Sintetizador Senoidal CMOS (ART1938)

Com base em circuitos Integrados CMOS descrevemos a montagem de um sintetizador de sinais senoidais de até 400 kHz. O circuito pode ser usado na forma auto-oscilante ou ainda sincronizado por sinais CMOS externos. Uma ampla gama de aplicações na bancada do projetista que necessita deste tipo de sinal com boa precisão é esperada para este aparelho.

Circuitos integrados da família CMOS digital geram sinais retangulares ou então só admitem este tipo de sinal em suas entradas.

No entanto, com alguns artifícios podemos gerar sinais de outras formas de onda, mesmo utilizando circuitos lógicos desta família. Este artigo é um exemplo disso, e com aplicações práticas bastante interessantes.

Usando um 4093 com buffer e oscilador retangular em um 4015 para conformar o sinal retangular transformando-o em senoidal, este circuito pode operar com entradas de até 5 MHz, o que produzirá em sua saída um sinal senoidal de até 400 kHz aproximadamente.

Com a utilização adicional de um filtro passa-baixas podemos suavizar os contornos do sinal gerado, o que permite sua utilização nas aplicações mais críticas, como por exemplo, na prova de equipamentos de áudio .

A alimentação poderá ser feita com pilhas ou mesmo bateria de 9 V, já que o consumo da unidade é bastante baixo. Com a calibração da escala do oscilador local, os sinais podem ser produzidos com precisão, o que tornará este circuito de grande utilidade como instrumento de calibração.

Características:

Tensão de alimentação: 3 a 15 V

Consumo típico (6 V): 1 mA

Frequência máxima de entrada: 5 MHz (6 V)

Frequência máxima de saída: 400 kHz (6 V)

Número de segmentos da senóide sintetizada: 8 por ciclo

COMO FUNCIONA

Na figura 1 temos um diagrama de blocos que representa este sintetizador.

Fig. 1 - Diagrama de blocos do aparelho.

O primeiro bloco tem por base um 4093B que opera em duas modalidades, determinadas pela posição de S2.

Com S2 conectada ao pino 10 do 4093, os sinais gerados por CI1-b, um oscilador retangular, são aplicados à entrada do circuito integrado 4015.

A frequência dos sinais produzidos é ajustada de modo fino em P1, e sua faixa é dada pela seleção dos capacitores de C1 a C3 pela chave S1

A faixa de operação deste oscilador vai de aproximadamente 100 Hz a 100 kHz, mas pode ser alterada com a troca dos capacitores sempre devendo ser respeitado o limite de operação do 4093, que depende também da tensão de alimentação.

Na posição que S2 conecta o pino 4 do Cl-1, a porta CI1a é utilizada para bufferizar sinais externos que devam ser transformados em senoidais.

A frequência máxima de entrada para uma alimentação de 5 V está em torno de 5 MHz, e os sinais devem ser retangulares.

Os sinais, tanto externos como do oscilador interno, são aplicados ao pino 1 de entrada do Cl1-a, que consiste num shift- register duplo de 4 estágios.

Na figura 2 temos as funções dos pinos deste circuito integrado do CMOS.

Figura 2 – Pinagem do 4015

O 4015 pode ser usado em duas modalidades de operação: seriaI-in/serial-out ou seriaI-in/paraIIeI-out.

No nosso caso, usamos a segunda modalidade e em cascata, de modo a se obter um registrador de deslocamento de 8 estágios.

Quando ligamos o aparelho, não havendo informação nas saídas do shift-register, o que significa um nível zero, este é usado para se obter um nível alto através do inversor Cl1-d, que então aplica à primeira célula um nível 1 de informação que vai ser deslocado pelo registrador.

Tão logo este bit passe para a célula seguinte, a informação de entrada volta ao nível 0 e temos apenas um nível alto se deslocando a cada pulso de clock pelo registrador, até completar o ciclo, quando então novamente o processo se repete.

Como em cada saída temos um resistor de valor diferente, há o escalonamento da tensão de saída a cada pulso, de modo a se obter uma síntese senoidal, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Sinal sintetizado

Veja que com a escolha apropriada dos resistores podemos gerar outras formas de onda. No entanto, como temos a produção da senóide por segmentos, sendo um a cada pulso de clock, a frequência obtida na saída é menor que a do sinal usado na entrada.

MONTAGEM

O diagrama do aparelho é mostrado na figura 4.

Figura 4 – Diagrama do sintetizador

O circuito, sem a fonte de alimentação, pode ser montado numa placa de circuito impresso, conforme mostra a figura 5.

Figura 5 – Placa para a montagem

Os circuitos integrados preferivelmente devem ser instalados em soquetes DIL. Os capacitores C1, C2 e C3 podem ser cerâmicos ou de poliéster. Já C4 e C5 são eletrolíticos com tensão de trabalho maior do que a usada na alimentação.

O potenciômetro P1 é linear, e as chaves S, e S2 são deslizantes ou rotativas, conforme indicado na relação de materiais. Para S1 existe a opção de uma chave de teclas, caso em que podemos usar mais capacitores.

Na figura 6 temos um circuito de filtro passa-faixas que pode ser usado para "suavizar" o sinal gerado.

Figura 6 – Filtro passa-baixas

Observe que os capacitores são A selecionados de acordo com a faixa de modo que será conveniente conjugar esta chave de seleção à chave S1 do circuito principal.

PROVA E USO

Para a prova de funcionamento o melhor recurso é o osciloscópio.

Ligue a saída do sintetizador na entrada vertical do osciloscópio e ajuste a base de tempo de acordo com a faixa de frequências que vai ser gerada. O sinal correspondente deve ser observado no osciloscópio.

Para um sinal de maior intensidade, pode ser usado o circuito da figura 7.

Figura 7 – Um amplificador de saída