GENERADORES DE SEAL

Muchos dispositivos electrnicos necesitan para su correcto funcionamiento se-ales que varen su amplitud en funcin del tiempo de forma repetitiva. Este tipode seales las producen los llamados osciladores o generadores de'seal.

Este tipo de circuitos forma parte de un gran nmero de equipos, desde los re-ceptores de radio comunes hasta los ms complejos sistemas de radar y IQS su-perordenadores, pasando por instrumentos de laboratorio utilizados para ajus-tar, examinar o reparar otros equipos electrnicos (fig. 1}.

A lo largo de la presente unidad, vamos a conocer algunos montajes con amplifi-cado res operacionales que proporcionan a su salida distintas formas de seal, deforma que podamos escoger la ms adecuada para cada caso concreto.

Osciladores y formas de onda

Los dispositivos que vamos a estudiar reciben en otros libros los nombres de os-cilador o generador de seal, segn las preferencias del autor. En nuestro caso,utilizaremos uno u otro trmino de forma indistinta.

Un oscilador es un circuito capaz de proporcionar a su salida una sealperidica de frecuencia yamplitud determinadas.

La frecuencia de salida viene determinada por el valor de los componentes utili-zados en el circuito. En algunos montajes especficos puede variar en funcin deuna magnitud aplicada desde el exterior, que puede ser; por ejemplo, un nivel detensin.

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El funcionamiento de todos los osciladores se basa en la realimentacin positivade un amplificador. Esto obliga a la salida del amplificador a variar su valor entredos niveles de tensin extremos, de forma altemativaxcon el uso de un-sistemade conmutacin.:- -; j>':: ~

------+-----Q Vs

1-vccC,

Fig. 3. Generador de seal cuadrada.

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Cuando el circuito es accionado, el offset natural del dispositivo sirvecomo arranque automtico de tensin. '

La tensin de salida Vo va a ser positiva o negativa, y la realimenta-cin tambin lo ser a travs de R2 y Rl, llevando la salida a saturarse.

Por ejemplo, si el nivel de salida Vo es alto, entonces el condensadorCl se cargar a travs de R3 hasta que el nivel de tensin en la entrada(-) exceda el de la entrada no inversora. En ese preciso instante, la sal-da se conmutar a la polaridad contraria, y el condensador entonces sedescargar y cargar hasta que de nuevo alcance el nivel de la entrada noinversora, continuando la oscilacin.

Corno los niveles de salida positivos y negativos son de la misma dura-cin, resultarn semiciclos del 50% del tiempo completo; el perodoT ser:

a) Tensin en el condensador

-vcc

b) Seal de salida

Esta frmula puede simplificarse considerablemente para los siguien-tes casos particulares:

- Si R, = R2; T ~ 2R3C1.- Si R2 == 10R}; T ~ 0,36R3C.- Si R = lOR2 ; T ~ 6R3 CI

3

Generador de impulsos

En ocasiones, el tiempo en estado alto tiene Que ser menor Que el bajo o vicever-sa (fig. 5). Entonces incluimos sobre el circuito base del generador de seal cua-drada unas variantes, para que los dos semiciclos de la seal de salida no sean deigual duracin.

Un generador de impulsos proporciona a la salida una seal de formacuadrada y distinta duracin para cada uno de los dos semiciclos.

La duracin de stos puede ser fija o variable mediante la actuacin sobre algunode sus componentes.

Al observar la figura 6, apreciamos que la resistencia por la que accede la corrien- '.,te al condensador del circuito primitivo ha sido sustituida por dos ramas. Cadauna de stas est constituida por una resistencia y un diodo. Estos ltimos, D1 yD2, estn polarizados inversamente uno respecto del otro, de tal forma que, cuan-do uno conduce, el otro permanece bloqueado.

I o, R,--I R2-

+Vcc

VeVs

R3

C; 1 - VccR4

Fig. 6. Generador de impulsos.

~. tL

Fig. 5. Seal proporcionada por un generadorde impulsos.

Con esta variacin conseguimos que la corriente de carga del condensador en unsentido sea independiente de la corriente en sentido contrario (fig. 7).

Vp 1\ 1\ +~"h n ~Ve ""J

~

~ -vJl-J UVv~

al Tensin en el condensador bl Seal de salidaFig. 7. Seales en un generador de impulsos.

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Cuando la salida Vs est en estado alto (tH), el condensador se carga a un valorpositivo a travs del diodo D2 y la resistencia R2, mientras que la circulacin decorriente por la otra rama permanece bloqueada. Por el contrario, cuando la sali-da pasa a nivel bajo (td, deja de conducir la rama de D2 y son D, y R, los que con-trolan la carga del condensador.

Para calcular los tiempos tH y tl, recordamos la frmula general cuando stoseran iguales [1].

T = 2 R e -In (1 + ~-)h2

Sabemos que:

Por lo tanto:

tH + ti = 2 R . e In (1 + ~a_)R2,

Esta expresin la descomponemos en dos, una para cada tiempo, con los valoresde resistencia correspondientes. Adaptamos los componentes a nuestro circuitoy obtenemos: ..

[2]

-

tL = R1 . e, . In (1 + 2 R4 )R3

La frecuencia total es:

EJERCICIO 2

Variacin de la anchura de impulso

La relacin entre el tiempo que dura el impulso.3 nivel alto (tH) y el que permanece la salida enestado bajo (tl) puede hacerse variable sin que{Jor ello vare la frecuencia de la seal. ParaeUo recurrimos al circuito de la figura 8.

Fig. 8. Generador de impulsosde anchura variable.

[3]

-vcc

5

, Denominamos relacin de ciclo a la que existe entre el tiempo alto yel, total del ciclo.

Se expresa en %.

As, si disponemos de una seal en la que los dos tiempos, alto y bajo, son igua-les, la relacin de ciclo es del 50% para los dos.

Mediante la actuacin sobre el potencimetro P, conseguimos que la corrienteque circula por las ramas sea variable. Dicho potencimetro se comporta comodos resistencias en serie con una toma central (fig. 9), de tal forma que, cuandomovemos el cursar y hacemos menor la resistencia de un extremo, la que hay enel otro aumenta de igual forma. Por lo tanto, cuando por una de las ramas se per-mite un mayor paso de corriente, por la otra decrece en la misma medida.

De este modo, el tiempo total de un ciclo permanece constante (fig. 10), por loque el potencimetro vara la relacin de ciclo y no la frecuencia.

Llr

+VCC f--- -----, - -----,

wFig. 9. El potencimetro como ajuste de los tiempos decarga y descarga.

Fig. 10. Variacin de la anchura del impulso.

Para obtener los valores de las resistencias R, y R2, as como del potencimetroP" despejamos la resistencia de carga del condensador en la frmula del tiempoparcial de un ciclo [2] o [3]:

R = ----"-t _C, . In (1 + 2 R4 )

R3[4]

Dividimos la duracin total de un ciclo en tres partes, tH, tv Y tL, que equivalen, se-gn se muestra a continuacin, a:

tH = tiempo mnimo del impulso.tv = diferencia entre el tiempo del impulso mximo y mnimo.tL = tiempo mnimo en estado bajo.

Con tL calculamos R,:

R, = t=L~ _C, . In (1 + 2 R4 )

R3[5]

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a variacin en el tiempo del impulso (tv) est marcada por el valor del potenci-metro; por consiguiente:

P, tvCl . In (1 + 2 R4 )

R3[6]

finalmente, con el valor mnimo del estado alto:

[7]

Variacin de la frecuencia de salidaS nos encontramos ante la necesidad de disear un generador de impulsos va-riable en el que la frecuencia pueda modificarse entre dos valores, podemos op-:8r por dos soluciones.

-:uando la anchura mxima y mnima del impulso deban tener valores de tiempoconcretos, recurrimos al montaje de la figura 11.

=0 este circuito partimos de la premisa de que la anchura del impulso no debeodificarse al cambiar de frecuencia. Por lo tanto, si queremos variar esta ltima,

tenemos que actuar sobre la rama que marca el tiempo en estado bajo. Para alte-rar este tiempo colocamos un potencimetro P2 en serie con Rl' Cuando el poten-::imetro P2 tiene un valor de resistencia cero, el circuito genera la frecuencia m-xima (fm). En esta situacin tenemos que calcular el resto de los componentes'segn lo expuesto anteriormente.

-vcc

+vcc

1;: ;--------1

~----~--~vs

Fg. 11. Generador de impulsos de fre-cuencia variable, independiente del anchodel impulso.1

25

7

Obtenemos la frecuencia mnima cuando el potencimetro P2 est a su mximovalor. Para calcular P2, tomamos R, y P2 como una resistencia nica que denomi-namos R'.

R' = R, + P2Ahora calculamos R' segn indica la frmula [5], de acuerdo con la frecuencia m-nima y ~I tiempo en estado bajo tL"

fmin =....J-T

tL'R'=------~------el . In (1 + 2 R4 )

R3El valor del potencimetro es igual a la resistencia que hemos obtenido menos laR" ya calculada de la forma expuesta anteriormente:

P2 = R' - R,

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Oscilador controlado por tensin

=n algunas ocasiones, se precisa una seal cuadrada cuya frecuencia se pueda.arar en funcin de un nivel de tensin aplicado a la entrada. Para ello se em-plean los osciladores contrlados por tensin, tambin conocidos por las siglasinglesas V.C.O. (Voltage Control/ed Oscilator).

Un oscilador controlado por tensin es un circuito generador de sealcuadrada en el que su frecuencia de salida depende del valor de tensinen que se encuentre la entrada de control.

Una aplicacin clsica de este tipo de::ircuitos se da en la modulacin FM yen la transmisin de una seal analgi-ea a travs de una lnea en la que slosean posibles o convenientes dos esta-dos o niveles de tensin. Es el caso, porejemplo, de la fibra ptica (fig. 14).

~ V.C.O. es el convertidor de tensin a":"'ecuencia que se encuentra al principioie fa lnea.

=, la figura 15 tenemos un montaje tpico de V.C.O. mediante amplificadores:peracionales. En' l observamos tres bloques bien diferenciados. En primer lu-;.3r, el constit