Este projeto digital CMOS pode ser usado como um instrumento de laboratório gerando sinais programados de forma precisa ou ainda como parte de outros projetos como por exemplo bases de tempo de instrumentos de medidas. Este circuito pode gerar sinais retangulares de frequências na faixa de 1 kHz a 1 MHz em passos de 1 kHz com precisão que depende do ajuste do oscilador que é usado como base de tempo.
Com base somente em circuitos integrados CMOS descrevemos um interessante projeto de um sintetizador de frequências PLL (phase Locked Loop).
O circuito gera sinais retangulares de boa intensidade na faixa de 1 kHz a 1 MHz (mas pode ser modificado para produzir outra faixa de frequências) ajustadas em passos de 1 kHz.
A alimentação pode ser feita com tensões de 6 a 12 V e o consumo é suficientemente baixo para permitir a alimentação por meio de pilhas comuns.
Como a precisão depende do ajuste do oscilador, que não é controlado a cristal, existem certas variações na frequência final tanto em função das oscilações de temperatura como das próprias características dos componentes usados. Se o leitor necessitar de um projeto que tenha alto grau de precisão basta usar um oscilador preciso.
COMO FUNCIONA
A idéia é usar o PLL 4046 como oscilador gerando uma frequ6encia que é ajustada por um circuito divisor de realimentação externa, conforme mostra a figura 1.
Este circuito funciona da seguinte maneira: o VCO do PLL é ajustado para oscilar numa frequência determinada.
VCO significa Voltage Controlled Oscillator ou oscilador controlado por tensão. Este oscilador tem um comparador de fase em sua entrada que gera uma tensão em função do resultado da comparação entre as frequências e fases de dois sinais que são aplicados em sua entrada.
No nosso projeto um sinal é o gerado pela base de tempo e o outro é obtido a partir da saída de um divisor programável de frequências.
O sinal gerado pelo VCO é então aplicado num circuito externo de divisão de frequência formado por três circuitos 4017 (contadores Johnson de 10 estágios) que podem ser programados para fazer a divisão da frequência do oscilador por qualquer valor entre 1 e 999. Esta programação é feita por meio de chaves de 1 pólo x 10 posições que, selecionando uma das 10 saídas de cada contador aplicam seu sinal à entrada de Reset do 4017.
Desta forma, o sinal que será reaplicado à entrada do comparador do PLL 4046 pelo circuito de realimentação através das portas NAND do 4011 será o sinal do oscilador do 4046 dividido por um valor que pode ser programado entre 1 e 999.
A entrada em que o sinal é aplicado é justamente a do comparador que compara a frequência e a fase deste sinal com o sinal gerado pelo oscilador que tem por base uma porta do 4093 e está ajustado para produzir um sinal de 1 kHz.
Se o sinal que chega do divisor tiver uma frequência menor ou maior, o VCO do 4046 altera sua frequência, aumentando-a de modo que após a divisão pelo valor programado tenhamos sempre 1 kHz.
Isso significa que, a frequência que o VCO vai produzir deve ser sempre 1 kHz multiplicado pelo valor pelo qual sua frequência é dividida na bateria de 4017 que formam o divisor programado de frequências.
Por exemplo, se os 4017 estiverem ajustados para fazer a divisão por 455, o sinal do VCO deve ser de 455 kHz, pois este valor dividido por 455 resulta em 1 kHz que levado ao comparador do 4046 estabiliza o circuito.
O sinal gerado pelo VCO pode ser levado ao circuito externo tanto a partir de seu pino 4 como a partir de uma etapa amplificadora com dois transistores.
A programação é feita por chaves ajustáveis *thumbwell switches) de 1 pólo x 10 posições ou por outro meio que o leitor julgue interessante em seu caso particular.
MONTAGEM
Na figura 2 temos o diagrama completo do aparelho, sem a fonte de alimentação que pode ser a partir da rede de energia ou formada por pilhas comuns.
A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 3.
Para maior segurança de montagem e facilidade de troca de componente os circuitos integrados podem ser montados em soquetes DIL.
Os resistores são de 1/8W e os capacitores tanto podem ser cerâmicos como de poliéster, segundo disponibilidade e valor.
P1 é um trimpot para montagem vertical em placa de circuito impresso. No entanto, para um ajuste mais preciso, se o leitor desejar, pode usar um trimpot do tipo multivoltas alterando também o desenho da placa de circuito impresso de modo a poder receber este componente.
Os demais componentes são comuns e o aparelho pode ser facilmente instalado numa pequena caixa plástica.
AJUSTE E USO
Se o leitor tiver um frequencímetro, o ajuste pode ser feito com boa precisão. Para esta finalidade, ligue a saída do sintetizador a entrada do frequencímetro de tal forma que o frequencímetro possa medir até 1 MHz.
Coloque as chaves de programação na posição 999 de modo que o circuito tenha de gerar um sinal de 999 MHz. Ajuste então P1 para obter esta indicação de frequência.
Observamos que, como os componentes usados têm uma boa tolerância o valor exato pode não ser conseguido com o frequencímetro oscilando em torno dos 999 MHz, sem estabilizar exatamente neste valor, o que é perfeitamente normal.
Para ter uma precisão maior com o aparelho, conforme salientamos, a base de tempo de 1 kHz deve ser controlada a cristal e em alguns casos o cristal deve até ser mantido em temperatura constante dentro de uma câmera térmica.
Feito o ajuste é só usar o aparelho, lembrando que o sinal obtido na saída é retangular.
LISTA DE MATERIAL
Semicondutores:
CI-1 - 4093 - circuito integrado CMOS, Portas NAND disparadoras
CI-2 - 4013 - circuito integrado CMOS, flip-flop tipo D
CI-3 - 4046 - circuito integrado CMOS - PLL
CI-4, CI-5, CI-6 - 4017 - circuitos integrados CMOS - contadores Johnson de 10 estágios
CI-7 - 4011 - circuito integrado CMOS - portas NAND
Q1 - BC548 ou equivalente - transistor NPN de uso geral
Resistores: (1/8W, 5%)
R1 - 1 k ?
R2 - 10 k ?
R3 - 100 k ?
R4 - 5,6 k ?
R5 - 22 k ?
R6 - 1,2 k ?
P1 - 100 k ? - trimpot
Capacitores:
C1 - 47 nF - poliéster ou cerâmico
C2 - 47 nF - poliéster ou cerâmico
Diversos:
S1, S2, S3 - Thumbwheel Switches - 1 pólo x 10 posições
Placa de circuito impresso, fonte de alimentação, caixa para montagem, jaques de saída de sinal, soquetes para os circuitos integrados, fios, solda, etc.
