implementan puertas de comunicación para diversos protocolos, como el I2C, el USB, etc. Recursos auxiliares Según las aplicaciones a las que orienta el fabricante cada modelo de microcontrolador, incorpora una diversidad de complementos que refuerzan la potencia y la flexibilidad del dispositivo. Entre los recursos más comunes se citan los siguientes: - Circuito de reloj: se encarga de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. - Temporizadores, orientados a controlar tiempos. - Perro Guardián o WatchDog: se emplea para provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado. - Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas. - Sistema de protección ante fallos de alimentación - Estados de reposos, gracias a los cuales el sistema queda congelado y el consumo de energía se reduce al mínimo. Programación de microcontroladores La utilización de los lenguajes más cercanos a la máquina (de bajo nivel) representan un considerable ahorro de código en la confección de los programas, lo que es muy importante dada la estricta limitación de la capacidad de la memoria de instrucciones. Los programas bien realizados en lenguaje Ensamblador optimizan el tamaño de la memoria que ocupan y su ejecución es muy rápida. Los lenguajes de alto nivel más empleados con microcontroladores son el C y el BASIC de los que existen varias empresas que comercializan versiones de compiladores e interpretes para diversas familias de microcontroladores. En el caso de los PIC es muy competitivo e interesante el compilador de C PCM de la empresa CCS y el PBASIC de microLab Engineerign, ambos comercializados en España por Mircosystems Engineering. Hay versiones de interpretes de BASIC que permiten la ejecución del programa línea a línea, y en ocasiones, residen en la memoria del propio microcontrolador. Con ellos se puede escribir una parte del código, ejecutarlo y comprobar el resultado antes de proseguir. El PIC 16F84, para que sirve? El PIC es el microcontrolador que fabrica la compañía Microchip. Aunque no son los microcontroladores que más prestaciones ofrecen, en los últimos años han ganado mucho mercado, debido al bajo precio de éstos, lo sencillo de su manejo y programación y la ingente cantidad de documentación y usuarios que hay detrás de ellos. ¿Para qué sirve un PIC? Un PIC, al ser un microcontrolador programable, puede llevar a cabo cualquier tarea para la cual haya sido programado. No obstante, debemos ser conscientes de las limitaciones de cada PIC. Así, el 16F84, PIC que se tratará en este tutorial, no podrá generar un PWM ni convertir señales analógicas en digitales, entre otras. El 16F84 Se trata de un microcontrolador de 8 bits. Es un PIC de gama baja, cuyas características podemos resumir en: - Memoria de 1K x 14 de tipo Flash - Memoria de datos EEPROM de 64 bytes - 13 líneas de E/S con control individual - Frecuencia de funcionamiento máxima de 10 Mhz. - Cuatro fuentes de interrupción - Activación de la patita RB0/INT - Desbordamiento del TMR0 - Cambio de estado en alguna patia RB4-RB7 - Fin de la escritura de la EEPROM de datos - Temporizador/contador TMR0 programable de 8 bits - Perro Guardián o WatchDog Generalmente se encuentra encapsulado en formato DIP18. A continuación puede apreciarse dicho encapsulado y una breve descripción de cada una de las patitas: imagen: - VDD: alimentación - VSS: masa - OSC1/CLKIN-OSC2/CLKOUT: conexión del oscilador - VPP/MCLR: tensión de programación y reset - RA0-RA3: líneas de E/S de la puerta A - RA4: línea de E/S de la puerta A o entrada de impulsos de reloj para TMR0 - RB0/INT: línea de E/S de la puerta B o petición de interrupción - RB1-RB7: líneas de E/S de la puerta B Organización de la memoria del PIC 16F84 Organización de la memoria A continuación podemos ver la organización de la memoria del 16F84: Podemos comprobar como la memoria está dividida en dos bancos (cada una de las columnas): banco 0 y banco 1. Las primeras 12 posiciones de cada banco (00h-0Bh y 80h-8Bh) están ocupadas por los Registros de Propósito Especial (Special Purpose Registers). Estos registros, en los que entraremos en detalle más adelante, son los encargados de controlar ciertas funciones específicas del PIC. Las 68 posiciones siguientes (0Ch-4Fh y 8Ch-CFh) son los denominados Registros de Propósito General, del inglés General Purpose Registers. Éstos son empleados para guardar cualquier dato que necesitemos durante la ejecución del programa. BANCO 0 TMR0: es un temporizador/contador de 8 bits. Puede operar de dos modos distintos: - Temporizador: el registro incrementa su valor en cada ciclo de instrucción (Fosc/4). - Contador: el registro incrementa su valor con cada impulso introducido en la patita RA4/TOSKI. En ambos casos, cuando el registro se desborda, es decir, llega a su valor máximo (en este caso 2^8 = 256. Como el 0 también se cuenta, el máximo valor sería 255), empieza de nuevo a contar a partir del 0, no sin antes informar de este evento a través de la activación de un flag y/o una interrupción. PCL: es el contador del programa. Indica la dirección de memoria que se leerá a continuación. En algunas ocasiones, como el empleo de las tablas, el uso de este registro es imprescindible. STATUS: registro de 8 bits que sirve para configurar ciertos aspectos del PIC. En la siguiente figura se aprecia la disposición de los bits de dicho registro: - RP0: indica el banco de memoria con el que se está trabajando. Cuando vale 0 se selecciona el Banco 0 y cuando vale 1 el Banco 1. PORTA: representación de la puerta A. Cada bit representa una línea de E/S de la puerta A: Como se puede comprobar, los tres bits de mayor peso no representan ninguna línea de E/S, ya que la puerta A sólo tiene 5 líneas de E/S PORTB: lo mismo que la puerta A, pero en este caso con 8 líneas de E/S BANCO 1 TRISA: registro de 8 bits de configuración de la puerta A. Si un bit se encuentra en 1, esa línea de E/S se configura como entrada; si, en cambio, se encuentra a 0, se configura como salida TRISB: lo mismo que TRISA, pero referente a la puerta B. Finalmente cabe destacar el registro W, también conocido como registro de trabajo (del inglés work) o acumulador. Es de vital importancia ya que, entre otras, deberemos usarlo de registro puente para llevar a cabo ciertas operaciones. Instrucciones y circuitería básica del PIC 16F84 Repertorio de instrucciones A continuación veremos algunas de las instrucciones más importantes, o al menos más empleadas en la programación de PICs, en ASM. Las restantes se irán viendo en entregas posteriores según vaya siendo necesario u manejo: - Manejo de registros - clrf f: limpia el registro f, es decir, pone todos sus bits a 0. - comf f,d: complementa el registro fuente f cambia los 1 por 0 y viceversa) y el resultado lo deposita en el destino. Si d = 0 el destino es W y si d = 1, el destino es el registro fuente f. - Manejo de bits - bcf f,b: pone a 0 el bit b del registro f. - bsf f,b: pone a 1 el bit b del registro f. - Brinco - Btfsc f, b: explora el bit b del registro f y salta si vale 0 - Btfss f, b: explora el bit b del registro f y salta si vale 1 - Control y especiales - Goto etiqueta: sitúa el cursor del programa (PCL), en etiqueta Circuitería básica En el siguiente esquema podemos ver la circuitería básica, es decir, el circuito mínimo para que el PIC empiece a funcionar Éste consta básicamente de dos partes: - Alimentación: se emplean para ello dos pines: 14 VDD (tensión positiva) y 5 GND (masa). Se incluye además un pulsador, conectado al pin 4: cuando se introduce un nivel alto de tensión (pulsador abierto) el PIC funciona normalmente y cuando se introduce un nivel bajo (pulsador cerrado) se resetea el PIC. - Oscilación: la lleva a cabo el cristal de cuarzo (de 4 Mhz en nuestro caso) junto con los dos condensadores cerámicos (27pF). Existen otros tipos de osciladores que pueden sernos útiles cuando trabajemos con PICs, pero de momento no los veremos. Nuestro Primer Programa A continuación vamos a desarrollar nuestro primer programa. Éste activará un LED conectado a RB0 siempre que el interruptor conectado a RA0 este cerrado. Para ello vamos a montar el siguiente circuito: En el circuito podemos ver como lo único que hemos añadido al circuito base es un pulsador conectado al pin 17 (RA0), de forma que cuando lo pulsemos se introduzca un cero lógico en el pin y cuando no lo pulsemos se introduzca un uno lógico. Hemos añadido además un LED con su correspondiente resistencia limitadora de corriente en el pin 6 (RB0). De lo que hemos comentado en esta práctica, caben destacar dos cosas: - La elección de los pines ha sido arbitraria: se han escogido éstos, pero podíamos haber escogido otros. No obstante, mientras sea posible es mejor organizar el esquema y el programa, y una forma de hacerlo es agrupando por un lado las entrada (Puerta A) y por otro las salidas (Puerta B). Por la misma razón, hemos escogido el pin 0 de cada puerta, en vez de escoger en un sitio el 3 y en otro el 7, por ejemplo. - En el caso de las entradas, es trivial que cuando se pulse o deje de activar el pulsador se envíe un cero o un uno, pues lo único que queremos es que el PIC pueda detectar un cambio. Así, igual nos da comprobar cuando se envía un cero que cuando se envía un uno, ya que en ambos casos podremos verificarlo. En este caso se ha elegido el cero como activado porque es lo más común. En el caso de las salidas no ocurre lo mismo, ya que en este caso no se trata de detectar un cambio, sino de activar un dispositivo, por lo que se hace necesaria que el PIC "genere" una diferencia de potencial. Así, la forma de indicar al PIC que lo haga es poniendo a uno la salida. Hechas estas aclaraciones, veamos el programa: Comentemos el código. Comentemos el código: - Las tres primeras líneas, cuyo núcleo es EQU, permiten que el compilador interprete a partir de ese momento los nombres de la primera columna con las dirección de memoria de la derecha. El objetivo de estas instrucciones es obvio: facilitar la comprensión del código, ya que es más fácil recordar un nombre que nos sugiere algo que dirección en hexadecimal. - La siguiente instrucción, org 0, no la analizaremos de momento. Simplemente decir que es necesaria para el correcto funcionamiento del programa, ya que indica el comienzo del código. - bsf ESTADO,5 nos permite poner a 1 el bit 5 de ESTADO, con lo que conseguimos acceder al banco 1, donde se encuentran los registros de configuración de las puertas. - clrf PORTA: pone a cero todos los bits del registro porta, con lo que se consigue que dicha puerta se configure al completo como salida. En este caso lo usamos conjuntamente con comf, que transforma los 0 en 1 y viceversa. Así, se consigue configurar la puerta a como entrada. Podríamos usar otros métodos, como movlw 0xFF junto con movwf PUERTAA, pero el primero lo considero más elegante. - clrf PORTB: pone a cero todos los bits del registro PORTB, configurando éste como salida. - bcf ESTADO,5 pone a 0 el bit 5 de ESTADO, volviendo así al banco 0. - Inicio, apagar y encender son etiquetas, cuya utilidad es marcar un punto del programa; así, si queremos volver a ese punto sólo tendremos que hacer referencia a su nombre. - btfsc PORTA,0 sirve para saltar si el bit 0 de PORTA vale 0, es decir, cuando se activó el pulsador. En ese caso, vamos a ENCENDER mediante goto ENCENDER, se pone a 1 el bit 0 de PORTB, que es donde está conectado el led y volvemos a INICIO. Si no está pulsado el interruptor vamos a APAGAR, y hacemos la operación contraria a la anterior. Finalmente volvemos a INICIO. Programación de PICs. Todos los microcontroladores necesitan un circuito grabador, llamado programador, para, valga la redundancia, programarlo. En este caso, los PICs, y más concretamente el 16F84, no es una excepción. El objetivo de este tutorial no es instruir en el manejo de ninguno de estos dispositivos ni facilitar el esquema de alguno de ellos, por lo que no lo haré. En la red se pueden encontrar miles de circuitos de programadores para PICs. Entre ellos destaca el ProPic2, que podréis encontrar en su página ProPic2. También puede hacerse necesario el empleo de un entrenador. Éste es un dispositivo que permite analizar el comportamiento del PIC una vez programado, mediante una serie de entradas y salidas predefinidas. Generalmente incluyen una serie de interruptores y/o pulsadores, una barra de leds y un display de 7 segmentos. Adicionalmente pueden incluir un LCD, motores de corriente continua y paso a paso, zumbadores... Con ello puede verificarse si el microcontrolador se comporta como deseamos antes de la realización de la PCB, que, en caso de no funcionar el circuito, conlleva una importante pérdida de tiempo y de dinero. Algunos entrenadores incluyen programador, por lo que no se hace necesario extraer el PIC del zócalo programador para insertarlo en el entrenador. En el aspecto software, para el 16F84 y demás PICs, Microchip dispone de un software gratuito llamado MPLAB, el cual es un entorno de desarrollo para estos microcontroladores. Dicho entorno de desarrollo incluye un compilador que convierte el código fuente del programa (.asm) en un fichero .hex, listo para pasar al microcontrolador. De esta labor se encarga el software programador, que junto con el circuito de mismo nombre graban el circuito en el micro para que éste funcione según lo que hayamos programado. Existen numerosos programas de este tipo, pero el rey por excelencia en esta categoría es el IC-Prog, que puede descargarse en Ic-Prog Al igual que un caso anterior, el objetivo de este tutorial no es explicar el manejo de ninguno de estos programas. No obstante, es probable que en alguna entrega se introduzcan los conceptos más elementales, imprescindibles para poder desarrollar nuestros programas Bibliografía - Angulo Usategui, José María ; Angulo Martínez, Ignacio. "Microcontroladores PIC. Diseño práctico de aplicaciones. 2ª edición" (1999). Editorial McGraw Hill. Madrid. - http://electronica.webcindario.com/ Te interesa la electronica? Entra a mis otros Post!

Osciladores Los osciladores son dispositivos capaces de repetir dos acciones opuestas en un período regular. Ejemplo: movimiento de un péndulo. Un ejemplo de oscilador en el área de la electrónica, es la variación de la tensión o corriente en un punto específico. Un circuito LC (inductor– capacitor) es capaz de producir esta oscilación a su frecuencia natural de resonancia. Aplicaciones de los osciladores: - Circuitos digitales (reloj) - Transmisión y recepción de radio Hay un tipo de oscilador llamado oscilador realimentado y para que éste oscile debe haber en el circuito una realimentación positiva. Las características de los osciladores realimentados 1.- Amplificación 2.- Lazo de realimentación positiva 3.- Circuito para controlar la frecuencia Un oscilador realimentado es un circuito que usa un amplificador para suministrar la energía necesaria al oscilador y un circuito de realimentación para mantener la oscilación. Es en este circuito de realimentación donde se pierde la energía que tiene que suministrar el amplificador para el continuo funcionamiento del oscilador. Como empieza la oscilación? La tensión de arranque es generada por los mismos componentes del oscilador. Los resistores generan una tensión de ruido que tiene frecuencias senoidales mayores a los 10.000.000.000.000 hertz. Cuando el circuito arranca todas las frecuencias generadas son amplificadas y aparecen a la salida excitando el circuito resonante que responde sólo una de ellas, la cual es realimentada a la entrada del circuito con la fase adecuada para que se inicie la operación. Tipos de osciladores: - Oscilador por corrimiento de fase - Oscilador Armstrong (no muy utilizado debido a su inestabilidad) - Oscilador Hartley - Oscilador Colpits La realimentación positiva - Vi = Tensión de entrada - Vo = Tensión de salida - B = Ganancia del circuito de realimentación - Ao = Ganancia del amplificador con lazo abierto Ao = Vo / Vi (no se toma en cuenta la realimentación). Ver el gráfico - Vf = Tensión de realimentación - Ac = Ganancia en lazo cerrado - BAo = Este producto (B x Ao) se llama ganancia de lazo Para realimentación positiva, la ganancia de lazo cerrado es: Ac = Ao / [1-BAo] Si el producto B x Ao se aproxima a "1", el denominador de la fórmula anterior tiende a "0" y como consecuencia la ganancia de lazo cerrado Ac, tiende al infinito. Estas ganancias tan altas producen oscilaciones. Osciladores por corrimiento de fase Los osciladores por corrimiento de fase utilizan generalmente en la red de realimentación (B) compuesta de componentes pasivos (resistencia y condensadores). Ver el gráfico. En la etapa amplificadora (A), hay un amplificador inversor con amplificador operacional A2, con lo que la señal a su entrada es desplazada 180º. Entondes se puede utilizar una red (B) de tres etapas RC (R1C1, R2C2, R3C3. cada red RC desplaza 60º) para obtener los restantes 180º y así sumar los 360º necesarios. En el gráfico se ve un amplificador A1, que se utiliza para evitar que la red de desplazamiento de fase cargue la entrada del amplificador inversor A2. Esto es así, debido a que el amplificador A1 tiene una alta impedancia de entrada. La salida de A1 tiene la misma fase que su entrada (no desfasa). La frecuencia de oscilación está dada por la siguiente fórmula: El amplificador A2 da la ganancia necesaria para mentener la oscilación y puede ser calculada con la fórmula: Ganacia = - R5 / R4, donde el signo menos significa inversión de fase. Con R2 = 36K y R1=1K, la ganacia es 36. Si la atenuación causada por la red RC, es menor a la esperada, la ganancia de lazo es mayor que 1 (la ganancia en lazo abierto desable es 1). La señal de salida entonces crece hasta que el amplificador amplifica con distorsión. Como la entrada no inversora del amplificador A2 está a tierra y la entrada inversora del mismo amplificador es una tierra virtual, la entrada inversora se mantiene cerca de los 0 voltios. Para evitar que la ganancia sea mayor que 1, se incluyen dos diodos (D1 y D2) que conducen cuando la salida senoidal de A2 en sentido positivo es mayor de 0.7V, y en sentido negativo menor a - 0.7V. Cuando la salida de A2 es aproximadamente 0.7 V, D1 conduce poniendo las resistencias R5 y R6 en paralelo, lo mismo sucede cuando la señal es de aproximadamente de -0.7, D2 conduce poniendo en paralelo las mismas resistencias. Entoces la ganacia de A2 será = (R5//R6)/R4 = (36k//8.2K)/1K = 6.5. Ganancia que es menor a 36 anteriores. Así la tensión de salida será aproximadamente 1.4V pico-pico. Nota: - // significa: en paralelo - A1, A2: amplificadores operacionales de propósito general TI LM348N (4 operacionales) Oscilador Puente Wein: Ganancia, red realimentación Ganancia, realimentación El oscilador puente de Wien es un oscilador utilizado para generar ondas sinusoidales que van desde los 5 Hz a los 5 Mhz. A diferencia del oscilador por corrimiento de fase, tiene menos componentes y el ajuste de la frecuencia de oscilación es más fácil, motivo por el cual es más utilizado. El circuito básico consta de un amplificador y una red de adelando/atrazo compuesto de dos redes RC, una serie y otra paralelo. Los dos valores de resistencias y condensadores son iguales. Ganancia La ganancia del amplificador está dada por las resistencias R1 y R2. La ganancia que debe tener este amplificador debe compensar la atenuación causada por las redes RC (red de realimentación positiva conectada a la patilla no inversora del amplificador operacional). Esta ganancia debe estar por encima de 1 para asegurar la oscilación. La ganancia se obtiene con la primera fórmula. Como la ganancia debe ser mayor que 1, la ecuación se simplifica y se obtiene la segunda fórmula: Ver que para que esto se de, el cociente de R2 y R1 debe ser igual o mayor que 2. Red de realimentación y desfase La salida de la red de realimentación se comporta de la siguiente manera: - Para frecuencias por debajo la frecuencia de oscilación la atenuación es grande y la fase se adelanta 90° - A la frecuencia de resonancia la ganancia de tensión es de 1/3 (máxima) y no hay corrimiento de fase. - Para frecuencias por encina de la frecuencia de oscilación, la atenuación es grande y la fase se atrasa 90°. Oscilador Puente de Wein Frecuencia de oscilación Para lograr la oscilación, es necesario que el desfase o desplazamiento de fase sea 360° o lo que es lo mismo, que el desfase sea 0°. Para deducir la fórmula de oscilación, se siguen los pasos mostrados en la figura. En la primera ecuación se ve que para que esta sea igual a 0, el contenido del paréntesisi debe ser igual a 0. La igualdad de la segunda ecuación permite despejar w y después la frecuencia f. Al final de la simplificación se ve que la frecuencia depende los valores del condensador C y la resistencia R. Recordar que w = 2Pif Un oscilador puente de Wien real Los valores de las resistencias y condensadores de las redes RC, R3 = R4 = 16.2K y C3 = C4 = 0.01uF. También se ve el amplificador inversor con las resistencias R1 y R2 que establecen la ganancia del amplificador. R1 = 10K y R2 está compuesto de una resistencia en serie con un potenciómetro R2 = R + P. La resistencia R = 18K y el potenciómetro P = 5K. El potenciómetro se conecta como resistencia variable y cuando este tiene su valor mínimo, (0 ohmios), el valor de R2 = 18K. Cuando el potenciómetro tiene su valor máximo (5K), R2 = 23K. Con los datos anteriores la ganancia del amplificador varía de 1.8 a 2.3 (mayor a 1) El recuadro formado por el puente de diodos y el diodo zener tiene como objetivo limitar la salida del amplificador operacional a un máximo positivo de 7 voltios y negativo de -7 voltios. El puente de diodos suministra una tensión de 5.6 voltios tanto para el ciclo negativo como para el positivo. Esta tensión sumada a dos caídas de tensión de dos diodos (0.7+0.7=1.4), suman los 7 voltios mencionados. Oscilador Hartley El Oscilador Hartley es un tipo de oscilador muy utilizado en receptores de radio con transistores adaptándose con facilidad a una gran gama de frecuencias. Para su funcionamiento este circuito utiliza una bobina con derivación central. Analizando el diagrama, se ve que el punto de derivación D de la bobina L1, estará puesto a tierra para corriente alterna (c.a.) (a la frecuencia de oscilación) a través del condensador C4. De esta manera se logra que los extremos A y B de la bobina estén 180° fuera de fase (funciona como un inversor). El extremo B se realimenta a la base del transistor a través de C1, haciendo que éste (el transistor) cambie de estado, esto a su vez cambia las polaridades en los extremos de la bobina, repitiéndose el proceso y produciéndose así la oscilación. La función de la bobina L2 es de choque de R.F. y evita que la señal del oscilador pase a la fuente de alimentación. Analizando el funcionamiento de la bobina con derivación y tomando en cuenta que la conexión D (derivación central) está puesta a tierra a través del capacitor C4, las formas de onda en los extremos de la bobina serán: La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por la fórmula: fo = 1 / [2π x ( LC)1/2]. Notas: - C3 puede ser un capacitor variable para ajustar la frecuencia de oscilación - El exponente 1/2 equivale a una raíz cuadrada Oscilador Colpitts El oscilador Colpitts es un tipo de oscilador es muy utilizado en generadores de frecuencia de alta calidad y se usa principalmente para obtener frecuencia por encima de 1 Mhz. Su estabilidad es superior a la del oscilador Hartley. Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos capacitores: C1 y C2. De la unión de estos capacitores sale una conexión a tierra. De esta manera la tensión en los terminales superior de C1 e inferior de C2 tendrán tensiones opuestas. La realimentación positiva se obtiene del terminal inferior de C2 y es llevada a la base del transistor a través de una resistencia y un condensador La bobina L2 (choke) se utiliza para evitar que la señal alterna no pase a la fuente Vcc Este oscilador se utiliza para bandas de VHF (Very High Frecuency), frecuencias que van de 1 Mhz a 30 Mhz. A estas frecuencias sería muy difícil utilizar el oscilador Hartley debido a que las bobinas a utilizar serían muy pequeñas. La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por: fo = 1 / [2π x ( LC)1/2] donde: - C = C1xC2 / [C1+C2] - L = L1 Notas: - R1 puede ser un resistor variable (potenciómetro) para ajustar la magnitud de la señal de la salida que se realimenta a la entrada. - El exponente 1/2 equivale a una raíz cuadrada. Te interesa la electronica? 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Osciladores a Cristal Introducción Las sales de Rochelle tienen la mayor actividad piezoeléctrica. Con una tensión alterna dada, vibran más que el cuarzo o la turmalina. Mecánicamente, son las más débiles porque se quiebran muy fácilmente. Estas sales se han empleado para hacer micrófonos, agujas fonocaptoras, audífonos y altavoces. La turmalina muestra actividad piezoeléctrica mínima, pero es la más resistente de las tres. Es también la más cara. Ocasionalmente se usa en frecuencias muy altas. El cuarzo ocupa un lugar intermedio entre la actividad piezoeléctrica de las sales de Rochelle y la dureza de la turmalina. Debido a su coste y su disponibilidad en la naturaleza, se utiliza ampliamente para hacer osciladores de RF y filtros. El cristal de cuarzo es utilizado como componente de control de la frecuencia de circuitos osciladores convirtiendo las vibraciones mecánicas en voltajes eléctricos a una frecuencia específica. Esto ocurre debido al efecto "piezoeléctrico". La piezo-electricidad es electricidad en las caras opuestas creada por una presión mecánica. De una manera similar, una tensión aplicada en las caras del cristal origina una distorsión mecánica en su superficie. Una tensión alterna produce vibraciones mecánicas cuya frecuencia natural es muy estable, su amplitud tomará valores extremos para ciertas frecuencias. La frecuencia depende de la naturaleza y tallado del cristal, La siguiente figura muestra la ubicación de elementos específicos dentro de una piedra de cuarzo. De los cortes que se pueden hacer, el corte "AT" es el más popular y es fabricado hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura. Por las propiedades mecánicas, eléctricas, y químicas, el cuarzo es el material más apropiado para fabricar dispositivos con frecuencia bien controlada. Por ejemplo en dispositivos que funcionan a altas velocidades, en donde una pequeña variación en la frecuencia pudiera provocar un desfasamiento de la información a procesar. El cristal de cuarzo ha sido utilizado por el humano por más de 100.000 años, El cuarzo está reconocido por su habilidad para producir impulsos eléctricos, Esta electricidad o impulso eléctrico que el cuarzo genera es un recurso muy importante en la tecnología actual. Sonar, computadoras, relojes, aparatos eléctricos, radios y más, utilizan éste increíble recurso de energía del cuarzo, que selecciona y separa una determinada vibración para que pueda ser usada sin la interferencia de otras. El cristal de cuarzo Amplifica: El sonido en micrófonos, bocinas y otras formas de audio y video. Transmite: Todo el espectrum de la luz en lentes ópticos y prismas. Diagnóstica: Médicamente en microscopios y equipo de ultrasonido. Enfoca: La energía en la tecnología del rayo láser utilizado para medir la distancia de los planetas, quemar a través de un muro de acero, para efectuar micro cirugías delicadas. Comunica: Las ondas de frecuencia en todos los rayos y estaciones transmisoras de T.V. Sincroniza: Con precisión el impulso del tiempo en los relojes a través de sus patrones vibratorios. Circuito equivalente y frecuencia resonante Marco teórico: Un oscilador a cristal es básicamente un oscilador de circuito sintonizado que usa un oscilador de cristal piezoeléctrico como circuito tanque resonante. La analogía con los circuitos RLC se hace inevitable (aunque frente a esta comparación, el cristal piezoeléctrico presenta mayor estabilidad de frecuencia, es decir, un pico de resonancia más estrecho que el que podríamos obtener empleando componentes electrónicos comunes). Si bien el modelo del circuitos RLC Serie surge a priori como el indicado para describir el fenómeno, algunas consideraciones acerca del montaje experimental dan lugar a otro modelo algo similar, el de un circuito RLC montado en Paralelo con un capacitor. Tal como se muestra a continuación: Cuando el cristal no está vibrando, es equivalente a una capacidad Cp por estar compuesto de dos placas de metal separadas por un dieléctrico. Cp, recibe el nombre de capacidad del encapsulado. La inductancia L1 y la capacitancia Cs representan los equivalentes eléctricos de la masa y el comportamiento del cristal, mientras que la resistencia R es un equivalente eléctrico de la fricción interna de la estructura del cristal. La capacitancia en paralelo Cp representa la capacitancia debida al montaje mecánico del cristal. Debido a que las perdidas del cristal, representadas por R, son pequeñas, el Q (factor de calidad) equivalente del cristal es alto, por lo general de 20,000. Se pueden lograr valores de Q de casi 10^6 usando cristales. El circuito eléctrico equivalente mostrado anteriormente, puede tener dos frecuencias resonantes. Una condición resonante sucede cuando las reactancias de la rama serie RLC son iguales (y opuestas). Para esta condición, la impedancia resonante en serie es muy baja (igual a R). La otra condición resonante sucede a una frecuencia mas alta, cuando la reactancia de la rama resonante serie es igual a la reactancia del condensador Cp. Esta es una resonancia paralela o condición antiresonante del cristal. A dicha frecuencia, el cristal proporciona una impedancia muy alta al circuito externo. En la siguiente figura se muestra la impedancia del cristal en función de la frecuencia del cristal. Para usar adecuadamente el cristal, debe estar conectado en un circuito que seleccione la baja impedancia en el modo de operación resonante en serie o alta impedancia en el modo de operación antiresonante. Factor de calidad Q, curva de reactancia, frecuencia de resonancia serie y paralelo Factor de Calidad (Q) El factor de calidad (Q) es una medida de la eficiencia de la oscilación. La máxima estabilidad obtenible de un cristal depende del valor de "Q". En la figura de la impedancia del cristal, la separación entre las frecuencias serie y paralelo se llama ancho de banda. Cuanto más pequeño el ancho de banda mayor es el "Q". Cambios en la reactancia del circuito externo tienen menos efecto en un cristal de alto "Q" por lo tanto la frecuencia es en definitiva más estable. A continuación se muestra la curva de reactancia del circuito equivalente para un cristal de cuarzo. La frecuencia de resonancia en serie esta dada por: Y la frecuenta de resonancia en paralelo esta dada por: Donde C es igual a la combinación en paralelo de Cs con Cp. Estabilidad, envejecimiento, tolerancia en frecuencia, potencia de trabajo, frecuencia fundamental y de sobretono Estabilidad del cristal La frecuencia de un oscilador tiende a cambiar ligeramente con el tiempo. Esta deriva se debe a la temperatura, el envejecimiento y otras causas. En un oscilador de cristal, la deriva de la frecuencia con el tiempo es muy pequeña, generalmente menor que 1 ppm (parte por millón) o 0,0001 por 100 por día. Una estabilidad como esta es importante en relojes electrónicos debido a que utilizan osciladores de cristal de cuarzo como dispositivo básico de temporizador. Al utilizar osciladores de cristal en hornos de temperatura controlada, los osciladores tienen una deriva de frecuencia menor que 1 parte por 10 a la 10 por día. Una estabilidad como ésta es necesaria en estándares de frecuencia y de tiempo. Para tener una idea de tu precisión de 1 parte por 10 a la 10 recordemos que un reloj con esta deriva tardaría 300 años en adelantarse o retrasarse un segundo. Envejecimiento El envejecimiento se refiere a los cambios acumulativos en la frecuencia del cristal con el transcurrir del tiempo. Los factores que intervienen son: exceso en la potencia disipada, efectos térmicos, fatiga en los alambres de armado y pérdidas en la elasticidad del cristal. El diseño de circuitos considerando bajas temperaturas ambientales y mínimas potencias en el cristal reducirán el envejecimiento. Tolerancia en la frecuencia La tolerancia en la frecuencia se refiere a la máxima desviación permitida y se expresa en partes por millón (PPM) para una temperatura especificada, usualmente 25° C. Potencia de trabajo (Drive Level) Es la potencia disipada por el cristal. Está normalmente especificada en micro o milivatios, siendo un valor típico 100 microvatios. Frecuencia Fundamental vs. Frecuencia de Sobretono: Esto es de importancia cuando se especifica un cristal. Cuando se incrementa la frecuencia solicitada, el espesor del cuerpo del cristal disminuye y por supuesto existe un límite en el proceso de fabricación. Alrededor de 30MHz, el espesor de la placa del cristal comienza a ser muy delgada. Debido a que el corte "AT" resonará a números enteros impares múltiplos de de la frecuencia fundamental, es necesario especificar el orden del sobre tono deseado para cristales de altas frecuencias. Oscilador discreto de Pierce Circuitos de oscilador de cristal Aunque hay muchas configuraciones distintas para los osciladores utilizando cristales, las más comunes son el discreto y el Pierce de circuitos integrados y el medio puente de RLC. Cuando necesite muy buena estabilidad en la frecuencia y circuitos razonablemente sencillos, el Pierce discreto es una buena opción. Cuando su principal preocupación es el bajo costo y la capacidad de una interfase digital sencilla, será suficiente con un oscilador Pierce utilizando IC. Sin embargo, para la mejor estabilidad de la frecuencia, el medio puente RLC es la mejor opción. Oscilador discreto de Pierce El oscilador de cristal discreto de Pierce cuenta con muchas ventajas. Su frecuencia de operación abarca todo el rango del cristal fundamental completo (desde 1 kHz a aproximadamente 30 MHz) Utiliza circuitos relativamente sencillos que requieren de pocos componentes (la mayoría de las versiones de frecuencia media necesitan solamente un transistor) El diseño del oscilador Pierce desarrolla una alta potencia de la señal de salida mientras que disipan poca potencia en el mismo cristal. Por último, la estabilidad de frecuencia de corto plazo en el oscilador de cristal Pierce es excelente (esto se debe a que en el circuito de entrada de carga Q es casi tan alta como la Q interna del cristal) La única desventaja del oscilador Pierce es que requiere de un amplificador de alta ganancia (aproximadamente 70) En consecuencia, tiene que utilizarse un solo transistor de alta ganancia o hasta un amplificador de etapas múltiples. La figura muestra un circuito para un oscilador discreto de Pierce de 1 MHz. Q1 proporciona toda la ganancia necesaria para que ocurran oscilaciones autosuficientes. R1 y C1 proporcionan un atraso en fase de 65° a la señal de retroalimentación. La impedancia del cristal es básicamente resistiva con un pequeño componente inductivo. Esta impedancia combinada con la reactancia de C2 proporciona los 115° adicionales de atraso en fase. El transistor invierte la señal (cambio de fase de 180°), proporcionándole al circuito los 360° necesarios para el cambio de fase total. Debido a que la carga del cristal es principalmente no resistiva (en su mayor parte la combinación en serie de C1 y C2), este tipo de oscilador proporciona muy buena estabilidad en frecuencia a corto plazo. Desdichadamente, C1 y C2 introducen pérdidas sustanciales y, por consecuencia, el transistor tiene que tener una ganancia de voltaje relativamente alta; ésta es una obvia desventaja. Oscilador Pierce con circuitos integrados Oscilador Pierce con circuitos integrados La siguiente figura muestra un oscilador de cristal Pierce utilizando circuitos integrados (IC). Aunque proporciona menos estabilidad de frecuencia, se puede implantar utilizando un diseño digital sencillo de IC y reduce sustancialmente el costo sobre los diseños discretos convencionales. Para asegurar que empiecen las oscilaciones, se invierte la entrada y salida del amplificador A1 para una operación de clase A. A2 convierte la salida de A1 a una oscilación completa del punto de corte a saturación, reduciendo los tiempos de crecimiento y descarga así como el búfer de la salida de A1. La resistencia de salida de A1 se combina con el capacitor C1 para proporcionar el atraso de fase necesario de RC. Las versiones de CMOS (semiconductor metálico-óxido complementario) operan hasta aproximadamente 2 MHz, y las versiones de ECL (lógica acoplada al emisor) operan hasta 20 MHz. Oscilador de cristal resonante en serie y paralelo Oscilador de cristal resonante en serie: Un cristal excitado en modo resonancia en serie debe ser conectado a la realimentación del circuito en configuración serie. En esta configuración su impedancia más baja se produce para Ws, y de esta manera, el factor de realimentación es mayor. Las figuras presentan dos osciladores con estructura resonante en serie. Como resultado, la frecuencia de oscilación del circuito es estable e insensible a variaciones de los parámetros del circuito. Oscilador de cristal resonante en paralelo Un cristal excitado en modo resonancia en paralelo tiene máxima impedancia a la frecuencia Wp. El cristal de la figura mostrada a continuación en el lado izquierdo actúa como un elemento inductor en un oscilador modificado Colpitts cuya tensión de salida esta acoplada al emisor a través de C1 y C2. El oscilador controlado por cristal Miller de la figura a continuación a la derecha utiliza un circuito LC sintonizado de salida. La máxima tensión de puerta del JFET se produce a la frecuencia Wp del cristal. Osciladores para microcontroladores o microprocesadores y tipo XT Osciladores para microprocesa- dores o microcontroladores Todo microprocesador o microcontrolador requiere de un circuito que le indique a que velocidad debe trabajar. Este circuito es conocido como un oscilador de frecuencia. En el caso del microcontrolador PIC16F84 el pin 15 y el pin 16 son utilizados para introducir la frecuencia de reloj. Existen microcontroladores que tienen su oscilador internamente y no requieren de pequeños circuitos electrónicos externos. El microcontrolador PIC16F84 requiere de un circuito externo de oscilación o generador de pulsos de reloj. La frecuencia de reloj máxima es de 20 Mhz. Algunos osciladores son: Oscilador tipo "XT" (XTal) para frecuencias no mayores de 4 Mhz.: En la imagen siguiente figura se puede observar la configuración del circuito. La condición básica importante para que este oscilador funcione es que los condensadores C1 y C2 deberán ser iguales. A continuación se detallan algunos valores: Frec.de Osc. = Frecuencia de oscilación Oscilador tipo LP (low power), HS (hight speed), TTL Oscilador tipo "LP" (Low Power) para frecuencias entre 32 y 200 Khz Este oscilador es igual que el anterior, con la diferencia de que el PIC trabaja de una manera distinta. Este modo está destinado para trabajar con un cristal de menor frecuencia, que, como consecuencia, hará que el PIC consuma menos corriente. Oscilador tipo "HS" (High Speed) para frecuencias comprendidas entre 4 y 20 MHz: Habremos de usar esta configuración cuando usemos cristales mayores de 4 MHz. La conexión es la misma que la de un cristal normal Oscilador TTL Este tipo de oscilador está basado en un Cristal que contiene toda la circuitería para generar una onda cuadrada. Este ha de ser conectado como si de un generador de señal externa se tratase. Al incluir toda la circuitería esto lo convierte en la opción más costosa; pero representa la forma más práctica por la cantidad de conexiones y por la precisión en la señal de reloj emitida. En la imagen de la siguiente figura se muestra como debe conectarse al microcontrolador y las características del cristal. Estos tipos de cristales están diseñados especialmente para tecnologías TTL. La frecuencias disponibles para esta versión de cristal son muy amplias y las mas usuales son 1 - 1.8432 - 2 - 4 - 8 - 10 - 11.059 - 12 - 14.31818 - 16 - 20 - 25 - 32 - 33 - 40 - 50 - 80 y 100 Mhz. FUENTE: Jonathan López [email protected] Te interesa la electronica? Entra a mis otros Post!