Gerador de sinais digital (INS020)

Como obter sinais senoidais de um circuito totalmente digital? Se o leitor está em busca de um circuito deste tipo para provas de áudio, para usar em efeitos sonoros ou instrumentos musicais, apresentamos uma configuração CMOS bastante eficiente e que opera na faixa de 100 a 1000 Hz, mas que pode ser facilmente alterada para gerar sinais em outras frequências.

 

Circuitos digitais podem produzir facilmente sinais retangulares, quadrados e eventualmente triangulares. No entanto, quando se trata de produzir sinais senoidais, já ocorrem alguns problemas.

A melhor solução para se gerar sinais senoidais usando exclusivamente circuitos digitais é com o uso de flip-flops excitando uma rede de resistor R/2R.

Dependendo da quantidade de flip-flops e de resistores pode-se obter um sinal senoidal com excelente fidelidade e que serve para uma grande gama de aplicações práticas.

É justamente isso o que apresentamos neste projeto que utiliza apenas 3 circuitos integrados CMOS de baixo custo e que opera na faixa de áudio de 100 a 1000 Hz.

Alterações de valores de alguns componentes, entretanto, podem modificar esta faixa de frequências, desde que ela permaneça dentro dos limites em que os circuitos integrados usados podem operar.

O sinal de saída do circuito pode superar 1 Vpp o que é suficiente para a maioria das aplicações e a alimentação pode ser feita com pilhas ou bateria, já que o consumo é bastante baixo.

Com o acréscimo de uma saída direta para os sinais do 4093B oscilador e com um circuito adicional que transforme os sinais retangulares em triangulares (integrador) podemos conseguir um excelente gerador de funções de baixo custo.

 

Características:

* Faixa de frequências: 100 a 1000 Hz

* Sinal de saída: 0 à 1 Vpp senoidal (tip)

* Consumo: 20 mA (tip)

 

 

COMO FUNCIONA

Na figura 1 temos o diagrama de blocos que representa este gerador.

 

 

O primeiro bloco consiste num oscilador que gera sinais quadrados com base numa das portas de um circuito integrado 4093. A frequência deste oscilador depende basicamente de C1 e pode ser variada numa faixa de 10 para 1 por meio do potenciômetro P1.

Para mudar a faixa de operação do circuito o leitor pode trocar C1 por capacitores de outros valores. Valores maiores diminuem a frequência. Valores na faixa de 470 pF a 470 nF podem ser usados problemas, com a expansão dos limites de operação para um mínimo de 1 Hz e máximo de 100 kHz.

No entanto, a alteração desses componentes também deve ser acompanhada de alterações no filtro de saída, conforme explicaremos mais adiante.

O sinal gerado por este bloco é aplicado a um contador/divisor por 10 do tipo up-down, ou seja, de contagem progressiva e regressiva. Este bloco tem por base o circuito integrado 4029B.

Este circuito integrado possui 4 saídas BCD ou Binárias que são determinadas pelo nível lógico do pino 9. No caso, com o pino 9 no nível alto temos a contagem até 16. Para o nível baixo teremos a contagem até 10.

Uma contagem maior permite que se forme a senóide com um número maior de passos e assim ela se torna mais fiel.

A formação da senoidal é feita nas saídas (4) deste circuito integrado que são ligadas a uma rede R/2R ou seja, com resistores cujos valores mantém a relação indicada, conforme mostra a figura 2.

 

 

Essa rede tem a característica de converter as saídas binárias do circuito em níveis progressivos de tensão, conforme mostra a mesma figura 2.

Assim, à medida que o 4029B conta os pulsos do oscilador, a saída da rede R/2R vai apresentando tensões que progressivamente, em degraus, aumentam até o valor máximo.

Quando a contagem dos pulsos atinge o máximo com a subida da tensão de saída até o máximo em 1111, um pulso de inversão de modo de contagem é enviado ao terceiro bloco do aparelho que tem por base um 4013B.

O circuito integrado 4013B contém 2 flip-flops, mas neste caso usamos apenas um.

Com o recebimento do pulso, o 4013B muda de estado e com isso o nível da entrada UP/DOWN que corresponde ao pino 10 do 4029 também muda. Assim, se a contagem era progressiva até esse instante, ocorre uma inversão e a contagem inverte nos 16 pulsos seguintes com a queda gradual da tensão de saída, conforme mostra a figura 3.

 

 

Novamente, com a chegada ao 0000 temos uma inversão e a contagem se torna progressiva. Isso faz com que o sinal "suba e desça" gerando a senóide desejada.

A cada 32 ciclos do oscilador temos então um 1 ciclo do sinal de saída senoidal, o que deve ser previsto no dimensionamento de C1.

Evidentemente, o sinal senoidal obtido desta forma não é puro, mas sim cheio de irregularidade que se traduzem numa infinidade de harmônicas além de uma dispersão indesejável.

Para "aplainar" este sinal entra em jogo o quarto bloco do aparelho que consiste num filtro RC.

Esse filtro elimina as irregularidade do sinal sintetizado, mas deve ter seus valores dimensionados de acordo com a frequência gerada. Para frequências mais baixas C2 deve ter seu valor aumentado. Para frequências mais elevadas, deve ser diminuído, para que não ocorra também uma modificação na amplitude do sinal obtido ou uma deformação excessiva.

 

 

MONTAGEM

Começamos por mostrar ao leitor o diagrama completo do Gerador de Sinais Digital na figura 4.

 

 

A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 5.

 

Figura 5 – Placa de circuito impresso para a montagem.

 

Sugerimos que sejam empregados soquetes para os circuitos integrados o que garante maior segurança para a montagem e para a integridade dos próprios componentes.

Se bem que os resistores possam ser todos de 1/8W com 5% de tolerância, uma precisão maior para o sinal pode ser obtido com o uso de resistores mais precisos na rede R/2R.

O LED que indica o funcionamento do gerador é opcional e na realidade ele consome a maior parte da energia do circuito, podendo por isso ser eliminado.

Sem ele, e sem carga, o consumo do aparelho cai a menos de 5 mA.

O capacitor C1 assim como C2, podem ser cerâmicos ou de poliéster e C3 nãio é crítico podendo ter valores entre 22 e 220 uF.

Para a saída pode ser usado um jaque comum ou um par de bornes e para os potenciômetros os tipos rotativos são os mais indicados. Na verdade, P2 pode incorporar o interruptor geral S1 se assim o leitor desejar.

Tanto P1 como P2 podem ser lineares de modo a facilitar a elaboração de escalas de frequência e amplitude.

 

 

PROVA E USO

O melhor teste de funcionamento é o que permite visualizar a forma de onda gerada e que portanto exige o emprego de um osciloscópio. Com ele, podemos também fazer a calibração das escalas dos potenciômetros.

Um frequencímetro também pode ser útil na determinação da frequência do sinal gerado.

Feitas as verificações e os ajustes é só usar o aparelho.


LISTA DE MATERIAL


Semicondutores:

CI-1 - 4093B - circuito integrado CMOS

CI-2 - 4029B - circuito integrado CMOS

CI-3 - 4013B - circuito integrado CMOS

LED - LED vermelho comum

 

Resistores: (1/8W, 5%)

R1, R11 - 10 k ohms

R2 - 100 ohms

R3, R4, R5 - 100 k ohms

R6, R7, R8, R9, R10 - 220 k ohms

R12, R13 - 4,7 k ohms

P1 - 100 k ohms - potenciômetro

P2 - 10 k ohms - potenciômetro

 

Capacitores:

C1 - 47 nF - poliéster ou cerâmico

C2 - 100 nF - poliéster ou cerâmico

C3 - 100 uF/6V - eletrolítico

 

Diversos:

S1 - Interruptor simples

B1 - 6 ou 9V - 4 pilhas ou bateria

Placa de circuito impresso, soquetes para os circuitos integrados, suporte de pilhas ou conector de bateria, caixa para montagem, jaque ou bornes de saída, botões para os potenciômetros, fios, solda, etc.

 

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N° do componente 

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