modelo de relatório de sistemas...

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SERGIPE

COORDENADORIA DE ELETRÔNICA

CIRCUITOS OSCILADORES

Experimentos de Osciladores

Relatório Técnico apresentado como

requisito parcial para obtenção de

aprovação na disciplina de Sistemas

Digitais.

Prof. Edson Barbosa.

Autor: Icaro Meneses Ferreira de Santana

Aracaju/ Sergipe

2015

Sumário

1 - INTRODUÇÃO.........................................................................................................11.1 - Multivibrador......................................................................................................1

1.1.1 - Multivibrador monoestável.........................................................................11.1.2 - Multivibrador astável..................................................................................2

1.2 - Multivibradores com CI's...................................................................................21.2.1 - 74LS121....................................................................................................21.2.2 - 74LS123....................................................................................................31.2.3 - 555.............................................................................................................3

2 - MATERIAIS E MÉTODOS........................................................................................52.1 - Experiência 1....................................................................................................5

2.1.1 - Material utilizado........................................................................................52.2 - Experiência 2....................................................................................................6




2.5.1 - Material utilizado........................................................................................92.6 - Experiência 6..................................................................................................10

2.6.1 - Material utilizado......................................................................................102.7 - Experiência 7...................................................................................................11

2.7.1 - Material utilizado......................................................................................113 - DESCRIÇÃO DAS ATIVIDADES E RESULTADOS...............................................13

3.1 - Experiência 1..................................................................................................133.2 - Experiencia 2..................................................................................................133.3 - Experiencia 3..................................................................................................143.4 - Experiência 4..................................................................................................153.5 - Experiência 5..................................................................................................163.6 - Experiência 6..................................................................................................173.7 - Experiência 7..................................................................................................18

4 - CONCLUSÃO.........................................................................................................195 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................20

1 INTRODUÇÃO

1.1 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]

1.1.1 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

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]

1.2.1 74LS121

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

1.2.2 74LS123

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+0,7Rt

)

1.2.3 555

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

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

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 1

2.1.1 Material utilizado

1 CI 74121

1 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

Figura 1 – Monoestável com o 74121

2.2 Experiência 2


1 CI 74123

1 Resistor 47kΩ



abaixo e anotar os valores pedidos.

6

Figura 2 – Monoestável regatilhável com o 74123

2.3 Experiência 3


1 CI 74LS04

1 CI 74LS86

1 CI 74LS74


abaixo e observar os resultados obtidos.

7

Figura 3 – Monoestável com gates

2.4 Experiência 4


1 CI 74LS123

1 Resistor de 33kΩ

1 Resistor de 47kΩ

2 Capacitores de 220μF


abaixo e anotar os resultados obtidos.

8

Figura 4 – O 74LS123 como Astável

2.5 Experiência 5


1 CI 555

1 Resistor de 33kΩ

1 Capacitor de 0,01μF



abaixo e observar os resultados obtidos.

9

Figura 5 – O 555 como Monoestável

2.6 Experiência 6


1 CI 555

1 Resistor de 33kΩ

1 Resistor de 10kΩ

1 Capacitor de 0,01μF




10

Figura 6 – O 555 como astável.

2.7 Experiência 7


1 CI 74LS13

1 Resistor de 1kΩ

2 Capacitores 220μF



11

Figura 7 – 74LS13 como Astável

12

3 DESCRIÇÃO DAS ATIVIDADES E RESULTADOS

3.1 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 74121 é um

monoestável não regatilhável.

3.2 Experiencia 2


abaixo.

13

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


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

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


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 74123 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

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


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


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

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experimento pode observar que nesta configuração o 555 funciona como um

multivibrador monoestável.

3.6 Experiência 6


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


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.

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3.7 Experiência 7


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 74121 eram entradas de um schmitt-

trigger.

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.

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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.

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5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Módulo de experimentos do Datapool 8410

Capítulo de Osciladores Monoestáveis e astáveis

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