INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SERGIPE COORDENADORIA DE ELETRÔNICA CIRCUITOS OSCILADORES. Experimentos de Osciladores

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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SERGIPE COORDENADORIA DE ELETRÔNICA CIRCUITOS OSCILADORES Experimentos de Osciladores Relatório requisito Técnico parcial apresentado para como obtenção de aprovação na disciplina de Sistemas Digitais. Prof. Edson Barbosa. Autor: Icaro Meneses Ferreira de Santana Aracaju/ Sergipe 2015

2 Sumário 1 - INTRODUÇÃO Multivibrador Multivibrador monoestável Multivibrador astável Multivibradores com CI's LS LS MATERIAIS E MÉTODOS Experiência Material utilizado Experiência Material utilizado Experiência Material utilizado Experiência Material utilizado Experiência Material utilizado Experiência Material utilizado Experiência Material utilizado DESCRIÇÃO DAS ATIVIDADES E RESULTADOS Experiência Experiencia Experiencia Experiência Experiência Experiência Experiência CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...20

3 1 1.1 INTRODUÇÃO Multivibrador Multivibradores são circuitos osciladores que geram uma onda quadrada, geralmente composta de 2 transistores internamente para comparar as tensões, e um circuito RC para determinar o tempo das oscilações. Os multivibradores são divididos em dois: os monoestáveis e os astáveis. [1] Multivibrador monoestável. O multivibrador monoestável apresenta apenas um sinal estável fixo, sendo este sinal podendo ser 0 ou 1, e ao receber um pulso de clock, ele muda o sinal da saída para um estado quase estável por um tempo T que é definido geralmente por um circuito RC, e após esse tempo fixo o sinal saída volta para o estado estável inicial. Os monoestáveis são divididos em dois tipos: os regatilháveis e os não regatilháveis. Nos monoestáveis regatilháveis é possível reiniciar o tempo em que a saída fica no estado quase estável se durante o estado quase estável receber um pulso de disparo, assim ele só vai voltar para o estado estável depois do tempo T contado após o último pulso de disparo, já nos monoestáveis não regatilháveis essa função não é possível, assim a saída só fica no estado quase estável no tempo definido pelo tempo T independente se receber pulsos de disparo enquanto estiver no estado quase estável, com os circuitos não regatilháveis é necessário tomar cuidado com o ciclo de trabalho ligado que não pode ser ultrapassado, pois assim pode ocorrer oscilação no tempo de duração do pulso de saída. Os monoestáveis são geralmente utilizados em dispositivos de controle em que determina o tempo que o dispositivo trabalha após ser acionado. [1] 1

4 1.1.2 Multivibrador astável. Os circuitos astáveis são circuitos que não possuem um estado estável, ou seja, ele muda o estado da saída constantemente em uma frequência determinada pelos seus componentes (resistores e capacitores), os circuitos astáveis são osciladores utilizados para a geração de pulsos de clock (onda quadrada) em dispositivos que é necessário a temporização principalmente para a sincronia. Ele altera o seu estado pois ele funciona como um comparador em que quando o capacitor se carregar totalmente e atingir determinada tensão a saída muda de estado e o capacitor começa a se descarregar e ao descarregar e atingir determinada tensão ele muda novamente de estado e começa a se carregar estando nesse ciclo de oscilação constante. [1] 1.2 Multivibradores com CI's Os multivibradores são feitos basicamente com 2 transistores e um circuito RC, sendo os 2 transistores utilizados como comparador de tensão e o circuito RC para determinar o tempo. Porém existem circuitos integrados multivibradores, sendo neste relatório abordado alguns deles. [1] LS121 O 74LS121 é um monoestável não regatilhável completo em um Ci, exceto os componentes RC para a temporização do estado quase estável que devem ser conectados externamente. A constante de tempo do estado quase estável é dada pela fórmula: T =0,7 Ct Rt sendo Ct o capacitor externo e Rt o resistor externo, responsáveis para determinar a constante de tempo. 2

5 LS123 O 74LS123 é um CI onde tem dois monoestáveis regatilháveis, sendo que cada monoestável funciona de maneira parecida com o CI citado anteriormente (74LS122), assim como o 74LS122 o 74LS123 também depende de um circuito RC para determinar a constante de tempo, porém a constante de tempo é dada por uma fórmula diferente: T =0,28 Rt Ct (1+ 0,7 ) Rt O 555 é o circuito integrado mais utilizado quando se trata de multivibrador pois dependendo da configuração ele pode ser um astável ou um monoestável, além de ser um circuito relativamente pequeno e sendo compatível com tecnologia TTL quando sua fonte de alimentação for de 5V e também compatível com CMOS pois sua fonte de alimentação suporta até 15V. O 555 contém um FF de controle que dependendo do sinal que recebe dos comparadores inferiores e superiores determina a saída, o 555 opera da seguinte forma: 1) Toda vez que a tensão no pino 2 (trigger) cai abaixo da tensão de entrada positiva do comparador inferior, a saída vai para nível alto (1) 2) Toda vez que a tensão do pino 6 (threshold) vai a um valor superior da tensão de controle, a saída vai para o nível baixo (0) 3) A entrada reset (pino 4) é ativa quando seu nível é baixo (0) 4) Quando não se usa o pino 5 (tensão de controle), este deve ser ligado ao terra através de um capacitor de 0,01uF para que não haja ruído. 5) O comparador inferior possui um storage time da ordem de 10uS, e isso significa que a largura mínima de pulso será de 10uS. 3

6 Como já foi citado acima o 555 pode funcionar em nas duas configurações, abaixo segue as fórmulas para as contantes de tempo nas duas configurações que serão utilizadas nos experimentos propostos. Monoestável: T =1,1 Rt Ct Astável: Sendo T1= Tempo ligado, e T2= Tempo desligado T 1=0,693 (Rta+Rtb) Ct T 2=0,693 Rtb Ct F= 1 T 1+T 2 4

7 2 MATERIAIS E MÉTODOS A partir do capítulo de osciladores do guia do módulo datapool 8401 foram realizadas as seguintes atividades propostas a fim de observar os resultados obtidos com os monoestáveis e os astáveis. Abaixo segue a lista materiais necessários para a montagem de cada experiência. Obs. Os valores de frequência e período devem ser observados com um osciloscópio a fim de obter precisão. 2.1 Experiência Material utilizado 1 CI Resistor 33kΩ 1 Capacitor de 220μF Montar o circuito seguindo o esquema do módulo do datapool, como segue abaixo e anotar os valores pedidos. 5

8 Figura 1 Monoestável com o Experiência Material utilizado 1 CI Resistor 47kΩ 1 Capacitor de 220μF Montar o circuito seguindo o esquema do módulo do datapool, como segue abaixo e anotar os valores pedidos. 6

9 Figura 2 Monoestável regatilhável com o Experiência Material utilizado 1 CI 74LS04 1 CI 74LS86 1 CI 74LS74 Montar o circuito seguindo o esquema do módulo do datapool, como segue abaixo e observar os resultados obtidos. 7

10 Figura 3 Monoestável com gates 2.4 Experiência Material utilizado 1 CI 74LS123 1 Resistor de 33kΩ 1 Resistor de 47kΩ 2 Capacitores de 220μF Montar o circuito seguindo o esquema do módulo do datapool, como segue abaixo e anotar os resultados obtidos. 8

11 Figura 4 O 74LS123 como Astável 2.5 Experiência Material utilizado 1 CI Resistor de 33kΩ 1 Capacitor de 0,01μF 1 Capacitor de 220μF Montar o circuito seguindo o esquema do módulo do datapool, como segue abaixo e observar os resultados obtidos. 9

12 Figura 5 O 555 como Monoestável 2.6 Experiência Material utilizado 1 CI Resistor de 33kΩ 1 Resistor de 10kΩ 1 Capacitor de 0,01μF 1 Capacitor de 220μF Montar o circuito seguindo o esquema do módulo do datapool, como segue abaixo e anotar os resultados obtidos. 10

13 Figura 6 O 555 como astável. 2.7 Experiência Material utilizado 1 CI 74LS13 1 Resistor de 1kΩ 2 Capacitores 220μF Montar o circuito seguindo o esquema do módulo do datapool, como segue abaixo e anotar os resultados obtidos. 11

14 Figura 7 74LS13 como Astável 12

15 3 3.1 DESCRIÇÃO DAS ATIVIDADES E RESULTADOS Experiência 1 Após a montagem da experiência descrita anteriormente, fazer o que se pede abaixo. Estando a chave A em Ø, levá-la para 1 e observar que a saída não mudou. Em seguida, levar a chave A para Ø e observar que a saída ficará em 1 por um tempo T como citado anteriormente e comparar o valor calculado pela fórmula citada anteriormente. Valor calculado: a saída fica em nível lógico 1 por 5,08s Valor medido: a saída fica em nível lógico 1 por 4,94s. Pode se observar que o valor medido foi muito próximo ao calculado o que mostra a precisão dos componentes utilizados tendo uma taxa de erro de aproximadamente 2,7%. Repetir o item anterior e, quando o tempo em que a saída estiver em nível lógico 1 (modo quase estável ), repetir o pulso de disparo e verificar se a duração do tempo de saída alta foi alterado. O tempo de saída não foi alterado, isso ocorre pois o é um monoestável não regatilhável. 3.2 Experiencia 2 Após a montagem da experiência descrita anteriormente, fazer o que se pede abaixo. 13

16 Colocar a chave A em 1 e, estando a chave B em Ø, levá-la para 1 e observar que a saída não mudou. Em seguida, levar a chave A para Ø e observar que a saída ficará em 1 por um tempo T como citado anteriormente e comparar o valor calculado pela fórmula citada anteriormente ou pelo gráfico. Valor calculado: a saída fica em nível lógico 1 por 2,89s Valor medido: a saída fica em nível lógico 1 por 3,8s. Neste experimento pode-se observar que a diferença entre o valor teórico e o valor observado é de aproximadamente 1s, isso se deve a vários fatores, entre entres a precisão do capacitor, resistor e até do próprio CI, neste caso a taxa de erro foi de aproximadamente 31,5%. Repetir o item anterior e, quando o tempo em que a saída estiver em nível lógico 1 (modo quase estável ), repetir o pulso de disparo e verificar se a duração do tempo de saída alta foi alterado. Foi observado que o tempo em que ele se mantinha em 1 foi aumentado, isso ocorre pois o CI é regatilhável, assim quando recebe o pulso de disparo enquanto está no modo quase estável a contagem regressiva para ele voltar ao estado estável recomeça. 3.3 Experiencia 3 Após a montagem da experiência descrita anteriormente, fazer o que se pede abaixo. Colocar a chave B em 1, mudar a chave A de posição e verificar que a saída do 74LS74 será 1. Em seguida, colocar a chave B em Ø, mudar novamente a chave A de posição e verificar que a saída do 74LS74 será Ø. E analisar o por que disso ocorrer. 14

17 O Flip Flop D é ativado em borda de subida, então assim é possível provar que toda vez que alterar o valor da chave A independente se for de Ø pra 1 ou vice e versa a saída vai gerar um pulso de clock devido ao atraso proporcionado pelas portas NOT, sendo esse atraso muito pequeno a ponto que não dá pra ver, mas o FF-D é utilizado justamente para provar que o circuito está funcionando como um monoestável. 3.4 Experiência 4 Após a montagem da experiência descrita anteriormente, fazer o que se pede abaixo. Observar que a saída Q2 (LØ) fica no estado baixo por um tempo T1 e no estado alto por tempo T2, oscilando continuamente. Calcular o Duty cycle e comparar os valores observados com os valores calculados. A saída do fica oscilando continuamente, o que prova que está configurado como um multivibrador astável, os valores encontrados foram: T1 medido= 3,4s T2 medido= 2,48s Duty cicle medido= 42,17% T1 calculado= 2,89s T2 calculado= 2,03s Duty cicle= 41,26% A diferença entre os valores medidos e calculados não é muito grande, é em ambos de aproximadamente 0,4s, porém mantendo aproximadamente proporcional o ciclo de trabalho. A taxa de erro é de aproximadamente 19,51% 15

18 Montar o mesmo circuito porém com 1 resistor de 33kΩ no lugar do resistor de 47Ω e fazer o mesmo pedido no item anterior. T1 medido= 2,41 T2 medido= 2,42s Duty cicle medido= 50,1% T1 calculado= 2,03s T2 calculado= 2,03s Duty cicle= 50% Com os resistores e capacitores igual, foi obtido uma onda quadrada aproximadamente simétrica, como foram usados os mesmo componentes da prática anterior a taxa de erro foi aproximadamente a mesma. 3.5 Experiência 5 Após a montagem da experiência descrita anteriormente, fazer o que se pede abaixo. Colocar a chave A em 1, trazê-la a Ø e, em seguida, retornar a chave A em 1,verificando que na saída ocorre um pulso de duração T e comparar com o valor calculado com a fórmula descrita anteriormente. T medido= 2,49s T calculado= 7,9s A diferença é enorme o que é devido a imprecisão dos componentes utilizados, neste caso a taxa de erro foi de aproximadamente 213%. neste 16

19 experimento pode observar que nesta configuração o 555 funciona como um multivibrador monoestável. 3.6 Experiência 6 Após a montagem da experiência descrita anteriormente, fazer o que se pede abaixo. Ligar o sistema, levar a chave A para 1 e observar a saída, que deverá oscilar. Assim foi construído um oscilador com 555, observar os valores de frequência, duty cicle, T1 (nível lógico 0) e T2 (nível lógico 1) e comparar com os valores calculados. T1 medido= 5,2s T2 medido= 6,7s Duty cicle medido= 56,4% F medida= 84,3mhz T1 calculado= 5s T2 calculado= 6,5s Duty cicle= 56,5% F calculada=86,9mhz A diferença entre os valores teóricos e obtidos foram pequenas, o que mostra a precisão dos componentes utilizados tendo uma diferença de apenas 0,2s em ambos estados, a taxa de erro é de aproximadamente 3,4% no período. Ao observar que a saída oscila, fica provado que o 555 nesta configuração funciona como um multivibrador astável. 17

20 3.7 Experiência 7 Após a montagem da experiência descrita anteriormente, fazer o que se pede abaixo. Antes de iniciar a experiência será lembrado o que vem a ser o 74LS13. O 74LS13 é um CI com dois blocos NÃO E Schmitt-Trigger com quatro entradas. Um Schmitt-Trigger é um circuito que possui dois valores distintos para a tensão de entrada: Tensão threshold indo para positivo (VT+) e Tensão threshold indo para negativo (VT-), sendo (VT+) maior que (VT-). O circuito interpreta como entrada 1 toda tensão acima de VT-, desde que a tensão (VT+) já tenha sido alcançada, e interpretada como entrada Ø toda tensão abaixo de (VT+), desde que a entrada já tenha ficado submetida a uma tensão menor que (VT-). A diferença entre (VT+) e (VT-) é chamada histerese e permite que o schmitt-trigger quadre formas de ondas lentas. Convém lembrar que as entradas A do eram entradas de um schmitttrigger. Após ter entendido o funcionamento do 74LS13, ligar o sistema e medir a frequência da saída, e comparar com o valor obtido pela fórmula: F= 1 1,1 R C F medida= 1,57hz F calculada= 2,06 Neste experimento pode ser observado que é possível criar um multivibrador Schimitt-Trigger, pois ele cria ondas quadradas, e a frequência depende dos capacitores e dos resistores. A diferença entre o valor teórico e o valor medido é significante, o que deve ser por causa dos capacitores, que foi utilizado 2 em paralelo de 220uF em vez de 1 de 440uF o que gera imprecisão. 18

21 4 CONCLUSÃO Com os experimentos realizados em laboratório, podemos observar que os circuitos osciladores, sejam eles monoestáveis, astáveis, com os diversos modos de implementação, tem influência do capacitor e do seu tempo de carga e descarga, que determina os estados de nível alto e baixo, se mostrando útil na geração de ondas quadradas para projetos que necessitam de osciladores. 19

22 5 [1] REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Módulo de experimentos do Datapool 8410 Capítulo de Osciladores Monoestáveis e astáveis 20