Generadores de Señal y Conformadores de Ondas Con Circuitos Monoestable y Astable.

Figueroa Maza Kevin JessidUniversidad de Pamplona

Departamento de Ingenierías y ArquitecturaIngeniería en Telecomunicaciones

Noviembre 2012

Resumen: En el diseño de sistemas electrónicos con frecuencia se requieren señales a las que se les han prescrito formas de onda estándar, por ejemplo sinusoidales, cuadradas, triangulares o en forma de pulso. Los sistemas en los cuales se requieren señales estándar incluyen sistemas de cómputo y de control en los que son necesarios pulsos de reloj para temporización; en sistemas de comunicación en los que se utilizan señales de varias formas como portadoras de información y en sistemas de prueba y medición en los que de nuevo, se emplean señales de varias formas de onda para probar y caracterizar dispositivos y circuitos electrónicos. Estas formas de onda generalmente diseñadas con osciladores no lineales, utilizan dispositivos conocidos como multivibradores, biestables, monoestables y astables, y estos dos últimos respectivamente serán el objetivo de estudio principal del siguiente articulo. Abstract: In the design of electronic systems are often required to signals which have been prescribed standard waveform, for example sinusoidal, square, triangular shaped pulse. Systems which are required in standard signals include computer systems and control that are necessary for timing clock pulses; communication systems where multiple signals are used as carriers of information forms and test systems and measurement in which again several signals are used to test waveforms and characterize devices and electronic circuits. These waveforms generally designed with nonlinear oscillators, multivibrators using devices known as, bistable, monostable and astable, and the latter two are respectively the main study goal of the next article.

1 Introducción

Existen dos metodos distintos de generar sinoides, en elo primero se emplea un lazo de retroalimentacion positiva, el cual consiste en un amplificador y una red selectora de frecuencia RC o LC, esta ultima preferiblemente. La amplitud de las ondas senoidales que se generan se limita , o ajusta, por medio de un mecanismo no lineal, implementado con un circuito aparte o con las no linealidades del propio dispositvo amplificador. A pesar de esto, los circuitos que generan las ondas senoidales mediante fenomenos de resonancia se conocen como osciladores lineales.

Los circuitos que generan formas de onda cuadrada, triangular, pulsante, etc, llamados osciladores no lineales o generadores de funciones emplean bloques de construccion conocidos como multivibradores. De estos existen tres tipos, los biestables, astables y monoestables. Los circuitos emplean amplificadores operacionales y estan pensados para usos analogicos de presicion.

1.1 Principios Básicos.

A pesar del nombre oscilador lineal, se tiene que emplear alguna forma de no linealidad para controlar la amplitud de la onda seno de salida. De hecho,

todos los osciladores son, en esencia, circuitos no lineales. Esto complica por supuesto el análisis del mismo, puesto que no se pueden aplicar métodos de transformadas en el dominio de S de forma directa. No obstante se han desarrollado técnicas mediante las cuales el diseño de osciladores sinusoidales se realice en dos pasos: el primero es lineal, y el segundo el no lineal. En el primero se pueden aplicar con facilidad métodos de análisis de circuitos de retroalimentación en el dominio de la frecuencia. Posteriormente en el segundo, se puede proporcionar un mecanismo no lineal para controlar a la amplitud.

Fig.1 lazo de retroalimentación [1]

la estructura básica de un oscilador senoidal se

compone de un amplificador y una red selectora de frecuencia conectados en disposición de lazo de retroalimentación positiva, como el que se muestra en la figura 1. Aunque en un circuito oscilador real no estará presente una señal de entrada, se incluye una para ayudar a explicar el principio de operación. La ganancia por retroalimentación está dada por:

Af=A(s)/1-A(s)β(s) Ec.1

donde se observa el signo negativo en el denominador. De acuerdo con la definición de ganancia de lazo, la ganancia del circuito de la figura 1 es

L(s)=A(s)β(s) Ec.2

la ecuación característica es por tanto

1-L(s)=0 Ec.3

se observa que esta definición de ganancia de lazo corresponde directamente a la ganancia real vista alrededor del lazo de retroalimentación de la figura 1.

Tanto para un lazo de retroalimentación positiva como para un lazo de retroalimentación negativa, la ganancia de lazo

L=Aβ. Ec.5

Sin embargo, el signo negativo con el cual la señal de retroalimentación se suma en el lazo de retroalimentación negativa resulta en la ecuación característica

1+L=0. Ec.6

En el lazo de retroalimentación positiva la señal de retroalimentación se suma con el signo positivo y por tanto resulta la ecuación característica

1-L=0. Ec.7

1.2 Criterios de Oscilación.

Si una frecuencia especifica fo la ganancia de lazo Aβ es igual a la unidad, se deduce por la ecuación 1 que Af sera infinita. Es decir que a esta frecuencia el circuito tendrá una salida finita con una señal de entrada cero. Tal circuito es por definición un oscilador. Por tanto, la condición para que el lazo de retroalimentación de la figura 1 produzca oscilaciones sinusoidales de frecuencia ωo es

L(j ωo)=A(j ωo) β(j ωo)=1 Ec.8

es decir, en ωo la fase de la ganancia de lazo deberá ser cero y la magnitud de la ganancia de lazo deberá ser unitaria. Esto se conoce como el criterio de barckhausen. Se observa que si el circuito ha de oscilar a una frecuencia, el criterio de barckhausen para la oscilación deberá ser satisfecho sólo a dicha frecuencia (ωo); de lo contrario la forma de onda resultante no sera una senoide simple.

Fig. 2 dependencia de la estabilidad de frecuencia del oscilador a la pendiente de la respuesta de fase [2].

Debe hacerse notar que la frecuencia de oscilación es determinada únicamente por las características de fase de lazo de retroalimentación; el lazo oscila a la frecuencia para la cual la fase es cero. Por tanto, la estabilidad de la frecuencia de oscilación estará determinada por la forma en que la fase:

Φ(ω) Ec.9

del lazo de retroalimentación varié con la frecuencia. Una función con elevada pendiente:

Φ(ω) Ec.10

producirá una frecuencia mas estable. Esto se puede ver imaginándose un cambio de fase

ΔΦ Ec.11

producido por un cambio en uno de los componentes del circuito.

Si:dΦ/dω Ec.12

es grande, el cambio resultante de ωo sera pequeño tal como se ilustra en la figura 2.

1.3 Características de Transferencia

Fig.3

Es posible obtener una biestabilidad al conectar un amplificador de DC e un lazo de retroalimentación positiva que tenga una ganancia de lazo mayor a la unidad.

Como lo muestra la figura 2. se cuenta con un amplificador operacional y un divisor de voltaje resistivo en la trayectoria de alimentación positiva, es de notar que esto es de acuerdo con la configuración inversora del circuito mostrado en la figura 3.

esté cuenta con dos circuitos estables uno con amplificador operacional en saturación negativa y otro con el amplificador operacional con saturación positiva, lo que posteriormente inducirá al circuito a permanecer en dos estados meta-estables según el estado inducido.

Fig.4 característica de transferencia de un circuito biestable.

2 Formas de Ondas Especiales.

Se puede generar una forma de onda cuadrada disponiendo de lo necesario para que un multivibrador biestable cambie de estados periódicamente. Esto se puede hacer conectando el multivibrador con un circuito RC en un lazo de retroalimentación, como se muestra en la figura 5. el multivibrador biestable tiene una característica de transferencia inversora y por lo tanto se puede realizar con el circuito de la figura 3. se demostrara a continuación que este circuito no tiene estados estables, por tanto es un multivibrador astable.

Fig.5 Multivibrador biestable.[3]

Para ver como opera el multivibrador astable hay que ver la figura 6, y establecer que la salida del multivibrador biestable esté en uno de sus dos posibles niveles, por ejemplo L+. El capacitor C se cargará hacia este nivel a través del resistor R. Así pues, el voltaje a través de C, que se aplica a la terminal de entrada negativa del amplificador operacional y por tanto se denota como v-, se elevará exponencialmente hacia L+ con una constante de tiempo

τ=CR. Ec.14

Fig.6. Formas de onda del Astable.

Mientras tanto, el voltaje en la terminal de entrada positiva del amplificador operacional es

v+=βL+ Ec.15

Esta situación continuara hasta que el voltaje de capacitor alcance el umbral positivo

VTH=βL+ Ec.16

punto en el cual el multivibrador biestable cambiara al otro estado en el cual

vo=L- Ec.17

y

v+=βL- Ec.18

El capacitor comenzara entonces a descargarse y su voltaje, v-, disminuirá exponencialmente hacia L-. Este nuevo estado prevalecerá hasta que v- alcance el umbral negativo

VTL =βL- Ec.19

momento en el cual en el multivibrador biestable cambiará al estado de salida positivo, el capacitor comenzara a cargarse y el ciclo se repetirá.

2.1 El Multivibrador Monoestable.

Fig.7 circuito monoestable con amplificador operacional.

En algunas aplicaciones surge la necesidad de un pulso de altura y ancho conocidos generados en respuesta a una señal de disparo o activacion. Como el ancho del pulso es predecible, su borde de salida puede utilizarse para propositos de sincronizacion, esto es, para iniciar una tarea particular en un momento especifico. Tal pulso estandarizado puede ser generado por el tercer tipo de multivibrador, el multivibrador monoestable.

La figura 7 muestra un circuito monoestable con amplificador operacional. Se observa que este circuito es una forma aumentada del circuito astable. Un diodo de dujecion se agrega a través del capacitor C1 y se conecta un circuito de disparo compuesto por un capacitor C2, un resistor R4 y un diodo D2 a la terminal de entrada no inversora del amplificador operacional.

El circuito en el estado estable, el cual prevalece sin la señal de disparo, la salida del amplificador operacional está en L+ y el diodo D1 conduce a trav és de R3 y por tanto sujeta el voltaje Vb a una caida del periodo por encima de tierra. Se elije R4 mucho mas grande que R1, de modo que el diodo D2 conduzca una muy pequeña cantidad de corriente y el voltaje vc sera determinado de forma muy aproximada por el divisor de voltaje R1, R2. Por tanto Vc=βL+ donde β=R1(R1+R2) el estado estable se mantiene porque βL+ es mas grande que VD1.

Fig.8 Formas de onda del circuito de la figura 7

2.2 El Circuito 555

Existen paquetes de circuitos integardos

comercialmente disponibles que contienen los circuitos necesarios para implementar multivibradores monoestables y astables con características precisas.

Fig.9 representación en bloques del 555 internamente.

Fig.10

Fig 11.

Las figuras anteriores muestran un circuito multivibrador monoestable implementado con un circuito 555. junto a el hay un resistor externo R y un capacitor externo C. En el estado estable el flip-flop estará en el estado de reinicio, y por lo tanto su salida Q negada estará alta y activara al transistor Q1, el transistor Q1 se saturara y como consecuencia vc se aproximara a 0V y producirá un nivel bajo en la salida del comparador 1.

3 Conclusiones

Los multivibradores Son generadores de frecuencia variable alimentados con corriente continua que producen ondas cuadradas que son necesarias en cualquier circuito electrónico.

Los multivibradores sirven para producir ondas cuadradas y utilizan semiconductores transistores que trabajan en conmutación, lo que significa que sólo trabaja en los dos estados límites de la recta de carga.

Referencias[1] http://ayudaelectronica.com/wp-

content/uploads/2009/09/fig1_realimentacion.PNG

[2] Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Circuitos Microelectronicos. Quinta Ed. Mc Graw Hill. Pp 1168.

[3] http://www.unicrom.com /multivivrador_astable.gif [4] Principios de Electronica Alezander Malvino 7 Ed

Mc Graw Hill pp870