Multiplicador de Frequência para Medidas em Áudio (INS305)

Multiplicando por 10 ou por 100 as baixas freqüências de um sinal de áudio é mais fácil executar sua medida num frequencímetro digital. As oscilações de valores que ocorrem pela baixa taxa de leituras em freqüências nos limites inferiores da faixa desaparecem,\facilitando assim sua leitura. O circuito simples que descrevemos tem por base um PLL 4046 CMOS e trabalha na faixa de 1 a 100 Hz tipicamente.

Um dos problemas que ocorre no emprego de um frequencímetro na leitura de frequências muito baixas é que a taxa de leituras por segundo do instrumento coincide com a própria freqüência do sinal, gerando oscilações dos valores apresentados, que se tornam, muitas vezes, desagradáveis.

Uma maneira de se eliminar este problema é diminuir a taxa de leituras, mas isso acarreta o problema de precisão.

Outra forma, mais simples e viável, é a de se multiplicar a própria freqüência do sinal que se deseja medir por um valor inteiro conhecido como, por exemplo, 10 ou 100.

Desta forma, basta deslocar a vírgula decimal de uma ou duas casas na hora da leitura e obter uma indicação precisa da freqüência de entrada.

Usando um PLL 4046 e dois 4017 apresentamos um circuito simples, que pode ser usado em conjunto com qualquer frequencímetro na medida de sinais de áudio ou digitais de muito baixa frequência.

O circuito é alimentado com uma bateria de 9 V (ou fonte, se usado somente na bancada) e opera na faixa de 1 a 100 Hz tipicamente, tanto com sinais senoidais como retangulares de pequena amplitude.

Para sinais muito fracos, será interessante dotar sua entrada de um pré-amplificador.

De modo a facilitar a monitoração de funcionamento, o circuito é dotado de um indicador de captura (LED), que acende quando o circuito entra em ação, multiplicando a freqüência do sinal de entrada.

O CIRCUITO

Já vimos em pormenores, em artigo do site o princípio de funcionamento do 4046 (PLL CMOS), que é a base do circuito.

Para um aprofundamento no princípio de operação deste integrado, sugerimos a leitura daquele artigo.

Na figura 1 temos um diagrama de blocos que representa o 4046.

Figura 1 – Os blocos do 4046

Se, entre a saída do VCO (pino 4) e a entrada do comparador de fase (pino 3), ligarmos um divisor de freqüência, o VCO (Oscilador Controlado por Tensão) interno tenderá sempre a manter sua freqüência igual à do sinal de entrada, multiplicada pelo número de vezes que o divisor divide esta mesma freqüência.

Isso significa que o circuito “atracará” quando a freqüência da saída do divisor for a mesma do sinal de entrada.

Assim, se fizermos a divisão por 10 neste divisor externo, o “atracamento” do circuito só ocorrerá quando a freqüência do VCO for exatamente 10 vezes a freqüência do sinal externo.

É claro que o VCO deve ter componentes externos, no caso o capacitor entre os pinos 6 e 7 e a rede nos pinos 13 e 9, dimensionados de modo a se fixar a sua faixa de operação.

Desta forma, ele só poderá atracar nas freqüências do sinal de entrada que estejam dentro de uma certa faixa.

No nosso caso, fixamos esta faixa entre aproximadamente 1 e 100 Hz, o que resulta em freqüências de saída entre 10 e 1000 Hz na multiplicação por 10 e entre 100 e1000 Hz na multiplicação por100.

Quando o comparador de fase entra em ação, no caso das freqüências dos sinais se igualarem, temos no pino 1 um trem de pulsos que serve para acionar um transistor, o qual, por sua vez, alimenta um LED indicador.

Para que tenhamos a faixa de operação do VCO deslocada de modo a atracar no ponto certo, os pinos 11 e 12, que exigem resistores para a fixação da constante de tempo, são conectados a potenciômetros de ajuste.

Estes potenciômetros permitem, então, que, aplicando-se os sinais na entrada, possamos levar o VCO a oscilar na correta freqüência múltipla com facilidade.

Estes são os únicos ajustes que precisamos fazer neste aparelho.

Na figura 2 temos um gráfico que nos dá a dependência de C1, R1 e R2 em relação à freqüência do VCO.

Figura 2 – Determinação dos componentes

Veja que, se o divisor de freqüências for do tipo programável e aplicarmos na entrada deste circuito um sinal de freqüência fixa, temos a configuração que nos leva aos sintetizadores de freqüência

O circuito pode funcionar com tensões de 5 a 15 V, já que são usados integrados CMOS convencionais, mas optamos, para maior facilidade de montagem, por 9 V.

É claro que pode ser usada uma fonte de tensão fixa, que poderá ser um 7812, cuja capacidade de corrente é mais do que suficiente para a aplicação dada.

Finalmente, lembramos que o sinal obtido na saída não tem a forma de onda original do sinal de entrada, mas consiste em um sinal retangular com amplitude aproximadamente igual à tensão usada na alimentação.

Também observamos que freqüências ainda mais baixas podem ser medidas, com o acréscimo de um terceiro 4017 como divisor.

Neste circuito, os 4017, contadores Johnson de 10 estágios, funcionam simplesmente como divisores por 10 em cascata.

MONTAGEM

Na figura 3 temos o diagrama completo deste aparelho.

Figura 3 – Diagrama completo do aparelho

A placa de circuito impresso é mostrada na figura 4.

Figura 4 – Placa para a montagem

As ligações de entrada e saída dos sinais devem ser de preferência blindadas, já que podemos ter interferências que influiriam na leitura”de sinais muito fracos.

O capacitor C1 deve ser cerâmico de boa qualidade ou de poliéster, enquanto que Q2 é um eletrolítico para 12 V ou mais. C3 que desacopla a fonte pode ser cerâmico ou de poliéster.

Os potenciômetros P1 e P2 podem ser lineares ou Iogarítmicos e todos os resistores são de 1/8 ou 1./4 W com 10°/o de tolerância.

O LED é comum e para o transistor qualquer NPN de uso geral pode ser usado.

A chave multiplicadora de frequência é simplesmente uma chave H, da qual usamos uma seção, ou então uma chave de 1 pólo x 2 posições.

O conjunto poderá ser facilmente alojado numa caixinha plástica.

Para entrada e saída de sinais podemos usar jaques RCA. Um cabo blindado com plugue RCA de um lado e plugue de acordo com a entrada do frequencímetro do outro será interessante, para fazer a conexão dos dois aparelhos.

PROVA E USO

Na figura 5 temos uma maneira simples de testar o aparelho, usando como sinal de referência os 60 Hz da rede de alimentação.

Figura 5 – Teste do aparelho

Ajustamos então os potenciômetros P1 e P2 do multiplicador (S2 estará na posição x10) até que o LED acenda.

Quando isso ocorrer, a freqüência lida no frequencímetro será de 600 Hz.

Para usar, aplicamos o sinal na entrada e ajustamos P1 e P2 até que o LED acenda, numa escala ou outra (x10 ou x100) e depois lemos a freqüência no instrumento, dividindo o valor lido por 10 ou 100, conforme o caso.

Se o LED não atracar, ou o sinal é muito fraco ou então o sina! tem freqüência fora da faixa prevista para ação do multiplicador.

A sensibilidade do comparador de fase (pino 14) é de 330 mV pico-a-pico para uma alimentação de 10 V.

A resistência de entrada neste mesmo pino é de 0,2 MΩ (min.) com alimentação de10 V.