Os osciladores controlados por tensão encontram uma ampla gama de aplicações tanto em instrumentação como em controle. Eles podem ser utilizados, por exemplo, como eficientes conversores de grandezas analógicas em freqüência e com isso transmitidos sem alteração da informação. No entanto, um dos problemas dos projetos de VCOs (Voltage Controlled Oscillators) é a faixa relativamente estreita de freqüências que varrem em função da faixa de tensões de entrada. Naseados no Application Note AN-74 descrevemos um circuito de “faixa ampla” ou “faixa larga” com o conhecido comparador de tensões LM139/239/339.
Um VCO ou Voltage Controlled Oscillator é um circuito que gera um sinal cuja freqüência depende da tensão de entrada. Se considerarmos que a tensão de entrada é um sinal analógico e que a freqüência de saída é um sinal digital (pulsos) podemos dizer que um VCO pode operar como um conversor de dados do tipo analógico-para-digital ou ADC conforme mostra a figura 1.
Uma das aplicações possíveis para tal circuito é a de monitorar sensores remotos, onde a tensão gerada pelos sensores poderia se alterar na linha de transmissão levando a falsas interpretações. Se o sinal for convertido numa freqüência, a freqüência não se altera na linha e pode ser lida com um frequencímetro ou novamente convertida para a forma analógica por um DAC e assim excitar um instrumento indicador, conforme mostra a figura 2.
Funcionamento
O circuito que apresentamos é sugerido pelo AN-74 da National Semiconductor e se baseia no quádruplo comparador de tensões LM139/239/339 que tem a pinagem mostrada na figura 3.
O VCO é mostrado na figura 4.
Nesse circuito, são usados três comparadores num circuito fechado (loop). O primeiro comparador é usado como um integrado, o segundo como um oscilador que gera um sinal triangular e o terceiro como chave acionando um integrador.
Podemos entender melhor o princípio de funcionamento deste circuito assumindo que num instante inicial a saída do comparador esteja no nível alto (Vso = +Vcc). o que leva o segundo comparador ao nível alto também.
O dispositivo de saída do comparador 3 estará desligado (OFF) o que impede a circulação de corrente através de R2 para a terra. Com uma tensão de controle Vc na entrada do comparador 1, uma corrente I1 vai fluir através de R1fazendo com que comece a descarga do capacitor C1 numa taxa linear. A corrente de descarga será dada por:
I1 = Vc/2R1
O tempo de descarga será dado por:
I1 = C1 (ΔV/Δt)
ΔV é a velocidade máxima de variação da tensão de carga em C1, o que vai ser fixado pelos pontos de comutação do comparador 2. Os pontos de excursão podem ser mudados simplesmente alterando-se a relação entre Rf e Rs, modificando-se com isso a histerese do comparador 2.
Com Rf = 100 k Ω e Rs = 5 k Ω, a histerese obtida será de +/- 5% o que resulta em pontos de comutação de Vcc/2 +/- 750 mV a partir de uma fonte de alimentação de 30 V.
À medida que o capacitor descarrega, a tensão de saída do comparador 1 vai diminuir até alcançar o valor do ponto mínimo de excursão, o que força a saída do comparador 2 a ir para o nível baixo (Vso = 0 V).
Isso, por sua vez, faz com que o comparador 3 vá também ao nível baixo já que seu dispositivo de saída estará saturado. Uma corrente I2 pode agora circular através de R2 para a terra. Se o valor de R2 for escolhido como R1/2 a corrente será igual a corrente de descarga do capacitor. Isso significa que a carga do capacitor ocorrerá na mesma taxa que a sua descarga. Isso garante a geração de um sinal com 50% de ciclo ativo independentemente da freqüência ou temperatura.
À medida que o capacitor C1 se carrega, a saída do comparador 1 vai comutar para o ponto de excursão superior do comparador 2 (Vso = Vcc) e um novo ciclo tem início.
O Circuito Prático
O circuito apresentado usa uma fonte de alimentação de 30 V fornecendo um sinal triangular de saída de 1,5 V pico a pico.
Com um capacitor de 500 pF (C1) a faixa de freqüências vai de 670 Hz a 115 kHz quando a tensão de controle varia entre +250 mV e 50 V. Pela redução da histerese do comparador 2 pode-se chegar a uma tensão mínima de controle de 150 mV. Isso é conseguido para R1 = 100 k Ω e R2 = 1 k Ω.
Com a redução do capacitor C2 para 1 nF uma freqüência máxima de 1 MHz pode ser conseguida deste circuito.
Na figura 5 temos uma outra abordagem para se obter mais histerese de um comparador.
Os dois diodos zener são usados para fixar os pontos de excursão do comparador 2. Quando a forma de on da triangular está com sua amplitude menor do que os valores necessários à condução de um dos diodos zener, a rede resistiva formada por R1 e R2 fornece realimentação suficiente para manter o comparador no estado apropriado.
A grande vantagem desta configuração é que os pontos de excursão dos sinais passam a ser independentes de variações da tensão de alimentação. A desvantagem está na dificuldade em se obter diodos zener de baixas tensões.
