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RADIO INSTITUTO CURSO DE CIRCUITOS DIGITALES LECCIÓN Nº 7 LOS INTEGRADOS SECUENCIALES COMERCIALES EL
BIESTABLE CD4013 - LOS DISPARADORES SCHMITT CD4093 Y CD40106 - LOS UMBRALES DE
HISTÉRESIS VT+ VT- Y VH - CONTADOR DIVISOR X 2 - LLAVE OSCILANTE - 4013 COMO
MONOESTABLE - DISTINTAS CONFIGURACIONES - CONFORMACIÓN DE ONDAS SENOIDALES EN
ONDAS CUADRADAS - ELIMINACIÓN DE RUIDO ELÉCTRICO - ASTABLE CON 4093 - ASTABLE
CON 40106 - VERIFICACIÓN EN LA PLAQUETA DE ENSAYOS En la presente lección abordaremos el estudio de tres
integrados de la familia CMOS muy conocidos y de uso corriente en circuitos
digitales. Nos referimos al biestable CD4013 y a los disparadores
SCHMITT CD4093 y CD40106. Veremos las formas clásicas de conexión y otras
variantes que se pueden lograr con ellos y que no es común encontrar en los
textos. EL BIESTABLE CD 4013 Este circuito integrado es un doble flip-flop tipo D fabricado por varias
compañías, entre ellas la firma NATIONAL de cuyo manual hemos extractado los
datos para el estudio del mismo. Es probablemente el flip-flop integrado mas usado en
distintos circuitos digitales dado las características y flexibilidad
operativa que ofrece. En la presente lección estudiaremos su tabla de verdad y
la forma de realizar las conexiones de sus entradas a fin de lograr la
operación que se necesite. En la figura 1 podemos observar el resumen de
datos que brinda la firma NATIONAL, la disposición de terminales de los
dos flip-flop encapsulados y la tabla de
verdad correspondiente. Hemos numerado la tabla del 1 al 6 para mayor claridad en
el análisis de la misma. 1 - En este renglón se observa que las entradas están todas
en 0, por lo tanto la transición en sentido positivo del pulso de reloj, no
tiene efecto en las salidas, por lo que la salida Q se mantiene en 0 y 2 - Aquí podemos ver la forma clásica de conectar
este flip-flop, ya que para lograr la
conmutación del mismo, las entradas set y reset deben estar a
potencial 0 y el dato a 1. En esta condición, cuando en la entrada reloj se
presente un pulso de transición positiva el flip-flop cambia de estado y se
mantiene en él, aún después de desaparecer dicho pulso. 3 - El pulso de reloj es de transición negativa, es decir
de 1 hacia 0, por lo tanto aunque las entradas set y reset están bien polarizadas, no conmutará independientemente
del nivel de la entrada dato, que puede ser 1 ó 0, ya que como hemos dicho,
solo lo hace en la transición positiva. 4 - En este caso las X que se observan en las entradas de
reloj y dato significan que es irrelevante el nivel que tengan ya que al
estar a 1 la entrada reset, el flip-flop no producirá ningún cambio. 5 - Aquí podemos ver que el comportamiento es igual a
los flip-flop que ya hemos estudiado y
realizado en la práctica con compuertas, es decir los clásicos R-S (reset-set). Tampoco ahora tiene importancia la polaridad de las entradas de
reloj y dato, las que pueden estar a 1 ó 0, ya que el cambio de estado se
produce llevando el nivel de set a 1, y se mantendrá en él
aunque esta entrada vuelva a 0. Solo volverá al estado anterior (reposo)
llevando momentáneamente la entrada reset a 1.
FIG. 1 - EL BIESTABLE CD4013 Y SU
TABLA DE VERDAD 6
- Esta es una situación en la cual continúa funcionando como R-S, pero con la
particularidad de ser seguidor de la señal presente en la entrada set. Sigue sin tener importancia los niveles de reloj y dato. Al llevar
el set a 1, la salida Q cambia también a 1, pero no cambia
la salida Esto es así porque la entrada reset está a nivel 1, y como
ya sabemos con positivo en este terminal el flip-flop se mantiene en estado de
reposo. A continuación vamos a comprobar toda la tabla de verdad
empleando para ello la plaqueta de ensayos. Inserte en la misma el integrado
CD4013 y conecte el mismo de acuerdo al diagrama de la figura 2. Como verá
usamos uno solo de los dos que encierra el encapsulado.
FIG. 2 - COMPROBACIÓN DE LA TABLA
DE VERDAD DE UN CD4013 Observe que en todas las entradas se han dispuesto
resistencias de 10K, con lo que podría pensarse que de este modo no se logran
los niveles absolutos, sin embargo recuerde lo ya estudiado en lecciones
anteriores; Las entradas en los circuitos CMOS son de muy alta impedancia y
no consumen corriente, por lo tanto cualquier estado sea 1 ó 0 puede lograrse
a través de resistencias, incluso de alto valor. Por supuesto que si no son
necesarias no se colocarán y serán reemplazadas por conexiones directas. Para
realizar esta comprobación, sí son necesarias, a fin de lograr los dos
niveles fácilmente. También se insertarán cuatro alambres de conexiones para
efectuar los cambios de polaridad de dichas entradas. El diodo led se ha dispuesto a través de
una resistencia de 2,2 K a fin de no sobrecargar la salida Q y evitar poner
un transistor para abastecerlo. Las entradas set y reset están normalmente a
0 y se llevan a 1 mediante los alambres de conexiones que hemos insertado en
la línea de +B. Las entradas dato y reloj (CL) están
normalmente a 1 y se llevan a 0 mediante los 2 alambres conectados a masa. En la entrada reloj, los pulsos se producen al tocar o
retirar el alambre del terminal 3. Al llevarlo a masa se
produce un pulso de flanco descendente o transición negativa, al retirarlo se
produce a la inversa, flanco ascendente o transición positiva. Bien, solo resta establecer los estados y comprobar lo dicho
en la tabla de verdad. En cada operación recuerde que el último paso ha de
ser el pulso de reloj, es decir que previamente se habrán polarizado las
otras entradas de acuerdo al renglón elegido de la tabla. El diodo led solo brillará ante la conmutación
o puesta a 1 del flip-flop. En ocasiones, al darle
alimentación al circuito el flip-flop sale cambiado, por lo que
el led estará encendido, la "puesta a 0" o reposo
ya sabe que se logra al aplicar un 1 en reset. CONTADOR DIVISOR POR 2 Y/O LLAVE OSCILANTE
FIG. 3 - LLAVE OSCILANTE (VAIVÉN)
DIVISOR X 2 En la figura 3 representamos la forma de conectar
este biestable para lograr un divisor por 2, y el mismo circuito
como llave oscilante o vaivén. En el caso del divisor, a modo de ejemplo establecimos una
frecuencia de 10 Khz, con lo que se obtiene en la
salida Q 5 Khz. La llave oscilante o vaivén, cambia de estado con cada pulso
de flanco ascendente en la entrada reloj. Se ha dispuesto el diodo led y el alambre de conexiones para que el alumno realice este
trabajo práctico. Al realizar los toques con el alambre, se puede producir
ruido eléctrico por lo que el circuito producirá mas de un cambio que se observará en el led, pudiendo quedar éste apagado o encendido (efecto de rebote), pruebe
conectar un capacitor de .1 de la entrada de reloj
a masa y seguramente desaparecerá este efecto. En la figura 4 vemos otras formas posibles de conexión
para lograr una llave. En estos casos son necesarias dos señales de control;
una para ponerlo en servicio o puesta a 1 y otra para llevarlo al reposo o
puesta a 0.
FIG. 4 OTRAS VARIANTES DE CONEXIÓN En "A" se trabaja para la puesta a 1 con la
entrada de reloj, y para la puesta a 0 con el reset. Para lograr la puesta a 1 es necesario que la entrada dato
se encuentre en 1. Ver tabla de verdad renglón 2. Para
lograr el estado inicial (reposo o puesta a 0), se aplica un pulso de iguales
características que el de la entrada reloj, es decir, de flanco ascendente,
en la entrada reset. Ver renglón 4 de la tabla. En "B" lo utilizamos como los clásicos flip-flop R-S, es decir la
entrada set para la puesta a 1 y la
entrada reset para la puesta a 0, en ambos casos se aplican pulsos de flanco
ascendente. Las entradas de reloj y dato, en este caso son
irrelevantes, es como si no existieran, por lo tanto no tiene importancia el
nivel en ellas. Las hemos conectado a masa porque no se deben dejar "al
aire" ya que adoptarían un estado intermedio o de indecisión, pero lo
mismo funcionará si las conectamos a +B. Ver tabla renglones 4 y 5. Los pulsos de flanco ascendente los realizaremos mediante
un alambre de conexiones conectado en la línea de +B efectuando los toques
sobre el terminal de las resistencias que está
conectado con las entradas correspondientes. FLIP-FLOP CONECTADO COMO MONOESTABLE La realización de un monoestable a partir del 4013 es muy
simple y requiere tan solo de una resistencia, un diodo y un capacitor, como vemos en la figura 5. También en este caso se puede
operar desde las entradas reloj o set, obteniéndose los mismos
resultados.
FIG. 5 - DOS VARIANTES DE CONEXIÓN
COMO MONOESTABLE En "A" de la figura 5 vemos como se conecta para
ser operado desde la entrada reloj, y en "B" desde la entrada set. En ambos casos un pulso de transición positiva produce el cambio o
puesta a 1, con lo cual la salida Q pasa al estado alto. A partir de este
instante, el capacitor conectado en el reset
comienza a cargarse. Cuando la magnitud de la tensión de carga supera el
estado intermedio, actúa la entrada reset produciendo un nuevo cambio que lo
pone en estado de reposo nuevamente. Este ciclo se cumplirá siempre igual cada vez que reciba
la "orden de actuar'. Si dicha orden se efectúa desde la entrada set, el comportamiento será el mismo y con el mismo tiempo de acción. Este tiempo lo determina la red R-C cuyos valores dan la
constante de tiempo. El diodo se conecta para sacar rápidamente del estado
intermedio al flip-flop una vez producida la vuelta
a 0. Durante la carga del capacitor se encuentra en oposición a
la corriente, pero una vez que la salida Q vuelve a 0, queda en directa para
la carga obtenida, llevando este potencial a 0 casi instantáneamente. En ambos casos la entrada reset continúa funcionando, por
lo tanto si se desea anticipar la vuelta a 0 antes del tiempo establecido,
simplemente se aplica un pulso de nivel positivo en dicha entrada. El comportamiento es igual al monoestable que hemos visto
en la figura 5 de la lección anterior, armado con un CD4069, solo que ahora
no existe el inconveniente de la división de tensiones que provocaba R2, por lo tanto no hay limitaciones en el
valor de la resistencia aunque no conviene superar los 4,7 M. LOS DISPARADORES SCHMITT Este tipo de circuitos integrados son similares a las
clásicas compuertas y separadores, a tal punto que en muchos casos podrían
usarse unas en lugar de las otras sin que se vea afectado el circuito lógico,
sin embargo poseen ciertas características que las distinguen y que deberemos
tener en cuenta a la hora de realizar un diseño. Por lo pronto la conmutación hacia el estado alto y bajo
ya no depende del estado intermedio de la tensión de fuente (VDD), que en
compuertas comunes sabemos que se crea una situación de indecisión. Para clarificar este concepto, supongamos una compuerta
CD4011 alimentada con 12 V. Si aplicamos una tensión de 7 V en sus entradas,
interpretará un 1 con segundad. Si ésta tensión fuese de 5 V interpretará un
0 también con seguridad. Pero si la tensión es de 6 V se produce el estado de
indecisión y no sabrá que "rumbo tomar', produciendo en su salida
señales confusas. Esta situación no se presenta en los disparadores schmitt ya que la conmutación en el estado alto se produce
cuando la tensión de entrada supera el valor intermedio y se acerca a VDD, y
la conmutación hacia el estado bajo se produce cuando la tensión desciende
también del estado intermedio y se acerca a VSS o masa. La tensión positiva que define el estado alto se conoce
como VT+ y la tensión negativa que define el estado bajo como VT-. La
diferencia de tensión entre una y otra es la denominada tensión de histéresis
(VH). En la figura 7 vemos los datos en resumen del integrado CD4093 de
NATIONAL. Se trata de cuatro compuertas nand de dos entradas con disparador schmtt. Podemos apreciar que es compatible pin a pin con el integrado CD4011 que
también contiene cuatro compuertas nand. Los símbolos que representan un disparador schmtt en cualquier circuito expresan la tensión de
histéresis VH configurada por las dos rayitas que significan VT+ y VT-. La ventaja principal de este integrado (4093) sobre su
similar 4011, reside en su alta inmunidad al ruido, otorgada por los
parámetros de histéresis, ya que cualquier señal espúrea que no supere los umbrales de VT+ ó VT- no producirá
ningún cambio en su salida.
FIG. 6 - CONFORMACIÓN DE ONDA Y
ELIMINACIÓN DE SEÑALES DE RUIDO En la figura 6 observamos una señal digital que llega a una
de las entradas que incluye un alto nivel de ruido que incluso llega a
deformar su cuadratura, sin embargo la salida entrega una forma de onda
perfectamente rectangular con flancos bien definidos.
FIG. 7 CARACTERÍSTICAS DEL CIRCUITO INTEGRADO
CD4093 Esto significa que no solo el ruido no ha causado
problemas, sino que además la señal aparece limpia de interferencias. Observe que el cambio de estado en la salida, hacia el 0,
se produce cuando la señal llega al nivel de VT+ (recuerde que las NAND son
inversoras), y vuelve a cambiar hacia el 1 cuando desciende al nivel de VT-. Por supuesto que si
la señal de ruido es tan intensa que supera los umbrales de VT, en la salida
se verá reflejado el problema, lo que dice a las claras que los
disparadores schmitt son muy efectivos pero no
hacen milagros.... En el gráfico de la figura 6 podemos ver que el cambio de
estado en la salida se produce cuando la señal llega al nivel de VT+ en su
ascenso hacia VDD (tensión de fuente), éste nivel está bastante por encima
del nivel intermedio. Luego vuelve a cambiar cuando llega al nivel de VT- que
se observa está por debajo del nivel intermedio. Las señales de ruido, a pesar
de que son de una notable amplitud, no producen cambios en la salida debido a
que no llegan a "tocar" el nivel de VT+. Si fuera necesario aumentar la inmunidad al ruido, deberán
utilizarse separadores inversores del tipo 40106 en las etapas críticas, ya que
éstos tienen una tensión de histéresis (VH) mayor que el 4093 como veremos en
esta misma lección. LOS UMBRALES DE HISTÉRESIS (VH) En la hoja de datos de NATIONAL encontramos la información
sobre los niveles de tensión de VH referidos a tres fuentes de alimentación,
5 V, 10 V, y 15 V. Estos valores se refieren a la separación en términos de
tensión que existe entre el umbral VT- y VT+, y son valores típicos tomados a
una temperatura ambiente de 25°. Sin embargo el fabricante solo garantiza una
VH de 0,1 VDD.
FIG. 8 NIVELES DE VT+ VT- Y VH DEL
INTEGRADO CD4093 Esta última cifra significa 0,1 volt de histéresis por cada volt de alimentación. Así por ejemplo, tendríamos una VH
de 1,5 volt como mínimo con una fuente
de 15 V (0,1 X 15). De lo expuesto se aprecia que pueden existir diferencias
en los niveles de VH entre las distintas partidas y fabricantes, y de hecho,
he comprobado que efectivamente es así, aunque nunca estas diferencias fueron
tan notables como para llegar al mínimo que garantizan, generalmente están en
un valor mayor. Veamos en la figura 8 la representación gráfica de estos
parámetros. En el ejemplo para 15 V expuesto se observa en que niveles
de tensión se producirán las conmutaciones hacia el nivel bajo (VT-) y alto
(VT+), como así también la "separación" (VH) entre uno y otro VT. EL CIRCUITO INTEGRADO CD40106 Este circulo integrado es básicamente igual al CD4069, o
sea un séxtuple separador inversor, pero con
lógica de disparador schmitt. Incluso es compatible pin a pin por lo que podría
reemplazarlo sin Inconvenientes de manera directa, siempre que las
características del circuito lo permitan.
FIG. 9 - CARACTERÍSTICAS DEL
INTEGRADO CD40106 En
la figura 9 observamos los datos sintetizados sobre éste integrado. El comportamiento como disparador schmitt se puede considerar igual al 4093, pero con la
salvedad que al tener una tensión de histéresis (VH) mayor, también será
mayor la inmunidad al ruido.
FIG.10 - NIVELES DE VT+ VT- Y VH
DEL INTEGRADO CD40106 En efecto, podemos ver que en este caso la VH es
prácticamente el doble que en el 4093, incluso se garantiza como mínimo 0,2
VDD mientras que en el anterior era de 0,1 VDD. En la figura 10 hemos representado
los parámetros de VH para una tensión de alimentación de 15 V. Como podemos ver los parámetros de VT+ y VT- nos dan una
VH de 5 V y en el caso anterior era de 2,7 V; este detalle hay que tenerlo en
cuenta. De acuerdo a estos números vemos que la VH corresponde a
un tercio de la tensión de alimentación, siempre considerando los valores
típicos y a una temperatura ambiente de 25°, por lo que será muy fácil
determinar los parámetros con otras tensiones, si bien pueden variar un poco,
en la práctica se pueden despreciar. Así por ejemplo, para una alimentación
de 12 V, podemos considerar una VH de 4 V, y ubicaremos el VT- a los 4 V y el
VT+ a los 8V, estas dos lecturas referidas a masa. Este es el momento de aclarar el concepto vertido en la
lección anterior en el circuito monoestable realizado con dos separadores. En
esa oportunidad decíamos que "R3 no debe superar el 30% aproximadamente
del valor de R2....., y no mas del 10% si se trata de disparadores schmitt". Pues bien, ahora el alumno comprenderá porque. Supongamos
que el monoestable en cuestión realizado con separadores CD4069, está
alimentado con una fuente de 15 V. El valor de R3 debe ser tal que asegure
que a la entrada del inversor en la patita 9 llegue una tensión superior a
7,5 V (valor intermedio) para que se produzca la conmutación del mismo. Si en
lugar del 4069 se instala un 40106, el valor de R3 debe asegurar que llegará
una tensión superior a 10 V (umbral de VT+) para producir el cambio. Por
último si este monoestable utiliza un 4093, la tensión que debe llegar tiene
que ser superior a 8,85 V (umbral de VT+). De este hecho surgen los
porcentajes mencionados para R3. Digamos también que la característica de histéresis hace
que estos integrados sean los ideales para conformar cualquier señal senoidal o de forma irregular aplicada en su entrada, en una
onda cuadrada perfectamente definida en su salida, de modo similar a lo
observado en la figura 7. OSCILADOR ASTABLE No hay nada mas fácil de realizar que un
oscilador astable a partir de un disparador schmitt, sea éste una compuerta o un simple inversor, ya que solo
se necesita para producir la oscilación una resistencia y un capacitor. En la figura 11 vemos como lograrlo con ambos
componentes.
FIG. 11 OSCILADOR ASTABLE CON
CONTROL En ambos casos es posible la realización con un solo
disparador gracias a la histéresis propia, y su funcionamiento es el
siguiente. La explicación vale para los dos osciladores. Supongamos que la salida se encuentra en nivel alto;
el capacitor conectado en la entrada, que está a 0, comienza a
cargarse a través de la resistencia. Cuando la tensión, que va creciendo,
supera el nivel de umbral VT+, se produce la conmutación y la salida pasa
bruscamente a 0. Ahora el capacitor comienza a descargarse
también a través de la resistencia hacia la salida que dijimos está en 0.
Cuando el potencial en la entrada disminuye por debajo del umbral VT- se
produce la conmutación nuevamente y la salida pasa otra vez a 1 reiniciándose
un nuevo ciclo. El control del oscilador en la compuerta 4093, se efectúa en
el terminal de la entrada libre. Un estado alto en este terminal hará que el oscilador
funcione, y un 0 lo mantendrá en reposo. En el inversor 40106 utilizamos un diodo para lograr el
control, y su disposición hará que la salida del mismo, en estado de reposo,
adopte un nivel alto ó bajo, según nuestra necesidad. Si se conecta para que
funcione con 1, el reposo será con 0; de este modo la entrada se mantendrá
permanentemente en 0 impidiendo la oscilación, y la salida en consecuencia
será 1. Si por el contrario queremos que funcione con 0, simplemente habrá
que dar vuelta el diodo, con lo cual en reposo la entrada permanecerá en 1 con
lo cual tampoco oscilará, y naturalmente la salida será 0. Este mismo sistema de control puede emplearse con la 4093
y obtener el potencial que se requiera en su salida, para ello el terminal libre se debe conectar directo a +B, y trabajar en
el otro, instalando el diodo del mismo modo que en el 40106. Aunque no hemos hecho comentarios sobre la realización
práctica de los circuitos expuestos con los integrados 4093 y 40106, el
alumno ya sabe de la importancia de estos trabajos, ya que la comprobación
del funcionamiento en la plaqueta de ensayos fija mucho mas los conocimientos que se adquieren. Por lo tanto, tome la
plaqueta, los componentes necesarios y manos a la obra. También es importante que realice los osciladores propuestos
con los integrados 4093 y 40106 y los enlace con el divisor
por 2 de la figura 3, por supuesto primero uno y después el otro, para ello
debe armar los dos integrados en la plaqueta y unir la salida del oscilador
con la entrada reloj del divisor por 2. En la figura 12 damos un ejemplo de las posibilidades de
interconexión de los circuitos estudiados, enlazando la llave oscilante con
el astable realizado con una compuerta 4093 y a su vez ésta
conectada con el flip flop divisor por 2. El control se efectúa con el alambre de conexiones
colocado en la entrada reloj del 4013 (pin 3) Un toque con la línea de +B pondrá en marcha todo el
circuito y otro toque lo llevará a reposo, dado que, como ya sabemos
este flip flop cambia de estado en cada
pulso positivo en la entrada reloj. En la puesta en marcha la salida Q que está en 0, cambia a
1 y habilita el astable, luego otro toque lo lleva a
reposo y la salida vuelve a 0, con lo cual se detiene el oscilador. Mediante los diodos led observará la frecuencia de salida
del oscilador y la de salida del divisor por 2, esta última tendrá la mitad
de la frecuencia de la primera. Ya sabe que la frecuencia en el astable la determinan los valores de capacidad y
resistencia, mayor valor en alguno de ellos o en ambos, menor frecuencia y
viceversa. Experimente con otros valores a los indicados, incluso
puede conectar un electrolítico en lugar del capacitor de .1 y vea las diferencias.
FIG.12 - UNO DE LOS ENLACES
POSIBLES Digamos por último que si lo desea puede combinar estos
circuitos con otros ya realizados en lecciones anteriores, por ejemplo, flips flops de distinto tipo, el
duplicador de frecuencia etc.Aunque conectamos diodos led para ver los efectos, no deje de usar la sonda para comprobar
los cambios de estado que se producen en distintas partes de los circuitos. Lista de materiales que envía el Instituto que se suman a
los ya recibidos: 1 - Circuito integrado CD4013 / 1
- Circuito integrado CD4093 / 1 - Circuito integrado CD40106 RADIO INSTITUTO
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E-mail: radioinstituto@gmail.com - Sitio web: www.radioinstituto.com.ar |
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en
1
, con lo que no se
obtienen los estados complementarios; la salida Q se mantendrá a 1 todo el
tiempo que esta a 1 la entrada 
