EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ( II )

El op-amp tiene muchísimas otras aplicaciones para muchísimos otros diseños además del uso que se le acaba de dar arriba para construír amplificadores de señal. A manera de ejemplo, a continuación tenemos un diseño en el cual el op-amp está siendo usado para construír un amplificador para una señal de audio:


Y en el siguiente circuito, tenemos un diseño que nos permite convertir una medición de temperatura en una medición de voltaje, para lo cual utilizamos un componente transductor, el conocido sensor de temperatura AD590 fabricado por la empresa Analogue Devices:



A continuación tenemos lo que en audio se conoce como un filtro activo de paso bajo:


Para un técnico en electrónica, explicar el funcionamiento de un circuito de este tipo, aún sin las fórmulas, no representa gran problema. Para frecuencias lo suficientemente bajas, el condensador (capacitor) C2 puesto en paralelo con la resistencia R2 actúa como un circuito abierto, pudiendo ser ignorado, con lo cual lo que tenemos aquí es esencialmente un amplificador inversor. Y para frecuencias lo suficientemente altas, el condensador C2 actúa como un corto circuito, con lo cual el efecto resistivo de R2 queda nulificado y la ganancia, de acuerdo con la fórmula para el amplificador inversor, se vuelve cero. En pocas palabras, el circuito amplifica y deja pasar las señales de bajas frecuencias (que en una señal de audio correspondería a los sonidos bajos o bass), y bloquea las señales de altas frecuencias. Este comportamiento es representado con una figura conocida como la curva de responsiva a la frecuencia (frequency response curve) que para un filtro de paso bajo toma la siguiente apariencia:


Muchos usuarios de equipo de audio sin saberlo ya están familiarizados con este tipo de curvas de responsiva de frequencia debido a que su equipo cuenta al frente en su panel de controles con varios deslizadores (sliders) que forman parte del ecualizador (equalizer) de su aparato de audio, e inclusive muchos programas de audio para computadora cuentan con la opción de activar y mostrar en la pantalla un ecualizador gráfico (graphic equalizer) como el siguiente (el programa de Microsoft conocido como Windows Media Player para la ejecución de archivos de audio y video en diversos formatos cuenta con su propio ecualizador gráfico activable desde la línea del menú):


La disposición de los controles deslizadores en este tipo de objetos no es casualidad alguna, los controles están situados el uno junto al otro de modo tal que tomados en conjunto sugieran el tipo de responsiva de frecuencia que se le dará a la señal de audio, como lo muestra la gráfica de responsiva de frecuencia del ecualizador gráfico arriba mostrado situada debajo de los controles; obsérvese cómo la disposición de los controles deslizadores en la parte superior parece sugerir la forma de la responsiva de frecuencia en la parte inferior del ecualizador gráfico.Es importante agregar que además del filtro de paso bajo arriba mostrado, con el op-amp también se pueden construír filtros de paso alto (los cuales bloquean las señales de bajas frecuencias permitiendo el paso de las señales agudas de alta frecuencia), filtros de paso de banda (bandpass) que permiten pasar las frecuencias intermedias dentro de cierto rango, filtros Butterworth, filtros Bessel, etc., lo cual por sí solo requiere ser tratado en un curso especializado a nivel universitario.Además del op-amp 741, hay otros op-amps disponibles en el mercado, como el LM324, el cual es un circuito integrado que contiene el equivalente de cuatro op-amps 741, cuyo bajo costo lo hace casi tan accesible como el mismo 741, y el cual tiene otra característica muy deseable: a diferencia del op-amp 741 que requiere de dos fuentes de poder, una positiva (+V) y una negativa (-V) el LM 324 sólo requiere de una fuente de poder. A continuación tenemos el diseño de un filtro activo de paso-de-banda usando uno de los op-amps del LM324, en donde es obvio que estamos utilizando una sola fuente de poder de +15 volts sin necesidad de tener que utilizar una fuente de poder de -15 volts:


El amplificador operacional, con el apoyo de unos cuantos componentes pasivos externos (resistencias y/o condensadores) puede llevar a cabo operaciones aritméticas de suma, resta, multiplicación, e inclusive las operaciones de diferenciación e integración propias del cálculo infinitesimal. Es por esto mismo que no hace mucho tiempo, todavía hasta las décadas de los setentas y los ochentas, los amplificadores operacionales junto con componentes pasivos adicionales eran utilizados como los bloques fundamentales de computadoras analógicas con el fin de poder resolver problemas matemáticos que inclusive involucraban la simulación de sistemas físicos modelados por algo conocido en el campo de las matemáticas como ecuaciones diferenciales, las cuales son fórmulas matemáticas que involucran derivadas como las siguientes:




La desventaja de utilizar amplificadores operacionales para resolver este tipo de problemas es que los resultados tienen una precisión limitada a dos o tres dígitos, porque los valores tanto de las entradas como de las salidas de las operaciones aritméticas o de los sistema físicos que están siendo simulados son esencialmente voltajes, valores medidos. Esta es la razón por la cual el advenimiento de las computadoras digitales volvió obsoleta la tecnología de los amplificadores operacionales aplicada con operaciones matemáticas en mente. De cualquier modo, para aplicaciones especializadas, es bueno saber que esta posibilidad está siempre disponible. Podemos obtener mayores detalles acerca del uso de los amplificadores operacionales en la solución de problemas matemáticos en algún enlace como el siguiente:http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/Semi/SEMI_9.html#xtocid1561110Para poder obtener alguna "práctica" en el uso y manejo de los amplificadores operacionales, se le recomienda al lector visitar el siguiente sitio mantenido por el Profesor Constantinos E. Efstathiou, Director del Laboratorio de Química Analítica de la Universidad Nacional y Kapodristiana de Atenas, en el cual el usuario se puede divertir "jugando" un buen rato con amplificadores operacionales simulados:http://www.chem.uoa.gr/applets/AppletOpAmps/Appl_OpAmps2.htmlEn esta página del Profesor Efstathiou, el simulador de amplificadores operacionales aparece del lado derecho de la pantalla, y en cuyo borde inferior se puede escoger una de varias opciones para poder experimentar: Inverting Amp. (amplificador inversor), Summing Amp (amplificador sumador), Difference Amp (amplificador de diferencias) e Integrator (integrador). La forma en la cual trabaja este simulador es la siguiente: supóngase que se quiere experimentar un rato con la opción más elemental de todas, la opción Inverting Amp. Al seleccionar esta opción, a la izquierda del circuito estará activado únicamente uno de los controles "deslizadores", el control marcado como V1. A un lado del control se le dan al usuario dos opciones de rangos de voltaje, ±2 volts y ±20 volts. Supóngase que las resistencias Ri y Rf tienen valores de 10 KΩ (10 mil ohms) y 100 KΩ (100 mil ohms) respectivamente, lo cual de acuerdo con la fórmula de la ganancia para un circuito inversor dará una ganancia de -10. Suponiendo que se ha seleccionado la opción de ±2 volts, entonces si el control deslizador está situado justo en el extremo medio poniendo a la entrada del circuito un voltaje de 0 volts, a la salida en el indicador numérico simulado leermos un también un voltaje de 0 volts, lo cual era de esperarse porque no se está llevando a cabo la amplificación de nada. Pero si a la entrada ponemos un voltaje de +0.25 volts, a la salida tendremos un voltaje de -2.5 volts. Esto nos indica que el voltaje de entrada está siendo amplificado diez veces, y el cambio de signo en la polaridad de voltaje nos indica que efectivamente se está llevando a cabo una inversión en la polaridad, lo cual era de esperarse para un amplificador inversor. La ventaja del simulador es que le podemos cambiar los valores a las resistencias para cambiar con ello la ganancia del circuito. A manera de ejemplo, si a las resistencias Ri y Rf les damos valores de 20 KΩ (20 mil ohms) y 100 KΩ (100 mil ohms) respectivamente, con lo cual obtendremos una ganancia de -4, entonces si le aplicamos al circuito un voltaje de entrada de +0.25 volts obtendremos un voltaje a la salida de -0.625 volts, como era de esperarse.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ( I )

La enorme ventaja de los circuitos lógicos es que no se requiere tener muchos conocimientos de electrónica para poder comprender cómo trabajan funcionalmente dichos circuitos. Y en efecto, en los ocho capítulos principales del libro, prácticamente no se tocó gran cosa que tuviera que ver con cuestiones eléctricas, exceptuando el hecho de que por lo general identificábamos un valor de un "1" lógico con un voltaje generalmente positivo (como +5 volts) y un "0" lógico con un nivel de cero volts, el equivalente a "tierra" eléctrica que en una batería no vendría siendo más que el polo negativo de la batería marcado con el signo menos (-). No hubo ninguna necesidad de entrar en detalles tales como resistencias eléctricas, capacitores, inductores, la ley de Ohm, potencia eléctrica, amperaje, etc. Pudimos avanzar muy bien sobre todos los capítulos sin tener que incursionar en estos detalles.Existen muchos sistemas digitales en los que la mayoría del sistema basa su funcionamiento en electrónica puramente digital. Las computadoras de escritorio son un buen ejemplo de ello. Sin poseer conocimientos detallados de electrónica, cualquiera que haya asimilado los principios esenciales del libro puede muy bien ensamblar un circuito lógico, comprar en el mercado una fuente de poder que proporcione los voltajes requeridos para que los componentes del circuito puedan trabajar, y conectar todo de modo apropiado para que pueda funcionar.Sin embargo, existen también sistemas en los cuales es necesario interconectar componentes propios de la electrónica digital (bloques AND, OR y NOT) que siempre trabajan con valores discretos de voltaje, con componentes propios de la electrónica analógica, en donde se trabaja con voltajes que pueden variar continuamente entre dos límites pudiendo tomar cualquier valor posible entre dichos límites. Estos sistemas son esencialmente sistemas híbridos que combinan en un solo diseño aspectos de la electrónica digital y de la electrónica analógica.El texto principal del libro no presupone de parte del lector conocimiento alguno de electrónica analógica. Sin embargo, no se descarta la posibilidad de que entre los lectores haya técnicos con algunos conocimientos básicos de electrónica analógica que estén tal vez interesados en instruírse un poco más en aquellos circuitos integrados con los cuales los circuitos integrados propios de la electrónica digital suelen interactuar. Es con este auditorio en mente que se ha preparado este Suplemento que trata sobre uno de los componentes más versátiles para el diseños de circuitos analógicos: el amplificador operacional.Así como en la familia lógica de circuitos integrados TTL el circuito integrado 7400 es el componente fundamental de referencia del cual parten todos los demás, y así como en en el mundo de los microprocesadores el microprocesador 8008 marcó la pauta a seguir por todos los demás microprocesadores que le sucedieron, del mismo modo en el mundo de los amplificadores operacionales el punto de referencia es un amplificador designado con el número 741.Si fuéramos a comprar en el mercado un amplificador operacional 741 fabricado por la empresa Motorola, dicho componente tendría el siguiente aspecto físico:


El diagrama esquemático de este circuito integrado en relación con sus ocho terminales muestra las siguientes designaciones funcionales de cada una de dichas terminales o "pins":



Esencialmente, el amplificador operacional es representado en los diagramas esquemáticos tal y como se muestra arriba, como un triángulo, con dos terminales de entrada, una entrada inversora (inverting input) identificada con un símbolo menos (-) y una terminal no-inversora (non-inverting input) identificada con un símbolo más (+).
Precaución: Los términos terminal inversora y terminal no-inversora en un amplificador operacional no tienen absolutamente nada que ver con las definiciones usadas en el mundo de los circuitos lógicos en relación con el bloque NOT.El símbolo triangular utilizado para representar un amplificador operacional encierra cómodamente para nosotros algo que es esencialmente un circuito analógico algo complejo, cuyo esquemático detallado es el siguiente:


Aunque el amplificador operacional lo podemos usar como una "caja negra" sin tener que preocuparnos por los detalles internos que muestra este último diagrama, de cualquier modo tenemos que saber cómo llevar a cabo conexiones externas al mismo para poder obtener del mismo algunas funciones analógicas que nos puedan ser de utilidad. Como su nombre lo indica, este componente es un amplificador, un amplificador de una señal analógica que puede variar continuamente entre un rango de valores. Y al amplificar la señal, lo puede hacer invirtiendo la polaridad de la señal con respecto a la señal de entrada (convirtiendo los valores de voltaje positivos a negativos, y los valores de voltaje negativos a positivos) , en cuyo caso lo usamos como amplificador inversor, o dejando que la polaridad de la señal de salida se mantenga con la misma polaridad que la señal de entrada, o sea como un amplificador no-inversor. Para poder utilizarlo en cualquiera de estas dos maneras, es necesario conectarle a cada configuración unas resistencias eléctricas externas como lo muestran los siguientes diagramas:
En el diagrama superior tenemos un amplificador inversor, y en el diagrama inferior tenemos un amplificador no-inversor. Antes de entrar en detalles sobre el funcionamiento de estos circuitos, observemos primero que para poder trabajar adecuadamente el amplificador operacional requiere de dos voltajes, un voltaje positivo +V aplicado en la terminal 7, y un voltaje negativo -V aplicado en la terminal 4. Si fueramos a proporcionar estos voltajes con baterías externas de modo tal que el voltaje positivo sea +V=+15 volts y el voltaje negativo sea -V=-15 volts, lo haríamos utilizando algo como lo siguiente:



Obsérvese en los diagramos de los dos circuitos amplificadores mostrados arriba que no es necesario conectar ninguna de las terminales del amplificador operacional al punto intermedio entre las dos baterías designado en el esquemático como la tierra eléctrica. Una fuente dual de voltajes fácil de implementar con dos baterías desechables proporcionando un voltaje positivo +V=+9 volts y un voltaje negativo -V=-9 volts sería la siguiente:


Sin embargo, como la desventaja de una fuente dual de voltajes construída con baterías desechables es que las baterías tienen una vida de uso limitada, para un diseño fijo que no se estará moviendo mucho de un lugar a otro se puede construír una fuente dual de voltajes alimentada con corriente alterna de línea como la que se muestra a continuación:


Regresemos ahora a los circuitos amplificadores. La señal de entrada una vez amplificada será proporcionada por el amplificador operacional u op-amp en su terminal de salida 6 (output). La ganancia (gain) del op-amp es la medida de la amplificación de voltaje del circuito y se define simplemente como el valor instantáneo del voltaje de salida Vout en la terminal 6 entre el valor del voltaje Vin de entrada:



De este modo, si el voltaje de entrada es de 1 volt y el voltaje de salida es de 10 volts, el op-amp estará amplificando la señal por un factor de 10: la señal de salida será diez veces más grande que la señal de entrada.Si el diseño que utilizaremos será el de un amplificador inversor, entonces usaremos el circuito designado arriba como "inverting amplifier", y la señal de entrada a ser amplificada deberá ser aplicada en la terminal 2 (inverting input). En este caso, nosotros podemos escoger el factor de amplificación mediante una cuidadosa selección de las resistencias R1 y R2. La ganancia (Gain) del circuito, como podemos ver en la fórmula anexa al circuito, será igual al valor de R2 dividido entre el valor de R1. Si queremos un factor de amplificación de cinco tantos, entonces la resistencia R2 deberá ser cinco veces más grande que la resistencia R1. Una vez escogidos los valores de las resistencias R1 y R2 el valor de la resistencia R3 estará prácticamente prefijado por la fórmula que nos dice cuál debe ser el valor de dicha resistencia (en algunos diseños, se prescinde de esta resistencia por completo). En la fórmula de la ganancia:
Gain = -R2/R1el signo menos indica que la polaridad de la señal estará invertida con respecto a la polaridad de la señal de entrada, que es justo lo que debe hacer un amplificador inversor.Si por el contrario queremos diseñar un amplificador no-inversor, entonces usamos el circuito designado arriba como "non-inverting amplifier", y la señal de entrada a ser amplificada deberá ser aplicada en la terminal 3 (non-inverting input) directamente. Aquí también nosotros podemos escoger el factor de amplificación mediante una cuidadosa selección de las resistencias R1 y R2. La ganancia (Gain) del circuito, como podemos ver en la fórmula anexa al circuito, será igual a 1 sumado al valor de R2 dividido entre el valor de R1. Si queremos un factor de amplificación de tres tantos, entonces la resistencia R2 deberá ser dos veces más grande que la resistencia R1, lo cual sumado a la unidad nos dá una ganancia de tres:
Gain = 1 + (R2/R1) = 1 + (2/1) = 1 + 2 = 3Los valores de las resistencias generalmente deben estar seleccionados en el rango de los miles de ohms (K ohms). Valores demasiado bajos de resistencias, situados por debajo de 1 Kohm, producen corrientes eléctricas grandes que pueden producirle daño al circuito, mientras que valores demasiado grandes de resistencias, situados por encima de 1 Megohm, inducen un efecto indeseable conocido como el ruido térmico (en inglés, thermal noise) o ruido Johnson-Nyquist. A continuación tenemos un amplificador no-inversor construído en torno a un op-amp en el cual se han seleccionado resistencias R1 y R2 con valores respectivos de 1K (mil ohms) y 15K (15 mil ohms), con lo cual obtenemos un factor de multiplicación de 16 sobre la señal de entrada:

LAS COMUNICACIONES ASÍNCRONAS ( IV )

En artículos anteriores vimos que un "0" lógico y un "1" lógico pueden estar representados no sólo como la ausencia de un voltaje y la presencia de un voltaje de, digamos, +5 volts, sino también como un campo magnético de cierta orientación y un campo magnético de orientación contraria. De hecho, hay muchas otras maneras en las cuales podemos representar un "0" y un "1", tales como la ausencia y la presencia de un rayo de luz. Es así como es posible transmitir señales digitales a través de un cable de fibras ópticas en las cuales el medio de tranmisión es la luz y no un potencial eléctrico. Y aunque podemos transmitir a lo largo de un alambre metálico "pulsos" de voltaje con una forma de onda cuadrada como la que hemos visto en los diagramas de tiempos (esta es precisamente la manera en la cual se llevaba a cabo la transmisión de datos a través del telégrafo mediante el código Morse), no es necesario estar limitados a este tipo de formato. La enorme flexibilidad en la forma en la cual podemos representar un "0" y un "1" nos permite elaborar otros esquemas que suelen ser mucho más eficientes que la simple transmisión de "pulsos" de voltaje de corriente directa, los cuales de cualquier manera no pueden ser utilizados para la transmisión de datos digitales a través de una antena transmisora hasta una antena receptora. El ejemplo más notorio de ello es la representación de un "1" como un "pulso" que en realidad es una onda de alta frecuencia. Esto requiere modular una señal ondulatoria continua usando el nivel de "1" lógico para convertirla en un pulso ondulatorio de alta frecuencia de una manera como la siguiente en la cual la onda portadora (carrier) del "1" es modulada por un "1" convencional produciendo un resultado modulado:

Este esquema conocido como un esquema de modulación de amplitud identifica una señal digital ondulatoria como un "1" lógico, y la ausencia de la misma como un "0" lógico. De este modo, un torrente continuo de información que empieza con la siguiente señal digital binaria mostrada de color azul siendo modulada por la señal ondulatoria de color verde producirá la señal modulada de color rojo que será transmitida hacia afuera:

El aparato transmisor que cambia a la señal digital modulándola antes de ser transmitida recibe el nombre de modulador, mientras que el aparato receptor encargado de recuperar la señal digital removiendo su componente ondulatorio se llama demodulador. Este es precisamente el origen de la palabra modem, MODulador-DEModulador, el aparato capaz de modular señales digitales para enviarlas hacia afuera a través de la línea telefónica en forma de pulsos ondulatorios, y capaz también de demodular los pulsos ondulatorios enviados desde fuera por un transmisor, el cual era un aditamento externo a las computadoras caseras:

antes de ser incorporado adentro de las mismas computadoras cuando los constantes avances de la microelectrónica permitieron miniaturizar todos los componentes de los modems para permitir su inserción en un circuito integrado de alta densidad dentro de la tarjeta madre o como una tarjeta accesoria para ser insertada dentro de una de las ranuras especiales que muchas computadoras tienen para ello.

Existe otro esquema que es precisamente el mismo que fue utilizado inicialmente para la transmisión de señales digitales a través de la línea telefónica usando para ello los primeros modems caseros: mediante señales de tonos audibles. Bajo este concepto, cuando se transmite una señal a través del cable telefónico se hace utilizando dos ondas de frecuencias diferentes para identificar al "0" y al "1". Este esquema es conocido como modulación de frecuencia (aunque también es conocido como FSK o Frequency Shift Keying), esquema en el cual la frecuencia de la señal portadora es alternada entre dos frecuencias diferentes en una manera como la que se muestra a continuación:

Uno de los primeros circuitos integrados utilizados justo para la construcción de los modems que empezaron operando mediante el concepto de tonos es el circuito integrado 4412 fabricado con tecnología CMOS por la empresa Motorola:

Este circuito integrado hoy obsoleto que fue uno de los pioneros para la construcción a gran escala de los primeros modems (externos) trabaja de la siguiente manera: el paquete convierte datos binarios seriales ("unos" y "ceros"), usualmente enviados de y hacia un UART, en el sistema de "tonos" audibles propios para la comunicación telefónica compatibles con el llamado "sistema 103". En el modo Originar, un "0" es transmitido como una señal con una frecuencia de 1070 Hertz (ciclos por segundo) y un "1" es transmitido como una señal con una frecuencia de 1270 Hertz. En el modo Contestar, un "0" es transmitido como una señal con una frecuencia de 2025 Hertz y un "1" es transmitido como 2225 Hertz. Puesto que los modems se usan en pares, el receptor responde con el grupo de tonos que no está siendo transmitido. Esta es precisamente la forma en la cual se lleva a cabo la comunicación en servicios de Internet de baja velocidad. La entrada de la transmisión es compatible con la familia de circuitos lógicos TTL y responde a una transferencia de datos de 300 bauds o menos. La amplitud de una onda típica de la señal de salida es de 300 milivolts rms hacia una carga resistiva de 100 mil ohms. La entrada al receptor debe provenir de un filtro activo sofisticado y bien diseñado y un limitador simétrico con distorsión controlado de algo llamado el "retardo del grupo" (group delay). Esta entrada es compatible con las familias lógicas TTL y CMOS. La salida del Receptor de Datos (terminal "pin" 7) sigue a esta entrada después del proceso de demodulación.

Junto con el UART podemos hablar de otro circuito integrado que además de las capacidades para comunicaciones asíncronas del UART incorpora la capacidad para poder establecer comunicaciones síncronas. Se trata del USART, cuyas siglas significan Universal Synchronous/Asynchronous Receiver-Transmitter, del cual el gran "abuelo" prototipo que marcó la pauta en los diseños posteriores que habrían de seguir es el 8251:

desarrollado originalmente por la empresa Intel, cuyo diagrama funcional de bloques es el siguiente (ampliar imagen):

Existe disponible en Internet, como una cortesía de la Universidad de Hamburgo en Alemania, un programa animado que muestra con una simulación el funcionamiento en modo asíncrono de un USART, la cual se puede accesar en el siguiente domicilio:

http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades
_________/webdemos/50-rtlib/65-usart8251/usart-transmit.html

En esta demostración, si hacemos "clic" sobre el "monitor" que está bosquejado en el extremo derecho del diagrama que contiene al USART 8251, aparecerá una "ventana" típica de las ventanas de texto de la época en la que los monitores de las computadoras sólo tenían capacidad para el trazado de texto sobre un fondo negro y no de gráficos; y lo que se está simulando es una simple terminal receptora de texto a la cual le llega el mensaje clásico que dice "Hello, world!" (Hola, mundo!). Esta "estación terminal" puede ser configurada en su velocidad (baud) y en la paridad que será utilizada para la detección de errores (paridad par, paridad impar, o ninguna paridad). Al entrar en esta página se activa de inmediato el simulador de diagramas de tiempo "Hades Waveform Viewer". El botón derecho del mouse, cuando el cursor está puesto dentro de la "ventana" de simulación del circuito, abre una lista vertical de opciones de menú, en la cual el punto de inicio es la opción "simulación" (simulation) que nos dá las tres posibilidades: stop (detener la simulación), pause (pausar la simulación) y run (correr la simulación), mismas opciones que se encuentran también disponibles en el borde inferior de la ventana principal del simulador. Si la ventana de diagramas de tiempo "Hades Waveform Viewer" no aparece, en este menú del "mouse" la podemos invocar con la opción view de donde escogemos show waveform viewer; y con esta misma opción la podemos seguir invocando cuantas veces sea necesario a lo largo de una simulación. Dentro de la ventana del Hades Waveform Viewer, la punta de la flecha del cursor tiene anexadas permanentemente una línea horizontal y una línea vertical, las cuales nos permiten localizar en forma precisa dentro de la ventana del "Viewer" con el cursor vertical un tiempo específico situado dentro del tiempo de la simulación, y con el cursor horizontal uno de los parámetros (RESET, nCS, CnD, nRD, nWR, DATA, nTXC, TXD,TXRDY, TXE y nCTS) cuyo valor binario será desplegado inmediatamente en el renglón como "Value:". Hay una línea adicional aquí titulada "comment" en la cual se nos describe lo que está sucediendo en cierto intervalo de tiempo. Por su parte, la ventana principal en donde está el circuito (no la ventana Hades Viewer) tiene en su parte inferior un botón i para imprimir el status del simulador, un botón de doble flecha apuntando hacia la izquierda para "reajustar" el tiempo de simulación hasta t=o, un botón de doble flecha apuntando hacia la derecha para correr la simulación en modo "perpetuo" (interactivo) y un botón con una sola flecha apuntando hacia la derecha que nos permite seleccionar un intervalo de tiempo de simulación, el cual tenemos que especificar previamente en la ventana numérica a su derecha así como las unidades de tiempo del intervalo de simulación (nanosegundos, microsegundos, milisegundos, segundos, minutos, horas). Es necesario oprimir este "botón" dos veces para ir más allá del tiempo inicial de simulación programado por el "StimuliGen" con una duración de 0.83 segundos. Los tres "foquitos" LED a la derecha nos indican que la simulación está detenida (foquito rojo), la simulación está pausada (foquito amarillo), o la simulación está corriendo (foquito verde). Se puede afirmar que esta simulación, para haber sido elaborada con propósitos meramente educativos, es una simulación bastantes sofisticada.

Hasta ahora, al hablar acerca de las comunicaciones seriales lo hemos hecho teniendo en mente el protocolo de comunicación serial basado en el estándard RS-232. Es importante señalar aquí que, en buena medida, el protocolo RS-232 para el cual fueron diseñados varios de los circuitos integrados que hemos visto en este Suplemento está siendo superado por un nuevo estándard de comunicaciones seriales más universal, el conocidísimo estándard USB (Universal Serial Bus), el cual es implementado con sus propios circuitos integrados que también se pueden obtener comercialmente en el mercado para el desarrollo de proyectos o la construcción de computadoras.

Existen varias ventajas del estándard USB sobre el estándard RS-232. La primera ventaja es que se pueden conectar varios equipos (impresoras, cámaras digitales, escáners, teclados MIDI, etc.) a una misma computadora sin necesidad de tener que construírle a la computadora puertos de entrada adicionales, ya que se puede utilizar el mismo puerto de entrada USB de la computadora ampliando la capacidad de dicho puerto con un hub expansor:

de modo tal que es posible tener tres o cuatro unidades periféricas distintas enviando información serial a la misma computadora a través de la misma entrada USB de la computadora (anteriormente, si se quería conectar un equipo con modo de comunicación serial a una computadora, había que desconectar el equipo que ya estuviese instalado, frecuentemente la impresora, para utilizar dicho puerto de entrada como canal de intercomunicación con la computadora, lo cual hoy ya no es necesario). Bajo el estándard USB, hasta 127 piezas de equipo (lo cual incluye los hubs expansores de capacidad) se pueden conectar a una misma computadora. El estándard inicial USB fué el USB 1.0, apoyado por sistemas operativos como Windows 98, ofreciendo una capacidad de transmisión de datos de hasta 12 Megabits por segundo; el cual está siendo superado por el USB 2.0 que ofrece las mismas características pero a una velocidad de intercomunicación mucho mayor (40 veces mayor) de 480 Megabits por segundo con las unidades periféricas que se le conecten a la computadora. El siguiente paso evolutivo programado para este estándard es el USB 3.0 que debe poder ofrecer una capacidad de transmisión serial de datos de hasta 4.8 Gigabytes por segundo. Otra ventaja del estándard USB sobre el estándard RS-232 es que las unidades periféricas se pueden conectar, desconectar y volver a conectar en el orden que sea a las entradas USB de la computadora tiempo después de que haya sido encendida la máquina (esta característica es conocida en la literatura técnica como hot swapping), mejor conocida desde el punto de vista del sistema operativo Windows como PnP (Plug-and-Play), lo cual no era posible anteriormente ya que al encender la máquina los programas de "arranque" (contenidos en el BIOS) para los puertos seriales inicializaban todo al inicio y no era posible alterar posteriormente la comunicación.

En su esencia, un cable USB para comunicaciones seriales entre una computadora y una unidad periférica consta de únicamente cuatro alambres aislados en su interior: dos cables para envío de energía eléctrica identificados de la manera usual como power (voltaje) y ground (tierra eléctrica) así como dos alambres identificados como D+ y D-. Los cables de energía eléctrica son requeridos cuando la unidad periférica que está siendo conectada carece de su propia fuente de energía y tiene que ser energizada por la computadora, como es el caso de los flash drives. Cuando una unidad periférica se conecta a la computadora, la computadora (o el hub) detecta la presencia de la unidad periférica mediante una resistencia eléctrica que actúa como pullup dependiendo de que la unidad periférica sea una de baja velocidad (USB 1.0) o de alta velocidad (USB 2.0). Una resistencia pullup puesta en el cable que corresponde a la señal D- indica que se trata de una unidad de baja velocidad, mientras que una unidad periférica de alta velocidad tiene una resistencia pullup en el cable D+. Para el manejo de las señales USB, hay varios circuitos integrados en el mercado, uno de los cuales es el PIC 16C745, de la empresa Microchip. Este Controlador Programable de Interrupciones es en su interior un circuito integrado tan complejo y tan sofisticado que en la literatura técnica se le identifica también como un microprocesador, aunque en el sentido estricto de la palabra no lo es. A continuación tenemos un bosquejo de un PIC 16C745 dispuesto para el manejo de una unidad periférica de baja velocidad, con una resistencia pullup puesta en la línea D-:

A continuación tenemos en mayor detalle un proyecto construído como parte de una tarea escolar por dos estudiantes canadienses como parte de los requerimientos para poder obtener su grado en Ingeniería Física en la University of British Columbia, el cual como puede verse está configurado para ser de baja velocidad:

En la esquina superior derecha de este diagrama esquemático podemos ver las asignaciones que bajo el estandárd USB se deben hacer a cada una de las terminales de un conector USB.

Aquí puede surgir una duda sobre cómo es posible que una computadora pueda distinguir entre las diversas señales digitales que le están enviando varias unidades periféricas a través de lo que es esencialmente una sola línea de entrada. ¿Cómo evitar confundir una señal digital que le está llegando desde una cámara Web con una señal digital que le está llegando de una impresora? La respuesta radica en el hecho de que bajo el estándard USB cada pieza de equipo tiene su propio identificador, algo así como su "nombre propio" y sus apellidos, lo cual le permite a la computadora el poder distinguir -con la ayuda del sistema operativo- una unidad periférica de la otra. De hecho, la primera vez que se conecta con un cable USB una unidad periférica a una computadora en la que nunca antes se había utilizado, lo primero que hará la computadora será buscar entre su "catálogo de equipos USB" interno el "nombre propio" y apellidos de tal unidad periférica, y al no encontrarlo el sistema operativo le pedirá al usuario el disco CD de instalación de los programas drivers que le permitan al sistema operativo poder procesar la información que le envíe dicha unidad periférica. Una vez que se ha llevado a cabo este procedimiento, el sistema operativo agrega tal unidad periférica a su "catálogo interno", de modo tal que la próxima vez que tal unidad periférica se vuelva a conectar a la misma computadora se llevará a cabo la búsqueda de rigor en dicho catálogo interno, y al encontrar que los programas drivers para tal unidad periférica ya están almacenados en el disco duro el sistema operativo cargará dichos drivers en la memoria RAM para poder intercomunicarse con dicha unidad periférica.

Aunque aún es posible ver muchas computadoras que tienen en su parte trasera un puerto para interconectar las impresoras a un conector basado en el estándard RS-232, la mayoría de las nuevas impresoras en el mercado están equipadas ya con un puerto USB para ser interconectadas de este modo a la computadora. De cualquier modo, aunque el estándard RS-232 termine siendo desplazado por completo, mucho de lo que hemos aprendido en este Suplemento sigue siendo completamente válido porque los principios esenciales siguen siendo los mismos, al igual que las tres funciones lógicas básicas AND, NOT y OR sobre las cuales a fin de cuentas se viene basando el diseño de cualquier computadora.

Para obtener más datos sobre los detalles técnicos de los UART, se recomienda consultar el siguiente enlace:

http://www.freebsd.org/doc/en_US.ISO8859-1/articles/serial-uart/

Por otro lado, se puede obtener mayor información sobre el estándard de comunicaciones seriales RS-232 consultando la Wikipedia en el siguiente enlace:

http://en.wikipedia.org/wiki/RS-232

También en la misma Wikipedia se puede obtener mayor información en el siguiente enlace acerca del estándard USB que está desplazando rápidamente al estándard RS-232:

http://en.wikipedia.org/wiki/USB