Multiplicador digital de baixa frequência (ART172)

Para a medida de frequências muito baixas com um frequencímetro comum ocorrem problemas de instabilidades e de precisão que só podem ser resolvidos com recursos especiais. Um desses recursos é o multiplicador de frequência que permite operar numa escala mais alta e assim aproveitar a maior precisão do instrumento. Neste artigo descrevemos um multiplicador de frequência para a faixa de 1 a 100 Hz.

Se tentarmos medir uma frequência de 8,5 Hz com um frequencímetro comum teremos alguns problemas para ter uma leitura precisa. Inicialmente, neste valor de frequência muito baixo e portanto próximo da frequência de amostragem do instrumento ocorre uma oscilação dos valores apresentados que ficarão constantemente mudando entre 8 e 9. Isso vai ocorre, na realidade com qualquer valor entre dois inteiros sucessivos, dado o próprio princípio de operação do aparelho, sendo minimizado o problema apenas nas escalas mais altas de frequências.

Evidentemente, oscilando entre dois valores inteiros, não teremos também qualquer idéia do valor exato da frequência que tanto poderá ser de 8,1 como de 8,9 Hz ou qualquer outro na faixa indicada.

Uma maneira simples de minimizar estes problemas e permitir a leitura de baixas frequências com um frequencímetro comum é utilizar um multiplicador de frequência.

A idéia básica consiste em se multiplicar a frequência de entrada por um múltiplo de 10, por exemplo 100, e com isso podermos trabalhar numa escala mais alta com maior precisão e com a eliminação do problema das oscilações dos valores apresentados.

Assim, conforme mostra o diagrama de blocos da figura 1, se desejamos ler uma frequência de 8,5 Hz, multiplicamos este valor por 100, obtendo 850 Hz, que será lido com muito mais facilidade no frequencímetro.

Usando o multiplicador de freqüência.

Basta então dividir o valor apresentado mentalmente por 100 para se obter a frequência exata. Veja então que, mesmo que a frequência seja de um valor até mais crítico como 8,56 Hz, isso resulta em 856 Hz que poderá ser lido com facilidade num instrumento comum.

Dentre as aplicações possíveis temos os instrumentos médicos como os cardiômetros ou medidores de batidas cardíacas, eletroencefalógrafos e mesmo aparelhos de biofeedback para relaxação, meditação, etc.

COMO FUNCIONA

O princípio de funcionamento deste circuito CMOS é a multiplicação da frequência por meio de um PLL (Phase Locked Loop).

Na figura 2 temos um diagrama de blocos do PLL usado.

Diagrama de blocos do multiplicador digital de baixa freqüência.

Temos então um oscilador controlado por tensão (VCO = Voltage Controlled Oscillator) que gera um sinal de 100 Hz a 10 kHz conforme a tensão que seja aplicada ao seu pino de entrada (9).

Esta faixa de frequência é determinada basicamente pelos resistores ligados aos pinos 11 e 12 e pelo capacitor ligado entre os pinos 6 e 7.

O leitor poderá alterar o projeto original para operar em outras faixas de frequências, apenas lembrando que o limite do 4046 está em torno de 4 MHz com 10V de alimentação.

O sinal gerado pelo 4046 é aplicado a um divisor de frequência por 100 com base num circuito integrado 4018.

Isso significa que, na saída do 4518 temos uma frequência na faixa de 1 a 100 Hz que é justamente a faixa de operação do circuito para os sinais de entrada.

O sinal cuja frequência se deseja medir juntamente com o sinal do divisor por 100 são aplicados à outra metade do 4046 (PLL) que consiste num detector/comparador de fase.

Este circuito compara a frequência e a fase dos dois sinais e gera uma tensão de erro.

Se as frequências dos sinais forem iguais a tensão gerada que aparece no pino 13 será nula e o VCO não sofre alteração de sua frequência: ele estará gerando exatamente 100 vezes a frequência de entrada.

No entanto, se a frequência do sinal de entrada for diferente da frequência do sinal que vem do VCO via divisor, é gerada uma tensão de erro que, reaplicada via pino (9) ao VCO, corrige a sua frequência de modo que ocorra a igualdade.

Isso significa que o VCO é levado a produzir então exatamente 100 vezes a frequência do sinal de entrada.

Veja então que, qualquer que seja a frequência do sinal de entrada, dentro da faixa indicada, ou as variações que ocorram, o VCO é sempre levado a produzir um sinal com exatamente 100 vezes esta frequência.

Basta então retirar o sinal da saída do VCO (pino 4) que temos a garantia de que ele tem 100 vezes a frequência do sinal de entrada.

Observe que o sinal de entrada deve ser retangular compatível com os circuitos CMOS usados e que, da mesma forma, obtemos na saída um sinal retangular.

A alimentação do circuito pode ser feita com tensões entre 3 e 15V.

MONTAGEM

Começamos por mostrar na figura 3 o diagrama completo do multiplicador.

Diagrama completo do multiplicador de freqüência.

Os componentes podem ser montados numa pequena placa de circuito impresso com a disposição mostrada na figura 4.

Placa de circuito impresso do multiplicador digital.

Para os circuitos integrados será conveniente utilizar soquetes DIL. O capacitor de 2,2 µF deve ser de tântalo, para maior precisão de funcionamento. Ele consiste no circuito de tempo para a correção da frequência do VCO e seu valor determina a velocidade de resposta desta correção.

O capacitor do VCO pode ser de poliéster ou cerâmico e os resistores são todos de 1/8W.

A alimentação pode ser feita com pilhas, bateria, fonte de alimentação (o consumo é muito baixo) ou ainda retirada do próprio aparelho com que o circuito for operar.

PROVA E USO

Para provar o aparelho pode-se aplicar um sinal de frequência conhecida na entrada, por exemplo, da rede de alimentação de 60 Hz que pode ser obtido pelo circuito da figura 5.

60 Hz a partir da rede de energia.

Ligando um frequencímetro na saída do multiplicador, ajuste o trimpot do gerador de sinal de 60 Hz até obter a leitura de 6000 Hz (ou próximo disso, considerando-se a tolerância da própria frequência da rede de energia e do instrumento usado).

Comprovado o funcionamento do circuito é só usá-lo lembrando que a intensidade do sinal aplicado à entrada não deve superar à tensão de alimentação, com o perigo de haver a queima dos circuitos integrados.