GERADORES E CONVERSORES DE SINAIS

GERADORES E CONVERSORES DE SINAIS

• Introdução

• Geradores de Formas de Onda

• Osciladores Controlados por Tensão

• Conversores Digital-Analógicos

• Conversores Analógicos-Digitais

• Erros dos conversores

Introdução

• Há um aumento da necessidade de se gerar sinais com formas padronizadas. • A utilização desses sinais se encontram nos:

– Computadores, Sistemas de controle(onde pulsos de relógio são necessários para a temporização).

– Sistemas de comunicação (sinais são usados como portadoras de informações). – Geradores de Funções (onde estes aparelhos geraram sinais senoidais,

triangulares, quadrados).

• Apresentaremos algumas formas de se obter diferentes funções, usando amplificadores operacionais e circuitos integrados geradores de funções.

Visão Geral

• Circuitos que geram ondas com forma quadrada, triangular, pulso, etc., são chamados osciladores não-lineares.

• Os osciladores são os circuitos básicos que formam os Geradores.

• Oscilador designa-se toda a fonte de sinal que fornece sinais periódicos.

• Designa-se gerador a todo o instrumento capaz de produzir diferentes tipos de forma de sinais, incluindo a sinusoidal, para além de permitir a modulação em amplitude ou em frequência, do sinal de saída.

▲ Gerador de funções é um aparelho eletrônico utilizado para gerar sinais elétricos.

▲ Um gerador de sinais permite :

- Gerar formas de onda: Triangular, senoidal, quadradas, rampa, pulso etc...

▲ Um gerador de sinais permite :

- Ajustar a frequência e amplitude do sinal gerado; - Ajustar a largura do pulso;

Osciladores de Relaxação: Depende da carga e descarga de capacitores

Multivibradores astáveis (Não lineares).

Osciladores Senoidais: Também chamados de Harmônicos (Lineares)

Os osciladores senoidais podem ser subdivididos em:

1- Osciladores baixa freqüência: podem gerar sinais senoidais até 1MHz - São geralmente formados por ampop, capacitores e resistores.

- Ex.: Deslocamento de fase e Ponte de Wien 2- Osciladores alta freqüência: Acima de 1MHz

- Geralmente utilizam circuitos tanque na malha de realimentação - Ex.: Hartley, Colpitts, Clapp, Armstrong, Franklin

Tipos de osciladores:

Osciladores s Cristal: São osciladores harmônicos que utilizam cristais para

gerar os sinais. São de alta precisão (Q > 10.000)

Osciladores de Relaxação

Realimentação positiva – Geradores de onda quadrada

1 1 2 R B R R   3 1 `1 B T 2R C ln 1 B     _{ }   

Princípios Básicos de Osciladores Senoidais

Sistema realimentado com realimentação levemente positiva

Amplificador Realimentado

   





arg a s .f s   0 2 n

Nesta situação, um sinal presente na saída, depois de passar pelo laço de realimentação e a etapa amplificadora, tenderia exatamente ao mesmo valor , quer dizer, o sistema se manteria.

O sistema é capaz de manter um sinal cuja freqüência seja tal que se verifica a equação acima.

A condição expressada acima se conhece como o Critério de

Barkhausen. Observe que este critério estabelece duas condições:

A função de transferência deste circuito é o seguinte:

Na ausência do sinal de entrada (Vi = 0), que é o caso dos osciladores, a condição para que a saída possa manter-se é:

QUATRO FORMAS DE ANALISAR OS OSCILADORES

1- Equação característica (Sedra)

Real + j Imaginário = 0 Real = 0

Imaginário = 0

2- Abrindo o circuito realimentado e levantando a função de transferência.

3- Ressonância – A reatância capacitiva se anula com a reatância indutiva

permanecendo apenas a parte resistiva.

OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE



 







3 2 1 6 . 180 . 0 5 1 o RC RC a F arc tg RC     _         _{ }        

Tem que ser 180 graus



 

3



1 6 0 RC RC    

 

 



 

2



3 Vo 1 s F s 6 5 1 Vi 1 sCR _{sCR sCR}     

 







 



o i 2 3 V 1 F j V _{5 1 6} 1 j RC RC RC               _  _

Freqüência de oscilação ₀ 1

6RC  

Para a freqüência de oscilação F 1 29  a 29

-A Ponte de Wien é utilizada para efetuar medições de resistores ou capacitores desconhecidos.

-Para se medir com a ponte deve calibrar através de R1 ou RF até que a tensão vd seja zero. Se os valores de todos os componentes são conhecidos exceto um, pode-se determinar o valor deste a partir da relação:

-Se um amplificador operacional é inserido em vd a ponte se transforma no OSCILADOR PONTE DE WIEN . Onde R2 = R3 = R e C1 = C2 = C. formam a rede de realimentação e R1 com RF e A formam uma amplifi- cador não inversor.

-Rede de Avanço - Atraso (Lead – Lag):

-Função de transferência da rede de Avanço – Atraso:

-Função de transferência do Amp não Inversor:

-Para um oscilador Fazendo-se s = jω:

-Fazendo a parte real igual a zero: -Freqüência de oscilação -Igualando a parte imaginária a zero para a freqüência de oscilação:

Oscilador em ponte de Wien

Osciladores RC Activos





2 0 0 2 3 0 s   A s















2 0 2 0 2 0 2 , 1 2 2 3 2 3



_ 



_

_

  A A s _{x x} A=3 A=1 A=0 A=0

Lugar geométrico dos pólos quando A varia

Para 1<A<5 os pólos são complexos e situam-se sobre uma circunferência de raio ₀

Para A=3 os pólos são imaginários puros e situam-se sobre o eixo imaginário

Para A>3 os pólos passam para adireita do eixo imaginário

O circuito é dimensinado para A aproximadamente igual a 3 mas um pouco maior para que as

oscilações se iniciem

 

1 1 1 3 2 0     R R j A   2 / ₁ 2 R  R R₂ /R₁ 2

OSCILADOR CLAPP _{OSCILADOR FRANKLIN}

OSCILADOR HARTLEY

OSCILADOR ARMSTRONG

Onde a freqüência de oscilação é:

Bloco de Realimentaçao 1 2 L gm.Rc L 

OSCILADOR COLPITTS

- Estrutura para análise AC.

- Considerar resistência de entrada do transistor infinita.

- R – representa a resistência de caga e o efeito parasita do indutor.

-Freqüência de operação suficientemente baixa (desprezar capacitâncias parasitas do transistor).



2



2 Vc   V 1 s LC







2



2 1 1 2 sC V gmV sC 1 s C L V 0 R        





2 3 2 1 2 1 2

LC

1

j

LC C

j

C

C

gm

0

R

R



 

 











1ª. Forma – Análise pela equação característica.

Da análise nodal: substituindo s por j: 2 1 2 o 1 2

C

C

LC C



   

_o eq

1

LC

 

1 2 eq 1 2 C C C C C   o

  

2 2 LC 1 gm 0 R R      2 1 C gmR C 

igualando a parte imaginária a zero:









o 2 2 1 1 2 V gmR V s C L 1 sC R sR C C 1       





3 1 2 1 2 o 1 o o 2 2 R C C C C LR V / V 180 tg 360 1 C L           _{ }      

2ª. Forma – Abertura da estrutura..

substituindo s por j:

Tem que ser 180 graus





3 1 2 1 2

R C

C

C C LR

0





 



2



1 2



1 2

C

C

C C L



 

o eq

1

LC

 

O numerador deve ser igual a zero:





o 2 2 2 1 2 1 2 V gmR V 1 C L j R C C C C L        _    _

Aplicando o critério de fase:

o o 1 2 2 1 2 V gmR 1 C C V C L 1 C C L   _   _ 2 1 C gmR C 

Outras estruturas do oscilador COLPITTS

Circuito completo de um oscilador

de Colpitts

Rede de realimentação

-Um oscilador em quadratura gera dois sinais defasados de 90º (um seno e um cosseno). -O circuito é composto de um integrador inversor e um não inversor.

-O Amplificador A2 funciona como integrador inversor e proporciona defasagem de -270º (+90º).

-O Amplificador A1 juntamente com a rede de realimentação funciona como integrador não inversor com defasagem de -90º (+270º).

-Ganho Af = A1.A2 será:

OSCILADOR EM QUADRATURA

-Este oscilador utiliza o LTC1059 (filtro universal a capacitor chaveado) juntamente com o LTC6990 (oscilador controlado por tensão.

Oscilador Trifásico

-O oscilador Trifágico gera três tensões senoidais defasadas de 120º .

-O circuito é composto de três integradores com perdas interligados em cascata e com realimentação unitária.

-A equação característica é:

-Substituindo s por jω e igualando a parte imaginária a zero:

-Nesta situação pode-se determinar a função de transferência de cada integrador na freqüência de oscilação:

-Se a tensão Va é escolhida como referência:

-Para fo = 60Hz e supondo C = 0,1μF: o 1 3 o G( j ) 180 tg 240 120 1        _{ }     

-Oscilador por deslocamento de fase.

-Leva vantagem de utilizar CI´s de 4 ampops. Quatro blocos RC requerem desvios

de fase de 45º, isto provoca um excelente dΦ/dt resultando em mínimo desvio de freqüência. -Utilizando saídas de seções alternadas leva a saídas em quadratura de baixa impedância.

montados em cascata, em que a saída do último inversor é realimentada para a entrada do primeiro. A figura seguinte representa um oscilador em anel com N =3.

Oscilador senoidal em Anel - Trifásico

120º

120º

120º

-Modo corrente

Tipos de Cristais

Sais de Rochelle: têm a maior atividade piezelétrica; para uma dada

tensão ca, eles vibram mais do que o quartzo e a turmalina.

Mecanicamente, são os mais fracos, se quebrando facilmente. Tais sais tem sido usados para fazer microfones, toca-discos, cabeçotes e alto-falantes. Tartarato de sódio e potácio tetrahidratado,

Turmalina: mostra a menor atividade piezelétrica, mas é o mais forte dos

três. É também o mais caro. Ocasionalmente é usado em freqüências muito altas.

Quartzo: constitui-se num compromisso entre a atividade piezelétrica dos

sais de Rochelle e a rigidez da turmalina. Por ele ser barato e facilmente encontrado na natureza, o quartzo é amplamente usado em filtros e

osciladores de RF.

Efeito Piezelétrico

Se conseguirmos cortar o cristal de forma que reste apenas uma pequena placa, orientada perpendicularmente ao eixo X. Ao aplicarmos uma força nessa placa (paralela ao eixo Y) teremos como conseqüência o surgimento de cargas elétricas em ambas as faces, mas de polaridades opostas.Se aplicarmos uma força em sentido inverso ao anterior (tração), ocorre a inversão da polaridade destas cargas.

Analogamente ao aplicarmos entre as faces opostas da placa uma tensão, ocasionará a deformação mecânica da mesma.

Z

Y

Símbolo Circuito Circuito equivalente Reatância do cristal em Equivalente simplificado função da freqüência

-Cristais de quartzo – Alto fator de qualidade “Q” (na faixa de 10000).

-Cp Representa a capacitância eletrostática entre as placas paralelas do cristal. -L tem um valor grande (na faixa de 100H).

-Onde ωo é a freqüência de ressonância do cristal. -

Relação entre frequência, espessura e largura

A freqüência de oscilação fundamental de um cristal depende da largura, da espessura e do tipo de corte do cristal. Quanto mais delgado for o cristal, mais elevada será a frequência de oscilação.

A frequência fundamental de oscilação é dada por:

A fórmula anterior se refere à vibração com relação a espessura, porém podemos calcular a freqüência de oscilação com relação a largura, para isso basta substituir na fórmula dada, a espessura (T) do cristal pela largura (W) do mesmo. De tal modo que temos:

XO = Oscilador a cristal

VCXO = Oscilador a cristal com tensão controlada

TCXO = Oscilador a cristal com temperatura controlada

OCXO = Oscilador a cristal com aquecimento controlado TCVCXO= Oscilador a cristal com temperatura compensada e

tensão controlada

OCVCXO= Oscilador a cristal com tensão e aquecimento controlado MCXO = Oscilador a cristal compensado para microcomputador

RbXO = Oscilador a cristal de Rubidium

-Como Q é elevado Rs pode ser desprezado, assim a impedância vista nos terminais do cristal é:

-Substituindo s por jω:

-Substituímos o indutor do oscilador Colpitts pelo cristal

Oscilador Hartley a Cristal

Neste oscilador um indutor é substituído pelo cristal e o outro por um circuito Sintonizado (tanque LC) funcionando na região indutiva.

O circuito tanque cumpre duas funções: 1. Fornecer uma reatância indutiva na

freqüência do cristal

1. Filtrar as componentes harmônicas devido a saturação do FET.

Oscilador Pierce

-É um oscilador do tipo Colpitts onde o indutor foi substituído por um cristal.

A freqüência de oscilação deverá ser tal que a reatância do cristal seja:

- Isto ocorre na banda de freqüência em que o cristal é indutivo. Como a freqüência será determinada pelo cristal, como se observa na Fig.

Como exemplo:

- A freqüência de oscilação está mais próxima de

- Depois de fixado os valores dos capacitores a freqüência estabiliza e tem erros muito pequenos (menores que 0,3%

Alguns Cristais Comerciais

Código da Ordem

Código de

Manufatura

Descrição

101310 IQXO-36C-4.9152MHZ 4.915200MHZ

101357 FPXO-013772 24.576000MHZ 101436 X124K 8.192000MHZ 103868 A103A 0.032768MHZ 103915 X19M660800L307 19.660800MHZ 170679 SPG8640CN PROGRAMÁVEL 221521 SG531PH50MHZ 50.000000MHZ 3002809 DO2500A 25.000000MHZ

- Pode oscilar na fundamental ou na 3rd ou na 5th ou na 7th ... - Utiliza os sobretons de ordem impar.

de geradores de função:

• ICL8038 (Intersil)

• XR2206 (Exar)

• MAX038 (Maxim)

• NE566 (National)

Pinagem:

ICL8038

-Gera ondas do tipo senoidal, triangular, quadrada, dente de serra e pulso. -Tem uma exatidão elevada e necessita o mínimo de componentes externos. -A freqüência pode ser escolhida externamente de 0,001Hz a mais de 300kHz. -Modulação em freqüência e Sweeping podem ser implementadas.

Circuito Integrado ICL8038

FORMAS DE ONDAS: Senoidais, Quadradas e Triangular

- Inicialmente o capacitor se carrega com I e se descarrega através de 2I.

- O nível destas correntes pode ser controlado separadamente o que muda a razão cíclica.

2.Vcc/3

Possíveis conexões para os resistores externos de temporização.

-Melhores resultados são obtidos mantendo RA e RB separados. RA controla o tempo de subida da onda triangular.

- A amplitude da onda triangular é fixada em Vcc/3 - O tempo de subida (t1) é dado por:

Circuito Integrado XR-2206

FORMAS DE ONDAS – Senoidal – Quadrada – Rampa – Pulso FREQUÊNCIAS 0,01Hz até 1MHz

- Utiliza um oscilador controlado por Corrente; - Tem etapas Darlington em sua estrutura;

- Frequência de oscilação é inversamente proporcional ao valor do capacitor;

- Permite operação em alta frequência; VANTAGENS

Controde da frequência; Operação em alta

frequência;

Entrada para modulação FSK Sinal de entrada para modulação em amplitude

Entrada de ajuste das formas de onda

Entrada de ajuste de simetria

Saída Sync open collector

Saída Triangular

XR2206

Circuito Integrado MAX038

FORMAS DE ONDAS: - Senoidal - Triangular - Dente-de-Serra - Quadrada FREQUÊNCIA: Entre 1Hz até 20MHz PRINCIPAIS APLICAÇÕES: - Moduladores de frequência; - Geradores de função;

Figura 15- pinagem NE566

Figura 18- diagrama de conexão NE566

GERADOR DENTE DE SERRA

Utiliza um Schimitt Trigger não inversor e um gerador de rampa com tempos

diferentes de subida e descida

Comparador com histerese (Schimitt Trigger)

Não inversor

Gerador de Rampa (Integrador inversor)

-A composição deste circuito é a mesma do oscilador de onda triangular. A diferença está no tempo de carga e descarga do capacitor. Quando a saída do IC1 é negativa (tensão de saturação na saída de IC1 –Vsat)) o capacitor se carrega lentamente através de D2 e R2. Quando a tensão na saída de IC2 atingir +VsatR4/R3 o IC1 chaveia mudando sua saída para +Vsat. Agora o capacitor irá se descarregar rapidamente através de D1 e R1 fazendo com que a saída de IC2 tenda para –Vsat., contudo, ao atingir –VsatR4/R3 o IC1 chaveia e sua saída muda para +Vsat. O ciclo se repetirá indefinidamente gerando uma onda dente de serra.

-É necessária a condição R3 > R4 para garantir a oscilação.

Gerador Senoidal Ponte de Wien com

Controle automático de ganho

Oscilador Controlado por Tensão - VCOs

É um oscilador de onda quadrada (free-running) cuja freqüência de saída é controlada por uma tensão de entrada DC.