Circuito gerador de função usando um único IC 4049

Neste artigo, aprenderemos como construir 3 circuitos geradores de função simples usando um único IC 4049, para gerar ondas quadradas, triangulares e senoidais precisas por meio de operações fáceis de comutação.

Usando apenas um de baixo custo CMOS IC 4049 e um punhado de módulos separados, é fácil criar um gerador de função robusto que fornecerá uma gama de três formas de onda ao redor e além do espectro de áudio.

O objetivo do artigo era criar um gerador de frequência de código aberto básico e econômico que seja fácil de construir e usado por todos os amadores e profissionais de laboratório.

Este objetivo sem dúvida foi alcançado, já que o circuito fornece uma variedade de formas de onda senoidais, quadradas e triangulares e um espectro de frequência de aproximadamente 12 Hz a 70 KHz emprega apenas um único IC do inversor hexadecimal CMOS e alguns elementos separados.

Sem dúvida, a arquitetura pode não oferecer a eficiência de circuitos mais avançados, especialmente em termos de consistência da forma de onda em frequências aumentadas, mas, no entanto, é um instrumento incrivelmente útil para análise de áudio.

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Diagrama de bloco

Os princípios de operação do circuito do diagrama de blocos mostrado acima. A seção principal do gerador de função é um gerador de triângulo / onda quadrada que consiste em um integrador e um gatilho Schmit.

Uma vez que a saída do gatilho Schmitt é alta, a tensão de retorno da saída Schmitt para a entrada do Integrador permite que a saída do Integrador suba para negativa antes de exceder o nível de saída inferior do gatilho Schmitt.

Neste estágio, a saída do gatilho Schmitt é lenta, então a pequena tensão realimentada para a entrada do integrador permite que ele aumente positivamente antes que o nível superior do gatilho Schmitt seja alcançado.

A saída do gatilho Schmitt fica alta novamente, e a saída do integrador atinge picos negativos novamente e assim por diante.

As varreduras positivas e negativas da saída do integrador representam uma forma de onda triangular cuja amplitude é calculada pela histerese do gatilho Schmitt (ou seja, a diferença entre os limites de gatilho alto e baixo).

A produção do gatilho Schmitt é, naturalmente, uma onda quadrada composta de estados alternados de saída alta e baixa.

A saída do triângulo é fornecida a um formador de diodo por meio de um amplificador de buffer, que arredonda os altos e baixos do triângulo para criar uma aproximação de um sinal de onda senoidal.

Então, cada uma das 3 formas de onda pode ser escolhida por uma chave seletora de 3 vias S2 e fornecida a um amplificador de buffer de saída.

Como funciona o circuito

O diagrama completo do circuito do gerador de função CMOS, conforme mostrado na figura acima. O integrador é inteiramente construído usando um inversor CMOS, Nl, enquanto o mecanismo Schmitt incorpora 2 inversores de feedback positivo. É N2 e N3.

A imagem a seguir mostra os detalhes da pinagem do IC 4049 para aplicação no esquema acima

O circuito funciona desta forma considerando, por enquanto, que o limpador P2 está em sua localização mais baixa, com a saída de N3 sendo alta, uma corrente equivalente a:

Ub - U1 / P1 + R1

viaja via R1 e p1, onde Ub indica a tensão de alimentação e Ut a tensão limite N1.

Como essa corrente é incapaz de se mover para a entrada de alta impedância do inversor, ela começa a viajar para C1 / C2 dependendo de qual capacitor é alternado em linha pela chave S1.

A queda de tensão em C1 diminui, portanto, linearmente, de modo que a tensão de saída de N1 aumenta linearmente antes que a tensão de limite inferior do gatilho Schmitt seja aproximada, assim que a saída do gatilho Schmitt torna-se baixa.

Agora, um equivalente atual a -Saída / P1 + R1 flui através de R1 e P1.

Essa corrente sempre flui através de C1, de modo que a tensão de saída de N1 aumenta exponencialmente até que a tensão limite máxima do gatilho Schmitt seja atingida, a saída do gatilho Schmitt aumenta e todo o ciclo começa novamente.

Para manter a simetria da onda do triângulo (ou seja, a mesma inclinação para as partes positiva e negativa da forma de onda), a carga do condensador e as correntes de descarga devem ser idênticas, o que significa Uj, -Ui deve ser idêntico a Ut.

No entanto, infelizmente, Ut sendo decidido pelos parâmetros do inversor CMOS, é normalmente 55%! A tensão da fonte Ub = Ut é de aproximadamente 2,7 V com 6 V e Ut aproximadamente em 3,3 V.

Este desafio é superado com P2 que requer modificação da simetria. Por enquanto, considere que R- está relacionado à linha de suprimento positiva (posição A).

Independentemente da configuração de P2, a alta tensão de saída do gatilho Schmitt sempre permanece 11.

No entanto, quando a saída de N3 é baixa, R4 e P2 estabelecem um divisor de potencial de modo que, com base na configuração do limpador de P2, uma tensão entre 0 V a 3 V possa retornar para P1.

Isso garante que a tensão não seja mais -Ut e sim Up2-Ut. No caso de a tensão do controle deslizante P2 ser em torno de 0,6 V, então Up2-Ut deve estar em torno de -2,7 V, portanto, as correntes de carga e descarga seriam idênticas.

Obviamente, devido à tolerância no valor de Ut, o ajuste de P2 deve ser realizado para corresponder ao gerador de função específica.

Em situações nas quais Ut é inferior a 50% da tensão de entrada, conectar a parte superior de R4 ao aterramento (posição B) pode ser apropriado.

Algumas escalas de frequência podem ser encontradas, que serão atribuídas usando S1 12 Hz-1 kHz e 1 kHz para aproximadamente 70 kHz.

O controle de frequência granular é dado por P1 que muda a corrente de carga e descarga de C1 ou C2 e, portanto, a frequência pela qual o integrador aumenta e diminui.

A saída de onda quadrada do N3 é enviada para um amplificador de buffer por meio de uma chave seletora de forma de onda, S2, que compreende um par de inversores polarizados como um amplificador linear (conectado em paralelo para melhorar sua eficiência de corrente de saída).

A saída de onda triangular é fornecida através de um amplificador buffer N4 e daí pela chave seletora para a saída do amplificador buffer.

Além disso, a saída do triângulo de N4 é adicionada ao formador de seno, consistindo em R9, R11, C3, Dl e D2.

D1 e D2 puxam pouca corrente até cerca de +/- 0,5 volts, mas suas diversas quedas de resistência além dessa tensão e limitam logaritmicamente os altos e baixos do pulso de triângulo para criar um equivalente a uma onda senoidal.

A saída senoidal é transmitida para o amplificador de saída via C5 e R10.

P4, que varia o ganho de N4 e, portanto, a amplitude do pulso do triângulo fornecido ao formador de seno, altera a transparência do seio.

Um nível de sinal muito baixo e a amplitude do triângulo estaria abaixo da tensão de limiar do diodo, e ele prosseguirá sem alteração, e um nível de sinal muito alto, os altos e baixos seriam fortemente cortados, fornecendo, portanto, não bem onda senoidal formada.

Os resistores de entrada do amplificador de buffer de saída são escolhidos de forma que todas as três formas de onda tenham um pico nominal para tensão de saída mínima de cerca de 1,2 V. O nível de saída pode ser alterado por meio de P3.

Procedimento de Configuração

O método de ajuste consiste simplesmente em alterar a simetria do triângulo e a pureza da onda senoidal.

Além disso, a simetria do triângulo é idealmente otimizada examinando a entrada da onda quadrada, uma vez que um triângulo simétrico é produzido se o ciclo de trabalho da onda quadrada for 50% (espaço de marcação 1-1).

Para fazer isso, você terá que ajustar a predefinição P2.

Em uma situação onde a simetria aumenta à medida que o limpador P2 é movido para baixo em direção à saída N3, mas a simetria correta não pode ser alcançada, a parte superior de R4 deve ser unida na posição alternativa.

A pureza da onda senoidal é alterada ajustando P4 até que a forma de onda 'pareça perfeita' ou variando para distorção mínima apenas se houver um medidor de distorção para verificar.

Como a tensão de alimentação afeta a tensão de saída das diferentes formas de onda e, portanto, a pureza do seno, o circuito deve ser alimentado por uma fonte robusta de 6 V.

Quando as baterias são usadas como baterias de fonte de alimentação, elas nunca devem ser forçadas a funcionar muito para baixo.

Os ICs CMOS usados ​​como circuitos lineares drenam corrente mais alta do que no modo de chaveamento normal e, portanto, a tensão de alimentação não deve exceder 6 V, ou o IC pode esquentar devido à dissipação térmica pesada.

Outra ótima maneira de construir um circuito gerador de função pode ser através do IC 8038, conforme explicado abaixo

Circuito gerador de função usando IC 8038

O IC 8038 é um gerador de forma de onda de precisão especialmente projetado para criar formas de onda de saída senoidal, quadrada e triangular, incorporando o menor número de componentes eletrônicos e manipulações.

Sua faixa de frequência de trabalho pode ser determinada através de 8 passos de frequência, começando de 0,001 Hz a 300 kHz, através da seleção apropriada dos elementos R-C anexados.

A frequência oscilatória é extremamente estável, independentemente da temperatura ou das flutuações da tensão de alimentação em uma ampla faixa.

Além disso, o gerador de função IC 8038 oferece uma faixa de frequência de trabalho de até 1MHz. Todas as três saídas de forma de onda fundamentais, senoidal, triangular e quadrada, podem ser acessadas ao mesmo tempo por meio de portas de saída individuais do circuito.

A faixa de frequência do 8038 pode ser variada por meio de uma alimentação de tensão externa, embora a resposta possa não ser muito linear. O gerador de função proposto também fornece simetria de triângulo ajustável e nível de distorção de onda senoidal ajustável.

Gerador de funções usando IC 741

Este circuito gerador de função baseado em IC 741 oferece maior versatilidade de teste em comparação com o gerador de sinal de onda senoidal típico, fornecendo ondas quadradas e triangulares de 1 kHz, e é de baixo custo e muito simples de construir. Ao que parece, a saída é de aproximadamente 3 V ptp em onda quadrada e 2 V r.m.s. na onda senoidal. Um atenuador comutado pode ser incluído rapidamente se você quiser ser mais gentil com o circuito que está sendo testado.

Como montar

Comece a colocar as peças no PCB conforme exibido no diagrama de layout do componente e certifique-se de inserir a polaridade do zener, eletrolíticos e ICs corretamente.

Como configurar

Para configurar o circuito gerador de função simples, apenas ajuste RV1 até que a forma de onda senoidal esteja ligeiramente abaixo do nível de corte. Isso fornece a onda senoidal mais eficaz por meio do oscilador. O quadrado e o triângulo não requerem ajustes ou configurações específicas.

Como funciona

1. Neste circuito gerador de função IC 741, o IC1 é configurado na forma de um oscilador de ponte de Wien, operando na frequência de 1 kHz.
2. O controle de amplitude é fornecido pelos diodos D1 e D2. A saída deste IC é direcionada para o soquete de saída ou para o circuito de quadratura.
3. Este é conectado a SW1a por meio de C4 e é um gatilho Schmidt (Q1 -Q2). O zener ZD1 funciona como um gatilho 'livre de histerese'.
4. O integrador IC2, C5 e R10 gera a onda triangular a partir da onda quadrada de entrada.

Gerador de função UJT simples

O oscilador unijunction mostrado abaixo, está entre os geradores dente de serra mais fáceis. As duas saídas deste fornecem, a saber, uma forma de onda dente de serra e uma sequência de pulsos de disparo. A onda aumenta de cerca de 2V (o ponto do vale, Vv) até o pico máximo (Vp). O ponto de pico depende da fonte de alimentação Vs e da relação BJT de afastamento, que pode variar de cerca de 0,56 a 0,75, com 0,6 sendo um valor comum. O período de uma oscilação é aproximadamente:

t = - RC x 1n [(1 - η) / (1 - Vv / Vs)]

onde '1n' indica o uso de logaritmo natural. Considerando os valores padrão, Vs = 6, Vv = 2 e a = 0,6, a equação acima simplifica para:

t = RC x 1n (0,6)

Como a carga do capacitor é incremental, a inclinação crescente do dente de serra não é linear. Para muitos aplicativos de áudio, isso pouco importa. A Figura (b) demonstra o capacitor de carga por meio de um circuito de corrente constante. Isso permite que o declive vá direto para cima.

A taxa de carga do capacitor agora é constante, independente de Vs, embora Vs ainda influencie o ponto de pico. Como a corrente depende do ganho do transistor, não existe uma fórmula simples para medição de frequência. Este circuito é projetado para trabalhar com baixas frequências, e possui implementações como gerador de rampa.

Usando amplificadores operacionais LF353

Dois amplificadores operacionais são usados ​​para construir uma onda quadrada precisa e um circuito gerador de onda triangular. O conjunto LF353 inclui dois amplificadores operacionais JFET que são mais adequados para esta aplicação.

As frequências do sinal de saída são calculadas pela fórmula f = 1 / RC . O circuito mostra uma faixa operacional extremamente ampla com quase nenhuma distorção.

R pode ter qualquer valor entre 330 Ohm e cerca de 4,7 M C pode ter qualquer valor de cerca de 220pF a 2uF.

Assim como o conceito acima, dois amplificadores operacionais são usados ​​no próximo onda senoidal uma onda cossenoidal circuito gerador de função.

Eles geram sinais de onda senoidal de frequência quase idêntica, mas 90 ° fora de fase e, portanto, a saída do segundo amplificador operacional é chamada de onda cosseno.

A frequência é afetada pela coleção de valores R e C aceitáveis. R está na faixa de 220k a 10 M C está entre 39pF e 22nF. A conexão entre R, C e / ou é um pouco complexa, pois deve refletir os valores de outros resistores e capacitores.

Use R = 220k e C = 18nF como um ponto inicial que fornece uma frequência de 250Hz. Os diodos Zener podem ser diodos de saída de baixa potência de 3,9 V ou 4,7 V.

Gerador de função usando TTL IC

Um par de portas de um Portão NAND 7400 quad de duas entradas constitui o circuito oscilador real para este circuito gerador de função TTL. O cristal e um capacitor ajustável funcionam como o sistema de feedback na entrada da porta U1-a e na saída da porta U1-b. A porta U1-c funciona como um buffer entre o estágio do oscilador e o estágio de saída, U1-d.

A chave S1 atua como um controle de porta comutável manualmente para alternar a saída de onda quadrada de U1-d no pino 11 LIGADO / DESLIGADO. Com S1 aberto, conforme indicado, a onda quadrada é gerada na saída e, uma vez fechada, a forma de onda equare é desligada.

A chave pode ser substituída por uma porta lógica para comandar digitalmente a saída. Uma onda senoidal pico a pico de 6 a 8 volts quase ideal é criada no ponto de conexão de C1 e XTAL1.

A impedância nesta junção é muito alta e não é possível fornecer um sinal de saída direto. O transistor Q1, configurado como um amplificador seguidor de emissor, fornece uma alta impedância de entrada para o sinal de onda senoidal e uma baixa impedância de saída para uma carga externa.

O circuito acionará quase todos os tipos de cristais e funcionará com frequências de cristal de abaixo de 1 MHz a acima de 10 MHz.

Como configurar

A configuração deste circuito gerador de função TTL simples pode ser iniciada rapidamente com os seguintes pontos.

Se houver um osciloscópio disponível com você, conecte-o à saída de onda quadrada de U1-d no pino 11 e posicione C1 no centro da faixa que fornece a forma de onda de saída mais eficaz.

Em seguida, observe a saída da onda senoidal e ajuste C2 para obter a forma de onda mais bonita. Retorne ao botão de controle C1 e ajuste-o um pouco para frente e para trás até que a saída de onda senoidal mais saudável seja alcançada na tela do osciloscópio.

Lista de Peças

RESISTORES
(Todos os resistores são -watt, 5% unidades.)
RI, R2 = 560 ohm
R3 = 100k
R4 = 1k

Semicondutores
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 transistor de silício NPN

Capacitores
C1, C2 = 50 pF, capacitor trimmer
C3, C4 = 0,1 uF, capacitor de disco de cerâmica

Diversos
S1 = interruptor de alternância SPST
XTAL1 = Qualquer Cristal (ver texto)

Circuito de forma de onda senoidal melhor controlado por cristal

O seguinte gerador de forma de onda é um circuito oscilador de cristal de dois transistores que tem um desempenho excelente, é barato de construir e não requer bobinas ou choques. O preço depende principalmente do cristal usado, já que o custo total dos outros elementos deve ser de apenas alguns dólares. O transistor Q1 e as várias partes adjacentes formam o circuito do oscilador.

O caminho de aterramento para o cristal é direcionado por meio de C6, R7 e C4. Na junção C6 e R7, que é uma posição de impedância bem pequena, a RF é aplicada a um amplificador seguidor de emissor, Q2.

A forma de onda na junção C6 / R7 é realmente uma onda senoidal quase perfeita. A saída, no emissor de Q2, varia em amplitude de cerca de 2 a 6 volts pico a pico, com base no fator Q dos valores de cristal e dos capacitores C1 e C2.

Os valores C1 e C2 decidem a faixa de frequência do circuito. Para frequências de cristal abaixo de 1 MHz, C1 e C2 devem ser 2700 pF (0,0027 p, F). Para frequências entre 1 MHz e 5 MHz, podem ser condensadores de 680 pF e para 5 MHz e 20 MHz. você pode aplicar capacitores de 200 pF.

Você poderia tentar testar com os valores desses capacitores para obter a saída de onda senoidal mais bonita. Além disso, o ajuste do capacitor C6 pode afetar os dois níveis de saída e a forma geral da forma de onda.

Lista de Peças

RESISTORES
(Todos os resistores são -watt, 5% unidades.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ohm
R8-100k
CAPACITORES
C1, C2 - Ver texto
C3, C5-0.1-p.F, disco de cerâmica
C6-10 pF a 100 pF, aparador
SEMICONDUTORES
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 - Ver texto

Circuito gerador de dente de serra

No circuito do gerador em dente de serra, as peças Q1, D1-D3, R1, R2 e R7 são configuradas como um circuito gerador de corrente constante simples que carrega o capacitor C1 com uma corrente constante. Esta corrente de carga constante cria uma tensão linear crescente em C1.

Os transistores Q2 e Q3 são montados como um par Darlington para empurrar a tensão através de C1, para a saída sem carga ou efeitos de distorção.

Assim que a tensão em torno de C1 aumenta para cerca de 70% da tensão de alimentação, a porta U1-a é ativada, disparando a saída U1-b para aumentar e ligar brevemente Q4, que continua LIGADO enquanto o capacitor C1 descarrega.

Isso termina um único ciclo e inicia o próximo. A frequência de saída do circuito é governada por R7, que fornece uma frequência inferior de aproximadamente 30 Hz e uma frequência superior de cerca de 3,3 kHz.

A faixa de frequência pode ser aumentada diminuindo o valor de C1 e diminuída aumentando o valor de C1. Para preservar a corrente de descarga de pico do quarto trimestre sob controle. C1 não deve ser maior que 0,27 uF.

Lista de Peças

Circuito gerador de função usando um par de IC 4011

A base deste circuito é, na verdade, um oscilador de ponte de Wien, que oferece uma saída de onda senoidal. As formas de onda quadradas e triangulares são subsequentemente extraídas disso.

O oscilador em ponte de Wien é construído usando portas CMOS NAND N1 a N4, enquanto a estabilização de amplitude é fornecida pelo transistor T1 e diodos D1 e D2.

Esses diodos, possivelmente, devem ser combinados com um conjunto de dois, para menor distorção. O potenciômetro de ajuste de frequência P1 também deve ser um potenciômetro estéreo de alta qualidade com faixas de resistência interna emparelhadas dentro de uma tolerância de 5%.

O R3 predefinido oferece facilidade de ajuste para o mínimo de distorção e, no caso de peças combinadas serem empregadas para D1, D2 e ​​P1, a distorção harmônica geral pode ser inferior a 0,5%.

A saída do oscilador ponte de Wien é aplicada à entrada do N5, que é polarizada em sua região linear e funciona como um amplificador. As portas NAND N5 e N6 coletivamente aprimoram e cortam a saída do oscilador para gerar uma forma de onda quadrada.

O ciclo de trabalho da forma de onda é relativamente influenciado pelos potenciais de limiar de N5 e N6, no entanto, está próximo de 50%.

A saída da porta N6 é fornecida em um integrador construído usando as portas NAND N7 e N8, que se harmoniza com a onda quadrada para fornecer uma forma de onda triangular.

A amplitude da forma de onda triangular é, com certeza, dependente da frequência, e como o integrador simplesmente não é muito preciso, a linearidade também se desvia em relação à frequência.

Na realidade, a variação de amplitude é bastante trivial, considerando que o gerador de função frequentemente será usado junto com um milivoltímetro ou um osciloscópio e a saída pode ser facilmente verificada.

Circuito gerador de função usando LM3900 Norton Op Amp

Um gerador de funções extremamente prático que irá reduzir o hardware e também o preço pode ser construído com um único amplificador quad Norton IC LM3900.

Se o resistor R1 e o capacitor C1 forem removidos deste circuito, a configuração resultante será a comum para um gerador de onda quadrada com amplificador Norton, com a corrente de temporização entrando no capacitor C2. A inclusão de um capacitor C1 de integração ao gerador de onda quadrada cria uma onda senoidal realisticamente precisa na saída.

O resistor R1, que facilita a complementação das constantes de tempo do circuito, permite ajustar a onda senoidal de saída para menor distorção. Um circuito idêntico permite que você coloque uma saída de onda senoidal na conexão padrão para um gerador de onda quadrada / triangular projetado com dois amplificadores Norton.

Conforme demonstrado na imagem, a saída triangular funciona como a entrada para o amplificador em forma de seno.

Para os valores das peças fornecidos neste artigo, a frequência de funcionamento do circuito é de aproximadamente 700 hertz. O resistor R1 pode ser usado para ajustar a distorção de onda senoidal mais baixa e o resistor R2 pode ser usado para ajustar a simetria das ondas quadradas e triangulares.

O quarto amplificador no pacote Norton quad pode ser conectado como um buffer de saída para todas as 3 formas de onda de saída.