Com este oscilador é possível obter ondas triangulares, ou retangulares, cuja frequência é estabelecida pela amplitude da tensão aplicada em sua entrada, constituindo-se assim em um oscilador de frequência controlada por tensão.
INTRODUÇÃO
O presente trabalho não relata uma montagem propriamente dita, ele visa, isso sim, apresentar alguns conceitos e mostrar um circuito prático que poderá ser utilizado pelo leitor em algumas de suas experiências como uma espécie de conversor análogo-digital.
Vale salientar que a ideia em si não é original, o circuito é que é relativamente original, uma vez que emprega um par de amplificadores operacionais para formar o VCO cuja linearidade é de boa para excelente, ou seja: a frequência do sinal de saída é, praticamente, proporcional à tensão de comando de entrada.
O leitor também não deve surpreender--se se alguma melhoria do circuito deixou de ser mostrada, quer por falta de espaço, quer por falta de tempo para dar continuidade às pesquisas ou, ainda, por falta de conhecimentos mais apurados, na área da eletrônica linear, por parte do Autor. A ideia é, como já foi dito, apresentar um circuito simples e funcional, o qual foi concebido quase que por um acaso!
O CIRCUITO DO VCO
Como o nome indica, o oscilador controlado por tensão (VCO), produz um sinal cuja frequência pode ser controlada por uma tensão aplicada à sua entrada. No nosso circuito, quanto menor a tensão, tão menor será a frequência do tom de saída, quer em onda triangular, quer em onda retangular, e o mais interessante: a frequência de saída é proporcional à tensão de entrada do VCO.
O circuito do VCO proposto se utiliza de um par de A.O. (amplificador operacional) conforme pode-se apreciar na figura 1. Nas experiências foi utilizado o A.O. 741 em versão integrada, mas nada impede empregar o integrado 747 que oferece, em um único invólucro, dois 741.
O primeiro desses dois A.O. funciona como um integrador e o segundo, C.I.2, como um D.S. (Disparador Schmitt ou "Schmitt Trigger"), cabendo ao transistor Q1 estabelecer a devida realimentação da saída "2" para o primeiro A.0 (vide figura 1).
Para verificar o funcionamento do circuito, se partirá da seguinte hipótese: uma tensão de entrada Ve constante, positiva e de amplitude inferior a +V e que o transistor se encontre saturado, o que leva a ter-se Vs2 em um potencial praticamente igual a +V. Ora, o fato de Q1 estar saturado equivale a ter-se um "terra" no ponto A (figura 1), dando início ao processo de carga do capacitor Cl, tal qual mostra o circuito equivalente simplificado da figura 2.
Já que C.I.1 e componentes associados constituem um integrador, a tensão de saída desse A.O. irá crescendo linearmente até atingir o nível de disparo superior do D.S. que, no caso, é praticamente +V quando, então, a saída de C.I.2 assume um potencial praticamente igual a —V, ocasionando o corte do transistor chaveador Q1 (figura 1), sendo retirado o aterramento do nó A do circuito de entrada e, assim, a tensão de saída do integrador irá decrescendo, também linearmente, até atingir o nível de disparo inferior do D.S., no caso, praticamente, —V, quando sua saída comuta de —V para +V, repetindo o ciclo já analisado.
Caso a tensão de entrada varie positivamente, tão mais rapidamente a saída de C.I.1 atingirá os pontos de disparo do D.S. (C.I.2) e, portanto, a frequência do sinal retangular, assim como o triangular, se tornará maior; se a tensão Ve variar para menos, a frequência desse par de sinais irá decrescer, também proporcionalmente, ao decréscimo da tensão de entrada. A proporcionalidade (ou linearidade) pode ser verificada bastando ter em mente que a tensão V„ de saída do integrador C.I.1 e componentes associados obedece à seguinte equação linear: V0 = K . Ve, que é uma característica dos circuitos integradores, onde K corresponde ao inverso de uma constante de tempo RC.
A tabela abaixo mostra as medidas de frequência realizadas no protótipo em função da tensão Ve de entrada e ao fazer +V = 15 volts e —V = —5 volts (ambas tensões de alimentação estabilizadas).
A terceira linha dessa tabela fornece as variações da frequência entre o valor imediatamente superior e o anterior; esses resultados mostram a linearidade do VCO, mas eles não devem ser encarados com certo rigor devido à qualidade do instrumental utilizado nas medições, o qual não é o mais indicado.
É óbvio que reduzindo a capacitância de Cl, figura 1, e as resistências de R1 a R4, pode-se obter valores de frequência mais elevados que os encontrados.
Cabe aqui uma importante observação: a linearidade do VCO apresentado é boa desde que a tensão de controle Ve seja inferior a 2/3 de +V, como bem se desprende da terceira linha da tabela anterior quando +V = 15 volts. Outro ponto a considerar é quanto a —V: para efeito do VCO não há necessidade de uma tensão negativa, mas acontece que o nível de saturação do A.O. 741 não é nulo e, consequentemente, não levará ao corte o transistor Q1 (figura 1), um dos elementos responsáveis pelas oscilações; é bem verdade que através de alguns artifícios é possível contornar a situação sem a necessidade de empregar —V, uma solução seria a de prover dois ou três diodos de comutação (1N914, por exemplo) em série com a resistência de base R6, elevando assim o potencial de corte para o transistor; uma outra opção é a utilização do operacional, a F ET, 3140 que praticamente garante zero volts em sua saída quando situado na saturação negativa e, praticamente, +V quando saturado positivamente — estas duas opções não foram verificadas experimentalmente.
Como a frequência das oscilações do VCO é influenciada pela dupla fonte de alimentação, impõe-se a necessidade de fontes de alimentação relativamente estabilizadas, a fim de não comprometer o funcionamento do circuito.
UMA POSSÍVEL APLICACAO PARA O VCO PROPOSTO
Várias são as aplicações possíveis para o circuito, entre elas como um gerador de efeitos sonoros, onde a frequência das oscilações é alterada ao atuar sobre um potenciômetro (figura 3); essas oscilações de saída do VCO são aplicadas através de um capacitor de desacoplamento à entrada de um amplificador de potência que reproduzirá com intensidade suficiente os tons gerados pelo VCO.
Uma outra aplicação, e esta foi verificada experimentalmente, consiste em utilizar o circuito proposto como um indicador digital de tensões, conforme é mostrado no diagrama em blocos da figura 4.
A tensão contínua, positiva e bem menor que +V, a ser medida, é aplicada ao VCO, o qual irá gerar um tom de frequência proporcional ao valor dessa tensão. Os sinais retangulares assim obtidos são aplicados a uma rede diferenciadora, que também suprime os pulsos negativos, tornando-os compatíveis com uma dupla década contadora que tanto pode contar por 10 ou por 100, dependendo da programação realizada pelo usuário, permitindo desta forma a visualização das unidades ou dos décimos de unidade no mostrador digital, o qual é convenientemente excitado por um decodificador do tipo BCD para sete segmentos —figura 4.
O cadenciador tem dupla finalidade. A primeira é reciclar o contador a intervalos de tempo regulares e a segunda é a de só habilitar as informações de entrada, provenientes da década contadora, por um lapso de tempo, de forma que o usuário verá um certo valor "fixo" no mostrador mesmo que a década contadora apresente em suas saídas uma informação diferente da vista no mostrador, a qual se fará presente no mesmo quando o cadenciador assim o permitir.
Todo o circuito, figura 4, é alimentado através da rede elétrica com duas tensões: uma positiva (+12V) e outra negativa (-5V) em relação à terra. A dupla fonte de alimentação é estabilizada, já que eventuais flutuações da rede elétrica ou variações de consumo do circuito propriamente dito, poderiam comprometer o desempenho do aparelho.
A figura 5 mostra um possível circuito de uma dupla fonte, a qual se utiliza de dois transformadores. Em ambos os casos a retificação é feita em ponte e é utilizado um integrado regulador de tensão de três terminais para manter praticamente constante a tensão de saída em cada caso.
Uma outra opção consiste em utilizar um único transformador de 18+18V, 300mA, como mostra a figura 6 — o material desta outra versão é basicamente o mesmo que o da versão anterior.
As soluções apresentadas, evidentemente, não são as únicas, mas elas oferecem certa flexibilidade de escolha, principalmente se a "sucata" do leitor é relativamente "gorda".
O circuito do aparelho proposto, exceto a fonte de alimentação, encontra-se na figura 7. O transistor Q1, integrados C.I.1 e C.I.2 e componentes associados formam o VCO cuja frequência de saída (pino 6 de C.I.2) é diretamente proporcional à tensão de entrada como já se viu; esse trem de pulsos retangulares é diferenciado pela rede R6-C2, sendo diretamente aplicado à entrada cadenciadora CK da primeira década contadora (1/2 C.I.3) através da chave CH1. A função dos diodos D1 e D2 é a de eliminar eventuais sobretensões, funcionando, portanto, como elementos de proteção para as correspondentes entradas CK do integrado C.I.3; da mesma forma R9 garante o nível baixo no pino 9 quando CH1 se encontra na posição "B".
A cada dez pulsos aplicados no pino 9 de C.I.3, surge um pulso em sua saída mais significativa Q3, que, também através de CH1, é aplicado à entrada cadenciadora da segunda década contadora formadora do integrado C.I.3 (figura 7). As saídas Q0 até Q3 passam, então, a expor numerais binários correspondentes à quantidade de pulsos aplicados; essas informações binárias são aplicadas ao decodificador, e excitador, para sete segmentos que, assim, podem ser visualizadas pelo mostrador digital M.D.1. Notar que apenas as dezenas se fazem presentes no mostrador desde que CH1 se encontre na posição "A" indicada na figura 7, se essa chave for comutada para a outra posição (posição "B"), será possível visualizar as unidades no mostrador, uma vez que a primeira década se encontra inoperante e, ainda, porque os pulsos oriundos do VCO são diretamente recebidos pela segunda década contadora.
O integrado C.I.4, um 555, e componentes associados, constituem um multivibrador astável, o qual gera uma onda essencialmente retangular (figura 8) em sua saída (pino 3). A frequência dessas oscilações é controlável através do potenciômetro de ajuste P1. Como o ciclo ativo do sinal é muitas vezes maior que o ciclo inativo (figura 8), conclui-se que o decodificador ficará "amarrado" por longo período, através da entrada LE, ignorando as informações de entrada e expondo nas suas sete saídas a decodificação do numeral binário presente nas entradas D, C, B e A antes desse comando em nível alto e, assim, a leitura no mostrador permanecerá fixa.
Tão logo o sinal gerado pelo astável passe do nível alto para o nível baixo, e isso ocorre por breve lapso de tempo graças ao reduzido valor resistivo de R10, o decodificador é liberado, podendo interpretar as informações provenientes da década contadora, as quais serão expostas pelo mostrador digital (figura 7).
Momentos depois a saída de C.I.4 comuta e a transição ascendente do sinal é diferenciada pela rede R9-C4, surgindo em ambas entradas reciclagem de C.I.3 um pulso positivo e, portanto, as saídas de ambas décadas são situadas no estado de repouso, dando início a nova contagem a partir de zero; o fato das saídas apresentarem o numeral binário 0000, também correspondente ao dígito decimal zero, em nada influi no decodificador (C.I.5), pois, como dantes, ele agora se encontra inibido pelo estado alto oferecido pelo astável, só ficando habilitado para interpretar as informações de entrada quando a sua entrada LE ("latch enable" — habilitação de engate ou de trinco) se encontra em nível baixo.
E imediato perceber que a quantidade de pulsos contados por C.I.3 também é função do tempo durante o qual a saída, pino 3, do astável se mantém em nível alto (figura 8) e, é claro, da tensão aplicada à entrada do circuito; como esse tempo é ajustável através de P1, conclui-se que esse potenciômetro (do tipo multivoltas) é o responsável pela aferição do "voltímetro eletrônico" como se verá a seguir.
AJUSTE DO APARELHO
Para ajustar o "voltímetro" é necessário dispor de um outro voltímetro, de boa qualidade, previamente calibrado e de um potenciômetro multivoltas de resistência não inferior a 1 k; esses dois elementos são interligados à entrada do circuito, tal qual mostra o croqui da figura 9.
Atuando sobre o cursor desse potenciômetro, faz-se com que o valor apresentado pelo voltímetro, figura 9, seja exatamente 5 volts.
Situando a chave CH1 na posição B, figura 7, e girando o cursor de P1 no sentido de +V, o mostrador indicará um valor certamente diferente do esperado: 5. Então, lentamente, gira-se o cursor de P1, constatando que a leitura do mostrador irá apresentando valores cada vez maiores até que é atingida a marca "5" de forma estável, ou seja, o mostrador não deverá apresentar nem o valor "4" nem o "6" — caso isso ocorra fazer novo ajuste, atuando sobre P1.
Caso o valor "5" permaneça estável no mostrador, é sinal de que o aparelho se encontra aferido, o que pode ser confirmado ao comutar CH1 para a posição "A" (vide figura 7) quando, então, se apreciará o dígito zero, indicando que a leitura é de 5,0 volts — é bem provável a necessidade de ajustes (moderados) adicionais para conseguir isso.
Uma vez aferido, pode-se verificar a linearidade do aparelho, variando a tensão de entrada, monitorada pelo voltímetro (figura 9), que será acusada no mostrador. Note bem: o circuito é excepcionalmente linear para valores de tensão de entrada não superiores a 10 volts, caso +V = 15 volts ou não superiores a 8 volts, se +V = 12 volts.
CONCLUSAO
Aqueles que desejarem alterar o projeto, ou mesmo realizar a montagem definitiva do aparelho, devem recorrer à figura 10, onde estão identificados os terminais de alguns dos semicondutores utilizados. E, para finalmente concluir, volta-se a chamar a atenção para o fato do projeto poder ser melhorado para atender às imposições da aplicação prática a que ele se destina, tal qual a de medidor de combustível em veículos automotores, sendo utilizado o potenciômetro do tanque, associado à boia, para estabelecer a tensão de entrada em uma configuração semelhante à da figura 9.
