GERADORES E CONVERSORES DE SINAIS

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1 GERADORES E CONVERSORES DE SINAIS Introdução Geradores de Formas de Onda Osciladores Controlados por Tensão Conversores Digital-Analógicos Conversores Analógicos-Digitais Erros dos conversores

2 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.

3 Geradores de Formas de Onda 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...

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5 Um gerador de sinais permite : - Ajustar a frequência e amplitude do sinal gerado; - Ajustar a largura do pulso; Características do sinal: Amplitude, Freqüência, Período e Fase.

6 Geradores de Formas de Onda Tipos de osciladores: 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 Osciladores s Cristal: São osciladores harmônicos que utilizam cristais para gerar os sinais. São de alta precisão (Q > )

7 Osciladores de Relaxação Realimentação positiva Geradores de onda quadrada R B 1 R R 1 2 `1 B T 2R3C1ln 1 B

8 Princípios Básicos de Osciladores Senoidais Sistema realimentado com realimentação levemente positiva Amplificador Realimentado Oscilador

9 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: 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: arg a s.f s 0 2n

10 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. 4- Por matrizes fazendo o determinante da matriz igual a zero.

11 OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE Vo 1 s F s Vi scr scr scr 2 3 Tem que ser 180 graus F j Vo 1 Vi j 2 3 RC RC RC o RC RC a. F 180 arc. tg RC 1 6 RC 3 RC 0

12 Freqüência de oscilação 0 1 6RC Para a freqüência de oscilação F 1 29 a 29

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14 OSCILADOR PONTE DE WIEN

15 -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 amplificador não inversor. -Um dos osciladores mais simples e mais usados em audiofreqüência.

16 -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: -Fornecendo a condição de ganho para o oscilador

17 β(s)

18 Oscilador em ponte de Wien Osciladores RC Activos Lugar geométrico dos pólos quando A varia s 3 A s0 0 A=3 s A 3 A , A=0 x A=1 x A=0 Para 1<A<5 os pólos são complexos e situamse 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 R A 1 j R R 2 / R R 2 / R1 2

19 OSCILADOR CLAPP OSCILADOR FRANKLIN OSCILADOR PIERCE Veja oscilador a cristal

20 OSCILADOR HARTLEY L gm.rc L 1 2 OSCILADOR ARMSTRONG Onde a freqüência de oscilação é: Bloco de Realimentaçao

21 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).

22 1ª. Forma Análise pela equação característica. Da análise nodal: 2 Vc V 1 s LC sc2v gmv sc1 1 s C2L V 0 R substituindo s por j: igualando a parte imaginária a zero: C C o LC1C 2 igualando a parte real a zero na freqüência 2 3 LC2 1 j LC1C 2 jc1 C2 gm 0 R R o LC eq o C eq CC C C 1 2 LC 1 gm 0 R R 2 2 gmr C C 2 1

23 V 2ª. Forma Abertura da estrutura.. gmr o 2 V s C2L1 sc1r sr C1 C2 1 substituindo s por j: Vo gmr 2 2 V 1 C2L jr C1 C2 C1C 2L Tem que ser 180 graus Aplicando o critério de fase: O numerador deve ser igual a zero: 3 R C C C C LR V / V 180 R C C tg C C LR 360 o o o 2 1 C2L 2 o módulo da função Vo/Vπ em Vo gmr o : 1 V C1 C C 2 2 o C2L 1 gmr C1C 2L C 1 C C 1 2 C C L 1 2 o 1 LC eq

24 Outras estruturas do oscilador COLPITTS Circuito completo de um oscilador de Colpitts

25 Oscilador Senoidal-Cossenoidal (Quadratura) -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). -Os diodos zeners são para limitar a amplitude de oscilação. Rede de realimentação

26 -Determinando o módulo do circuito de realimentação na freqüência de ressonância : -Ganho Af = A1.A2 será:

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30 OSCILADOR EM QUADRATURA -Este oscilador utiliza o LTC1059 (filtro universal a capacitor chaveado) juntamente com o LTC6990 (oscilador controlado por tensão. -A faixa de frequencia é controlada por tensão e varia de 2Hz até 18kHz ( faixa de audio).

31 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: -Igualando a parte real a zero na freqüência de oscilação:

32 -Nesta situação pode-se determinar a função de transferência de cada integrador na freqüência de oscilação: 3 1 o 1 o G( j ) 180 tg Se a tensão Va é escolhida como referência: -Para f o = 60Hz e supondo C = 0,1μF:

33 OSCILADOR BUBBA -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. DCAC Pure Sine Wave

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35 Oscilador em Anel O oscilador em anel é um circuito constituído por N (sendo N um número impar) inversores 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.

36 Oscilador senoidal em Anel - Trifásico 120º 120º 120º -Modo corrente -R do circuito é dado pelo gm dos transistores Aplica-se critérios de Barkhausen nesta equação.

37 Oscilador a Cristal 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 altofalantes. 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.

38 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 X

39 Oscilador a Cristal -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. - Símbolo Circuito Circuito equivalente Reatância do cristal em Equivalente simplificado função da freqüência

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41 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:

42 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 OCXO - oven-controlled crystal oscillator

43 -Como Q é elevado Rs pode ser desprezado, assim a impedância vista nos terminais do cristal é: -Temos duas freqüências de ressonância -Substituindo s por jω:

44 -Substituímos o indutor do oscilador Colpitts pelo cristal -Analisando o circuito em termos dos nós A e B, tem-se:

45 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.

46 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%

47 Oscilador Butler

48 Alguns Cristais Comerciais Código da Ordem Código de Manufatura IQXO-36C MHZ Descrição MHZ FPXO MHZ X124K MHZ A103A MHZ X19M660800L MHZ SPG8640CN PROGRAMÁVEL SG531PH50MHZ MHZ DO2500A MHZ

49 - Pode oscilar na fundamental ou na 3rd ou na 5th ou na 7th... - Utiliza os sobretons de ordem impar. - A escolha é feita por um filtro para eliminar a fundamental

50 Filtro na 3rd

51 Oscilador a cristal que opera no 3º sobretom

52 Oscilador de 1MHz Oscilador para orgão eletrônico

53 Utilizando CI 74HCT04 temos osciladores de 2MHz, 16MHZ e 24MHz

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55 Circuitos integrados que podem ser usados na montagem de geradores de função: ICL8038 (Intersil) XR2206 (Exar) MAX038 (Maxim) NE566 (National) AD9835 Analog devices Digital - DDS = Digital Direct Synthesizer

56 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. Pinagem:

57 Circuito Integrado ICL8038 FORMAS DE ONDAS: Senoidais, Quadradas e Triangular 2.Vcc/3 Vcc/3 - 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.

58 Circuito Integrado ICL8038

59 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.

60 - A amplitude da onda triangular é fixada em Vcc/3 - O tempo de subida (t1) é dado por: - E o tempo de descida (t2) é dado por:

61 Oscilador de áudio variável de 20Hz a 20kHz

62 Circuito Integrado XR-2206 FORMAS DE ONDAS Senoidal Quadrada Rampa Pulso FREQUÊNCIAS 0,01Hz até 1MHz VANTAGENS Controde da frequência; Operação em alta frequência; Simplicidade e simetria; - 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;

63 Saída Sync open collector Saída Triangular Entrada para modulação FSK Sinal de entrada para modulação em amplitude Saída do multiplicador Entrada de ajuste das formas de onda Entrada de ajuste de simetria

64 XR2206 Controle da faixa de frequência 10nF

65 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; - Osciladores controlados por tensão;

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68 Circuito Integrado NE566 Figura 15- pinagem NE566 Figura 18- diagrama de conexão NE566

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72 GERADOR DENTE DE SERRA Gerador de Rampa (Integrador inversor) 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 -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. -Controle de feixe de elétrons para televisão

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74 Gerador Senoidal Ponte de Wien com Controle automático de ganho

75 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. LTC ver