A medida de frequências é fundamental em muitos trabalhos de Eletrônica. Uma grande quantidade de equipamentos depende da frequência exata de um oscilador ou ainda de um sinal de entrada para seu correto funcionamento. O ajuste ou monitoramento desta frequência exige o uso de instrumentos especiais. Estes instrumentos são os frequencímetros e podem ter diversos princípios de funcionamento, conforme veremos neste artigo.
Frequências tão baixas como os 60 Hz da rede de energia ou tão altas como as produzidas pelo clock de um computador ou por um transmissor de microondas, superando 1 GHz, formam o espectro de atuação do profissional da Eletrônica. Para atender estes profissionais na medição destas frequências, temos aparelhos denominados frequencímetros que podem ser basicamente de dois tipos:
a) Analógicos, em que existe um indicador que pode ser uma agulha que corre numa escala com divisões.
b) Digitais, em que a indicação é feita por um indicador de dígitos, cuja quantidade depende da precisão desejada.
Os princípios de funcionamento dos frequencímetros variam conforme sua aplicação e também a faixa de frequências que devem medir.
Neste artigo, bastante útil para o técnico de instrumentação e o estudante, vamos analisar o funcionamento de alguns tipos de frequencímetros mais comuns.
FREQUENCÍMETRO DE LINGUETAS
Na figura 1 temos o aspecto e a estrutura interna simplificada de um frequencímetro de linguetas.
Este frequencímetro normalmente é usado para monitorar a frequência da rede de energia de 60 Hz e por isso tem uma faixa de medidas bastante estreita, normalmente de uns 10% para cima e para baixo do valor central, conforme podemos ver pela sua escala.
Seu principio de funcionamento é bastante interessante, pois se baseia na frequência de ressonância de vibração de uma lingueta de metal (daí o seu nome).
Temos então um conjunto de Iinguetas de metal, cortadas em tamanhos diferentes e colocadas em forma progressiva diante de um eletroímã, de tal forma que cada uma tenha uma frequência de ressonância diferente.
Assim, a lâmina tenderá a vibrar mais intensamente, produzindo um movimento de maior amplitude na frequência que lhe seja própria.
Isso significa que, aplicando à bobina uma tensão alternada de 60 Hz, todas as lâminas serão excitadas pelo campo alternado criado, tendendo a vibrar na sua frequência. No entanto, a que consegue vibrar com mais amplitude é justamente a que foi cortada para ressoar nesta frequência e isso pode ser facilmente observado pelo painel, verifique a figura 2.
Se a frequência da rede se alterar e cair, digamos para 58 Hz, a lâmina que irá vibrar mais intensamente não mais será a que foi cortada para ter uma frequência de ressonância de lâmina vibrante 60 Hz, mas sim outra, e a indicação será visível.
Veja que as lâminas adjacentes àquela cuja frequência corresponda ao sinal também vibram com um pouco mais de intensidade; Esta propriedade dá a resolução do instrumento, que é da ordem de 0,5 a 2 hertz para os tipos comuns.
FREQUENCÍMEIRO DE ABSORÇAO
Este é um instrumento analógico bastante simples que pode ser usado com sinais de frequências relativamente altas e de intensidade suficiente para excitar seu circuito, que é mostrado na figura 3.
Temos então um circuito ressonante ligado a um detector e a um medidor de corrente.
Aplicando o sinal na entrada do circuito, ajustamos o capacitor variável até obter a leitura maior de corrente, o que indica que o circuito está ressoando na frequência do sinal.
A escala do capacitor variável é calibrada previamente em frequência, o que permite ao usuário ler o seu valor diretamente.
Um inconveniente deste circuito é que o indicador com o diodo representam uma carga para o circuito oscilante, amortecendo o sinal e diminuindo a sua seletividade.
Com pequena seletividade, a precisão diminui, pois se torna difícil obter o ponto de máximo.
Uma saída para melhorar este circuito consiste na utilização de um amplificador de alta impedância entre o circuito ressonante e o instrumento indicador, conforme a figura 4.
Veja que o instrumento usado serve apenas para indicar o momento em
que se obtém o ajuste para a frequência que deve ser lida. O instrumento, neste caso, não indica diretamente a frequência do sinal.
FREQUENCÍMETRO ANALÓGICO
Um tipo de instrumento analógico para a medida de frequências e que tem boa precisão para frequências que não superem alguns megahertz é o que faz uso de um conversor D/A ou conversor frequência/tensão.
Um circuito deste tipo, por exemplo, e que faz uso de um timer do tipo
555, é mostrado na figura 5. Este circuito não é para o leitor montar: serve apenas de exemplo para as explicações que daremos sobre seu princípio de funcionamento.
Temos um monoestável disparado pelos sinais cuja frequência deve ser medida. Ligando na entrada do circuito um conformador de pulsos que gere transições rápidas, apenas uma por ciclo, conforme observamos na figura 6, temos o sinal digital ideal para o disparo do monoestável.
No disparo, o monoestável produz um pulso cuja duração independe da frequência do sinal de entrada. A duração do pulso é determinada pela constante de tempo de um circuito RC escolhido cuidadosamente de acordo com a faixa de frequências que desejamos medir.
Isso significa que, com frequências muito baixas, os pulsos são bem separados e à medida que a frequência aumenta, os pulsos vão "se juntando" até que na frequência máxima que o aparelho pode medir, eles praticamente "encostam" um no outro, figura 7.
O que se faz então é ligar na saída do monoestável um medidor de tensão através de um circuito integrador.
O circuito integrador vai fazer com que o instrumento não responda à intensidade dos pulsos individuais produzidos pelo monoestável, mas sim,
à intensidade média destes pulsos.
Logo, se os pulsos estiverem bem separados, a intensidade média será pequena, e pequena a tensão aplicada ao instrumento, figura 8.
Conforme verificamos na mesma figura, à medida que a frequência aumenta, a intensidade média da tensão também aumenta, isso é indicado pelo instrumento.
Podemos então estabelecer uma correspondência direta entre a frequência do sinal de entrada aplicado ao circuito e a tensão que deve aparecer na saída. Esta tensão, que corresponde à frequência máxima, depende justamente da constante de tempo do circuito RC do monoestável.
Usando o 555, por exemplo, é possível usar um circuito como este para medir frequências de até algumas centenas de quilohertz.
Evidentemente, a precisão deste circuito vai depender de diversos fatores, como:
a) A precisão da escala do instrumento usado, ou seja, do ajuste da escala deste instrumento.
b) A estabilidade do próprio circuito que pode variar com a tensão ou com a própria temperatura.
FREQUENCÍMETRO DIGITAL
Sem dúvida, um dos tipos de frequencímetros mais eficientes e mais precisos é o digital, cuja aparência é mostrada na figura 9.
A precisão dependerá do número de dígitos e também do próprio modo de funcionamento.
Lembramos que para este tipo de instrumento podemos considerar as versões virtuais que possuem o mesmo princípio básico de funcionamento, mas que aplicam seus sinais a um PC, possibilitando sua visualização num monitor, gravação dos valores numa memória e até a realização de cálculos com estes valores.
Analisemos o princípio de funcionamento de um frequencímetro digital comum cujo diagrama de blocos é mostrado na figura 10.
A ideia básica do frequencimetro digital é contar o número de ciclos do sinal a ser medido num determinado intervalo de tempo.
Se o intervalo escolhido for 1 segundo, a coisa fica simplificada, pois a quantidade de ciclos por segundo é numericamente igual à frequência.
No entanto, para muitas aplicações, a contagem em intervalos de 1 segundo é muito longa, e prefere-se fazer a contagem em intervalos menores, por exemplo, de 0,1 segundo.
Assim, se contarmos 100 ciclos de um sinal em uma amostragem de 0,1 segundo, sabemos que em 1 segundo teremos 1 000 ciclos e que a frequência do sinal será de 1 kHz, conforme a figura 11.
É claro que a amostragem não pode ser única, pois em muitas análises de equipamentos, a frequência do sinal pode variar de momento a momento.
O que temos então pode ser visto pelo diagrama de blocos.
Um circuito de amostragem habilita um contador de pulsos do sinal de entrada em intervalos regulares, deixando-os passar por um certo tempo:
o tempo de amostragem.
Cada vez que este circuito habilita a passagem dos sinais, ele ao mesmo tempo zera um contador que vai receber estes sinais e fazer sua contagem. A precisão deste tipo de instrumento depende totalmente da precisão com que podemos obter o intervalo de tempo de amostragem.
Para esta finalidade existem duas possibilidades:
Se o instrumento é alimentado pela rede de energia, podemos usar o próprio sinal desta rede para fazer o sincronismo do circuito de amostragem.
Assim, conforme observamos na figura 12, basta fazer a divisão do sinal de 60 Hz por 6 com circuitos integrados comuns, para obter um sinal de 10 Hz e com isso a amostragem de 0,1 segundo.
Veja que neste circuito o sinal da rede de energia passa por um circuito conformador de pulsos que modifica a sua forma de onda de modo que ela possa ser usada para disparar um circuito integrado digital. Se o instrumento é portátil, a frequência de amostragem pode ser obtida por um oscilador a cristal acoplado a um divisor de frequências devidamente projetado para dar a frequência de amostragem em sua saída.
Voltando ao bloco contador, ele não alimenta diretamente o mostrador, mas sim o faz através de um circuito de latch (memória).
Assim, num primeiro instante, o circuito de amostragem deixa passar os sinais a serem contados e estes são levados ao Iatch que os armazena, aplicando-os ao mostrador.
Enquanto uma nova amostragem ocorre, o latch mantém nos displays
o valor anterior e só o apresenta no final desta contagem.
Se o mostrador fosse ligado diretamente aos circuitos contadores, os mostradores ficariam constantemente mudando de número e não teria-
mos um valor fixo para leitura.
Com o uso dos Iatches controlados pelos circuitos de amostragem, o que pode acontecer é uma mudança de dígito no final da contagem, pela pequena diferença que pode ocorrer quando a frequência não é um múltiplo inteiro da frequência de amostragem, sem prejudicar a leitura.
Assim, é comum observarmos que o último dígito apresentado por um frequencímetro apresenta oscilações, mesmo quando estamos medindo um
sinal de frequência fixa.
Veja que a frequência máxima que um frequencímetro deste tipo pode medir depende basicamente da capacidade de resposta dos circuitos usados na entrada.
Usando circuitos TTL comuns, por exemplo, podemos ir a algumas dezenas de megahertz, e usando integrados CMOS, o valor máximo estará em torno de 10 MHz para uma alimentação de 10 V aproximadamente.
No entanto, podemos ampliar bem o alcance deste tipo de instrumento usando circuitos TTL de alta velocidade ou circuitos prescalers.
Os prescalers nada mais são do que divisores de frequência, normalmente divisores por 10, intercalados entre a fonte de sinal e o frequencímetro, conforme a figura 13.
Usando circuitos integrados rápidos, eles podem trabalhar com sinais de frequências muito mais altas do que as admitidas pelos frequencímetros. Assim, podemos usar um prescaler para ampliar o alcance de um frequencímetro de 30 MHz para 300 MHz, usando um destes circuitos.
OUTROS PROCESSOS DE MEDIÇÃO DE FREQUÊNCIA
Existem outros processos para a medida de frequências que não fazem uso de um instrumento especifico.
Podemos medir a frequência de um sinal usando um Osciloscópio e um gerador de sinais. Acoplando a fonte de sinal e o gerador de sinais ao osciloscópio, obtemos figuras cuja forma depende da relação de frequências entre os sinais, veja a figura 14.
Estas figuras de Lissajous possibilitam a medição de frequências de sinais com boa precisão, além de determinar suas fases. Temos também a possibilidade de medir a frequência de sinais usando pontes. Uma das pontes usadas na medida de frequência é a ponte de Wien, figura 15.
O equilíbrio da ponte depende da frequência do sinal e do valor de um capacitor que pode ser ajustável. Assim, o nulo da ponte será obtido quando o capacitor, que tem uma escala calibrada, estiver numa determinada posição que depende justamente da frequência.
