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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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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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)