Módulo CLOCK

Episodio 2

En este episodio vamos a descubrir el CLOCK de nuestra computadora 20c. Este sistema se encarga de sincronizar todos los chips y componentes de nuestra máquina emitiendo una señal regular en el tiempo.

Vamos a estudiar todos sus subsistemas y distintos modos de clock que poseemos, luego vamos a recrear esta placa PCB desde cero y terminaremos con un experimento que nos permitirá ver como usar nuestro clock paso por paso para poder avanzar instrucción por instrucción en nuestra computadora.

Descripción general del CLOCK

Nuestra Placa de CLOCK sirve para marcar el ritmo en el cual todo pasa en nuestra 20c, posee tres relojes diferentes:

Reloj regulable en velocidad o de pulso contínuo

Reloj paso a paso

Reloj fijo a 1Mhz

Cuando hablamos de reloj nos estamos refiriendo a un circuito con la capacidad de emitir pulsos. Con estos tres relojes vamos a poder realizar todos los experimentos de la 20c. Este reloj está basado en el que construyó Ben Eater para su serie de 8 bit computer, si no la vieron es excelente y pueden ir a las referencias de este artículo para ver los links a la misma.

Reloj regulable en velocidad

o de pulso contínuo

Descripción

Nuestro circuito consiste en un reloj regulable en velocidad, esto nos va a permitir mediante el uso de un potenciómetro regular que tán rápido queremos que nuestro reloj emita pulsos.

El circuito consiste en un timer realizado con un integrado NE555 y conectado de forma a-stable o inestable lo que hace que este prenda y apague, la velocidad con la que va a prender y apagar esta regulado con un potenciómetro.

Conexión

Para este tipo de conexión conectaremos los pines del 555 de la siguiente forma:

El pin 1 y el 8 se conectan a GROUND y a +5V respectivamente
Los pines DISCHARGE 7 y THRESHOLD 6 se conectan juntos a través de una resistencia en nuestro caso son dos resistencias el potenciómetro R3 de 1 Mega ohm y la resistencia de R4 de 1K ohm. Uso dos resistencias para que en caso que el potenciómetro llegue a cero nunca tenga 0 resistencia.
El pin 7 de DISCHARGE también se conecta a 5v a través de un resistencia R1 de 1K ohm.
El pin 6 de THRESHOLD también se conecta al pin de TRIGGER 2 directamente.
El pin TRIGGER 2 se conecta a ground a través de un capacitor electrolítico C2 de 1 uFaradios (micro faradios).
El pin RESET 4 lo conectamos a +5v para que no se active. Si el pin 4 es 0v, se resetea el Flip-flop.
El pin 5 CONTROL lo conectamos a GROUND a través de un capacitor C1 de 10 nFaradios (nano faradios). Esto nos va a permitir mejorar la forma de la onda cuadrada de los pulsos.
La Salida del circuito son los pulsos en sí mismos que salen por el pin 3 de OUTPUT.

Funcionamiento

El 555 posee internamente dos comparadores (triángulos a la izquierda) y un Flip-Flop (rectángulo).

El capacitor C2, las resistencias R1, R3 y R4 son las que regulan la frecuencia de los pulsos.

El capacitor se va a cargando a través de las resistencias y cuando llega a acumular más de ⅓ del voltaje que usamos, en este caso 1.6v ya que el circuito tiene 5v, el primer comparador se activa y se prende el Flip-Flop produciendo el pulso de salida en +5v.

Cuando el capacitor llegue a ⅔ del voltaje el segundo comparador va a activar el Reset del Flip-Flop descargando el capacitor a través del pin 7 DISCHARGE y dando la salida del pin OUTPUT a 0v.

Cuando el capacitor se descarga hasta 1.6v el comparador 1 vuelve a activar el SET del Flip-Flop y prende el OUTPUT nuevamente a +5v.

Al reducir la resistencia R3 moviendo el potenciómetro vamos a ir aumentando la frecuencia de los pulsos ya que el capacitor se cargará antes.

La frecuencia de los pulsos se calcula con la fórmula:

Frecuencia = 1,440 / ((R1+(2*R2))*C1) con R1 y R2 en kilo ohms y C1 en uF (microfaradios)

En nuestro caso R1 es la resistencia R1 de 1K y la resistencia R2 de la fórmula está compuesta por la suma de las resistencias R4 y R3. La resistencia R1 tiene un valor de 1k ohms. La suma de las resistencias R4 y R3 van desde 1k ohms a 1001k ohms ya que el potenciómetro es de 1 mega ohms.

Aquí podemos una regulación de 133 Hz para el Reloj de pulso en nuestro osciloscopio:

Para más detalle de cómo funciona el circuito en forma astable les incluyo el datasheet de Texas Instrument sobre el mismo en las referencias, también les incluyo un link a un video de Ben Eater que lo explica en las referencias.