Relojes y temporizadores

Los dispositivos de reloj y temporizador son una amplia variedad de componentes utilizados para crear, administrar, contar y distribuir relojes digitales. Los relojes digitales son formas de onda periódicas, comúnmente ondas cuadradas. Todos los circuitos digitales con memoria requieren que las transiciones de borde de los relojes actualicen y almacenen el siguiente estado de los procesos. Esto se denomina sincronización y los procesos que utilizan relojes se llaman procesos síncronos. Las aplicaciones que requieren relojes están en todas partes, casi todos los dispositivos digitales que la humanidad ha construido, desde los primeros dispositivos de computación primitivos, han confiado en ellos.
Un oscilador de referencia de sincronización usualmente genera relojes. Este es un circuito resonante que está sintonizado o se puede sintonizar en una frecuencia específica. Cuando se aplica energía, un bucle de respuesta positivo circula la energía de ruido asociada en la energía de la sección de resonancia. Debido a que la sección de resonancia es un filtro de paso de banda, la energía en la frecuencia resonante se amplifica, mientras que todo lo demás se suprime hasta el punto donde el oscilador continua resonando en una frecuencia única. Si esta energía alcanza límites de amplitud, se convierte en una onda sinusoidal recortada y, en última instancia, en una onda cuadrada.
En su forma más simple, un circuito de reloj puede está construido a partir de componentes discretos en forma de un circuito oscilador Hartley o Colpittes. Por lo general, estos no son muy precisos. Es muy común encontrar resonadores de cristal (por ejemplo, cristales de reloj de 32.768 kHz) colocados de entrada a salida a través de un búfer CMOS de inversión para producir un reloj (como se utiliza en muchos microcontroladores). Los osciladores de cristal de cuarzo (XO) son los dispositivos más comunes utilizados hoy en día. Los osciladores basados en resonadores de onda acústica de superficie y cerámica (SAW) también son comunes. Están disponibles en una variedad de formas diferentes para proporcionar precisión y control adicionales.
Muchos resonadores se basan en materiales que cambian las características con la edad, temperatura y tensión. Estas características afectan la precisión, frecuencia y habilidad de extracción (hasta que punto la frecuencia se puede ajustar de cualquier manera a partir de la frecuencia resonante central). Los osciladores de cristal controlados por temperatura (TCXO) tienen redes de compensación incorporadas para reducir la desviación causada por los cambios de temperatura. Los osciladores de cristal controlados por horno (OCXO) tienen calentadores incorporados y bucles de control de temperatura que mejoran más aún la precisión controlando el ambiente de los materiales. Los osciladores de cristal controlados por tensión (VCXO) proporcionan un puerto de control que permiten ajustar la frecuencia hacia arriba o abajo dependiendo de la tensión.
Las referencias de reloj se pueden utilizar para sintetizar otras frecuencias que utilizan generadores de reloj, multiplicadores de reloj, bucles enganchados en fase y sintetizadores de frecuencia. Se pueden amortiguar y distribuir en torno a un PCB y una placa base utilizando búferes y distribuidores de relojes. Los relojes pueden estar entramados en el dominio de la frecuencia para reducir la EMI (generador de reloj de amplio espectro). El ruido del reloj se puede reducir con atenuadores de vibración. Muchos protocolos de comunicación integran el reloj en las transiciones de datos para realizar recuperaciones en el receptor con un bucle enganchado en fase (PLL). Los datos luego se recuperan usando un bloque de recuperación de datos de reloj (CDR). Los datos recuperados se pueden retransmitir sincronizados con el reloj regenerado mediante un reclocker. Esto proporciona extensiones de cable repetidas y permite la comunicación de los datos de alta velocidad a través de distancias extremadamente largas.
Los relojes de tiempo real incorporan un contador que acumula oscilaciones para crear información de temporización. Se pueden actualizar con la hora real y mantener una medición del tiempo tan exacta como la tecnología del oscilador utilizado la proporcione. Los relojes de tiempo real suelen tener una capacidad de suministro de energía de reserva, con opciones internas y externas disponibles. Los módulos GPS son una popular fuente de referencia de temporización de alta precisión para los diseños. Un módulo GPS normalmente proporcionará información de tiempo absoluta y puede generar de eventos de temporización de 1 segundo (épocas).