INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO
INGENIERÍA ELÉCTRICA LABORATORIO DE ELECTRÓNICA III PRÁCTICA I “Generador de Señal de Reloj con: 555, 74LS14 y 74LS132”
PROFESOR TITULAR: CARRERA MILLÁN JOSÉ LUCIANO
FECHA DE PRÁCTICA: 02 de Febrero de 2012 FECHA DE ENTREGA: 16 de Febrero de 2011
ÍNDICE 1. Objetivos: ............................................................................................................ 1 2.- Consideraciones teóricas .................................................................................. 1 2.1 Osciladores fuertemente alineales: ............................................................... 1 2.2 Restricciones de diseño................................................................................. 4 3. Material y equipo necesario ................................................................................ 5 4. Procedimiento ..................................................................................................... 5
4.1 Generador de Reloj con 74LS14 .................................................................. 5 4.1.1 Cálculos .................................................................................................. 6 4.1.2 Circuito y Simulación............................................................................... 6 4.1.3 Resultados. ............................................................................................. 7 4.1.4 Diagrama fisico y oscilograma. ............................................................... 8 4.2 Generador de Reloj con 74LS132 ................................................................ 8 4.2.1 Cálculos .................................................................................................. 9 4.2.2 Circuito y Simulación.............................................................................. 9 4.2.3 Resultados ............................................................................................ 10 4.2.4 Diagrama físico y oscilograma .............................................................. 11 4.3 Generadorde reloj con 555 .......................................................................... 11 4.3.1 Cálculos ................................................................................................ 12 4.3.2 Circuito y Simulación............................................................................ 12 4.3.3 Resultados ............................................................................................ 13 4.3.4 Diagrama físico y oscilograma .............................................................. 13 5. Comentarios y aportaciones nuevas. ................................................................ 14 6. Conclusiones..................................................................................................... 14 7. Bibliografía ........................................................................................................ 14 8. Referencias ....................................................................................................... 14
1. Objetivos:
Que al término de esta Práctica, el alumno que la apruebe pueda mostrar saber como: a).- Diseñar un Generador de Reloj (Pulsos Rectangulares) con niveles binarios de salida TTL-LS, para Frecuencias o Factores de Repetición del Pulso (Pulse Repetition Rate) predeterminados, empleando CI’s: 74LS14, 74LS132 y 555. b).- Calcular el Ciclo de Utilidad para cada Frecuencia de Oscilación del Generador diseñado. c).- Calibrar experimentalmente cada Frecuencia de Oscilación del Generador diseñado. d).- Medir experimentalmente el Ciclo de Utilidad, para cada Frecuencia de Oscilación del Generador diseñado. e).- Obtener experimentalmente las curvas de transferencia del 555 y de las compuertas 74LS14 y 74LS132.
2.- Consideraciones teóricas Es necesario en muchos circuitos electrónicos digitales, emplear algún tipo de sincronización para realizar tareas como: transferencia de datos, control de procesos, etc. Para ello se emplean circuitos generadores de señal del tipo onda cuadrada con ciclo de trabajo que puede ser al 50% u otro valor. Dichos circuitos son en esencia osciladores que proveen una señal generalmente denominada CLOCK (reloj), con niveles lógicos adaptados a la lógica utilizada en cuestión (TTL, CMOS, ECL, etc.).
2.1 Osciladores fuertemente alineales: Dentro de esta clasificación encontramos a los osciladores del tipo de relajación. Comúnmente se construyen a base de una compuerta inversora y componentes externos del tipo resistencia – capacitor, a fin de lograr mediante técnicas de carga y descarga de este último, generar transiciones de un nivel lógico a otro en forma periódica, en tiempos perfectamente definidos y ajustables. En la figura 1 vemos un ejemplo de esto: 1
Figura 1 El tipo de entrada de estas compuertas debe ser del tipo Schmitt Trigger. Este arreglo provee una buena conformación de la señal de salida ya que la curva de transferencia de tales dispositivos es como se muestra en la figura 2.
Figura 2 Se observa que existe una zona de histéresis en la tensión de entrada. Si partimos por ejemplo con la señal de entrada desde Vdd hacia 0V, la salida empieza en estado lógico “0”y dicha señal de entrada deberá disminuir por debajo de un determinado nivel de tensión Vt (+) para que la salida vaya a “1”. Así mismo si se quiere que la salida pase al otro estado (“0” lógico) será necesario que la entrada se incremente hasta un nivel por arriba de Vt(-) A diferencia de una compuerta común, esta zona de histéresis ayuda a que el circuito sea menos inmune al ruido. En la figura 3 se muestran dos gráficos donde se puede apreciar como responde la salida a cambios en la entrada para dos casos diferentes: 2
Figura 3
Se grafica para este caso en vez de un inversor una compuerta NAND de dos entradas. Si la misma tiene la entrada denominada aquí “control” en “1” lógico, cumple la misma función que el inversor. Se muestra también en la figura los diagramas de tiempo que corresponden a las entradas de “control” y de realimentación como así también la salida del oscilador, Vout.
Figura 4 El circuito astable original que se diseña con el temporizador 555 no permite obtener t1 = t2. Este siguiente circuito, con la ayuda de unos elementos adicionales diodos (D1 y D2) y haciendo que las resistencias R = R' logra este cometido. El circuito permite generar una onda cuadrada con t1 = t2, aplicando t = 0.693 RC solamente, no así con t1 = 0.693 R1C y t2 = 0.693 (R1+R2) donde t1 = t2. 3
Los tiempos de carga y descarga del condensador son iguales.
Figura 5 Oscilador aestable con un temporizador 555 donde t1 = t2 2.2 Restricciones de diseño Si bien parece que la elección de los valores de R y C es arbitraria, existen algunas consideraciones de diseño que hay que tener en cuenta. - Existe un valor mínimo de R a fin de limitar la corriente que circula por el capacitor, la cual no deberá superar la corriente máxima admisible por la salida de la compuerta. - Existe un valor mínimo de capacidad dada por la propia capacidad interna que el dispositivo tiene a su entrada (de aprox. 5pF en CMOS y 15pF en TTL). - No conviene un valor muy grande de capacidad debido a que en general son muy dependientes con la temperatura y pueden tener resistencias de pérdidas elevadas. - No conviene resistencias elevadas (de varios Megaohms) en la realimentación entre la entrada y la salida debido a que pueden volverse comparables con las impedancias de entrada y salida de la compuerta. En TTL LS (compuerta 74LS132 cuádruple NAND Schmitt de dos entradas) la máxima frecuencia de operación está en algo menos de 20MHz. Otro tema a tener en cuenta es el de la estabilidad en frecuencia, es decir, la capacidad del oscilador para mantener la frecuencia de oscilación estable dentro de un dado margen respecto de la frecuencia nominal. La estabilidad de la frecuencia depende principalmente de la variación que sufren los componentes con la temperatura. La resistencia es un elemento que aumenta su valor con la misma al igual que el capacitor. 4
3. Material y equipo necesario
CI LM555 Compuerta 74LS14 Compuerta 74LS132 1 Juego de Resistencias diferentes valores. Capacitores de acuerdo a la tabla I. 1 Osciloscopio digital. 1 Multímetro digital.
4. Procedimiento 4.1 Generador de Reloj con 74LS14 1. Diseñar un Generador de Reloj (Pulsos Rectangulares) para dos Frecuencias de Operación Fijas; como el mostrado en la Figura 1.1. Utilizar para este diseño, una compuerta lógica integrada con entrada Schmitt 74LS14 de acuerdo a los datos anotados en la Tabla 1.1. Poner un circuito de Red de carga a la compuerta para condiciones de máxima carga (20 UL’s). 2. Con ayuda del osciloscopio, ajustar experimentalmente él período de cada frecuencia de operación, en la salida Q del propio Generador. Una vez calibradas cada una de las cuatro frecuencias, hacer las mediciones correspondientes para llenar la Tabla 1.2 3. Realizar los cálculos correspondientes de acuerdo al número de mesa y valor de capacitor correspondiente, medir la capacitancia y cuando se ajuste a la frecuencia deseada, el valor de la resistencia, reportarlo en la tabla. 4. Para la frecuencia 1 y 2 , dibujar las señales de entrada (en sincronía) en el capacitor y en la salida Q de la Señal de Reloj diseñado.
Tabla 1.1 Valores correspondientes al equipo 2
Mesa (Equipo)
2
Frec. 1 Onda Rect. (KHz)
8
C X2(nFd)
120
Frec. 2 Onda Rect. (KHz)
155
CX1 (nFd)
2.2
5
4.1.1 Cálculos
4.1.2 Circuito y Simulación.
C2 120nF C1 0 2.2nF
J1 R1
3 Key = A J2 5 Key = C
981Ω 6
14 R3 1kΩ 50% U1A Key=A
U1B 1
74LS14D
R2
74LS14D 2
2762Ω
13
0
V1 5V
R5 479.48Ω
J3
U1C 74LS14D
D1
12
11 Key = A
1N4148
10
D2
1N4148
9
D3 1N4148
7
R4 8.5kΩ D4 1N4148 0
Figura 6 Circuito de generador de Pulsos Rectangulares con dos Frecuencias, 74LS14.
6
Figura 7 Simulación frecuencia 1
Figura 8 Simulación frecuencia 2
4.1.3 Resultados. Tabla 1.2 Reporte de Mediciones y cálculos de acuerdo a la Frecuencias solicitadas en cada una de las mesas compuerta 74LS14.
Tq fql= 6.41 KHz fq2= 188 KHz
156µs 5.3 µs Rmed
Rmed
tH 119 µs 3.88 µs Texp
exp
tL
C. U.
Cnom
Cmed
Rcom
37 µs
76.28%
104
106 nF
981Ω
1.37 µs
73.20%
222
2.8 nF
2761 Ω
KH KH
fql= 6.41 KHz
980 Ω
156µs
119 µs
fq2= 188 KHz
2760 Ω
5.3 µs
3.88 µs
KL KL
KT KT
VLT VLT
VUT
VUT
37 µs
156µs
1.6 V
0.7 V
1.37 µs
5.3 µs
1.6 V
0.7 V
7
4.1.4 Diagrama fisico y oscilograma.
Figura 9 Diagrama fisico
Figura 10 Oscilograma
4.2 Generador de Reloj con 74LS132 1. Diseñar un Generador de Reloj (Pulsos Rectangulares) para dos Frecuencias de Operación Fijas; Utilizar para este diseño, una compuerta lógica 74LS132, de acuerdo a los datos anotados en la Tabla 1.1. Poner un circuito de Red de carga a la compuerta para condiciones de máxima carga (20 UL’s). 2. Con ayuda del osciloscopio, ajustar experimentalmente él período de cada frecuencia de operación, en la salida Q del propio Generador. Una vez calibradas cada una de las cuatro frecuencias, hacer las mediciones correspondientes para llenar la Tabla 1.3 3. Realizar los cálculos correspondientes de acuerdo al número de mesa y valor de capacitor correspondiente, medir la capacitancia y cuando se ajuste a la frecuencia deseada, el valor de la resistencia, reportarlo en la tabla. 4. Para la frecuencia 1 y 2 , dibujar las señales de entrada (en sincronía) en el capacitor y en la salida Q de la Señal de Reloj diseñado.
8
4.2.1 Cálculos
4.2.2 Circuito y Simulación
C2 120nF C1 2.2nF
J1 R1 Tecla = A
1221Ω
R3 2kΩ 50% Key=A
U2A
U3A
74LS132D
74LS132D
J2 R2 Tecla = C
3437Ω V1 5V
R5 479.48Ω
U1A 74LS132D
J3 Tecla = A
D1
D2
D3
1N4148
1N4148
1N4148
R4 8.5kΩ D4 1N4148
Figura 11 Circuito de generador de Pulsos Rectangulares con dos Frecuencias, 74LS132.
9
Figura 12 Simulación frecuencia 1
Figura 13 Simulación frecuencia 2
4.2.3 Resultados Tabla 1.3 Reporte de Mediciones y cálculos de acuerdo a la Frecuencias solicitadas en cada una de las mesas compuerta 74LS132.
Tq
tH
tL
C. U.
Cnom
Cmed
Rcom
fql= 4.75 KHz
214 µs
139 µs
73 µs
34.11 %
104
106 nF
1221Ω
fq2= 183 kHz
5.45 µs
3.3 µs
1.99 µs
60.55
222
2.8 nF
3437Ω
Rmed
Rmed
Texp
exp
KH KH
KLL K
KTT K
VLT VLT
VUT
fql= 4.75 KHz
1220 Ω
214 µs
139 µs
73 µs
214 µs
1.7 V
0.9 V
fq2= 183 kHz
1350 Ω
5.45 µs
3.3 µs
1.99 µs
5.45 µs
1.7 V
0.9 V
VUT
10
4.2.4 Diagrama físico y oscilograma
Figura 14 Diagrama fisico
Figura 15 Oscilograma
4.3 Generadorde reloj con 555 Armar el Generador de Señal de Reloj diseñado y con ayuda del osciloscopio, ajustar experimentalmente él período de cada frecuencia de operación destinada al equipo, en la salida terminal 3 del circuito integrado LM555. Una vez calibrada a la frecuencia, hacer las mediciones correspondientes para llenar la Tabla 1.5. Tabla 1.4 Fijación de valores para el Diseño de la Señal de Reloj con el 555, para una frecuencia fija empleando un arreglo de capacitores (no más de tres).
Mesa (Equipo)
2
Frec. 1 (Hz)
870
CX (ufd)
0.24
11
4.3.1 Cálculos
4.3.2 Circuito y Simulación VCC 5V
A1
R1 277Ω
VCC RST
OUT
DIS THR
D1 1N914
D2 1N914
TRI CON GND
R2 3.3kΩ
C1 0.24µF
R3 2.7kΩ 555_VIRTUAL
C2 0.1µF
Figura 16 Circuito de generador de Pulsos Rectangulares 555
Figura 17 Simulación de frecuencia y capacitor
12
4.3.3 Resultados Tabla 1.5 Reporte de Mediciones y cálculos de acuerdo a la Frecuencias solicitadas en cada una de las mesas utilizando el LM555. Tq fql= 1.05 KHz
949 µs Rmed
Rmed
fql= 1.05 KHz 3.3 KΩ y 280Ω
tL
tH 446 µs Texp
exp
949 µs
503 µs
KH KH 446 µs
C. U.
Cnom
Cmed
Rcom
46.99 %
224
0.15 µF
3.3 KΩ y 277Ω
KL KL 503 µs
KT KT
VLT VLT
VUT
VUT
949 µs
4.3.4 Diagrama físico y oscilograma
Figura 18 Diagrama físico
Figura 19 Oscilograma
13
5. Comentarios y aportaciones nuevas. Consideramos que el desarrollo de esta practica debería abarcar mas de una sesión experimental, el tiempo de una no es necesario para completar los tres circuitos. 6. Conclusiones.
Sánchez Hernández Gerson
Esta práctica nos ha permitido construir y probar 3 diferentes circuitos osciladores, esto es de gran importancia para la electrónica digital, pues a partir de estos pulsos generados es que funciona la electrónica digital. El haber armado diferentes circuitos osciladores nos demuestra que no necesitamos estar atados a una sola forma de generar las señales y también que cada circuito presenta características propias que se pueden aplicar en diferentes casos o necesidades. También logramos percatarnos que la ausencia de valores exactos en nuestros capacitores interviene en el resultado de la frecuencia de la señal y el valor calculado.
Sánchez Rodríguez Fernando
Los circuitos ocupados son elementos electrónicos que se emplean para generación, además de su bajo costo. El 555 es conocido como temporizadores ya que transforman una señal continúa a una que es cuadrada, a estas mediante los capacitores es posible controlar el periodo y así poder dar una aplicación práctica a estas variaciones de frecuencia que se tienen. Las otras dos compuertas tienen la posibilidad de generar dos señales respectivamente controladas con los capacitores y de igual forma controlar el periodo pero en cambio al 555, en estos circuitos es posible obtener dos señales pero una inversa de la otra, y con ello estas tienen la facilidad de invertir la señal en un mismo circuito.
7. Bibliografía
“Electrónica Teoría de circuitos” Robert Boylestad y Louis Nashelsky Editorial Pearson educación, 2003
8. Referencias Circuitos Generadores de Reloj. Departamento de Electrotecnia Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La plata
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