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ELECTRONICA
ANALOGICA
Y DIGITAL
Antonio González
ELECTRONICA ANALOGICA Y DIGITAL
ANTONIO GONZALEZ
ELECTRONICA
ANALOGICA Y DIGITAL
Antonio González
Profesor de Laboratorio de Instrumentos
Instituto Preuniversitario
Escuela Industrial D. F. Sarmiento
U.N.S.J.
CONTENIDO
Prólogo .......................................................................................................... xvii
CAPITULO 1
1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.3
1.4
1.5
1.5.1
1.5.2
1.6
1.6.1
1.6.2
1.6.2.1
CONCEPTOS ELECTRONICOS BASICOS.
Introducción ........................................................................................1
Magnitudes eléctricas de un circuito ................................................. 2
Tensión eléctrica ................................................................................ 3
Intensidad de corriente ...................................................................... 4
Resistencia eléctrica .......................................................................... 5
Resistividad y resistencia .................................................................. 8
Ley de Ohm ....................................................................................... 9
Asociación de resistencias .............................................................. 10
Conexión en serie ............................................................................ 11
Conexión en paralelo ...................................................................... 12
Capacidad ....................................................................................... 13
Valor de la capacidad ...................................................................... 14
Asociación de capacitores ............................................................... 16
Conexión en serie ............................................................................ 16
ELECTRONICA ANALOGICA Y DIGITAL
1.6.2.2
1.6.3
1.7
1.8
1.8.1
1.8.2
1.9
1.9.1
1.9.2
1.10
1.11
1.12
1.12.1
1.12.2
1.12.2.1
1.12.2.2
1.12.2.3
1.12.2.4
1.12.3
Conexión en paralelo ...................................................................... 17
Clasificación e identificación de capacitores ................................... 18
Inductancia ...................................................................................... 20
Divisor resistivo ................................................................................ 22
Divisor resistivo de n resistencias .................................................... 25
Divisor resistivo flotante .................................................................. 27
Leyes de Kirchhoff ........................................................................... 29
Regla de los nodos .......................................................................... 29
Regla de las mallas ......................................................................... 30
Potencia en corriente continua ........................................................ 31
Malla R-C ........................................................................................ 32
Corriente alterna .............................................................................. 35
Parámetros de una onda alterna ..................................................... 37
Circuitos de alterna con componentes pasivos ................................ 38
Circuito con resistencia ................................................................... 38
Circuito con capacitor ...................................................................... 38
Circuito con inductancia .................................................................. 41
Circuitos combinados ...................................................................... 42
Potencia en corriente alterna .......................................................... 43
CAPITULO 2
2.1
2.2
2.2.1
2.3
2.3.1
2.4
2.5
2.5.1
2.5.1.1
2.5.2
2.5.3
2.6
ANTONIO GONZALEZ
DIODOS Y TRANSISTORES.
Introducción ..................................................................................... 45
Diodo rectificador ............................................................................ 45
Curva característica ........................................................................ 49
Diodo zener ...................................................................................... 51
Diodo zener como limitador ............................................................. 53
Potencia en los diodos .................................................................... 54
Otros tipos de diodos ....................................................................... 56
Diodos LED ...................................................................................... 56
Polarización de diodos LED ............................................................ 58
Diodos infrarrojos (IR) ..................................................................... 60
Fotodiodos ....................................................................................... 61
Transistores ..................................................................................... 62
2.6.1
2.6.2
2.6.3
2.6.4
2.6.5
2.7
2.7.1
2.7.1.1
2.7.2
2.7.3
2.7.4
Saturación ....................................................................................... 65
Corte ................................................................................................ 67
Potencia en un transistor ................................................................. 68
Configuración Darlington.................................................................. 68
Transistor como amplificador lineal ................................................. 71
Otros tipos de transistores .............................................................. 75
Fototransistores ............................................................................... 75
Circuitos con fototransistores ........................................................... 77
Optoacopladores ............................................................................. 78
Transistores FET ............................................................................. 81
Transistores unijuntura .................................................................... 83
CAPITULO 3
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.3.1
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
3.4
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.5
3.6
3.7
AMPLIFICADORES OPERACIONALES.
Introducción ..................................................................................... 87
Amplificador diferencial ................................................................... 89
Ganancia de modo diferencial y de modo común ........................... 90
Factor de mérito .............................................................................. 91
El amplificador operacional ............................................................. 93
El comparador ................................................................................. 96
El comparador con histéresis .......................................................... 98
Configuración inversora básica ..................................................... 103
Ejemplo de aplicación ................................................................... 106
Configuración no inversora ........................................................... 109
Seguidor de tensión ...................................................................... 111
Amplificador diferencial ................................................................. 112
Configuración sumadora ............................................................... 116
Otras configuraciones ................................................................... 118
Convertidor Tensión – Corriente ................................................... 118
Convertidor Corriente – Tensión ................................................... 119
Integrador y diferenciador ............................................................. 120
Corrección de desbalance (Off-Set) .............................................. 121
Amplificadores operacionales integrados ...................................... 122
Comportamiento de un A.O. con la frecuencia .............................. 124
ELECTRONICA ANALOGICA Y DIGITAL
3.8
Curvas de transferencia ................................................................ 127
CAPITULO 4
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.2.6
4.2.7
4.2.8
4.3
4.4
4.4.1
4.4.1.1
4.4.1.2
4.4.1.3
4.4.1.4
4.4.1.5
4.4.2
4.4.2.1
4.4.3
4.5
4.5.1
4.5.1.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
ANTONIO GONZALEZ
SISTEMAS DIGITALES BASICOS.
Introducción ................................................................................... 131
Funciones digitales básicas .......................................................... 134
Función Inversión (Negación) ....................................................... 134
Función Igualdad (No inversora) ................................................... 135
Función Suma (Función “OR”) ...................................................... 135
Función Producto (Función “AND”) ............................................... 136
Función Suma negada (Función “NOR”) ....................................... 136
Función Producto negado (Función “NAND”) ................................ 137
Función OR exclusiva (Función “OREX”) ...................................... 137
Función OR exclusiva negada (Función “NOREX”) ...................... 138
Postulados, propiedades y teoremas ............................................ 139
Circuitos secuenciales ................................................................... 142
Biestables ...................................................................................... 142
Biestable R-S asincrónico ............................................................. 143
Biestable R-S sincrónico ............................................................... 144
Biestable “D” activado por flanco .................................................. 144
Biestable “J-K” asincrónico ............................................................ 148
Biestable “J-K” sincrónico activado por nivel ................................. 149
Contadores .................................................................................... 150
Divisor de frecuencia ..................................................................... 153
Registros de desplazamiento ........................................................ 155
Circuitos combinacionales ............................................................. 158
Sistemas de numeración................................................................ 159
Sistema binario .............................................................................. 159
Codificadores, decodificadores y transcodificadores .................... 164
Multiplexadores y demultiplexadores ............................................ 169
Comparadores ............................................................................... 171
CAPITULO 5
5.1
5.2
5.2.1
5.2.1.1
5.2.1.2
5.2.1.3
5.2.2
5.2.3
5.2.3.1
5.2.3.2
5.2.3.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
5.2.7
5.2.7.1
5.2.7.2
5.3
5.3.1
5.3.1.1
5.3.2
5.3.2.1
5.3.3
5.3.3.1
5.3.4
5.3.5
5.3.6
5.3.7
5.3.8
5.3.8.1
5.3.8.2
5.3.8.3.
5.3.8.4
5.3.9
OSCILADORES Y TEMPORIZADORES.
Introducción ................................................................................... 175
Osciladores ................................................................................... 175
Clasificación de osciladores .......................................................... 176
Por forma de onda ......................................................................... 178
Por banda de frecuencia ............................................................... 178
Por elemento oscilante .................................................................. 180
Disparador de Schmidt .................................................................. 181
Oscilador con amplificador operacional ......................................... 184
Oscilador con salida asimétrica ..................................................... 188
Oscilador con salida rectificada ..................................................... 189
Oscilador con salida triangular ...................................................... 190
Osciladores con compuertas digitales ........................................... 192
Oscilador con transistor unijuntura (TUJ) ...................................... 199
Oscilador con circuito integrado LM555 ........................................ 201
Otros osciladores integrados ......................................................... 207
Circuito integrado ICL8038 ............................................................ 208
Circuito integrado XR2206 ............................................................ 208
Temporizadores ............................................................................ 209
Retardo a la conexión por alimentación ........................................ 211
Circuitos prácticos ......................................................................... 212
Retardo a la conexión por entrada ................................................ 214
Circuitos prácticos ......................................................................... 215
Retardo a la desconexión .............................................................. 217
Circuitos prácticos ......................................................................... 218
Retardo a la conexión – desconexión ........................................... 219
Generador de pulso constante ...................................................... 220
Generador de pulso constante con LM555 ................................... 223
Generador de rampa lineal con LM555 ......................................... 225
Temporizador CD4541 .................................................................. 226
Oscilador de 1 Hz .......................................................................... 229
Retardo a la conexión de 3 Hs ...................................................... 231
Retardo a la desconexión de 200 mS ........................................... 232
Conexión en cascada de circuitos CD4541 .................................. 233
Otros circuitos temporizadores ...................................................... 235
ELECTRONICA ANALOGICA Y DIGITAL
5.3.10
Protección de entradas C-MOS .................................................... 237
CAPITULO 6
6.1
6.2
6.2.1
6.2.2
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.3.1
6.3.3.2
6.3.4
6.3.4.1
6.3.4.2
FUENTES DE ALIMENTACIÓN.
Introducción ................................................................................... 239
Fuentes fijas no reguladas ............................................................ 241
Rectificación y filtrado ................................................................... 241
Calculo del capacitor de filtrado .................................................... 245
Fuentes reguladas ......................................................................... 248
Regulación con diodo zener .......................................................... 249
Regulación con diodo zener y transistor de paso .......................... 252
Regulación con circuito integrado .................................................. 259
Definición de términos en reguladores fijos ................................... 262
Otros circuitos con reguladores fijos ............................................. 264
Reguladores de tensión variables ................................................. 267
Ajuste digital de la tensión de salida ............................................. 271
Curvas características de reguladores variables ........................... 272
CAPITULO 7
7.1
7.1.1
7.1.2
7.1.3
7.1.4
7.1.5
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.3.1
7.2.3.2
ANTONIO GONZALEZ
MICROCONTROLADORES.
Introducción ................................................................................... 275
Entradas (INPUT) .......................................................................... 276
Salidas (OUTPUT) ........................................................................ 277
Unidad central de proceso (CPU) ................................................. 278
Reloj (CLOCK) .............................................................................. 279
Memoria ........................................................................................ 279
El microcontrolador ....................................................................... 280
Números y códigos de computadora ............................................. 282
Números binarios, octales y hexadecimales ................................. 283
Representación de números negativos ......................................... 286
Números binarios sin signo ........................................................... 287
Números binarios con signo .......................................................... 287
7.2.3.3
7.2.3.4
7.2.4
7.2.4.1
7.2.4.2
7.2.5
7.2.6
7.3
7.3.1
7.3.2
7.3.2.1
7.3.2.2
7.3.2.3
7.3.2.4
7.4
7.5
7.5.1
7.5.2
7.5.3
7.5.4
7.5.5
7.5.5.1
7.5.5.2
7.5.5.3
7.5.5.4
7.5.5.5
7.5.6
7.5.7
7.5.8
7.5.8.1
7.5.8.2
7.5.9
7.5.10
7.5.11
7.5.11.1
7.5.11.2
Números binarios en complemento a uno ..................................... 288
Números binarios en complemento a dos ..................................... 288
Conversión de números a distintos sistemas ................................. 289
Conversión de decimal a binario ................................................... 289
Conversión de binario a decimal ................................................... 289
Códigos de operación en microcontroladores ............................... 290
Mnemónicos y Assembler .............................................................. 291
Memorias y dispositivos de entrada – salida (I/O) paralelo ........... 292
Kilo, Mega y Gigabytes ................................................................. 292
Tipos de memorias ........................................................................ 294
Memorias RAM .............................................................................. 294
Memorias ROM ............................................................................. 295
Memorias PROM ........................................................................... 295
I/O como un tipo de memoria ........................................................ 297
Microcontroladores MC68HC908 .................................................. 298
El microcontrolador 68HC908QY/QT ............................................ 299
Descripción general ....................................................................... 300
Mapa de memoria .......................................................................... 302
Memoria flash ................................................................................ 304
Registros “CONFIG” ...................................................................... 305
Registros de la CPU08 .................................................................. 309
Acumulador (A) ............................................................................. 310
Registro Índice (H:X) ..................................................................... 310
Registro “STACK POINTER” o Puntero de pila (SP) .................... 311
Contador de programa (PC) .......................................................... 313
Registro de códigos de condición (CCR) ...................................... 314
Mapa de códigos de operación ..................................................... 315
Oscilador del MCU 908QY/QT ...................................................... 317
Puertos de entrada – salida I/O ..................................................... 321
Puerto A ........................................................................................ 323
Puerto B ........................................................................................ 325
Interrupción externa IRQ ............................................................... 326
Interrupciones externas KBI .......................................................... 329
Conversor analógico – digital ADC10 .......................................... 333
Registros del ADC10 ..................................................................... 336
Conversión de voltaje .................................................................... 341
ELECTRONICA ANALOGICA Y DIGITAL
7.5.12
7.5.12.1
7.5.12.2
7.5.12.3
7.5.12.4
7.5.12.5
7.5.12.6
7.5.12.7
7.6
7.6.1
7.6.2
7.6.2.1
7.7
7.8
7.8.1
7.8.2
7.8.3
7.8.4
7.8.5
7.8.6
7.8.7
7.8.8
7.8.9
7.8.10
7.8.11
7.8.12
7.8.13
7.8.14
7.8.15
7.8.16
7.9
7.9.1
7.9.2
7.9.3
7.9.4
7.9.5
ANTONIO GONZALEZ
Timer interno (TIM) ........................................................................ 342
Prescaler del timer ......................................................................... 343
Función captura de entrada .......................................................... 346
Salida por comparación ................................................................. 347
Modulación por ancho de pulso PWM ........................................... 347
Interrupciones en el TIM ................................................................ 348
Registros TMODH:TMODL del TIM................................................ 348
Detalle de los registros de los canales 0 y 1 ..................................349
Modulo Auto wakeup (AWU) ......................................................... 352
Instrucción STOP .......................................................................... 352
Descripción del módulo AWU ........................................................ 353
Registros asociados ...................................................................... 354
Módulo COP .................................................................................. 354
Modos de direccionamiento (MD) ................................................. 357
MD inherente ................................................................................. 359
MD inmediato ................................................................................. 359
MD directo ...................................................................................... 360
MD extendido ................................................................................. 361
MD indexado sin off-set ................................................................. 362
MD indexado con off-set de 8 bits ................................................. 363
MD indexado con off-set de 16 bits ................................................ 364
MD de Stack pointer con off-set de 8 bits ...................................... 364
MD de Stack pointer con off-set de 16 bits..................................... 365
MD relativo .................................................................................... 366
MD memoria a memoria (inmediato a directo) .............................. 367
MD memoria a memoria (directo a directo) .................................... 368
MD memoria a memoria (indexado a directo) c/post incremento .. 369
MD memoria a memoria (directo a indexado) c/post incremento .. 369
MD indexado con post incremento ................................................ 370
MD indexado con off-set de 8 bits con post incremento ................ 370
Reset ............................................................................................. 371
Pin RESET .................................................................................... 372
Power-On RESET ......................................................................... 373
Reset por watchdog (módulo COP) .............................................. 373
Reset por LVI ................................................................................ 373
Reset por dirección o código de operación ilegal .......................... 374
7.10
7.10.1
7.10.2
7.10.3
7.10.3.1
7.10.3.2
7.10.3.3
7.10.3.4
7.10.3.5
7.10.3.6
7.10.3.7
7.10.4
7.10.4.1
7.10.4.2
7.11
Programación ................................................................................ 374
Diagramas de flujo ......................................................................... 375
Subrutinas ..................................................................................... 380
Ejemplos de programación ............................................................ 381
Retardo corto ................................................................................. 382
Retardo largo ................................................................................. 384
Oscilador de onda cuadrada ......................................................... 386
Oscilador asimétrico de onda cuadrada ........................................ 389
Contador de un dígito .................................................................... 395
Contador de 4 dígitos up-down con reset ..................................... 401
Generador preciso de 1 Hz con timer ........................................... 410
Modos especiales “WAIT” y “STOP” ............................................. 414
Modo WAIT ................................................................................... 414
Modo STOP ................................................................................... 414
Comentario final sobre el capítulo ................................................. 415
APENDICE A: Set de instrucciones de la CPU 08 ........................................ 417
APENDICE B: Tablas de registros y vectores del 908QYxA / QTxA ..............424
APENDICE C: Especificaciones eléctricas del 908QYxA / QTxA .................. 431
APENDICE D: Simulador y depurador PEMICRO ......................................... 437
Glosario ....................................................................................................... 443
Bibliografía ..................................................................................................... 451
ELECTRONICA ANALOGICA Y DIGITAL
ANTONIO GONZALEZ
PROLOGO
Este texto está orientado a introducir al estudiante en el mundo de la
electrónica con el fin de que se familiarice con los componentes desde los más
elementales hasta herramientas digitales más complejas con las que se podrán
realizar importantes diseños de sistemas aplicables. Incluye conceptos de la
electrónica analógica y digital, con la intención de mostrar que se pueden
combinar perfectamente para formar sistemas útiles al ser humano tanto en
ámbitos domésticos como comerciales e incluso en el apasionante mundo de
las aplicaciones industriales.
El primer capítulo muestra al estudiante las reglas básicas de la electricidad,
aplicadas en mallas con componentes electrónicos tan básicos como son las
resistencias y capacitores, de los cuales, a pesar de su sencillez, generalmente se desconocen algunos conceptos importantes que nos permiten
generar buenos diseños a futuro. Ya con los conceptos básicos de
electrotecnia y el conocimiento de cómo es el comportamiento de los
elementos estáticos y dinámicos cuando se los somete a voltajes con
evoluciones temporales particulares, pasamos a estudiar componentes
electrónicos que se destacan por la no linealidad de las curvas que los
caracterizan, tal es el caso del diodo y lógicamente del transistor, estructura
fundamental de cualquier circuito discreto o integrado por complejo que éste
sea. El estudio del transistor orientado a sus estados extremos de corte y
saturación nos permite entender que esta minúscula llave electrónica que
conmuta a velocidades increíbles es la base de la electrónica digital de
nuestros días.
El tercer capítulo trata del corazón de la electrónica analógica como es el
amplificador operacional, fundamentalmente en aplicaciones lineales, aunque
también se enfatiza al amplificador como elemento no lineal en aplicaciones de
comparación de voltajes analógicos, con sus variantes clásicas en cuanto a la
incorporación o no de lo que seguramente es una herramienta poco conocida
como es la histéresis y su tratamiento, cálculo e implementación en sistemas
de control.
Todo circuito electrónico o circuito activo necesita energía eléctrica de
características precisas para alimentarse, por lo que el capítulo sexto está
dedicado al diseño de la fuente de alimentación necesaria en cada aplicación,
con las particularidades, ventajas, restricciones y bondades que presenta cada
diseño de fuente elegido. La electrónica digital básica que se presenta en el
cuarto capítulo sirve como cimiento para otros, como el quinto que trata de
circuitos osciladores y temporizadores o el séptimo que incorpora al
microcontrolador como herramienta fundamental, hoy en día, de los diseños de
mediano nivel en el ámbito de la electrónica digital. La potencialidad de los
microcontroladores está basada no solo en la tecnología actual que permite
integrar a costos muy bajos alta capacidad de procesamiento en un solo chip,
sino también en la habilidad del programador para incorporar en un circuito
integrado funciones de alta potencialidad que permitan al microcontrolador
transformarse en un sistema con altísimo valor agregado.
Los pasos a seguir para lograr diseños óptimos con sistemas digitales de bajo
costo y alta performance basados en microcontroladores comienzan con el
estudio de las características funcionales y estructurales que tiene un
dispositivo tal o familia de ellos. Son muchos y muy variados los sistemas
microcontroladores que podemos encontrar en el mercado por lo que se debió
seleccionar algunos de ellos para realizar un estudio detallado y tratar, con
esto, de introducir al estudiante en la materia.
ELECTRONICA ANALOGICA Y DIGITAL
ANTONIO GONZALEZ
No solo conocer a fondo algunos modelos de microcontroladores resuelve un
proyecto. También debe tenerse la suficiente práctica en la confección de
software para potenciar lo que sin él sería un circuito integrado inútil. El último
capítulo está dedicado a la descripción detallada de algunos modelos de
microcontroladores, con algunos ejemplos de programación desde pequeños
retardos de tiempo hasta sistemas algo complejos como contadores u
osciladores de precisión que ayudarán a generar una programación más
elaborada para aquellos que comienzan a transitar este apasionante tema.
Agradezco profundamente a todas las personas que de una u otra manera
ayudaron a que este texto se hiciera realidad, a mis hijos, a mis socios y
amigos incondicionales, a mis colegas, a mis alumnos de muchos años que lo
motivaron y especialmente a quien durante más de dos décadas estuvo día a
día presente en mi vida.
Ing. Antonio González
1
CONCEPTOS ELECTRONICOS BASICOS.
1.1 INTRODUCCION.
En éste nuestro primer capítulo, nos abocaremos al estudio de los
componentes básicos que tienen tratamiento tanto en electrónica como en
electrotecnia elemental. Nos ocuparemos del estudio y comportamiento de
cada uno de ellos asociados con componentes de similares características, y
también con otros cuyas pautas de funcionamiento son diferentes, pero que
combinados forman redes de gran utilidad en electrónica y que son de uso
frecuente, como por ejemplo la combinación de varias resistencias o de una
resistencia y un capacitor, etc.
Haremos especial hincapié en el conjunto de dos o mas resistencias
conectadas en serie, formando lo que llamaremos divisor resistivo y
analizaremos que sucede en los puntos de unión de cada una de las
resistencias que lo componen, entendiendo que esta configuración simple es la
base de muchos circuitos o de parte de ellos, por lo que su análisis y
entendimiento es de vital importancia. Abordaremos también, el comportamiento de capacitores e inductancias (bobinas) a determinados estímulos y
con diferentes tipos de voltajes aplicados o corrientes circulando por ellos. El
ELECTRONICA ANALOGICA Y DIGITAL
ANTONIO GONZALEZ
repaso de algunas leyes fundamentales para resolución de circuitos, nos
ayudarán a comprender como funcionan estos componentes básicos, y como,
en posteriores capítulos, se combinan con otros componentes de carácter
activo para formar sistemas electrónicos con funciones determinadas, que
involucran tanto a la medición, al control electrónico, a la conversión de
parámetros, al procesamiento de datos y a muchas otras funciones, que como
fin último tienden a facilitar y perfeccionar nuestro trabajo diario y, por que no,
nuestra vida cotidiana.
La presentación de cada componente electrónico, de acá en mas, conllevará a
la descripción lo mas detallada posible, de las características reales del mismo,
para que el estudiante aprecie los detalles de forma, aspecto, tamaño y otros,
de tal manera de acercar la teoría a la práctica, y familiarizarlo desde el
comienzo con los elementos que rutinariamente se encontrará en la vida real,
tanto en circuitos electrónicos ya realizados como circuitos de factura propia, a
los que habrá que diseñar, ya sea bajo la forma de prototipos o como sistemas
definitivos. Para ello es fundamental conocer los detalles recién enunciados,
con el fin de alcanzar un diseño óptimo en tamaño, rendimiento, estructura
interna, aspecto, etc.
Para poder abordar el análisis de los circuitos y dispositivos electrónicos es
necesario saber resolver con precisión circuitos eléctricos constituidos por
mallas donde intervienen fuentes de alimentación (generadores de voltaje) y
elementos pasivos, es decir resistencias, condensadores (o capacitores) y
bobinas (o inductancias). El objetivo inmediato es familiarizarse con los
elementos antes mencionados y asociarlos en circuitos básicos para poder
comprender como interactúan entre sí y, además, cuales son sus condiciones
de polarización (tensión y corriente eléctrica) en cada momento.
1.2 MAGNITUDES ELECTRICAS DE UN CIRCUITO.
Las magnitudes eléctricas más frecuentemente empleadas en la resolución de
circuitos básicos son: la tensión eléctrica, la intensidad de corriente y la
resistencia eléctrica.
Daremos por conocida la relación que existe entre una unidad determinada y
sus múltiplos y submúltiplos asociados, por ejemplo si aparece la unidad
“Voltio”, implícitamente puede aparecer la unidad “miliVoltio (mV)” que es la
milésima parte de aquél, en notación científica: 1mV = 1.10-3 V. Como repaso
enunciaremos los prefijos asociados a cada uno de los múltiplos y submúltiplos
que podemos encontrar en este texto.
10-12
10-9
10-6
10-3
1
103
106
109
pico
nano
micro
mili
unidad
kilo
mega
giga
Tabla 1.1 Prefijos asociados a cada múltiplo y submúltiplo.
1.2.1 TENSION ELECTRICA.
La tensión eléctrica es la diferencia de nivel eléctrico que existe entre dos
puntos diferentes de una red o circuito eléctrico. Por esa razón se la conoce
también como diferencia de potencial (ddp), caída de tensión o simplemente
como tensión cuando los puntos entre los que aparece son los terminales
metálicos de un componente electrónico cualquiera.
Para representar la ddp se emplean expresiones tales como Vab, siendo a y b
los puntos del circuito de diferente nivel eléctrico. La tensión eléctrica se mide
en Volts (V), aunque en electrónica es frecuente utilizar submúltiplos de éste
tales como el milivoltio (mV) o el microvoltio (μV). Éstos son mil y un millón de
veces más chicos que el voltio, respectivamente. La tensión eléctrica puede
tener diferentes formas, función del tiempo, por lo que se puede clasificar en:
CONTINUA: El valor de tensión de un terminal respecto de otro puede variar
con el tiempo, pero no cambia la polaridad relativa (figura 1.1a).
CONSTANTE: El valor de la tensión de un terminal respecto de otro no varia
con el tiempo ni cambia la polaridad, es decir se mantiene constante y estable
en el tiempo (figura 1.1b).
ALTERNA: El valor de la tensión de un terminal respecto de otro varía
periódicamente de valor y polaridad (figura 1.1c). Esto trae como consecuencia
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que la corriente entregada a una carga por este tipo de voltajes cambia su
sentido de circulación, tantas veces como cambia el voltaje que le da origen.
Figura 1.1 Diferentes formas de voltaje en función del tiempo.
Si imaginamos una batería de vehículo, o una pila doméstica común (tensión
continua), podemos decir que entre sus terminales existe una diferencia de
potencial, que en el primer caso será de 12,8 Volts aproximadamente, mientras
que en el segundo de 1,5 Volts. Estos dispositivos están … (SIGUE)
2
DIODOS Y TRANSISTORES.
2.1 INTRODUCCION.
Estudiaremos ahora algunos componentes electrónicos básicos como diodos y
transistores en muchos de sus aspectos, tipos y características. Podremos
conocer la utilidad de un diodo de silicio como rectificador o un transistor como
llave conmutadora, incluso se hará un repaso por los diodos y transistores
incluidos en la banda de la optoelectrónica. Se hará una breve descripción del
transistor en aplicaciones lineales, tales como audio y amplificación de señales
analógicas, ya que para estos cometidos existen en la actualidad otros
componentes que lo reemplazan y con mejores prestaciones.
2.2 DIODO RECTIFICADOR.
El dispositivo de estado sólido mas simple es el DIODO, el cual se representa
por el símbolo mostrado en la figura 2.1. La estructura básica del diodo es una
juntura simple P-N representada en la figura 2.2. El material tipo N sirve como
electrodo negativo y se denomina CATODO, mientras que el material P sirve
como electrodo positivo y se llama ANODO. La flecha, en esta figura,
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representa el sentido de circulación "convencional" de la corriente eléctrica (la
corriente de cargas negativas, electrones, circula en sentido contrario).
Figura 2.1 Símbolo convencional del diodo.
El diodo está construido de tal manera que la juntura interna P-N presenta
mucha mayor oposición al paso de la corriente en un sentido que en el otro,
dependiendo de la polaridad a que se encuentra sometido. Si el ánodo es mas
positivo que el cátodo, entonces la polarización es directa, y el diodo presenta
muy baja resistencia al paso de la corriente; por el contrario si el cátodo es mas
positivo que el ánodo, la polarización del dispositivo es inversa y en esta
situación la resistencia interna es extremadamente alta, permitiendo muy poco
flujo de corriente.
Debe tenerse en cuenta que en polarización directa, lo antes mencionado es
válido solo si se supera una pequeña barrera que, dependiendo del material
con que esté construido el diodo puede valer entre 0,2 Volts y 0,8 Volts para
los diodos comunes (ver figura 2.6), y alrededor de 2 Volts para los diodos
infrarrojos y diodos LED.
Figura 2.2 Esquema de funcionamiento del diodo.
Debido a que el diodo conduce corriente más fácilmente en un sentido que en
otro, resulta un efectivo dispositivo rectificador. Si se aplica una señal de
corriente alterna en un circuito como el de la figura 2.3, se puede deducir que la
corriente eléctrica circula… (SIGUE)
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3
AMPLIFICADORES OPERACIONALES.
3.1 INTRODUCCION.
Un amplificador operacional (en adelante AO) es un circuito electrónico que
básicamente sirve para amplificar tensión eléctrica, pero tiene características,
por su construcción particular, que lo hacen especialmente útil en desarrollo de
innumerables circuitos en los cuales no siempre aparece el concepto básico de
amplificación. Su denominación de operacional viene de los tiempos en que
este dispositivo nació, ya que se lo utilizaba para realizar operaciones
matemáticas incluso como parte de lo que se denominaba computadora
analógica.
El primer AO integrado aparece al principio de los `60 con el modelo μA702; le
siguieron entre otros el μA709 y el μA741, que aun se sigue fabricando con
diferentes denominaciones como LM741, DS741, HA17741, etc. Después de
estos AO pioneros aparecieron con el tiempo una gran cantidad de modelos
que incluían diferentes prestaciones e innovaciones tecnológicas. Hoy en día
se sigue utilizando el AO en forma vasta, pero excluyendo su utilización en
computadoras como las mencionadas ya que el dominio digital en el campo de
las operaciones y los cálculos matemáticos es desde ya indiscutible.
Se presenta obviamente bajo la forma de circuito integrado (los primeros AO
eran discretos, incluso confeccionados con válvulas de vacío), con un
dispositivo o más, por pastilla. En general cada AO tiene dos entradas y una
salida. En forma teórica esta salida tendrá siempre un valor de tensión que es
igual a la diferencia de las tensiones de cada una de las entradas, multiplicada
por un factor denominado ganancia. En términos de ecuación podemos
escribir:
Vs = (Ve+ − Ve− ) ⋅ Δd
[3.1]
Decimos en forma teórica, ya que en la práctica la tensión de salida encuentra
sus límites en valores cercanos a los de alimentación del dispositivo. La figura
3.1 muestra el símbolo universal con que se lo conoce desde sus primeros
tiempos, aunque en general no se indican las dos lineas que representan la
alimentación del dispositivo. El amplificador en estudio, también denominado
amplificador de corriente continua, ya que puede amplificar tensiones de
frecuencia cero, posee como características principales una alta impedancia en
cada una de las entradas, una alta ganancia Δd, y muy baja impedancia de
salida, además de otras que se detallan en la tabla 3.1.
Figura 3.1 Símbolo universal del amplificador operacional.
Ocasionalmente el amplificador puede tener otros terminales asociados que
sirven para corrección de parámetros no deseados como el off-set o para
compensación de frecuencia, detalles que veremos mas adelante. La base del
AO es lo que se denomina amplificador diferencial que es la estructura principal
de la etapa de entrada, y de las sucesivas etapas de amplificación que
conforman finalmente el AO.
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3.2 AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.
La configuración mas común del amplificador diferencial es aquella formada
por dos transistores con sus correspondientes resistencias de carga Rc1 y Rc2
y por una resistencia de emisor Re a la que se conectan los dos emisores de
los transistores como se ve en la figura 3.2. En el otro extremo de Re se
conecta la fuente de alimentación negativa -Vee.
Figura 3.2
Amplificador Diferencial.
Entre colector y emisor de cada transistor existe una tensión Vce constante e
igual en ambos para la condición: Ve1 = Ve2 = 0. Cuando las tensiones de
entrada son nulas o iguales, la diferencia de potencial… (SIGUE)
4
SISTEMAS DIGITALES BASICOS.
3.1 INTRODUCCION.
En este capítulo detallaremos los circuitos digitales básicos más comunes y
más usados en aplicaciones tanto comerciales como industriales. La electrónica digital se diferencia de la analógica en que los voltajes asociados al
circuito toman solo dos valores bien definidos, llamados comunmente “1” y “0”,
mientras que en la electrónica analógica los valores de tensiones de entradas y
salidas de un sistema pueden tomar infinitos valores dentro de un rango
especificado.
Figura 4.1 Señales analógica y digital típicas.
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En la figura 4.1 se muestran ejemplos de evoluciones de las señales analógica
y digital en función del tiempo. Nos abocaremos exclusivamente al tratamiento,
generación e interpretación de señales digitales. Para ello vamos a definir
algunos términos comunes que caracterizan a circuitos y elementos
electrónicos de diferente orden de magnitud.
SISTEMA: Se define sistema como la asociación de una serie de dispositivos,
componentes o elementos, interrelacionados para un determinado propósito.
Ejemplos: Reloj digital, termómetro, voltímetro, computador.
DISPOSITIVO: En electrónica, es un circuito constituido por varios componentes que realiza, por sí mismo, una función determinada. Ejemplos: decodificador, contador, etapa de amplificación, etc.
COMPONENTE o ELEMENTO: Es cada una de las partes que constituye un
dispositivo. Por ejemplo las resistencias, diodos, transistores, triacs, etc. son
componentes típicos que se emplean para formar un dispositivo.
Ya vimos que el transistor, en su configuración básica puede funcionar como
llave o switch, cuando éste se encuentra en los estados de corte y saturación.
A partir de componentes como el transistor se logran dispositivos digitales que
cumplen con una determinada función lógica. Cada uno de éstos puede a su
vez combinarse para formar dispositivos más complejos, y por último sistemas
completos. No olvidemos que nuestra computadora personal (sistema) es
simplemente un conjunto de varios millones de transistores (componentes) y
otros elementos, distribuidos en muchos circuitos integrados (dispositivos).
Analizaremos nuevamente el circuito básico de las figuras 2.18 y 2.19, pero ya
desde un punto de vista “digital”, es decir la entrada al mismo es una tensión
con dos posibles valores, y la salida, consecuencia de esa entrada, también lo
será. De aca en adelante nombraremos estos dos valores posibles de tensión
como “0” (cero = 0 Volts) y como “1” (uno = +Vcc); además vamos a adoptar
los valores de Rc y Rb de tal manera que el transistor se encuentre siempre en
el estado de corte o de saturación, pero nunca en situaciones intermedias. Con
esto podemos inferir que:
Ve = 0 Æ transistor en corte Æ Vs = 1
Ve = 1 Æ transistor en saturación Æ Vs = 0
Esto significa que con este simple circuito, compuesto de varios componentes,
hemos realizado un dispositivo que invierte la señal de entrada.
Figura 4.2 Dispositivo inversor básico.
Con el término “invierte” queremos significar una inversión lógica y no una
inversión de signo como en el caso de algunas configuraciones de
amplificadores operacionales en que también aparece este término. Entonces
una inversión lógica significa un cambio de estado lógico de la señal de salida
respecto de la de entrada. La función inversión puede resumirse en la siguiente
tabla que determina el valor que toma la salida para … (SIGUE)
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5
OSCILADORES Y TEMPORIZADORES
5.1 INTRODUCCION.
La primer parte de este capítulo esta dedicada a los osciladores electrónicos.
Veremos en detalle a una buena cantidad de circuitos clásicos para entender
como se generan oscilaciones de múltiples características con las virtudes y
limitaciones que presentan cada uno de ellos; clasificaremos a estos
dispositivos y detallaremos las características más sobresalientes en cada
caso. La segunda sección incluye el tratamiento de circuitos, denominados
temporizadores, que sin generar tensiones oscilantes proporcionan al
diseñador herramientas para la generación de pulsos de tensión únicos en
función del tiempo y de determinadas condiciones iniciales o condiciones de
entrada.
5.2 OSCILADORES.
Es muy común la utilización de tensiones, en electrónica, que tengan una
variación de su nivel en Volts, de forma periódica o repetitiva, y en general con
parámetros constantes que caracterizan su evolución en el tiempo, aunque a
veces necesitemos ex profeso modificar dinámicamente algunos parámetros de
esta tensión. La señal a la que nos referimos podemos denominarla en general
onda periódica u oscilación. Esta oscilación puede tener innumerables
propósitos, velocidades de evolución en el tiempo, formas, principios de
generación, componentes que la determinan, etc. pero todas se obtienen a
partir de lo que podemos definir como oscilador: Un oscilador electrónico es un
circuito que genera una tensión variable, periódica y de manera autónoma, es
decir sin aplicar excitación de entrada alguna.
Cabe señalar que de aca en adelante llamaremos simplemente oscilador al
oscilador electrónico, motivo de este capítulo, pero tengamos en cuenta que
dicho término no se aplica exclusivamente a circuitos electrónicos sino que se
generaliza a innumerables sistemas en el mundo que nos rodea. Existen
osciladores mecánicos, neumáticos, electromecánicos y muchos otros tipos,
hasta orgánicos, tal como nuestro corazón. Un péndulo de reloj es una parte
del sistema oscilatorio que permite a las manecillas recorrer un camino circular
por un determinado tiempo. Este tiempo que un péndulo dura oscilando
depende de cuanta energía potencial se acumula en las pesas que son parte
del sistema.
Si analizamos cada caso en donde aparece una oscilación de la forma que
sea, aparece también una fuente de energía que es capaz de mantener al
sistema en ese estado de oscilación.
Si la fuente de energía del sistema cesa, también lo hará la oscilación que el
circuito genera. Los osciladores electrónicos no escapan a esa afirmación.
Todo circuito electrónico destinado a generar oscilación debe estar alimentado
por una fuente de tensión que normalmente es del tipo continua y constante.
5.2.1 CLASIFICACION DE OSCILADORES.
Existen, como dijimos, muchos tipos de osciladores, que se pueden clasificar
según distintos parámetros como forma de onda, banda de frecuencia en la
que operan, elemento oscilante y otros menos significativos. Veremos algunos
ejemplos que representan la evolución de un voltaje en función del tiempo
donde se destaca fundamentalmente la forma de la señal, aunque en el gráfico
están presentes otros parámetros en forma implícita como la frecuencia, y su
inversa, el período.
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Figura 5.1
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Formas de onda clásicas de salida en osciladores.
5.2.1.1 POR FORMA DE ONDA.
La forma en que transcurre la tensión generada por un oscilador en función del
tiempo determina si éste es sinusoidal, triangular, etc. pero además se incluye
en esta clasificación la polaridad de al señal. Por ejemplo una salida de
oscilador puede generar una senoide con semiciclos positivos y negativos de
idéntica duración (onda 1 en figura 5.1a), es decir con valor medio igual a cero;
o la misma onda pero con una polaridad tal que el tiempo en el cuadrante
positivo sea mayor que en el negativo; o únicamente positiva (onda 2 en figura
5.1a). Si bien la forma es la misma, en el segundo y tercer caso existe una
onda no periódica que es un valor de tensión continua Vc, sumada a la
periódica (la sinusoidal). Esto está representado en la figura 5.1a. En la figura
5.1b pueden apreciarse otras formas de onda clásicas.
La onda 3 se denomina triangular, mientras que la 4, si bien también tiene las
características de onda triangular se la conoce comunmente como diente de
sierra ya que se caracteriza por poseer uno de los flancos de muy rápida
evolución en el tiempo respecto del otro. Las ondas 5 y 6 corresponden a
ondas cuadradas de uno y dos signos respectivamente. La onda 7 es un caso
particular de las anteriores, denominada pulsiva, por poseer el semiciclo en
estado activo con una duración relativamente menor (o mayor) que el otro
semiciclo. Las ondas periódicas de forma no definida como la 8 no son muy
sencillas de generar, y en cada caso particular debemos … (SIGUE)
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6
FUENTES DE ALIMENTACIÓN
6.1 INTRODUCCION.
No es desconocido que todo circuito electrónico está compuesto por
componentes que pueden dividirse básicamente en pasivos y activos. Los
primeros incluyen resistencias, capacitores, inductancias y, a pesar de ser un
semiconductor, el diodo. Los componentes activos, principalmente el transistor
y toda forma de agrupación de éstos y otros componentes como compuertas,
flip-flops, contadores, microprocesadores, etc. son dispositivos que necesitan
para funcionar una tensión eléctrica, que denominaremos en adelante tensión
de alimentación, aunque ya se ha utilizado este término en capítulos anteriores.
Un circuito electrónico, indefectiblemente necesita ser alimentado con un
voltaje que depende de las características del circuito en sí. Ese voltaje debe
ser provisto por un bloque denominado fuente de alimentación, generalmente
configurado dentro del mismo circuito y no solo debe ser capaz de proporcionar
la tensión eléctrica que necesita el circuito, sino también la corriente que éste le
solicite para funcionar.
Una fuente de alimentación tiene muchas formas conocidas, desde la pila
común de carbón, pasando por las pilas alcalinas, baterías de tensiones
universalmente adoptadas como los clásicos 13,8VCC de las baterías de los
vehículos, o las baterías recargables de uso cotidiano que bien vale su nombre
ya que generalmente son un conjunto (batería) de celdas de menor tensión,
generalmente de 1,25VCC o 1,5VCC. Estos sistemas electroquímicos son
ideales, en caso de necesitar energía eléctrica para dispositivos electrónicos
portátiles o donde no existe otra manera de obtenerla; pero cuentan con la
desventaja de su indefectible “agotamiento”. En al caso particular de un
vehículo, la batería que proporciona la energía en el arranque y en el
encendido del dispositivo de ignición, además de luces y otros sistemas
propios, tiene la ventaja de poder ser recargada en forma permanente desde
un sistema de generación de corriente eléctrica (alternador) con el aditivo de un
regulador de voltaje, por lo que su vida útil es extensa.
Para la mayoría de los circuitos electrónicos dedicados a aplicaciones Industriales, comerciales, hogareñas, militares, etc. debe contarse con un sistema
que proporcione la tensión de alimentación en forma permanente sin variar su
valor, y de la mayor calidad que se pueda; refiriéndonos con el término de
calidad al conjunto de características que debería cumplir una fuente de
alimentación y que detallamos a continuación:
• Tensión constante para cualquier condición de carga.
• Voltaje plano, sin variaciones en el tiempo, para cualquier condición de
carga.
• Capacidad de corriente de salida máxima sin perturbaciones en el voltaje.
Para realizar una fuente de alimentación con estas características, lo primero
que debemos elegir es la fuente de energía que nos proporcionará en forma
permanente la tensión requerida por nuestro circuito, equipamiento etc. Es
indudable que esta fuente primaria es la linea de alimentación de energía
eléctrica domiciliaria o industrial, sea monofásica o trifásica. El objetivo es
entonces, transformar esta tensión eléctrica de formato sinusoidal y de niveles
extremadamente grandes para nuestros propósitos en un voltaje acorde a
nuestras necesidades. En este capítulo estudiaremos las fuentes de
alimentación de baja potencia destinadas a la alimentación de circuitos
electrónicos en general. Primero se hará una descripción de las fuentes no
reguladas para luego referirnos a las más elaboradas como son las fuentes
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reguladas, ya sea con componentes discretos o con circuitos integrados
diseñados a tal fin.
6.2 FUENTES FIJAS NO REGULADAS.
Las fuentes de alimentación no reguladas son las mas simples de configurar ya
que se necesitan muy pocos componentes para realizarlas. El término
regulación aparece aquí para distinguir dos tipos de fuentes muy diferentes.
Una fuente regulada tiene la capacidad de mantener su tensión constante para
cualquier condición de carga, dentro de los límites establecidos en el diseño;
por lo tanto las fuentes no reguladas no poseen esta virtud pero son mucho
más simples y económicas que las anteriores. En muchas aplicaciones no se
justifica incorporar al circuito alimentación de alta calidad, por lo que para estos
casos son válidas las fuentes simples que describiremos ahora; si bien hay que
tener en cuenta que una fuente con regulación en su salida se desarrolla a
partir de una fuente sin regulación.
Las fuentes no reguladas se basan en la rectificación y filtrado de una onda de
tensión sinusoidal alternada. Se entiende por rectificación a la transformación
de una onda alterna (voltaje de ambas polaridades) en una onda continua
(voltaje de una sola polaridad). No confundir tensión continua con tensión
constante. La primera puede tener cualquier forma de onda pero siempre con
la misma polaridad, en cambio la segunda es además constante en el tiempo.
6.2.1 RECTIFICACION Y FILTRADO.
La rectificación, que se efectúa mediante diodos y que adelantáramos en el
apartado 2.2, puede realizarse en media onda como lo muestra la figura 6.1 o
en onda completa, figura 6.2, presentando cada caso ventajas y desventajas.
Para obtener definitivamente una tensión plana la se recurre al filtrado que
consiste en transformar la onda rectificada, comunmente llamada onda
pulsante, en una tensión ya constante. Esta operación la realiza un capacitor
de valor adecuado. En ambos casos se muestra el circuito básico de la fuente
de tensión continua no regulada con sus correspondientes diodos rectificadores
D y el capacitor de filtrado C.
Figura 6.1 Rectificación en media onda y filtrado.
En general el capacitor utilizado como filtro es de un valor importante, por lo
que se recurre al tipo electrolítico que puede alcanzar valores sustancialmente
altos. En la figura 6.1a podemos apreciar la consecuencia de rectificar con solo
un diodo, que es la supresión del semiciclo negativo de la onda sinusoidal. El
resultado es una tensión continua con la misma forma que la tensión Vs, salida
del transformador, en los semiciclos positivos y cero en los … (SIGUE)
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7
MICROCONTROLADORES
7.1 INTRODUCCION.
Un microcontrolador (Microcontroller Unit - MCU) es una de las formas más
sencillas de sistemas de cómputo. Es mucho más simple y pequeño que las
computadoras personales o profesionales. La mayoría de los MCU son
simplemente componentes electrónicos bajo el formato físico de circuito
integrado, que cumplen la función de ejecutores de instrucciones de propósitos
generales. En estos sistemas se destacan como elementos principales la
Unidad Central de Procesamiento CPU, y fundamentalmente el programa
diseñado por el usuario, que como en cualquier sistema de cómputo, sin él, el
propio computador no tendría posibilidad de funcionamiento alguno.
La figura 7.1 muestra un sistema de cómputo típico compuesto por los bloques
de memoria, entrada - salida, CPU, reloj, además de un bloque que no es físico
como los mencionados, sino que tiene el carácter de intangible. Este bloque es
el programa o software elaborado por el programador, que es la secuencia de
instrucciones que la CPU debe ejecutar para realizar el trabajo que el usuario
desea que el sistema de cómputos realice. Cada bloque será descrito en
detalle.
Figura 7.1 Sistema de cómputo básico.
Si bien el gráfico anterior es simple, es representativo tanto de un pequeño
MCU como de un computador personal ya que ambos están compuestos
básicamente por los bloques indicados.
7.1.1 ENTRADAS (INPUT).
Los dispositivos de entrada proveen información al sistema de cómputo desde
el mundo exterior. En un sistema PC, el dispositivo de entrada más común es
el teclado, mientras que en un MCU las entradas pueden ser simplemente
estados (abierto o cerrado) de un interruptor eléctrico, teclados de
configuraciones simples (pocas teclas), contactos de sensores tales como
termostatos, o señales provenientes de dispositivos analógicos o digitales
similares al MCU. Todos estos dispositivos deben proporcionar al MCU voltajes
que estén dentro del rango de tensión admisible. En general casi todas las
entradas reciben dos posibles valores de tensión (“1” y “0”) que coinciden
normalmente con los valores de alimentación del dispositivo.
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También es posible, en algunos casos, introducir señales del tipo analógicas
bajo la forma de tensión eléctrica ya que el sistema tiene la capacidad de
convertir estas tensiones en valores digitales que puede procesar
posteriormente. Estas entradas analógicas también deben estar comprendidas
en un rango determinado por el fabricante del dispositivo. La mayoría de los
microcontroladores pueden procesar solamente señales digitales o analógicas
de entrada de los mismos niveles de voltaje de su propia fuente de
alimentación: El nivel 0 es el potencial de masa, es decir que tiene 0 Volts,
normalmente designada como Vss mientras que el nivel 1 es típicamente 5
Volts o 3,3 Volts dependiendo de la configuración de alimentación asignada.
Los transductores se usan para transformar diferentes parámetros, tales como
temperatura, presión, humedad, nivel, etc., en niveles lógicos de tensión
eléctrica que el MCU pueda entender y manipular. Por supuesto que el mundo
real está lleno de señales analógicas o señales que tienen diferente y muy
variados niveles en sus parámetros o en sus equivalentes de voltaje, pero
siempre se pueden acondicionar los niveles para poder introducir al MCU
información en niveles o formatos adecuados.
7.1.2 SALIDAS (OUTPUT).
Los dispositivos de salida se utilizan para transmitir información o acciones
desde la computadora hacia el mundo exterior. Haciendo la analogía con un
sistema PC, el dispositivo de salida típico es la pantalla del monitor, donde
vemos reflejadas las acciones tomadas por el procesador interno. En un
sistema MCU, las salidas son señales lógicas del nivel digital mencionado
anteriormente y son utilizadas para manejar otros dispositivos digitales, LED`s,
dispositivos eléctricos tales como relés, motores o cualquier carga que pueda
ser manipulada desde una señal lógica proveniente del MCU y a través de la
interfase correspondiente.
7.1.3 UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU).
La CPU es el componente físico principal de todo sistema de cómputo; su tarea
es ejecutar obedientemente el conjunto de instrucciones (programa) que fue
provisto por el programador y que se encuentra “grabado” en algún lugar en el
sistema. Para el caso de un MCU este programa se encuentra en una porción
de memoria asignada a tal efecto. Un programa típico de cómputo instruye a la
CPU en tareas como leer información desde las entradas o desde la memoria,
modificar datos en la memoria y modificar el estado de las salidas “escribiendo”
niveles lógicos en los lugares de memoria correspondientes a ellas.
Este programa o conjunto de instrucciones que la CPU es capaz de procesar
puede estar ejecutándose cíclicamente o no, dependiendo de las
características del programa, pero además pueden coexistir en la memoria
otros programas que la CPU ejecutará dadas ciertas condiciones externas, tal
es el caso de alarmas eventuales que modifican el estado de una o mas
entradas para que la CPU ejecute esa porción específica de software. Son
muchas las variantes que pueden aparecer en el software de un MCU y la CPU
debe poder ejecutar dicho programa en el orden que el usuario defina.
En este capítulo abordaremos el tema haciendo referencia a una de las tantas
líneas de MCUs disponibles en el mercado, que es la caracterizada como
MC68HC908, cuyo fabricante es la firma FREESCALE, de MORTOROLA. Esta
línea comprende una importante cantidad de componentes que se diferencian
entre si por poseer cualidades diferentes que los hacen, en cada caso,
adecuados a muy diferentes aplicaciones, aunque todos estos componentes
poseen la misma CPU que comercialmente está identificada como CPU08.
Así por ejemplo se encuentran disponibles MCUs de baja cantidad de entradas
y salidas y alto potencial de procesamiento a muy bajo costo, o sistemas con
gran cantidad de pines I/O, o gran capacidad de memoria de programa, o gran
cantidad de entradas analógicas, etc.
7.1.4 RELOJ (CLOCK).
Los MCU usan un pequeño reloj oscilador con el propósito de hacer que la
CPU ejecute los pasos de programa correspondientes en forma secuencial y
ordenada. Cada instrucción a ejecutar por la CPU ocupa uno o más pasos
comúnmente llamados ciclos de reloj.
El oscilador principal generalmente está contenido, en forma parcial o total,
dentro del chip del MCU, dejando en algunos modelos para conectar en el
exterior el elemento oscilante que usualmente es un cristal de cuarzo o
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resonador cerámico externo, como se ve en la figura 7.1. También existen
sistemas con el oscilador basado directamente en una malla R-C, o
simplemente sin elemento externo generando su reloj en un circuito interno al
chip. Estos últimos cuentan con menor precisión en cuanto a la frecuencia
generada.
7.1.5 MEMORIA.
La unidad más pequeña de una memoria de computadora es el bit que puede
almacenar un valor de 0 o 1 lógico. Estos bits se agrupan en juegos de 8 para
formar un “registro” denominado byte. Las grandes computadoras trabajan con
datos compuestos por juegos de 16, 32, 64 y hasta 128 bits; estos grupos se
llaman word o palabra, pero un byte es siempre 8 bits. En los pequeños MCUs
la palabra usualmente tiene un “ancho” de un byte. Este número de bits que
determina el ancho de la palabra en un sistema de cómputo, define de alguna
manera la potencialidad del sistema ya que procesar datos, por ejemplo, de 32
bits es muy diferente a procesar un simple dato de 8 bits. Hay distintos tipos de
memorias usados en un sistema microcontrolador, y destinados a diferentes
propósitos. Los más importantes son:
1- La memoria NO VOLATIL, que en el caso de la familia HC908 es del tipo
Flash, es la memoria donde se graba el programa diseñado por el usuario.
Esta memoria no cambia su contenido con la falta de alimentación del
circuito, aunque puede borrarse y escribirse nuevamente con los
procedimientos adecuados que veremos mas adelante, ya sea quitando de
funcionamiento al microcontrolador o con rutinas de borrado y grabación
que corren en tiempo real y permiten grabar porciones de memoria Flash
sin que el microcontrolador salga de funcionamiento. Este último método
se utiliza normalmente para la grabación de datos que no deben perder su
valor con los cortes de energía. En generaciones de microcontroladores
mas antiguas, el programa de usuario, luego de estar totalmente
depurado, se grababa en memoria no volátil del tipo OTP-EPROM
(Programable una vez), que no permitía la regrabación del chip para
modificación o actualización de software, y mucho menos el
almacenamiento de datos en tiempo real.
2- La memoria RAM (random access memory) de usuario. Esta memoria es
la que el mismo programa de usuario grabado en FLASH utiliza como
lugares de almacenamiento temporario de datos. La CPU también la utiliza
para el mismo fin y además en esta zona de memoria se encuentran todos
los registros del sistema, tales como las puertas de entrada - salida, y
múltiples registros de configuración del sistema. Los datos grabados en
este tipo de memoria desaparecen al faltar la alimentación del circuito.
3- La memoria ROM (read only memory) es un tipo de memoria que la familia
908 por ejemplo, incorpora para contener software ya grabado en fábrica.
Este software se usa para diferentes propósitos tales como la
comunicación del microcontrolador con la PC de edición. Las rutinas de
borrado y grabado de Flash también están contenidas en la memoria
ROM.
7.2 EL MICROCONTROLADOR.
Después de explicar distintas partes de un sistema MCU general podemos
hablar de qué es, específicamente, un microcontrolador. La figura 7.2 muestra
con más detalle el interior de un MCU típico (recuadro de líneas de trazos en la
figura 7.1).
Un microcontrolador típico puede ser definido como un sistema de cómputo
completo que incluye los módulos: CPU, memoria No Volatil, memoria RAM,
reloj oscilador, dispositivos de entrada salida I/O, módulos de control y módulos
accesorios como conversor A/D, TIMER, etc., que le dan al sistema una
potencia de trabajo importante; todos contenidos en un único circuito integrado
de dimensiones muy pequeñas.
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ANTONIO GONZALEZ
Figura 7.2 Microcontrolador clásico.
Este concepto permite incorporar a la electrónica digital convencional sistemas
de muy bajo costo en espacios muy reducidos y con gran potencialidad ya que
de alguna manera se trata de un sistema que cumple tareas específicas
determinadas por el diseñador y encargadas al microcontrolador. La diversidad
de modelos de una misma marca y, por extensión, a las muchas diferentes
marcas que se encuentran disponibles, es muy amplia y cada microcontrolador
o familia de ellos merece dedicación particular para conocer a fondo la
estructura interna, la forma de programarlos, sus bloques funcionales y las
bondades y falencias que tienen cada uno.
Funcionalmente, un microcontrolador no es menor que una computadora
hogareña o profesional, aunque potencialmente es muchísimo menor ya que
tiene grandes limitaciones en cuanto a la capacidad de memoria RAM,
capacidad de memoria no volátil, velocidad de procesamiento capacidad de
manejo de periféricos externos y capacidad de señales de entrada, y por
supuesto los lenguajes de programación son de carácter mucho mas elemental
que los usados en el otro tipo de computadores. En este capítulo se darán
pautas sobre como programar en lenguaje assembler, que con el editor, el
compilador y el simulador instalados en una PC forman una herramienta de
desarrollo potente que nos permitirá diseñar e instalar, dentro del
microcontrolador, esa parte intangible que mencionamos anteriormente y que
nos permite transformar a nuestro pequeño circuito integrado en un dispositivo
digital que realiza las tareas en tiempo y forma, que nosotros hemos previsto.
Antes de explicar el funcionamiento interno de un microcontrolador veremos
algunos conceptos básicos sobre el tipo de datos (o números) que manejan
este tipo de dispositivos, y sobre los módulos específicos como memorias y
módulos de entrada – salida.
7.2.1 NUMEROS Y CODIGOS DE COMPUTADORA.
Las computadoras trabajan con información en diferentes formas. Las
personas trabajamos típicamente en un sistema de numeración de base 10 es
decir diez dígitos diferentes: 0,1,..., 9 (probablemente debido a que poseemos
diez dedos). Las computadoras binarias digitales trabajan en base 2 debido a
que toda la información se representa por juegos de dígitos los cuales pueden
tomar los valores 0 o 1 exclusivamente. Veremos en esta sección como se
representan los números binarios y agrupaciones de éstos en conjuntos de tres
tales como los números octales, o de cuatro como los hexadecimales, además
de decimales codificados en binario (BCD).
7.2.2 NUMEROS BINARIOS, OCTALES Y HEXADECIMALES.
En números decimales o de base 10, el “peso” de cada dígito es diez veces
mas grande que el dígito inmediatamente a su derecha. El dígito mas a la
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derecha de un número entero decimal está en el lugar de las unidades, el dígito
a su izquierda es el de las decenas, luego vienen las centenas y así
sucesivamente. En números binarios (base 2) el peso de cada dígito es dos
veces más grande que el dígito inmediatamente a su derecha. Análogamente a
lo expresado para el caso decimal, el dígito de mas a la derecha corresponde a
las unidades, el próximo dígito a la izquierda corresponde al doble, el próximo
al cuádruple, el próximo a ocho veces la unidad y así sucesivamente.
Aunque las computadoras trabajan cómodamente con números binarios de 8,
16, 32 o más dígitos, los humanos encontramos inconveniente trabajar con
tanta cantidad de dígitos al mismo tiempo. El sistema de numeración
hexadecimal o de base 16, con 16 símbolos diferentes, ofrece un compromiso
práctico debido a que un dígito hexadecimal representa cuatro dígitos binarios.
La tabla 7.1 muestra la relación entre los números decimales, binarios, octales
y hexadecimales. Estos cuatro sistemas diferentes de numeración son
diferentes maneras de representar las mismas cantidades numéricas. Las
letras A a F, en la columna de los números hexadecimales se usan para
representar los valores correspondientes a los números decimales 10 a 15
respectivamente, mientras que en los números octales, se puede notar que no
existen los símbolos 8 y 9 ya que es un sistema de solo ocho símbolos
(0,1,…,7).
BASE 2
BINARIO
BASE 10
DECIMAL
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
BASE 8
OCTAL
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
12
1101
13
1110
14
1111
15
16
0001 0000
17
0001 0001
…
…
Æ
100
0110 0100
…
…
255
1111 1111
256
1 0000 0000
…
…
1.023
0011 1111 1111
1.024
0100 0000 0000
…
…
65.535 1111 1111 1111 1111
BASE 16
HEXADECIMAL
0000
0001
0002
0003
0004
0005
0006
0007
0010
0011
0012
A
0013
B
0014
0015
0016
0017
0020
0021
…
0144
…
0377
0400
…
1777
2000
…
177777
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
C
D
E
F
10
11
…
64
…
FF
100
…
3FF
400
…
FFFF
Tabla 7.1 Equivalencias entre sistemas numéricos.
Para evitar confusiones entre los sistemas de numeración decimal y los demás,
se ha convenido universalmente colocar el símbolo $ delante del número
hexadecimal y el símbolo @ delante del número octal, para discriminarlos. Por
ejemplo 64 significa en numeración decimal … (SIGUE)