Introducción
Un astable es un circuito capaz de generar una señal cuadrada. Se lo utiliza en muchísimas aplicaciones digitales como relojes y generadores de pulsos.
Un monoestable, a diferencia del anterior, posee una entrada denominada de disparo o trigger. Al recibir una señal por esa entrada (señal excitadora) realiza una secuencia que consiste en cambiar de estado su salida por un tiempo determinado normalmente por un circuito RC. Al finalizar ese tiempo vuelve a su estado de reposo original.
El astable como el monoestable, dejan de ser sistemas combinacionales donde las salidas eran función exclusiva del valor de sus entradas en un momento dado, sin que intervengan en ningún caso, estados anteriores de las entradas o de las salidas. Ahora, tanto el astable como el monoestable, son clasificados como circuitos secuenciales donde los valores de las salidas, en un momento dado, dependen del estado anterior de las mismas o bien de su estado interno.
Antiguamente estos circuitos se los construia en base a transistores realimentados, más tarde con compuertas. Desde hace ya muchos años disponemos del 555, un circuito integrado (que no es el único, pero es quizás el más difundido) que según como se lo conecte se lo puede hacer funcionar de distintas maneras (de ahi su versatilidad) y entre todas ellas como astable y como monoestable.
La presición de la señal cuadrada que genera (estabilidad de frecuencia), en el caso del astable, así como la repetitibilidad de la duración en el tiempo del pulso de salida depende en gran medida de componentes pasivos resistores y capacitores (su carga y descarga). Estos componentes tienen siempre tolerancias en su fabricación por ello, en muchos casos, nos obliga a colocar un preset para ajuste de los tiempos. Hoy día se prefiere prescindir de este tipo de ajustes que complican la puesta en marcha de cualquier dispositivo. Si bien económicamente no conviene en esta actividad veremos también, cómo usando un pequeño microcontrolador podemos realizar las mismas funciones. Haremos funcionar al microcontrolador como astable y también como monoestable, sin necesidad de acudir a componentes pasivos RC que son pasibles de variar con el tiempo y con la temperatura. La diferencia fundamental ahora es que su funcionamiento dependerá exclusivamente del programa almacenado dentro de su memoria.
Conocimientos previos para realizar esta actividad
Para explicar en detalle el funcionamiento interno del 555 se necesita conocer: Circuitos en continua con resistor capacitor. Carga y descarga. Contante de tiempo. El amplificador operacional como comparador a lazo abierto. Biestable ó Flip flop S-R.
Para explicar el grabado de un microcontrolador: Principios de microcontroladores. Pines. Memorias internas. Programa ensamblador. Programa ejecutable. Entorno de desarrollo IDE del MPLAB para el uso de la interfase de grabación.
Desarrollo
Leer todo el desarrollo de la actividad y relevar todos los materiales electrónicos necesarios para realizar la experiencia. Obtener la hoja de datos del circuito integrado 555 y del PIC12F683. Guardar ordenadamente todo el material de esta actividad en carpetas tal como fue acordado en las clases.
PARTE A
CIRCUITO ASTABLE
1) Dibujar en PROTEUS el circuito del astable con 555. (Vcc = 5V)
Un astable es un circuito capaz de generar una señal cuadrada. Se lo utiliza en muchísimas aplicaciones digitales como relojes y generadores de pulsos.
Un monoestable, a diferencia del anterior, posee una entrada denominada de disparo o trigger. Al recibir una señal por esa entrada (señal excitadora) realiza una secuencia que consiste en cambiar de estado su salida por un tiempo determinado normalmente por un circuito RC. Al finalizar ese tiempo vuelve a su estado de reposo original.
El astable como el monoestable, dejan de ser sistemas combinacionales donde las salidas eran función exclusiva del valor de sus entradas en un momento dado, sin que intervengan en ningún caso, estados anteriores de las entradas o de las salidas. Ahora, tanto el astable como el monoestable, son clasificados como circuitos secuenciales donde los valores de las salidas, en un momento dado, dependen del estado anterior de las mismas o bien de su estado interno.
Antiguamente estos circuitos se los construia en base a transistores realimentados, más tarde con compuertas. Desde hace ya muchos años disponemos del 555, un circuito integrado (que no es el único, pero es quizás el más difundido) que según como se lo conecte se lo puede hacer funcionar de distintas maneras (de ahi su versatilidad) y entre todas ellas como astable y como monoestable.
La presición de la señal cuadrada que genera (estabilidad de frecuencia), en el caso del astable, así como la repetitibilidad de la duración en el tiempo del pulso de salida depende en gran medida de componentes pasivos resistores y capacitores (su carga y descarga). Estos componentes tienen siempre tolerancias en su fabricación por ello, en muchos casos, nos obliga a colocar un preset para ajuste de los tiempos. Hoy día se prefiere prescindir de este tipo de ajustes que complican la puesta en marcha de cualquier dispositivo. Si bien económicamente no conviene en esta actividad veremos también, cómo usando un pequeño microcontrolador podemos realizar las mismas funciones. Haremos funcionar al microcontrolador como astable y también como monoestable, sin necesidad de acudir a componentes pasivos RC que son pasibles de variar con el tiempo y con la temperatura. La diferencia fundamental ahora es que su funcionamiento dependerá exclusivamente del programa almacenado dentro de su memoria.
Conocimientos previos para realizar esta actividad
Para explicar en detalle el funcionamiento interno del 555 se necesita conocer: Circuitos en continua con resistor capacitor. Carga y descarga. Contante de tiempo. El amplificador operacional como comparador a lazo abierto. Biestable ó Flip flop S-R.
Para explicar el grabado de un microcontrolador: Principios de microcontroladores. Pines. Memorias internas. Programa ensamblador. Programa ejecutable. Entorno de desarrollo IDE del MPLAB para el uso de la interfase de grabación.
Desarrollo
Leer todo el desarrollo de la actividad y relevar todos los materiales electrónicos necesarios para realizar la experiencia. Obtener la hoja de datos del circuito integrado 555 y del PIC12F683. Guardar ordenadamente todo el material de esta actividad en carpetas tal como fue acordado en las clases.
PARTE A
CIRCUITO ASTABLE
1) Dibujar en PROTEUS el circuito del astable con 555. (Vcc = 5V)
Material de consulta:
Tutorial Proteus 555 Timer Astable Multivibrator Simulation & Schematic Design. http://www.youtube.com/watch?v=mmlCkHKZ2Fk
En castellano: Timer 555 como Oscilador Astable
Una simulacion en flash que sirve para ver que pasa dentro del 555 al cargarse y descargarse el capacitor:
http://www.williamson-labs.com/pu-aa-555-timer_fast.htm
http://www.williamson-labs.com/pu-aa-555-timer_fast.htm
Advertencia:
* Setear el Counter Timer (propiedades del instrumento) en modo frequency, para que muestre la frecuencia generada por el astable.
* Establecer la condición inicial del capacitor, editando la etiqueta del conductor (Wire Label) (IC=0), haciendo click derecho sobre el cable que llega al capacitor, tal como se muestra en la figura:
* Setear el Counter Timer (propiedades del instrumento) en modo frequency, para que muestre la frecuencia generada por el astable.
* Establecer la condición inicial del capacitor, editando la etiqueta del conductor (Wire Label) (IC=0), haciendo click derecho sobre el cable que llega al capacitor, tal como se muestra en la figura:
2) Verificar su correcto funcionamiento corriendo la simulación. Medir con el osciloscopio virtual el tiempo de estado en alto y el tiempo de estado en bajo, el período, su frecuencia y la tensión de salida máxima y mínima. Calcular el ciclo de trabajo expresándolo porcentualmente. Asimismo capturar y mostrar las formas de onda de carga y descarga del capacitor responsable de la temporización, relacionándolas con el cambio de estado de la salida.
Probar que sucede a la salida cuando se pone a masa el pin de RESET. Comentarlo.
3) Calcular los valores necesarios de resistores y capacitores, para cambiar al circuito astable anterior, su frecuencia de oscilación, llevándola a 40 KHz, usando para ello fórmulas y tablas. El ciclo de trabajo queda a elección del grupo. Antes de proceder al armado simular y verificar su correcto funcionamiento.
4) Agrupar ordenadamente todas esas mediciones en un cuadro para compararlas a posteriori con el circuito armado.
5) Armar el circuito diseñado en el punto 3 por el grupo en protoboard.
6) Medir y registrar los valores de resistores y capacitores usados para la temporización del circuito con el puente RLC digital de banco.
7) Realizar las mismas mediciones efectuadas en el punto 2 y agregar al cuadro solicitado anteriormente la medición del valor medio de la tensión de salida.
8) Ordenar toda la información y explicar todos los pasos realizados para comprender el funcionamiento del circuito.
9) Diseñar (NO HACER) una placa impresa de no más de 30 mm x 30 mm (0,09 dm2) para el astable con 555. Usar molex para todos los conectores.
Lo primero que realizamos en esta actividad fue ver los videos que nos ayudaban a manejar bien el programa PROTEUS. Una vez que ya sabíamos como hacer nuestro circuito, lo diseñamos. Terminado esto tecleamos en la tecla PLAY , donde nos aparecerá un osciloscopio virtual , el cual posee las mismas opciones que un osciloscopio de verdad estándar.
Circuito Diseñado en PROTEUS:
2)Tabla de valores correspondiente a los valores medidos con el osciloscopio virtual donde R1 y R2 : 1,2Kohm.
3)Tabla de valores correspondientes a los valores medidos en el osciloscopio RIGOL DS1102E , donde R1 y R2 : 1,2 Kohm.
De esta forma es como quedo armado nuetro circuito en el protoboard:
Probar que sucede a la salida cuando se pone a masa el pin de RESET. Comentarlo.
3) Calcular los valores necesarios de resistores y capacitores, para cambiar al circuito astable anterior, su frecuencia de oscilación, llevándola a 40 KHz, usando para ello fórmulas y tablas. El ciclo de trabajo queda a elección del grupo. Antes de proceder al armado simular y verificar su correcto funcionamiento.
4) Agrupar ordenadamente todas esas mediciones en un cuadro para compararlas a posteriori con el circuito armado.
5) Armar el circuito diseñado en el punto 3 por el grupo en protoboard.
6) Medir y registrar los valores de resistores y capacitores usados para la temporización del circuito con el puente RLC digital de banco.
7) Realizar las mismas mediciones efectuadas en el punto 2 y agregar al cuadro solicitado anteriormente la medición del valor medio de la tensión de salida.
8) Ordenar toda la información y explicar todos los pasos realizados para comprender el funcionamiento del circuito.
9) Diseñar (NO HACER) una placa impresa de no más de 30 mm x 30 mm (0,09 dm2) para el astable con 555. Usar molex para todos los conectores.
Lo primero que realizamos en esta actividad fue ver los videos que nos ayudaban a manejar bien el programa PROTEUS. Una vez que ya sabíamos como hacer nuestro circuito, lo diseñamos. Terminado esto tecleamos en la tecla PLAY , donde nos aparecerá un osciloscopio virtual , el cual posee las mismas opciones que un osciloscopio de verdad estándar.
Circuito Diseñado en PROTEUS:
Una vez que seleccionamos la tecla PLay para que comience la simulacón , aparecerá la siguiente ventana correspondiente al osciloscopio virtual del programa.
Osciloscopio Virtual y especificación de los comandos:
1)Tabla correspondiente a los valores medidos en el osciloscopio virtual donde R1: 68 Kohm. y R2: 39 Kohm.
Tiempo de estado en Alto. | 265,17uS. |
Tiempo de estado en Baja. | 272,33uS. |
Período | 537,5uS. |
Frecuencia | 1,86 KHz. |
Tensión máxima | 5 V |
Tensión mínima | 5,12 mV. |
Ciclo de trabajo | 49,33 % |
Tiempo de estado en Alto | 15,76 uS. |
Tiempo de estado en Baja | 9,32 uS. |
Período | 25 uS. |
Frecuencia | 40 KHz |
Tensión máxima | 4 V |
Tensión mínima | -1 mV |
Ciclo de trabajo | 63,04 % |
Tiempo de estado en Alto | 17,6 uS. |
Tiempo de estado en Baja | 8 uS. |
Período | 17 uS |
Frecuencia | 37,31 KHz |
Tensión máxima | 4,64 V |
Tensión mínima | 0 V |
Ciclo de trabajo | 65% |
Como se ve en las tablas , en la segunda y tercera tabla los valores de R1 y R2 fueron modificados para poder obtener a la salida una frecuencia de oascilación 40 KHz , que es la que nosotros presisamos para realizar la actividad correctamente. Al disminuir el valor de estas resistencias , la frecuencia de oscilacion es mayor, y vicebersa
Para calcular el valor de R1 y R2 para cierta frecuencia que necesitamos utilizaremos la siguiente fórmula:
Frecuencia = 1,44
___________
(Ra + 2Rb) . C
donde : Ra es nuetra R1 , Rb es nuestra R2 y C es nuestro C1
Una vez que despejamos (Ra + 2Rb) debemos colocarle a Ra un valor que nosotros querramos , dentro del valor que nos de del otro lado del igual. Y para calcular Rb solo debemos dividir al número del otro lado del igual siguiente por 2
Ejemplo
Ra + 2Rb) = 3600ohm.
Ra = 1200ohm
Rb = (3600ohm - 1200ohm ) \ 2 = 1200ohm
Para calcular el valor de R1 y R2 para cierta frecuencia que necesitamos utilizaremos la siguiente fórmula:
Frecuencia = 1,44
___________
(Ra + 2Rb) . C
donde : Ra es nuetra R1 , Rb es nuestra R2 y C es nuestro C1
Una vez que despejamos (Ra + 2Rb) debemos colocarle a Ra un valor que nosotros querramos , dentro del valor que nos de del otro lado del igual. Y para calcular Rb solo debemos dividir al número del otro lado del igual siguiente por 2
Ejemplo
Ra + 2Rb) = 3600ohm.
Ra = 1200ohm
Rb = (3600ohm - 1200ohm ) \ 2 = 1200ohm
El osciloscopio digital nos permite realizar mediciones , y gracias a esto llevarlas a la realidad. Con esto el trabajo es mucho mas sencillo ya que podemos modificar con solo unos clicks las resistencias en el PROTEUS , y ver rapidamente los valores obtenidos en el osciloscopio , para luego hacer la práctica y no equivocarnos en los valores reales de las resistencias, para que los resultados sean los correctos. Es obvio que en la realidad los resultados no son exactamente iguales que en la práctica virtual , pero son bastantes semejantes ; esto se debe a que en el PROTEUS los valores de las resistencias son ideales , y en el mundo real tenemos cierto margen de error en casi todos los componentes electrónicos.
Realizando la práctica experimentamos conectar a masa el reset del NE555 (MCLR) , y logramos ver que al realizar esto no existe frecuencia de oscilación ni de carga y descarga del capacitor.
Circtuito esquematico realizado en el PROTEL
Circuito en PCB realizado en PROTEL
Esta es una imagen capturada con el osiloscopio digital del proteus:
Y esta otra es una imagen capturada sobre el mismo circuito que se simulo en el proteus y tomada con un osciloscopio real sobre un circuito real
De esta forma observamos que la simulación concuerda con lo que se obtiene con componentes real.
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