Circuito gerador de clock com Schmitt Trigger

Aprenda a desenvolver um circuito oscilador Schmitt Trigger para projetos de eletrônica digital.

Circuito gerador de clock com Schmitt Trigger.

Na eletrônica digital existem dois tipos de sistemas, os assíncronos e síncronos. Um sistema assíncrono apresenta os estados de suas saídas alteradas quando uma ou várias entradas também mudarem, normalmente caracterizado por uma ação humana. Em sistemas síncronos, o tempo exato da mudança das saídas é realizado por transições de sinal de clock, que são pulsos retangulares ou conhecido como onda quadrada, e são distribuídos em todo circuito utilizando flip flops para sincronizar suas operações. Quando o sinal de clock muda para o estado de 0 para 1, ocorre a transição positiva da onda denominando como borda de subida, e mudando de 1 para 0 ocorre a transição negativa ou borda de descida.

Normalmente os sistemas digitais mais complexos são síncronos, porém podem apresentar entradas assíncronas para controle, como no caso do circuito integrado 7474, que possui dois flip flops do tipo D edge triggered que recebem um sinal de clock, mas possuem entradas de SET e CLEAR assíncronas do flip flop S-R interno. Além disso,  sistemas sincronizados entregam uma análise de defeitos (debugging) mais clara ao projetista, pois todos os eventos estão em conjunto com as transições de clock.

Um circuito lógico capaz de gerar um sinal de clock é denominado como um multivibrador astável, sua saída tem a capacidade de oscilar entre dois estados instáveis, ou seja, os estados nunca serão fixos em 0 ou 1 como os multivibradores monoestáveis (temporizadores) e biestáveis (flip flops).

Circuito Schmitt Trigger

O Schmitt Trigger em sua essência é um comparador com realimentação positiva que resulta em uma histerese. O funcionamento interno é destacado pelo saturamento positivo do comparador utilizando um divisor de tensão entre a entrada não-inversora com a tensão de saída. Quando a saída é saturada positivamente, a tensão de referencia será +BVsat, onde a tensão de entrada Vin deve ser maior que +BVsat para alternar entre  os estados de positivo para negativo. Se a saída apresentar um estado de negativo, ela permanecerá até que Vin seja mais negativo que -BVsat, apresentando a mudança de negativo para positivo. Estes pontos de comutação definidos pelas entradas, em que BVsat é o ponto de comutação superior (Upper trip point) e o -BVsat é o ponto de comutação inferior (Lower trip point), onde a diferença entre estes pontos é chamada de histerese.

A histerese é utilizada em Schmitt Triggers para evitar que ruídos gerem disparos aleatórios ou falsos. Um ST sem histerese resulta em um circuito sem realimentação positiva, onde o valor de B será igual a 0, então qualquer sinal com ruído a saída comutará aleatoriamente entre os estados de positivo e negativo e vise-versa. Porém um ST com histerese apresenta um circuito imune a disparos aleatórios de estados, como por exemplo, se o sinal com ruído for menor que a histerese ele não comutará entre os estados.

Circuito Schmitt Trigger.
Circuito Schmitt Trigger.

Oscilador Schmitt Trigger

Existem projetos em que o sistema deve entregar as suas informações de forma ágil, outros devem entregar de uma forma didática, visualizando os dados transitando pelo circuito, ou até mesmo o processo de passo a passo das operações. Com isso deu para perceber que dependendo do projeto, são necessários sinais de clock altos ou baixos. Para essas situações existem os osciladores Schmitt Trigger para clocks baixos e livres de ruídos, o famoso circuito integrado 555 na operação astável, ou utilizando um oscilador com cristal de quartzo para clocks nas faixas de kHz ou MHz.

Podemos desenvolver um circuito lógico gerador de clock utilizando um sinal analógico e o comportamento de troca de estados das portas lógicas NOT ou NAND com sua universalidade. Como o objetivo deste artigo é desenvolver um oscilador para montagens didáticas, é necessário projetar um circuito simples e que forneça uma onda quadrada de forma eficiente. O sinal analógico utilizado na entrada do oscilador é disposto a ter ruídos, gerando picos aleatórios de 0's ou 1's não desejáveis com circuitos integrados comuns, atrapalhando a precisão da onda quadrada para o circuito de clock. Podemos contornar este problema utilizando um circuito que seja capaz de restaurar sinais digitais, para isso utilizamos um circuito Schmitt Trigger.

Comparação entre portas lógicas NOT/Inversora comum e Schmitt Trigger.
Comparação entre portas lógicas NOT/Inversora comum e Schmitt Trigger.

Com todos estes conceitos explicados, podemos iniciar a montagem de um oscilador com portas lógica NAND Schmitt Trigger utilizando o circuito integrado CD4093, no qual as duas entradas são ligadas em conjunto, formando uma porta lógica NOT. O sinal de Vout em forma de onda quadrada é composta por uma frequência medida em Hertz, onde seu valor depende de uma configuração de resistor (R) e capacitor (C). Os limiares de tensão +Vsat e -Vsat ou conforme o datasheet Vt+ e Vt-, interagem com a carga e descarga do conjunto RC, fazendo oscilar a saída conforme explanado no tópico anterior.

Utilizando a matemática podemos projetar este oscilador com mais precisão, descobrindo os valores da frequência desejada ou do resistor. Lembrando que o circuito deve trabalhar na tensão de +5V e temperatura ambiente +25°C.

Cálculo do resistor

Estipulando uma frequência de 30Hz e um valor de 1uF para o capacitor eletrolítico, temos um resultado de 55kΩ, podendo ser utilizando um resistor comercial de 56kΩ.

Cálculo para resistor - Oscilador Schmitt Trigger.
Cálculo para resistor - Oscilador Schmitt Trigger.

Cálculo da frequência 

Utilizando os mesmos valores anteriores para o resistor e capacitor, conseguimos obter uma frequência aproximada da original.

Cálculo para frequência - Oscilador Schmitt Trigger.
Cálculo para frequência - Oscilador Schmitt Trigger.

Projeto na prática

Com estes valores podemos montar no protoboard o oscilador e ver funcionando na prática, para isso separamos uma lista de materiais necessários.

  • 1 Protoboard
  • 1 CD4093 - 4 portas NAND Schmitt Trigger
  • 1 Capacitor eletrolítico de 1uF
  • 1 Capacitor de poliéster/cerâmico de 100nF
  • 1 Resistor de 56kΩ ou 2 resistores de 27kΩ em série.
  • Fios
  • 1 Fonte de alimentação 5V ou módulo de fonte para protoboard
  • 1 Resistor 10K
  • 1 LED
Esquema Oscilador Schmitt Trigger para 30~37Hz.
Esquema Oscilador Schmitt Trigger para 30~37Hz.

A montagem no protoboard deve ficar semelhante a imagem abaixo. 

Projeto de oscilador Schmitt Trigger com CD4093, com frequência de 30~37Hz.
Projeto de oscilador Schmitt Trigger com CD4093, com frequência de 30~37Hz.

Para o projeto foi utilizado uma porta NAND Schmitt Trigger destinado ao oscilador, com um resistor de 56kΩ e um capacitor eletrolítico de 1uF. resultando em um clock de aproximadamente 30Hz, além disso foi utilizado outra porta NAND como buffer recebendo a saída do oscilador. Para observar a frequência colocamos um resistor limitador de corrente e um LED na saída do buffer, você também pode colocar em osciloscópios para analisar a onda quadrada e sua frequência ou carga e descarga do capacitor.

Projeto de clock Schmitt Trigger em PCB.
Projeto de clock Schmitt Trigger em PCB.

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Referências

  1. MALVINO, A, P; Eletrônica: volume 2. 4 ed. Makron Books, 1997.
  2. TOCCI, R, J; WIDMER, N. S; MOSS, G. L; Sistemas digitais: princípios e aplicações. 10 ed. Pearson Prentice Hall, 2008.

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