Osciladores e circuitos geradores de clock (ART5371)

Detalhes: Escrito por: Luis Fábio C. Pinho

O circuito de clock é o coração de um sistema digital; sem ele, nada funciona. Este artigo, que pode ser utilizado como complemento em aulas de eletrônica, explica vários circuitos geradores de clock e osciladores que podem servir de base para projetos mais complexos.

Em eletrônica digital existem dois tipos de circuitos: os circuitos combinacionais e os circuitos sequenciais. Os combinacionais apresentam suas saídas dependentes somente das combinações das variáveis de entrada, enquanto as sequenciais podem tanto apresentar saídas dependentes das variáveis de entrada, como de estados anteriores que ficaram memorizados, figura 1.

Um circuito sequencial precisa estar sincronizado com um sinal padrão, para perfeita sintonia. Este sinal de sincronização é chamado de relógio ou clock do sistema.

Portanto, podemos definir clock como uma forma de onda periódica (normalmente quadrada assimétrica ou simétricas) que possui níveis de tensão alto e baixo fixos, tempos de elevação e diminuição muito curtos e boa estabilidade de frequência, figura 2.

Como projetar um gerador de clock é tarefa que todo estudante de eletrônica deve saber. Se você não sabe, ou quer aperfeiçoar algum circuito, mostraremos uma série de configurações e "macetes' que vão desde o mais simples ao mais complexo dos osciladores.

GERADOR DE CLOCK MANUAL

Um circuito integrado seja ele temporizador, flip-flop, contador, registrador, etc., entende um pulso de clock quando há uma variação de níveis rápidos e com formato próximo de uma onda retangular.

Mas, se simplesmente colocarmos um push-button da maneira mostrada na figura 3, o Cl não entenderá como um sinal de clock. Isso porque existe o repique provocado pela ligação da chave.

Usando dois resistores e um capacitor, podemos fazer com que o CI passe a entender a variação dos pulsos no push-button como sinais de clock, figura 4.

GERADOR DE PULSOS ÚNICO POR TOQUE

A figura 5, mostra um monoestável que gera um pulso na saída a cada toque nos sensores. A alimentação do 4011 varia de 3 a 15 V, enquanto a duração da saída de saída depende dos valores de R e C.

ASTÁVEL COM PORTAS CMOS

Vamos supor que na figura 6 a saída da porta 2 esteja em "1". Com isso, a saída da porta 1 ficará em '0" e o capacitor C carrega-se por R. Quando a tensão sobre C atinge Vcc/2, a saída a saída da porta 2 vai para "0" e da porta 1 para, "1".

Depois de certo tempo, capacitor se carregou no sentido contrário e: quando a tensão na entrada da porta 2, volta para VCC/2, a saída muda novamente para "1". Então, a saída da porta 1 vai para "0" e o ciclo continua dependendo dos valores de R e C.

O resultado é que temos uma onda quadrada, cuja frequência de oscilação é calculada pela fórmula:

F = [ 1 / (2,2 x R x C) ]

Onde:

F = Frequência (Hz)

R – Resistor (ohms)

C – Capacitor (R)

Observe que o inversor da figura 6 pode ser implementado com portas NAND ou NOR conforme figuras 7 e 8, respectivamente. Recomendamos o uso de circuitos integrados CMOS da série B, pois esses possuem menores tempos de comutação.

OSCILADOR CMOS COM SAÍDA SIMÉTRICA

Acrescentando-se um resistor de isolação (R2) e um potenciômetro (P1), obteremos um gerador de clock com frequência variável, figura 9.

O ciclo ativo (Duty cycle, em inglês) de uma forma de onda e a relação existente entre a largura do pulso e seu período. Dizemos que uma forma de onda é simétrica quando ele apresenta um ciclo ativo de 50%.

Assim, no circuito dado a saída permanece 50% do período no estado "0" e 50% do período no estado "1".

OSCILADOR CMOS COM SAÍDAS ASSIMÉTRICA

Em algumas aplicações necessitamos de um ciclo ativo diferente de 50%, ou seja, uma saída assimétrica, (figura 10).

O que fazemos é criar caminho de carga e descarga para o capacitor diferentes e acrescentamos um trimpot para ajuste da frequência, (figura 11).

Com esse circuito, temos uma variação desde 5% até 95% do ciclo ativo, utilizando a fórmula dada.

GERADOR DE RELÓGIO CMOS COM ENTRADA DE AUTORIZAÇÃO

Existem casos em que precisamos controlar o sinal de clock, por exemplo para congelar uma contagem.

No circuito da figura 12 quando a entrada de autorização está em "01, a porta 2 libera o sinal de clock para a saída. Mas, se a autorização vai para "1", a oscilação é interrompida e a saída fica constantemente em nível alto.

MULTIVIBRADOR ASTÁVEL COM SOMENTE UMA PORTA SCHMITT TRIGGER

Utilizando apenas uma porta de um CI schmitt trigger (4093, por exemplo), podemos elaborar um simples gerador de ondas retangulares, (figura 13).

Com os componentes dados, a frequência varia em torno de 1 Hz, mas para alterá-los basta "mexer" com os valores de R ou C. O LED monitora o sinal de 1 Hz.

MULTIVIBRADOR ASTÁVEL COM TRANSISTORES

Um circuito extremamente utilizado em nossas montagens está ilustrado na figura 14. Nessa configuração os dois transistores conduzem alternadamente, ou seja, ora a saída é "1" ora é "0".

No nosso caso, retiramos o sinal de clock do coletor de Q2, mas também poderíamos ter feito o mesmo com QI.

A frequência é dada por:

F = [ 1 / (1,38 x R x C) ]

onde

R1 = R2 = R

C1 = C2 = C

R < 100 kohms . B o transistor

OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO (TUJ)

Esse oscilador emprega um transistor que só possui uma junção P-N (daí seu nome). Três formas de ondas são produzidas, sendo que qualquer uma delas pode ser interpretada como sinal de clock, figura 15.

A frequência de trabalho deste oscilador é calculada pela fórmula:

O termo ⴄ é a razão intrínseca de equilíbrio e varia de 0,4 a 0,9, dependendo do transistor usado. Como geralmente o TUJ é usado é o 2N2646, reduzimos a fórmula para:

F = [ 1 / (1,076 x R x C) ]

A função do resistor R2 é de fixar uma temperatura de operação, enquanto R1 é o caminho de descarga do capacitor, juntamente com a junção emissor-base 1 do TUJ.

GERADOR DE CLOCK COM O 555

Sem dúvida nenhuma, a figura 16 mostra o oscilador de clock mais utilizado pelos projetistas: o famoso 555. Entre as principais vantagens oferecidas por esse componente, podemos citar a boa estabilidade da frequência (maior que 1 %), tensão de alimentação numa extensa faixa (4 a 15 V) e baixíssimo consumo de corrente.

No circuito dado, o capacitor se carrega por R1 e R2 e se descarrega apenas por R2, de forma que a saída permanece a maior parte do tempo em nível "1".

E quando quisermos fazer os tempos de saída iguais ou permanentemente maior em nível "O", o que fazemos?

ASTÁVEL 555 COM CICLO ATIVO CONTROLADO ENTRE 0% E 100%

O "macete" está na figura 17: nesse circuito o capacitor irá carregar-se somente por R1 e descarregar-se por R2. Assim podemos cronometrar qualquer um dos dois níveis de tensão na saída bastando para isso, mexer com os valores de C, R1 ou R2.

Os diodos D1 e D2 podem ser qualquer diodo de uso geral e o capacitor ligado ao pino 5 do Cl é opcional, servindo apenas de desacoplamento.

Finalizando, lembramos que o valor máximo de R1 + R2 é de 3,3 MΩ, enquanto o mínimo é de 1 KΩ, já para o capacitor, o valor mínimo é de 1 nF e o máximo depende da corrente de fuga do mesmo. O 555 trabalha numa frequência máxima de 1 MHz.

OSCILADOR DE 60 Hz VIA REDE

Nos circuitos de relógios, cronômetros, temporizadores, frequencímetros digitais e outros aparelhos a estabilidade da frequência do clock é fator primordial no desenvolvimento do circuito. A frequência da rede domiciliar no Brasil é de 60 Hz (alguns países, 50 Hz) sinal senoidal com amplitude de pico de aproximadamente 311 V.

Como geralmente esses aparelhos possuem uma fonte que utiliza transformador, o que fazemos é "pegar" esse sinal, já isolado da rede, e aplicá-lo num circuito que torne essa onda bem retangular, mas ainda com frequência de 60 Hz, (figura 18).

Esse sinal pode ser injetado em outros divisores de frequência, até gerar a frequência pedida.

OSCILADOR A CRISTAL CMOS

Quando se quer uma grande estabilidade de frequência, a solução mais viável é a que utiliza o cristal de quartzo. Na figura 19, temos um oscilador desse tipo utilizando um Cl 4069 CMOS. O cristal faz parte do elo de realimentação, determina a frequência.

OSCILADOR A CRISTAL TTL

Caso você precise de um sinal para excitar circuitos integrados TTL, damos o circuito da figura 20, utilizando inversores do tipo 7404.

Da mesma forma, o cristal é quem determina a frequência de oscilação.

GERADOR DE 455 kHz COM FILTRO CERÂMICO

Apesar das vantagens, o circuito anterior possui duas desvantagens: a difícil obtenção e o alto custo do cristal.

Visando conciliar a boa estabilidade oferecida pelo cristal, baixo custo e a fácil disponibilidade é que utilizamos o filtro cerâmico. Esse componente possui a aparência externa muito parecida com a de um capacitor cerâmico comum, com a diferença de que ele possui um terminal a mais.

O filtro cerâmico é facilmente encontrado em pequenos rádios AM, (figura 21).

No circuito, o sinal senoidal de 455 kHz é aplicado, via filtro R4/C1 ao transistor Q2, que entrega em sua saída um sinal perfeitamente retangular para uso com circuitos integrados CMOS, (figura 22).

CONCLUSÃO

As aplicações envolvendo osciladores e circuitos geradores de clock não param aqui. É claro que existem muitas outras, que certamente voltarão em outras ocasiões. Finalizando, com este trabalho, acreditamos ter dado uma série de informações que muito lhe ajudará em projetos de contadores, relógios, pisca-piscas, cronômetros, frequencímetros, transmissores, etc.