PRÁCTICA 10. GENERACIÓN DE RELOJ 1. Objetivo El objetivo de esta práctica es estudiar un circuito analógico básico en cualquier sistema electrónico: el generador de reloj. Para el desarrollo de la práctica se utilizará el circuito oscilador NE555 para generar la señal de reloj. 2. Material necesario La práctica se realizará en los laboratorios del Área de Tecnología Electrónica del edificio de Talleres y Laboratorios L2 de la Escuela, donde se hará uso de: Placa de pruebas Oscilador NE555 Resistencias de 2K2Ω y un potenciómetro de 10KΩ Condensador de 1 µf Fuente de alimentación 3. Conocimientos previos El alumno debe conocer leer y comprender todos los conceptos explicados en esta memoria. Además, debe haber buscado en internet, tener impreso y leído el datasheet del integrado NE555 disponible en el siguiente link: http://www.fairchildsemi.com/ds/lm/lm555.pdf 4. Introducción teórica En un sistema digital se emplea la señal de reloj, que se define como aquella que marca el cambio en los estados de un sistema digital síncrono. Suele ser una onda cuadrada con 50% de ciclo de trabajo (duty cycle) y una frecuencia fija y constante. Los circuitos digitales que emplean la señal de reloj pueden ser activos a su flanco positivo o bien al negativo. Los sistemas analógicos y mixtos emplean como generadores de reloj dispositivos que sintetizan onda senoidales, para evitar los armónicos de alta frecuencia de la onda cuadrada que pueden interferir en el comportamiento de estos sistemas. 4.1 Clasificación de los generadores de reloj La señal de sincronía (o más correctamente referencia temporal) proviene de un dispositivo denominado "generador de reloj", distinguiéndose: a) Oscilador armónico o lineal: Genera una señal senoidal, se basa en un amplificador realimentado mediante un filtro tal como se muestra en la figura 1. 1
Cuando el sistema se conecta a la alimentación sólo existe ruido, que es muestreado, filtrado y aplicado a la entrada del amplificador, transcurrido cierto tiempo dispondremos a la salida de una senoide de frecuencia única. Debido a que idealmente estos dispositivos poseen una frecuencia de resonancia, en la cual idealmente funcionan, se los suele conocer como resonadores Figura 1. esquema de un Oscilador Armónico ideal Dentro de esta categoría se puede distinguir diferentes tecnologías: - Osciladores RC. - Osciladores LC, donde el filtro es un circuito sintonizado (llamado circuito tanque). - Osciladores a cristal (también llamados cuarzos). - SAW (Surface Acoustic Wave), permiten alcanzar frecuencias del GHz Para la implementación de los mismos existen diferentes topologías: - Osciladores RC (de desplazamiento de fase, puente de Wien, ). - Osciladores LC (oscilador Hartley, oscilador Colpitts ) - Osciladores a cristal (oscilador Colpitts ) b) Oscilador de relajación: Genera una señal no senoidal (cuadrada, triangular,...). Están constituidos por un elemento almacenador de energía (p.e. condensador) y un circuito no lineal (p.e. un Schmitt Trigger) que periódicamente modifica la energía almacenada, provocando cambios abruptos en la señal de salida generada. Figura 2. Multivibrador con opamp Dentro de esta categoría podemos distinguir diferentes topologías: - Multivibradores: como el 555 que se explicará en esta práctica. - Osciladores de anillo: en los que se basan circuitos como los VCO (Voltage Controlled Oscillator). 2
4.2 Especificaciones típicas de las señales de reloj Algunas de las especificaciones a la hora de decidir cuál es el mejor generador de reloj para nuestra aplicación son las siguientes: - Frecuencia nominal de funcionamiento. - Orden de sobretono: número de múltiplos impares que se generan de la frecuencia fundamental. - Potencia: es el consumo de energía del oscilador. - Factor de calidad (Q): es una medida (aplicada sólo a osciladores armónicos) de la eficiencia de la señal generada. La máxima estabilidad de un cristal depende del valor de "Q". Cuanto más pequeño es el ancho de banda del oscilador mayor es su Q. - Jitter: es la desviación del tiempo de muestreo real respecto al nominal. En otras palabras se puede definir como la variabilidad temporal de la frecuencia de una señal periódica. - Tolerancia de la frecuencia: se refiere a la máxima desviación permitida y se expresa en partes por millón (PPM) para una temperatura especificada, usualmente 25 C. - Estabilidad de la frecuencia: se refiere a la máxima desviación en PPM. La desviación está tomada con referencia a la frecuencia medida a 25 C. En las especificaciones suele darse respecto a la temperatura y al tiempo/envejecimiento, distinguiéndose entre corto plazo (1 día) y largo plazo (>1 año). 4.3 Osciladores RC El ejemplo de la figura 3 es un oscilador RC con topologías de puente de Wien. Figura 3. Oscilador RC con topología de puente de Wien Este circuito RC tiene como principal característica la de contar con un filtro paso de banda en el circuito de alimentación, formado por un filtro paso de alta y un filtro paso de baja. Este esquema se puede observar con mayor claridad en la figura 4. Este filtro paso de banda (de segundo orden) permitirá hacer un ajuste fino de la frecuencia de salida, cuyo valor es igual a: 1 f r = 2πRC 3
La principal aplicación de estos circuitos es la de generar ondas de salida para bajas frecuencia. En concreto, los circuitos RC son empleados para sistemas de audio (hasta KHz) debido a que necesitarían capacidades muy pequeñas para intentar subir la frecuencia de salida. Figura 4. Filtro paso de banda 4.4 Osciladores LC El ejemplo de la figura 5 es un oscilador LC con topología Colpitts. La frecuencia de resonancia de estos circuitos viene dadas por: 1 f r = 2π L C Los osciladores LC sí pueden emplearse para frecuencias más altas, en el rango de los MHz, siendo una aplicación típica la de la banda de FM (88-108 MHz). Estos resonadores pueden encontrarse como circuitos integrados para frecuencias fijas o variables. Algunos de los fabricantes típicos de este tipo de circuitos son Epson o Panasonic. Figura 5. Oscilador LC con topología Colpitts 4.5 Osciladores a cristal Existen otros tipos de osciladores que se utilizan para rangos de frecuencias mayores y cuya pureza espectral es mayor. Estos osciladores están basados en el empleo de un cristal. 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 piezoelectricidad es electricidad creada por una presión mecánica. En un material piezoeléctrico, al aplicar una presión mecánica sobre un eje, tendrá como consecuencia la creación de una carga eléctrica a lo largo de un eje ubicado en un ángulo recto respecto al de la aplicación de la presión mecánica. 4
Por las propiedades mecánicas, eléctricas, y químicas, el cuarzo es el material más apropiado para fabricar dispositivos con una frecuencia bien controlada, ya que sus características son prácticamente constantes respecto al tiempo y la temperatura. De este modo, cuando se aplica una diferencia de tensión entre dos caras opuestas de este material se generará una frecuencia que vendrá determinada, junto con su factor de calidad, por las características del cristal, tales como su dimensión o la orientación de las superficies respecto a sus ejes. Figura 6. Cristales de reloj Algunos valores típicos de las especificaciones de los cristales comerciales son: - Frecuencia de funcionamiento: 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. - Tolerancia de la frecuencia: los valores típicos están entre 15 y 100 PPM. - Estabilidad respecto a la temperatura y el paso del tiempo: sus valores típicos oscilan entre 10 y 20 PPM. - Envejecimiento: su valor típico suele estar entre los 3 y 7 años. Suele venir determinado por efectos tales como un exceso de potencia disipada, pérdida de elasticidad o efectos térmicos. - Potencia disipada por el cristal: siendo un valor típico igual 100 µw. Algunas de las muchas aplicaciones de los cristales de cuarzo son las de uso diario tales como relojes, microprocesadores o teléfonos móviles. También son usados para equipos de test y medidas tales como generadores de señal u osciloscopios. Los cristales pueden ser construidos para su oscilación en un amplio rango de frecuencias, desde unos pocos KHz hasta varios cientos de MHz. Muchas aplicaciones requieren una misma frecuencia determinada. Algunos ejemplos de bandas de interés donde se usan osciladores basados en cristal son las de 12 MHz para USB, 23-25 MHz para GPS, 30,72 MHz para 3G, 106,5 MHz para transceivers de radio y 156.5 MHz para 10 Gigabit Ethernet. Algunos fabricantes típicos de cristales son Crystek o Murata. 4.6 Circuitos generadores de reloj para alta frecuencia Existen circuitos más complejos son empleados para la generación de señales de reloj más puras y que suelen estar basados en los anteriores. Algunos de ellos son los PLL (Phase Lock Loop) y los DDS (Direct Digital Synthesis), todos ellos circuitos capaces de generar frecuencias programables. Uno de los elementos en los que se basan los PLL, son los VCO nombrados anteriormente. Los parámetros más habituales de los VCO son los siguientes: - Rango de frecuencias a la salida: pudiéndose alcanzar más de 1 GHz. - Rango de tensiones de control: con valores típicos entre 1 y 16 V. - Sensitividad de sintonizado: con valores típicos entre 5 y 30 MHz/V. 5
Los PLL proporcionan salidas desde la fracción de Hz hasta varios GHz. Una aplicación típica de los PLL es la de su empleo como oscilador local para realizar la subida en frecuencia en los sistemas de recepción o la bajada en frecuencia en los sistemas de recepción, por ejemplo, para aplicaciones wireless. Por otra parte, algunas aplicaciones básicas de los DDS incluyen las de generación de reloj que requieren una alta velocidad de sintonizado o un ajuste muy fino de frecuencia. Los fabricantes con mejores prestaciones para este tipo de circuitos son National o Analog Devices. 4.7 Circuito integrado 555 Otro conjunto de circuitos que sirven como referencia de reloj para sistemas digitales son los circuitos temporizadores integrados tales como el 555, que se estudia en esta práctica, o el 558. El 555 es el más popular de los circuitos integrados temporizadores. Existen dos versiones el NE555, fabricado con tecnología bipolar, y el ICM7555, fabricado con tecnología CMOS, pudiéndose sustituir el uno por el otro en la mayoría de las ocasiones, puesto que la disposición de las patillas es la misma, diferenciándose ambos fundamentalmente en la alimentación que necesitan. En esta práctica nos centraremos en el NE555. Se trata de un dispositivo muy estable que puede trabajar como temporizador o como generador de ondas cuadradas y rectangulares (multivibrador). Funcionando como temporizador el tiempo está controlado por un grupo RC externo formado por una resistencia y un condensador (modo monoestable), mientras que funcionando como generador de impulsos rectangulares la frecuencia es controlada por un conjunto externo formado por dos resistencias y un condensador (modo astable) tal y como se muestra en la figura 7. Algunas de las características más importantes de este dispositivo son las siguientes: Su máxima frecuencia de operación en modo astable está entre 500 KHz y 2 MHz. Compatible con circuitos integrados de la familia TTL. Estabilidad de funcionamiento frente a la temperatura igual a 0,005 %/ºC Se presentan en cápsulas DIL de 8 ó 14 terminales. Figura 7. Esquemático del circuito integrado del chip NE555 6
4.8 Mediciones de las referencias de reloj: diagramas de ojo y ruido de fase Se trata de un método de medida que sirve para evaluar el nivel de interferencia y de sincronización en los sistemas digitales. El diagrama de ojo se obtiene a partir de la superposición de los diferentes trazos de una señal determinada que se leen en un osciloscopio, es decir, las distintas combinaciones posibles de unos y ceros en un rango de tiempo determinado. Figura 8. Generación del diagrama de ojo Figura 9. Máscaras del diagrama de ojo A partir del diagrama de ojo se puede medir el valor medio de parámetros tales como los niveles de 1 y 0 lógico, los cruces de tiempo y amplitud y el período de la señal. Además, con el diagrama de ojo puede medirse el jitter, el cual se define como la desviación de fase respecto de la posición ideal en el tiempo de una señal digital. Para medir la calidad de una señal digital mediante diagramas de ojo también son útiles las máscaras, las cuales definen la región por la que dicho diagrama de ojos no debe introducirse. Por otra parte, para las referencias analógicas jitter suele medirse a partir de otro parámetro, conocido como ruido de fase, el cual se mide en el espectro y se verá reflejado en el dominio del tiempo como una desviación del instante de muestreo ideal. Este ruido (jitter o ruido de fase) tiene muchas componentes como son el ruido blanco, el ruido de acoplamiento con otros circuitos, EMI (interferencias electromagnéticas) Por tanto, un parámetro fundamental a la hora de elegir una referencia de reloj para cualquier aplicación (sobre todo a más altas frecuencias) es su pureza espectral, la cual viene dada fundamentalmente por su jitter o su ruido de fase. 7
5. Realización de la práctica 5.1 Simulación del generador de reloj en MicroCap El circuito integrado NE555 es un oscilador multifunción que puede utilizarse para generar multitud de formas de onda (revisar los posibles modos de funcionamiento en el datasheet que debe haber sido buscado y leído antes de la práctica). En esta práctica lo vamos a usar para generar una señal digital de reloj (onda cuadrada que varía entre 0 y 5V). La siguiente figura muestra la conexión del NE555 en modo astable que es el que usaremos. Con esta conexión, se genera como salida una onda cuadrada periódica que permanece un tiempo t L a nivel bajo (GND) y un tiempo t H a nivel alto (Vcc). Estos valores de tiempo vienen dados por: t H =0.693(R A +R B )C B 1 t L =0.693 R B B C1 Se puede observar que, si R A 0 y R B 0, es imposible conseguir con el NE555 una onda perfectamente cuadrada (que esté el mismo tiempo a nivel bajo que a nivel alto). Figura 8. Circuito NE555 en funcionamiento modo astable En primer lugar, el primer objetivo de la práctica es simular el comportamiento de este montaje astable mediante MicroCap. Se debe simular el montaje con los siguientes valores en los componentes: Alimentación de 5 voltios, R A =potenciómetro de 10kΩ, R B =2k2Ω, R L =2k2Ω, C=1µF. Para simular el potenciómetro, colocar una resistencia y hacer un barrido variando su valor desde un valor de 2kΩ hasta el fondo de escala del potenciómetro con saltos de 2kΩ. Se debe medir para cada uno de los casos el periodo de la señal de reloj resultante y el tiempo que está a nivel alto y bajo respectivamente. (3 PUNTOS) 5.2 Construcción de un generador de reloj El segundo objetivo de la práctica es observar el comportamiento de este montaje de forma experimental. Se debe realizar el montaje en una placa de pruebas con los mismos valores de los componentes: Alimentación de 5 voltios, R A =potenciómetro de 8
10kΩ, R B =2k2Ω, R L =2k2Ω, C=1µF. Al igual que antes, se debe medir el periodo de la señal de reloj resultante y el tiempo que está a nivel alto y bajo respectivamente. (3 PUNTOS) 5.3 Comprobación de resultados Una vez obtenidos los resultados de los puntos 1 y 2, se debe comprobar que los resultados experimentales coinciden con los resultados de simulación. Los resultados no coincidirán exactamente. A qué crees que puede ser debido?. Para ver mejor los resultados se pide dibujar las siguientes gráficas (2 PUNTOS): I. Periodo de la señal de reloj frente al valor de R A (simulación y experimental) II. Tiempo a nivel alto de la señal de reloj frente al valor de R A (simulación y experimental) III. Tiempo a nivel bajo de la señal de reloj frente al valor de R A (simulación y experimental) 5.4 Diseño de un circuito generador de reloj astable con un NE555 Por último, en la práctica se aborda un problema sencillo de diseño. El objetivo es obtener una señal de reloj cuadrada con aproximadamente el mismo tiempo a nivel bajo que a nivel alto y con una frecuencia fijada por el profesor al principio de la práctica. Se pide obtener los valores del condensador y las resistencias para obtener esta forma de onda. Suponer que R B =10kΩ y que el valor de las demás resistencias debe ser mayor o igual que 100Ω (1 PUNTO). Se aconseja tener preparados estos cálculos antes de asistir a la práctica. Comprobar que los valores teóricos obtenidos son correctos usando MicroCap midiendo las características de la señal de salida del circuito (1 PUNTO). 6. Referencias http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/oscillators.html http://www.huarpe.com/electronica/osc/intro.html http://en.wikipedia.org F. Ruiz Vasallo. Temporizadores electrónicos, Ceac Electrónica, 2000. http://www.crystek.com/ http://www.digikey.com/ http://es.farnell.com/ 9