Um gerador de funções é um dos instrumentos mais interessantes para uma bancada de eletrônica. Com ele podemos produzir sinais elétricos conhecidos e utilizá-los para testar amplificadores, filtros, circuitos de áudio, osciladores e diversas outras montagens.
O problema é que um gerador de bancada profissional pode ser mais equipamento do que realmente precisamos para experiências simples.
Uma alternativa interessante é montar um pequeno kit gerador de funções baseado no circuito integrado ICL8038.
No vídeo deste artigo apresento justamente uma dessas placas: um kit pequeno, relativamente simples de montar e que permite experimentar diferentes formas de onda e frequências.
O que é um gerador de funções?
Um gerador de funções é um equipamento capaz de produzir sinais periódicos com características conhecidas.
Entre as formas de onda mais comuns estão:
senoidal
quadrada
triangular
Dependendo do circuito, também podemos obter sinais em forma de pulso e dente de serra.
O próprio datasheet do ICL8038 especifica a geração de ondas senoidais, quadradas, triangulares, dente de serra e pulsos, utilizando relativamente poucos componentes externos.
Isso faz do componente uma solução particularmente interessante para pequenos geradores de funções.
Para que serve um gerador de funções?
Imagine que construímos um amplificador de áudio.
Para testá-lo, poderíamos conectar uma guitarra ou uma fonte de música. Mas esse sinal varia constantemente e dificulta determinadas medições.
Com o gerador podemos produzir, por exemplo, uma:
senoide de 1 kHz
e aplicá-la à entrada do amplificador.
Temos então:
gerador → amplificador → osciloscópio
Podemos observar como o circuito responde ao sinal.
Também podemos variar a frequência:
100 Hz
1 kHz
10 kHz
e observar o comportamento do amplificador em diferentes regiões do espectro.
O ICL8038
O coração desta placa é o ICL8038, um circuito integrado desenvolvido especificamente para geração de formas de onda e operação como oscilador controlado por tensão.
Ele possui 14 pinos e consegue fornecer simultaneamente as principais formas de onda.
Segundo o datasheet:
pino 2 → onda senoidal
pino 3 → onda triangular
pino 9 → onda quadrada
O pino 10 recebe o capacitor responsável pela temporização, enquanto outros pinos participam dos ajustes de frequência, simetria e forma da senoide.
Isso significa que grande parte do trabalho necessário para construir um gerador já está implementada dentro do próprio circuito integrado.
Como o ICL8038 gera as ondas?
O princípio interno é muito interessante.
Um capacitor externo é carregado e descarregado por fontes de corrente internas.
Podemos imaginar:
capacitor carregando linearmente
↗
capacitor descarregando linearmente
↘
carregando novamente
↗
Esse processo repetitivo produz naturalmente uma onda triangular.
Internamente, comparadores detectam quando a tensão do capacitor atinge determinados níveis e um flip-flop alterna o processo entre carga e descarga. A documentação descreve limites em aproximadamente 1/3 e 2/3 da alimentação.
É um belo exemplo de como várias formas de onda podem ser obtidas a partir do mesmo processo de oscilação.
De onde vem a onda quadrada?
Enquanto o capacitor está sendo carregado e descarregado, o circuito interno precisa alternar entre dois estados.
Essa alternância produz a onda quadrada.
Assim temos:
capacitor → carga/descarga → onda triangular
e simultaneamente:
flip-flop → alternância de estados → onda quadrada
As duas formas de onda ficam disponíveis em saídas diferentes do integrado.
E como aparece a senoide?
Produzir uma senoide é um pouco mais complicado.
O ICL8038 parte da onda triangular e utiliza internamente um circuito de conformação (sine converter) para modificar sua forma, aproximando-a de uma senoide.
Por isso encontramos no circuito integrado pinos destinados ao ajuste da onda senoidal.
O datasheet especifica distorção típica de aproximadamente 1% na saída senoidal, em condições apropriadas de ajuste.
Portanto, não estamos falando de um gerador senoidal de laboratório de altíssima pureza, mas de um resultado bastante útil para muitas experiências e testes.
O capacitor ajuda a determinar a frequência
O capacitor de temporização possui uma função fundamental.
De maneira simplificada:
capacitor menor → carga e descarga mais rápidas → frequência maior
capacitor maior → carga e descarga mais lentas → frequência menor
Os resistores associados ao circuito também participam da determinação das correntes de carga e descarga.
É por isso que muitos kits baseados no ICL8038 possuem seletores de faixa associados a diferentes capacitores e um potenciômetro para ajuste da frequência dentro daquela faixa.
Qual é a faixa de frequência do ICL8038?
Aqui é importante separar duas coisas:
capacidade do circuito integrado
e
capacidade da placa específica que estamos montando.
O datasheet do ICL8038 especifica uma faixa extremamente ampla, de aproximadamente:
0,001 Hz a mais de 300 kHz.
Isso não significa que qualquer kit comercial com ICL8038 cubra automaticamente toda essa faixa.
A frequência efetivamente disponível depende dos resistores, capacitores, potenciômetros e demais componentes utilizados no projeto da placa.
Portanto, para saber a faixa exata do kit do vídeo, precisamos considerar os componentes presentes naquela versão específica.
Podemos alterar a frequência
Essa é uma das principais funções do equipamento.
Girando o controle correspondente podemos modificar a frequência do sinal.
No osciloscópio veríamos:
frequência menor:
/‾\____/‾\____/‾\____
frequência maior:
/‾\/‾\/‾\/‾\/‾\/‾\
O período diminui à medida que a frequência aumenta.
A relação fundamental é:
f = 1 / T
onde:
f = frequência em hertz
T = período em segundos
Assim, uma onda de 1 kHz possui período de aproximadamente:
T = 1 / 1000 = 1 ms
O ciclo de trabalho também pode ser alterado
Outra característica interessante do ICL8038 é a possibilidade de alterar o duty cycle, ou ciclo de trabalho.
O datasheet especifica uma faixa teórica de aproximadamente 2% a 98%.
Em uma onda quadrada simétrica:
tempo ligado ≈ tempo desligado
temos aproximadamente 50%.
Alterando as condições de carga e descarga, podemos produzir pulsos assimétricos.
Essa característica amplia bastante as possibilidades de experimentação com o circuito.
O ICL8038 também pode funcionar como VCO
O componente possui ainda uma característica mais avançada: a frequência pode ser controlada por uma tensão externa.
Nesse caso temos um:
VCO — Voltage Controlled Oscillator
ou:
oscilador controlado por tensão.
O datasheet prevê tanto modulação de frequência quanto sweep por meio de uma tensão externa.
Isso permite construir experiências em que:
tensão de controle varia
↓
frequência varia
↓
sinal de saída muda
É um conceito que aparece em sintetizadores, sistemas de comunicação, geração de sinais e vários outros circuitos.
Por que um kit desses é interessante para aprender eletrônica?
Porque ele reúne vários conceitos em uma única montagem.
Durante a construção podemos trabalhar com:
resistores
capacitores
potenciômetros
circuitos integrados
frequência
período
duty cycle
ondas senoidais
ondas quadradas
ondas triangulares
Depois de montado, o próprio projeto passa a ser uma ferramenta para testar outros projetos.
Isso é particularmente interessante.
Construímos um circuito eletrônico que depois utilizamos para estudar outros circuitos eletrônicos.
Gerador de funções e injetor de sinais
Existe uma ligação muito interessante com o injetor de sinais.
O injetor que montamos anteriormente tem uma proposta bastante simples:
produzir um sinal → injetá-lo em determinado ponto → verificar se o circuito responde
O gerador de funções leva essa ideia adiante.
Agora podemos controlar melhor características do sinal:
forma de onda
frequência
e, dependendo do circuito montado:
amplitude e outros parâmetros.
Assim, o injetor pode ser visto como uma ferramenta muito simples de diagnóstico, enquanto o gerador de funções permite experiências mais controladas.
Gerador de funções + osciloscópio
É aqui que o instrumento se torna ainda mais interessante.
Podemos conectar:
ICL8038 → osciloscópio
e observar diretamente as diferentes formas de onda.
Primeiro selecionamos a saída senoidal.
Depois a triangular.
Depois a quadrada.
Também podemos girar o controle de frequência e observar a forma de onda se comprimindo ou expandindo horizontalmente na tela.
Isso torna conceitos abstratos como frequência e período imediatamente visíveis.
Testando um amplificador
Podemos ainda montar:
ICL8038 → amplificador → osciloscópio
Aplicamos uma senoide à entrada e observamos a saída.
Aumentamos o sinal até perceber:
senoide normal → senoide amplificada → início de clipping
Também podemos variar a frequência e investigar a resposta do circuito.
É uma experiência muito interessante para compreender na prática conceitos que aparecem constantemente em eletrônica aplicada ao áudio.
Testando filtros
Outro exemplo:
gerador → filtro → osciloscópio
Mantemos a amplitude aproximadamente constante e variamos a frequência.
Podemos observar que determinadas frequências passam com maior facilidade enquanto outras são atenuadas.
Isso permite estudar:
filtro passa-baixas
filtro passa-altas
filtro passa-faixa
e diversos circuitos RC.
O ICL8038 é um componente antigo
Existe uma curiosidade importante.
O ICL8038 é um circuito integrado clássico e atualmente consta na documentação oficial como produto obsoleto, sem substituto recomendado pelo fabricante.
Isso não significa que ele tenha deixado de ser interessante para experiências.
Muito pelo contrário.
Kits e componentes compatíveis ainda aparecem no mercado justamente porque o circuito permite construir um gerador bastante didático utilizando poucos componentes externos.
Mas isso também significa que devemos ter atenção à procedência do integrado utilizado em kits atuais.
Ele substitui um gerador de funções profissional?
Não.
E não precisa substituir.
Um gerador moderno de bancada pode oferecer:
controle preciso de frequência
controle de amplitude
offset DC
modulação
memórias
display
geração arbitrária de formas de onda
maior estabilidade e precisão
entre muitos outros recursos.
O pequeno kit com ICL8038 possui outra proposta:
baixo custo + simplicidade + experimentação + aprendizado.
Para uma bancada didática, isso pode ser exatamente o que queremos.
Veja o kit com ICL8038
No vídeo abaixo apresento uma pequena placa em kit para montar um gerador de funções baseado no ICL8038.
É um projeto particularmente interessante porque depois de montado podemos utilizá-lo em muitas outras experiências.
Começamos com:
uma placa + ICL8038 + componentes
e terminamos com:
um instrumento para a bancada.
Um ótimo projeto para compreender formas de onda
Mais do que simplesmente ter um gerador de sinais barato, montar um kit baseado no ICL8038 permite compreender de onde surgem as formas de onda.
O capacitor carrega e descarrega.
O circuito alterna estados.
Surge a onda triangular.
A alternância produz a onda quadrada.
Um circuito interno modifica a triangular para aproximá-la de uma senoide.
E finalmente temos diferentes sinais disponíveis para nossos experimentos.
É exatamente o tipo de projeto que une duas coisas importantes para quem aprende eletrônica:
construir um circuito e compreender o que está acontecendo dentro dele.