UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ELETRÔNICA II

OSCILADORES

1. Introdução

2. Características dos osciladores

3. Tipos de osciladores

4. Circuitos integrados temporizadores

5. O circuito do temporizador 555

6. Multivibrador monoestável com o 555

7. Multivibrador astável com o 555

8. Exemplos

Introdução



Os circuitos osciladores são

responsáveis por gerar

diferentes tipos de ondas

que são utilizadas pelos

computadores (ou microcontroladores) e nos

sistemas de controle.



Esses

sinais são de fundamental importância

para o

correto funcionamento

desses sistemas.

3

 No projeto de sistemas eletrônicos há um aumento crescente na necessidade de sinais com formas de onda padronizadas, por exemplo:

senoidal, quadrada, triangular e pulso.

 As ondas geradas são necessárias para, dentre outras coisas,

temporização, caracterização dos dispositivos e circuitos eletrônicos e na

geração de ondas portadoras de informação.

 Os osciladores são formados por um sistema de amplificação A(s) e uma malha de realimentação β(s).

 Tomemos como exemplo o oscilador senoidal, que consiste de um

Características dos osciladores e

principio de operação

5

Características dos osciladores e

principio de operação

 Embora em um circuito oscilador real o sinal de entrada não esteja presente, o mesmo foi incluído para auxiliar na explicação do principio de funcionamento. É importante observar que, diferentemente da malha com realimentação negativa, aqui o sinal de realimentação X_f é somado a um sinal positivo que se traduz na equação de ganho, que será:

 Se, em uma frequência especifica f_o, o ganho da malha Aβ for igual a

unidade, isso significa que A_f será infinito. Isto é, nessa frequência, o circuito terá uma saída infinita com uma entrada de sinal zero. Tal circuito é, por definição, um oscilador.

 Um dos circuitos osciladores mais simples é baseado na ponte de Wien. A

Características dos osciladores

Características dos osciladores e

principio de operação

7

Características dos osciladores e

principio de operação



O circuito consiste em um amp-op conectado à configuração não

inversora, com um ganho em malha fechada de 1+R

/R

.

No

caminho da realimentação desse amplificador com ganho

positivo, é conectada uma malha RC.



Existem ainda, os

circuitos que geram ondas com forma quadrada,

triangular, pulso

,

etc., chamados de osciladores não-lineares ou

geradores de função, e empregam blocos de circuitos conhecidos

como

multivibradores

.



Há 3 tipos de multivibradores: o

biestável

, o

astável

e o

monoestável

. Esses circuitos empregam amp-ops e são utilizados

Tipos de osciladores e

características relevantes

a. Osciladores de cristal

 Um cristal piezoeléctrico, como quartzo, exibe características de ressonância eletromecânica que são muito estáveis e altamente seletivas. O símbolo de circuitos para cristais, juntamente com seu modelo equivalente, são mostrados na Fig.3.

9

Tipos de osciladores e

características relevantes

 As propriedades de ressonância são caracterizadas por uma indutância L de alto valor, uma capacitância de valor muito baixo em série com r, representando um fator de qualidade Q de ω_0L/r e uma capacitância em paralelo C_p (de alguns picofarads).

Tipos de osciladores e

características relevantes

 As características de ressonância extremamente estáveis e os altos

fatores Q do cristal de quartzo resultam em um oscilador de alta precisão e frequência estável.

 Infelizmente, contudo, os osciladores a cristal, sendo sistemas ressonantes mecânicos, são circuitos de frequências fixas.

11

Tipos de osciladores e

características relevantes

b. Multivibradores Biestáveis

 Como seu nome indica, o multivibrador biestável tem dois estados estáveis. O circuito pode permanecer em um dos estados indefinidamente, sendo que passa para o outro estado apenas quando for apropriadamente disparado.

 O biestável pode ser obtido pela conexão de um amplificador com uma malha de realimentação positiva. Seu circuito é mostrado na Fig. 4.

Tipos de osciladores e

características relevantes

 Imagine que o valor de v_i é pequeno e vai crescendo linearmente. Ao ultrapassar a tensão de limiar V_TH o circuito irá assumir o valor de tensão L- (limiar negativo de alimentação) devido ao ganho –R₂/R₁ do amp-op.

 Na situação contraria, a tensão de entrada v_i é reduzida linearmente e, ao atingir o limiar negativo V_TL, o circuito assume o valor de tensão L+ na saída. A característica de transferência do circuito biestável é vista na Fig. 5.

13

Tipos de osciladores e

características relevantes

 Assim como nos multivibradores biestáveis, o sistema da Fig. 6 só se estabilizará à direita ou a esquerda da figura.

Aplicações dos circuitos

osciladores.

Ex.1) O AmpOp no circuito biestável da figura abaixo tem as tensões de saturação de ± 13V. Projete o circuito para obter tensões de limiar de ± 5V. Para R₁=10kΩ, calcule o valor necessário para R₂. RESP: 16kΩ

15

Exemplo

𝑉

= −𝐿

_𝑅

𝑅

1

+ 𝑅

𝑉

= −𝐿

_𝑅

𝑅

Tipos de osciladores e

características relevantes

c. Multivibrador astável

 O multivibrador astável não possui estados estáveis, entretanto, ele tem

dois estados quase estáveis e permanece em cada um deles por um intervalo de tempo determinado. O circuito desse tipo de multivibrador e sua forma de onda característica, podem ser vistos nas Figs. 7a e 7b.

Tipos de osciladores e

características relevantes

 A carga e descarga do capacitor fará com que o circuito oscile entre os dois estados estáveis do multivibrador e, através da modificação do capacitor, é possível alterar o tempo que o circuito permanece estável.

17

Tipos de Osciladores

𝑇₁ = 𝜏 𝑙𝑛1 − 𝛽 𝐿_{1 − 𝛽}−/𝐿+

𝑇₂ = 𝜏 𝑙𝑛1 − 𝛽 𝐿_{1 − 𝛽}+/𝐿−

𝑇 = 2𝜏 𝑙𝑛 1 + 𝛽_{1 − 𝛽}

𝜏 =

CR

𝛽 =

_𝑅

𝑅

Tipos de osciladores e

características relevantes

Ex.2) Para o circuito da figura abaixo, suponha que a tensão de saturação do AmpOp seja de ± 10V, R₁=100kΩ, R₂=R=1MΩ e C=0,01μF. Calcule a frequência de oscilação. RESP: 274Hz.

Exemplo

𝑇 = 2𝜏 𝑙𝑛 1 + 𝛽_{1 − 𝛽}

𝜏 =

CR

𝛽 =

_𝑅

𝑅

Tipos de osciladores e

características relevantes

d. Multivibrador monoestável

 O multivibrador monoestável apresenta um estado no qual pode permanecer indefinidamente. Tem também um estado quase estável no qual ele pode ser disparado e permanecer por um intervalo predeterminado igual ao da largura desejada para o pulso de saída.

 Uma vez expirado esse intervalo, o multivibrador monoestável retorna ao estado estável e nele permanece à espera de outro sinal de disparo. O circuito e a forma de onda do multivibrador podem ser observados na Fig. 8.

19

Aplicações dos circuitos

osciladores.

Ex.3) Para o circuito monoestável da figura abaixo, calcule o valor de R₃ que produz um pulso de saída de 100μs para L+=-L-=12V; C₁=0,1μF; β=0,1; e V_D=0,7V. RESP: 6171Ω

21

Exemplo

𝑇 = 𝐶

𝑅

𝑙𝑛

_𝛽𝐿

𝑉

− 𝐿

Aplicações dos circuitos

osciladores.

 A principal função dos circuitos osciladores é a geração de formas de onda, como foi possível verificar através das ondas geradas pelos diversos tipos de multivibradores, como ondas quadradas e sinais de pulso.

 As ondas quadradas são a base de tempo na qual os sistemas microcontrolados se baseiam, tomando as bordas de subida e descida dos sinais, como eventos a serem registrados no sistema.

 Também é possível gerar ondas triangulares com os multivibradores. Conectando-se um integrador (ou filtro passa-baixa) a um circuito astável, os pulsos são integrados, gerando uma onda dente-de-serra.

Aplicações dos circuitos

osciladores.

23

Aplicações dos osciladores

Aplicações dos circuitos

osciladores.

 Uma das principais aplicações de circuitos biestáveis é na comparação de um determinado valor com a referência. Essa comparação, muitas vezes é feita para verificar se o sinal de entrada excedeu um certo limite, para então tomar uma “ação” em virtude disso.

 Tome como exemplo, um circuito onde pretende-se verificar o instante de

passagem por zero da tensão senoidal da rede. Se o sistema dispor de um comparador simples, é possível que sejam detectados mais de um instante de transição, levando o sistema a operação indevida. A Fig. 10 ilustra essa situação.

Aplicações dos circuitos

osciladores.

 Para solucionar esse problema podemos utilizar um circuito biestável, que possui uma espécie de histerese e mantém o valor anterior até que o nível de tensão ultrapasse um limiar estabelecido.

25

Introdução



Há

circuitos integrados

encapsulados que contém a

base

dos

circuitos

necessários

para

a

implementação

de circuitos

multivibradores

, com

características bastante precisas.



Será apresentado

o mais popular

desses circuitos, o

temporizador 555

, introduzido em

1972

pela

Signetics Corporation.

O

diagrama de blocos

do temporizador 555 é

apresentado abaixo.

27

O circuito consiste em

dois comparadores

, um

flip-flop

SR

e um

transistor Q

, que funciona como uma chave (portanto,

na saturação/corte).

Um

divisor resistivo

, consistindo de

3 resistores iguais

(R

),

conectados à fonte

do circuito (V

) são responsáveis pelos

limiares de

referência dos comparadores

(V

=2/3V

, para o

comparador 1, e V

=1/3V

, para o comparador 2).

De forma geral, o flip-flop SR modifica suas saídas de

acordo com o estado dos pinos

set

(S) e

reset

(R). Quando o pino

set

possui

nível lógico 1

, a saída

Q também assumirá nível 1

,

enquanto Q assumirá nível lógico 0.

Situação inversa a quando o

29

No estado estável, o flip-flop estará no estado

reset

, logo,

sua saída Q será alta, fazendo o transistor Q

entrar em

condução.

Como o transistor opera na saturação, a tensão no

coletor v

se aproximará de 0 V, resultando em um nível baixo na

saída do comparador 1. A tensão no terminal de entrada de

disparo é mantida alta (maior que V

), fazendo com que a saída

do comparador 2 seja baixa. Finalmente, observe que, como o

flip-flop se encontra no estado de

reset

, Q será baixo e, portanto,

v

estará próximo de 0V.

31

Para disparar o multivibrador, é aplicado um pulso

negativo ao terminal de disparo. Com o terminal de disparo

abaixo de V

a saída do comparador 2 vai para nível alto,

fazendo com que a saída Q vá para nível alto e Q para nível

baixo, fazendo Q

entrar em corte.

Nesse instante, C começa a carregar através de R em

direção ao valor de V

até o momento que o mesmo ultrapassa

V

, fazendo com que a saída do comparador 1 vá para nível alto

e, consequentemente, levando o flip-flop ao estado de reset

(transistor Q

na saturação). A condução de Q

faz com que o

capacitor C descarregue-se rapidamente e o circuito volte ao seu

estado estável.

33

Os pulsos na saída do multivibrador monoestável são

mostrados abaixo.

A largura do pulso T é determinada através de:

Aplicações dos circuitos

osciladores.

Ex.13.20) Usando um capacitor C de 10nF, calcule o valor de R capaz de produzir um pulso de saída de 100μs no circuito monoestável abaixo.

RESP: 9,1kΩ

35

Exemplo

Suponha que, inicialmente, C esteja descarregado e o

flip-flop esteja no estado

set

. Portanto, o nível de v

o

é alto e Q

está em corte. O capacitor C carrega através da combinação de

R

e R

, e a tensão v

aumenta em direção a V

. Quando v

cruza

o nível igual a V

a saída do comparador 2 vai para nível baixo, o

que, contudo, não altera o estado do flip-flop, que continua em

set

.

Quando v

ultrapassar o valor de V

, a saída do

comparador 1 vai a 1, fazendo com que a saída Q vá para 0 e Q a

1, momento em que Q

entra em condução. Nesse instante, a

tensão no coletor (ponto entre R

e R

) estará próximo de 0V,

fazendo com que o capacitor se descarregue através de R

e Q

.

37

Com a descarga do capacitor em direção a 0V, a tensão v

irá ultrapassar, em um determinado instante, o limiar do

comparador 2, V

, momento no qual sua saída vai para nível alto

e o flip-flop assume o estado

set

.

Com a saída Q em nível baixo, Q

entra em corte e C

carrega-se através de R

e R

em direção a V

. Ao atingir a

tensão V

, o comparador 1 vai para nível alto e o flip-flop

assume o estado de

reset

, reiniciando a operação do circuito.

39

Os pulsos na saída do multivibrador astável são

mostrados a seguir.

O tempo em alta, T

, é dado por:

De forma semelhante, temos T

:

De onde podemos obter o período de oscilação:

Além disso, a razão cíclica da onda quadrada pode ser

calculada através de:

41

Multivibrador astável com o 555

𝑇

= 0,69𝐶 𝑅

+ 𝑅

𝑇

= 0,69𝐶𝑅

𝑇 = 𝑇

+ 𝑇

= 0,69𝐶 𝑅

+ 2𝑅

𝑑 =

_𝑇

𝑇

𝐻

+ 𝑇

=

𝑅

+ 𝑅

Aplicações dos circuitos

osciladores.

Ex.13.21) Para o circuito abaixo, use um capacitor de 1000pF e calcule os valores de R_A e R_B que resultem em uma frequência de oscilação de 100kHz e um fator de trabalho de 75%. RESP: 7,2kΩ e 3,6kΩ

Exemplo

𝑇

= 0,69𝐶 𝑅

+ 𝑅

𝑇

= 0,69𝐶𝑅

𝑇 = 𝑇

+ 𝑇

= 0,69𝐶 𝑅

+ 2𝑅

𝑑 =

_𝑇

𝑇

𝐻

+ 𝑇

=

𝑅

+ 𝑅

Vídeo Apresentação Final

Para a apresentação final o grupo deverá produzir

um vídeo, de duração máxima de 5 minutos, para ser

apresentado em sala. O vídeo deverá focar nas

qualidades do equalizador desenvolvido e apresentar o

mesmo como um produto

Ao final da apresentação do vídeo, será sorteado

um aluno para responder a uma pergunta relativa ao

trabalho.

Programação próximas aulas

14/06 das 13h às 17h – Horário livre no laboratório (marcar com o técnico)

19/06 às 15h – Entrega do relatório do Trabalho Final

20/06 – 3ª aula prática - Osciladores

21/06 das 13h às 17h – Apresentação no laboratório do circuito – Grupos 1 a 5

22/06 – Apresentação em sala do Trabalho Final – Grupos 1 a 8

27/06 – Aula 17 – Conversores A/D e D/A

29/06 – Prova Prática

06/07 – Prova 2

Escala de Apresentações no Laboratório

21/06

13:15 às 13:35 – Grupo 1

13:35 às 13:55 – Grupo 2

13:55 às 14:15 – Grupo 3

14:15 às 14:35 – Grupo 4

14:35 às 14:55 – Grupo 5

Bibliografia

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ELETRÔNICA II

OSCILADORES