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Prof: Zulay Franco Puerto Ordaz, noviembre 2011.-

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yy AAssttaabblleess

3.1 Introducción

3.2 Monoestable

Es un circuito electrónico capaz de generar un pulso lógico en alto o en bajo a través de

su salida (Q). El tiempo de duración del pulso Tw, está determinado por un circuito RC. Para

activar el pulso, el circuito dispone de una entrada, generalmente denominada disparo. En la

figura 3.1, se ilustra la configuración externa de un monoestable, algunos fabricantes

proporcionan la salida negada de (Q).

CR

Disparo

Q

Q

Figura 3.1. Configuración Externa de un monoestable.

Este circuito almacena indefinidamente un estado lógico, bien sea el cero ó el uno

lógico, de allí su nombre de monoestable, en este estado permanece indefinidamente hasta que

se produzca el disparo.

57


Si bien hay curvas para el cálculo del tiempo de temporización Tw, este se puede calcular

con mayor precisión empleando la expresión:

Tw = KRC (1)

La constante K es suministrada por el fabricante y en algunos casos se puede calcular.

La entrada de disparo puede ser por flanco de subida o por flanco de bajada.

figura 3.2 se puede observar el diagrama de tiempo de la respuesta del monoestable.

Disparo

SalidaTw

a)

Disparo

SalidaTw

b)

Figura 3.2. Respuesta del monoestable. a) Activado por flanco de subida. b) Activado por

flaco de bajada.

3.3 Clasificación de los monoestables

Los monoestables se clasifican en no redisparable y redisparable. Los monoestables no

redisparable son aquellos monoestable que comienza su temporización ( Tw ) una vez sea

activada su entrada de disparo y su salida se encuentra en su estado estable. En la figura 3.3 se

muestra la salida de un circuito monoestable no redisparable con la entrada de disparo activa

por flanco de subida y el estado estable de la salida es el cero lógico.

SalidaTw

Disparo

1 2 3

Tw

Figura 3.3. Respuesta del monoestable no redisparable disparado por flanco de subida.

58


En el punto 1 de la figura 3.3, se observa que cuando se tiene un flanco de subida en la

entrada de disparo del monoestable y la salida del circuito se encuentra en su estado estable

(Q=0), la salida del circuito se coloca en su estado inestable (Q=1) durante un tiempo Tw.

En el punto 2 se observa que si durante este tiempo tw ocurre un flanco de subida en su

entrada de disparo, el circuito hace caso omiso a este flanco y no comienza de nuevo la

temporización Tw,

En el punto 3 se observa que se comienza una nueva temporización, tw, ya que la salida

del circuito se encuentra en su estado estable ( Q=0) y ocurre el flanco de subida.

Los monoestables redisparable son aquellos monoestable que comienza su

temporización ( Tw ) cada vez que se active su entrada de disparo, sin importar si la salida se

encuentra en su estado estable ó inestable.

En la figura 3.4 se muestra la salida de un circuito monoestable redisparable disparado

por flanco de subida y el estado estable en la salida es el cero lógico.

Salida

Disparo

1 2 3

Tw

Figura 3.4. Respuesta del monoestable redisparable disparado por flanco de subida.

En el punto 1 de la figura 3.4, se observa que cuando se tiene un flanco de subida en la

entrada de disparo del monoestable y la salida del circuito se encuentra en su estado estable

(Q=0), la salida del circuito se coloca en su estado inestable (Q=1) durante un tiempo Tw.

En el punto 2 y 3 se observa que si durante este tiempo tw ocurre un flanco de subida en

su entrada de disparo, el circuito comienza de nuevo la temporización Tw.

59


3.4 Algunos circuitos integrados de tipo monoestables

74121: Monoestable no redisparable con entrada Schmitt Trigger. La configuración de sus

pines y su tabla de funcionamiento se presenta en la figura 3.5. El circuito se puede disparar por

flanco de subida (B) o por flanco de bajada (A1 ó A2), se configura por uno o por el otro

según la tabla de funcionamiento suministrada por el fabricante. La entrada B de tipo Schmitt

Trigger permite velocidades de transiciones del pulso de entrada tan bajas como 1v/seg. A

continuación se ilustra la configuración de pines del integrado 74121 y su tabla de

funcionamiento

Figura 3.5. Pines y tabla de funcionamiento del monoestable 74121.

El ancho del pulso es programable desde 30nseg a 28seg. Utilizando la resistencia interna

(Rint), es decir colocando este pin a Vcc y dejando abiertas las entradas Cext y Rext/Cext se

obtiene un pulso a la salida de 30 nseg o 35 nseg típicos. Utilizando Rext/Cext se puede obtener

pulso desde pocos nseg hasta 28seg.

Para Cext < 1000 pF el ancho de pulso está determinado por los valores dados por la

curva de la figura 3.7.

60


Figura 3.7. Duración del ancho del pulso en función de Rext y Cext

Para Cext ≥ 1000 pF la salida está definida como:

TW = K RextCext

donde

Rext es en KΩ

Cext es en pF

Tw es en nseg y

K≈ 0,7

El coeficiente K no es constante varía según el capacitor, como puede verse en la figura

3.8.

61


Figura 3.8. Valor K en función del capacitor

En la figura 3.9, se puede observar las condiciones de operación recomendadas por el

fabricante.

Figura 3.9. Condiciones de operación recomendadas por el fabricante

62


74LS123 y 74123: Monoestable redisparable. La configuración de sus pines y su tabla

de funcionamiento se presenta en la figura 3.10. El circuito se puede disparar por flanco de

subida (B) o por flanco de bajada (A), se configura por uno o por el otro según la tabla de

funcionamiento suministrada por el fabricante, el pulso comienza cuando detecta un flanco en

la entrada de disparo (A ó B).

Figura 3.10. Pines y tabla de funcionamiento para el 74123 ó 74LS123.

74LS123

En la figura 3.11 se puede observar la conexión del condensador y la resistencia externa a

los terminales del 74LS123.

Rext

Vcc

C

Terminal

Cext

Terminal

Cext/Rext

Figura 3.11. Conexión a los terminales del 74LS123

63


En la figura 3.12, se observa las condiciones de operación recomendadas por el

fabricante para el 74LS123.

Figura 3.12. Condiciones de operación recomendadas por el fabricante para

74LS123

Para Cext<1000 pF el ancho de pulso está determinado por los valores dados por la curva

de la figura 3.13.

64


Figura 3.13. Duración del ancho del pulso en función de Rext y Cext PARA 74LS123


TW = K RextCext

donde

Rext es en KΩ

Cext es en pF

Tw es en nseg y

K≈ 0,37

El coeficiente K no es constante varía según el capacitor, como puede verse en la figura

3.14

65


Figura 3.14. Valor K en función del capacitor

Por otra parte, si se utiliza un condensador con polaridad el terminal negativo del

condensador debe estar conectado al pin "CEXT" del dispositivo como se muestra en la figura

3.15, donde se presenta la conexión para obtener un ancho de pulso de TW, cuando es

configurado para activarse o dispararse por flanco de bajada.

Figura 3.15. Conexión del integrado 74LS123 para obtener un ancho de pulso de tw

66


74123

En la figura 3.16 se puede observar la conexión del condensador y la resistencia externa a

los terminales del 74123.

Vcc

Rext

C

Terminal

Cext/Rext

Terminal

Cext

Figura 3.16. Conexión a los terminales del 74123

Nota: El integrado 74123 no funciona si se conecta el terminal Cext a tierra, esta

conexión solo se recomienda para el 74lS123

En la figura 3.17, se puede observar las condiciones de operación recomendadas por el

fabricante para el 74123.

67


Figura 3.17. Condiciones de operación recomendadas por el fabricante para 74123

Para Cext<1000 pF el ancho de pulso está determinado por los valores dados por la curva

de la figura 3.18.

68


Figura 3.18. Duración del ancho del pulso en función de Rext y Cext para 74123


TW = K RextCext (1+07/Rext)

donde

Rext es en KΩ

Cext es en pF

Tw es en nseg y

K≈ 0,28

Como ejemplo de aplicación de este monoestable redisparable, veamos el siguiente

problema: Se necesita implementar un circuito que sea capaz de detectar cuando se produce la

caída de una línea de señal digital de clock cuya frecuencia es de 100KHz.

Para diseñar el circuito requerido podemos emplear un monoestable redisparable el cual

se dispare permanentemente con alguno de los dos flancos de la señal de clock que hay que

testear. El periodo de la señal de clock es de 1/100KHz ó 10us. Si ajustamos el tiempo de TW a

un valor superior a 10us, la salida del mismo estará permanentemente en alto ( si empleamos

pulso positivo) ya que siempre aparecerá un flanco que dispare al monoestable. Solamente

69


bajará cuando al haber pasado los TW segundos no se haya presentado otro flanco de la señal de

clock, lo cual significará que la misma ha caído.

555: Este componente se puede configurar mediante componentes externos como

monoestable ó como astable.

Se puede observar en la figura 3.19, su configuración interna.

Figura 3.19. Configuración interna del Circuito Integrado 555

Pines:

1.- Tierra

2.- Entrada de disparo, normalmente debe estar a 1 lógico, al producir el disparo el

voltaje debe caer por debajo de 1/3 Vcc y se activa la entrada SET del biestable.

3.- Pin de Salida

4.- Pin de reset, activo en bajo.

70


5.- Pin de control, a través de este pin se puede modificar los voltajes de comparación.

6.- Voltaje umbral, el voltaje debe estar por encima de 2/3 Vcc para activar la entrada

RESET del biestable.

7.- Pin de descarga permite que un condensador ( C ) se cargue y se descarga.

8.- Voltaje de alimentación.

En la figura 3.20 se presenta el C.I 555 en su configuración como monoestable.

Vcc

1

2

3

4 5

6

7

8

R

C

0,01 uF

Salida

1K

Pulsador

555

a)

Disparo

2/3 vcc

TW

0V

Salida

b)

Figura 3.20. a) C.I 555 en su configuración como monoestable. b) Diagramas de

tiempo de la entrada de disparo, salida y de la carga y descarga del condensador.

Realicemos el análisis del circuito monoestable de la figura 3.20, basado en la

configuración interna del 555 mostrada en la figura 3.19. Al activar el pulsador de la figura

3.20, el voltaje en el pin 2 es menor que 1/3 de Vcc, entonces: la entrada SET del biestable se

activa, la salida del 555, pin 3, se coloca en 1 lógico, el transistor se corta y el condensador

comienza a cargarse a través de la resistencia R. Cuando el valor del voltaje del condensador es

mayor a 2/3 de Vcc, entonces la entrada de RESET del biestable se activa, la salida va a cero

lógico, el transistor conduce y el condensador se descarga a través de él (ver figura 3.20). Por

tanto después del disparo la salida permanece en 1 lógico en un tiempo igual al tiempo que

tarda el condensador en cargarse a 2/3 de Vcc. Ver la parte b) de la figura 3.20.

71


El tiempo de duración del pulso Tw se puede determinar según la ecuación 2, que es la

ecuación de carga de un condensador,

𝑉𝑐 = 𝑉𝑓 − 𝑉𝑓 − 𝑉0 𝑒−𝑡𝑅𝐶 (2)

donde Vc=2/3 de Vcc, Vf= Vcc y Vo= 0V.

2

3𝑉𝑐𝑐 = 5 − 5 − 0 𝑒

−𝑇𝑊𝑅𝐶

2

3𝑉𝑐𝑐 = 5 − 5𝑒

−𝑇𝑊𝑅𝐶

𝑒−𝑇𝑊𝑅𝐶 = 1 −

2

3

𝑇𝑊 = −𝑅𝐶 ln(1/3)

𝑇𝑊 = 1,1𝑅𝐶 (3)

Consideraciones:

El voltaje de la entrada de disparo (pin 2), debe estar normalmente en alto y al disparar el

voltaje en este pin debe estar por debajo de 1/3 de Vcc. El ancho del pulso de disparo debe ser

menor que la duración del pulso TW, pues si el disparo es mayor se tendrá activa la entrada de

SET y RESET del biestable, y la salida caerá a 0 lógico solo al desaparecer el disparo.

Asignación:

Consultar ene el manual tiempo máximo de temporización, valor máximo del

condensador y de la resistencia.

72


74xx14: Para generar un pulso de un ancho TW, utilizando el 74xx14 se debe presionar y

liberar el pulsador del circuito mostrada en la figura 3.21.

Vcc

R

C

SalidaPulsador

74xx14

a)

TWSalida

Vt+

Entrada

0V

Vcc

b)

Figura 3.21. a) Circuito utilizado el C.I 74xx14 para obtener un pulso de duración de Tw

b) Diagramas de tiempo de la descarga y carga del condensador y de la salida

Modo de funcionamiento:

Inicialmente el condensador, C, se encuentra cargado a un voltaje igual a Vcc, es decir se

tiene un uno lógico en la entrada del 74xx14 y a la salida se tiene un cero lógico.

Al presionar el pulsador el condensador se descarga, aplicando así un cero lógico en la

entrada y obteniéndose un 1 lógico a la salida. Al liberar el pulsador la salida permanece en 1

lógico durante un tiempo (TW,) igual al tiempo que tarda el condensador en cargarse a través

de la resistencia R desde el voltaje inicial 0V hasta el voltaje que el 74xx14 interpreta como

uno lógico en la entrada, es decir VT+. Ver la parte b) de la figura 3.21.

Para implementar este circuito es recomendable colocar una resistencia para descargar el

condensador como se muestra en la figura 3.22.

73


Vcc

R1

C

SalidaPulsador

R2

TWSalida

Vt+

Entrada

Vo

Vcc

Figura 3.22. a) Circuito utilizado el C.I 74xx14 para obtener un pulso de duración de Tw

b) Diagramas de tiempo de la descarga y carga del condensador y de la salida

Para este caso al presionar el pulsador el condensador se descarga a un voltaje, Vo dado por la

expresión:

(4) *12

2Vcc

RR

RVo

Este valor de voltaje debe ser menor ó igual que VT- , valor indicado por el fabricante del

74xx14 para tener un 0 lógico aplicado en la entrada, y así garantizar que se tendrá un uno

lógico en la salida. Al liberar el pulsador la salida permanece en 1 lógico durante un tiempo

(TW,) igual al tiempo que tarda el condensador en cargarse a través de la resistencia R1 desde

el voltaje inicial Vo hasta el voltaje que el 74xx14 interpreta como uno lógico en la entrada, es

decir VT+. Ver la parte b) de figura 3.22.

El tiempo de duración del pulso Tw se puede determinar según la ecuación (2), que es la

ecuación de carga de un condensador,

eRC

t

offc VVVV

)(

Donde

74


Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la carga, 0V si no tiene resistencia

de descarga y viene dado por la ecuación 4, cuando se le coloca la resistencia de descarga.

Vc= Voltaje del condensador para el tiempo Tw, es decir VT+

;

Vf=Voltaje al cual tiende a cargarse el condensador, es decir Vcc

Luego remplazando en la ecuación de carga tenemos,

(5) )(

)(1

)(

)(

1

)(

)(

)(

)(

)(

1

1

0

1

o

TW

o

TW

CR

T

o

T

CR

TT

CR

T

oT

VVcc

VVccLnCRT

VVcc

VVccLn

CR

T

VVcc

VVcc

VVcc

VccV

VVccVccV

e

e

e

W

W

W

Considerando R1>> R2, el voltaje inicial, Vo se puede asumir de 0V, quedando la

ecuación 4 de la siguiente forma.

𝑇𝑊= − 𝑅1𝐶 𝑙𝑛 𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝑡

+

𝑉𝑐𝑐 (6)

3.5 Astable

Circuito electrónico que no tiene un estado lógico estable en su salida (Q). Son los

llamados osciladores, donde la frecuencia de oscilación va depender de una red RC. Este tipo

75


de circuito no dispone de una señal de entrada de disparo externa. La expresión para calcular la

frecuencia de oscilación viene dada por la expresión 7, como sigue:

TF

1 , (7)

Donde T es el periodo de la señal y es igual a

T= t alto+ t bajo (8)

74xx14: En la figura 3.23 se presenta la implementación de un astable utilizando 74xx14.

C

Salida

R

a)

Vt+

t1 t2

Vt-

VOH

VOL

b)

Figura 3.23. a) Circuito utilizado el C.I 74xx14 para obtener un pulso de duración de Tw.

b) Diagramas tiempo de la salida y de la carga y descarga del condensador

Modo de funcionamiento

Comencemos el análisis suponiendo que inicialmente el condensador, C, se encuentra

cargado a un voltaje igual a VT-, es decir se tiene un cero lógico en la entrada del 74xx14 y a

la salida se tiene un uno lógico, VOH. Como el voltaje del condensador es menor que VOH el

condensador trata de cargarse a través de la resistencia R, al voltaje de salida, sin embargo

cuando el condensador tiene un voltaje igual a VT+, el 74xx14 comienza a ver un uno lógico en

la entrada y la salida se va a cero lógico, VOL. Para este instante de tiempo el voltaje del

condensador es mayor que VOL y comienza a descargarse a través de la resistencia R, sin

embargo cuando el condensador tiene un voltaje igual a VT-, el 74xx14 comienza a ver un cero

76


lógico en la entrada y la salida se va a uno lógico, en este punto se repite de nuevo el ciclo. La

carga y descarga se puede observar en la figura 3.23.

Para el cálculo de la frecuencia se debe determinar el periodo de la señal, y para ello se

debe calcular el tiempo t1, que es el tiempo que tarda el condensador para cargarse desde VT-

hasta VT+

y el tiempo t2 que es el tiempo que tarda el condensador para descargarse desde VT+

hasta VT-

Ecuación de carga del condensador

eRC

t

offc VVVV1

)(

Donde

Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la carga, es decir VT-

Vc= Voltaje del condensador para el tiempo de t1= VT+

Vf=Voltaje al cual tiende a cargarse el condensador, es decir VOH

Despejando t1 y remplazando valores en la ecuación de carga tenemos.

(9) )(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

1

1

1

1

1

TOH

TOH

TOH

TOH

RC

t

TOH

TOH

RC

t

TOH

OHT

RC

t

TOHOHT

VV

VVLnRCt

VV

VVLn

RC

t

VV

VV

VV

VV

VVVV

e

e

e

77


Ecuación de descarga del condensador

eRC

t

offc VVVV2

)(

Donde

Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la descarga= VT+

Vc= Voltaje del condensador para el tiempo t2= VT-

Vf=Voltaje al cual tiende a descargarse el condensador=VOL

Despejando t2 y remplazando valores en la ecuación de descarga tenemos.

(10) )(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

2

2

2

2

2

TOL

TOL

TOH

TOL

RC

t

TOL

TOL

RC

t

TOL

OLT

RC

t

TOLOLT

VV

VVLnRCt

VV

VVLn

RC

t

VV

VV

VV

VV

VVVV

e

e

e

Remplazando t1 y t2 en la ecuación (8)

78


555: : En la figura 3.24 se presenta la implementación de un astable utilizando el 555

Vcc

1

2

3

4 5

6

7

8

RA

C

0,01 uF

Salida RB

Vcc

a)

2/3 vcc

t1 t2

1/3 vcc

b)

Figura 3.24. C.I 555 en su configuración como astable. b) Diagramas tiempo de la salida y

de la carga y descarga del condensador

Realicemos el análisis del circuito astable de la figura 3.24, basado en la configuración

interna del 555 mostrada en la figura 3.19. Cuando el voltaje del condensador es menor que 1/3

Vcc la entrada SET del biestable es activada y la salida, pin 3, se coloca en 1 lógico, el

(11) ))((

))((

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

TOLTOH

TOLTOH

TOL

TOL

TOH

TOH

TOL

TOL

TOH

TOH

TOL

TOL

TOH

TOH

VVVV

VVVVLnRCT

RC

VV

VV

VV

VV

LnT

RCVV

VVLnRC

VV

VVLnT

RCVV

VVLnRC

VV

VVLnT

79


transistor, pin 7, se corta, y el condensador comienza a cargarse a través de la resistencia

RA+RB. Como el condensador también se encuentra conectado en la entrada umbral, pin 6

entonces cuando el valor de voltaje del condensador es mayor de 2/3 de Vcc la entrada de

RESET del biestable se activa y la salida baja a cero lógico, el transistor conduce y el

condensador comienza a descargue a través de la resistencia RB hasta llegar al voltaje menor a

1/3 Vcc donde se repite el ciclo descrito anteriormente. Para calcular estos tiempos se utilizan

las ecuaciones de carga y descarga del condensador como sigue:

Para calcular t1

Ecuación de carga del condensador

e CRR

t

offc BAVVVV )(

1

)(

Donde

Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la carga= 1/3Vcc

Vc= Voltaje del condensador para el tiempo de t1= 2/3Vcc

Vf=Voltaje al cual tiende a cargarse el condensador= Vcc

Despejando t2 y remplazando valores en la ecuación de carga del condensador tenemos:.

(12) )(693,0

)2/1()(

)3/2(

)3/1(

)3/11(

)3/21(

)3/1(3/2

1

1

)(

)(

)(

1

1

1

CRRt

LnCRR

t

VccVccVccVcc

BA

BA

CRR

t

CRR

t

CRR

t

e

e

e

BA

BA

BA

80


Para calcular t2

Ecuación de descarga del condensador

e CR

t

offc BVVVV2

)(

Donde

Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la descarga= 2/3Vcc

Vc= Voltaje del condensador para el tiempo t2= 1/3Vcc

Vf=Voltaje al cual tiende a descargarse el condensador=0

Despejando t1 y remplazando valores en la ecuación de descarga del condensador

tenemos:.

(13) 693,0

)2/1(

)2/1(

)3/2(

)3/1(

)3/20(03/1

2

2

2

2

2

CRt

LnCR

t

VccVcc

B

B

CR

t

CR

t

CR

t

e

e

e

B

B

B

Remplazando t1 y t2 en la ecuación (8)

81


TF

CRRT

CRCRRT

BA

BBA

1

(14) 2693,0

693,0(693,0

La señal obtenida con el 555 no es simétrica, es decir el tiempo en alto es diferente al

tiempo en bajo, el tiempo en alto depende de la carga del condensador a través de la

resistencia (RA + RB) el tiempo en bajo depende de la descarga del condensador a través de la

resistencia (RB). Para obtener una señal simétrica se debe colocar un diodo entre el pin 6 y el

pin 7 y las resistencias RA y RB deben ser iguales para que el tiempo de carga y el tiempo de

descarga del condensador también sea iguales como se muestra en la figura 3.25. El tiempo de

carga, es decir el tiempo en alto (t1) dado por la ecuación 12, solo va depender de RA.

Vcc

1

2

3

4 5

6

7

8

RA

C

0,01 uF

Salida RB

Vcc

D1

Figura 3.25. C.I 555 en su configuración como astable para obtener una señal simétrica

82


TF

RCT

RRCRCRT BBA

1

(15) )693,0(2

R pero 693,0693,0 A

Figura 3.23. C.I 555 en su configuración como astable para obtener una señal simétrica

TF

RCT

RCRCT

1

(15) )693,0(2

693,0693,0

Monoestables y Astables (Ejercicios)

1- Calcule los valores de R y C para el circuito No. 1 para que entregue a la salida un pulso de 100 milisegundos después de pulsar y liberar SW1.

83


2.-Calcule los valores de R y C en el circuito No. 2 para obtener una frecuencia de 60 khz.

1.

3.- Diseñe un multivibrador monoestable con los CI :74221 y 74123 con un ancho de pulso de 500 milisegundos.

4.- Diseñe un multivibrador monoestable con el CI 555 con un ancho de pulso de 500 milisegundo.

5.-Diseñe un multivibrador astable con el CI 555 cuya frecuencia sea 1 Hz y tenga un ciclo útil

del 70%.

6.-Realice el diseño de un monoestable de duración 400mseg, utilizando: 74123, 74121 y un LM555. Establezca la diferencia entre cada uno de ellos.

7.- Realice el diseño de un astable de 60Khz utilizando un 7414 y un 74LS14.

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