Generadores de Audio y de Funciones by Diego Vallejo

AUDIO

Generadores de Audio y de Funciones Un generador de funciones de buenas característi cas es un excelente instrumento para un laborato rio de audio. Sabemos que un aficionado puede reemplazarlo por un disco grabado, una PC, etc. Pero cuando nuestro tallercito comienza a trepar de categoría, debe estar dotado con un generador de audio por lo menos y un generador de funciones por lo más. AUTOR: ING. ALBERTO H. PICERNO picernoa@ar.inter.net picernoa@fullzero.com.ar www.picerno.com.ar

Introducción Un generador de audio es un dispositivo que genera una señal senoidal de frecuencia comprendida entre unos 20Hz y unos 200kHz (aunque el límite de audición humana esté en 20kHz). También posee un medio para variar la tensión de salida (atenuador). Un generador de funciones genera señal diente de sierra, rectangular o senoidal de 20Hz a 200kHz; con atenuador y posibilidad de variar el período de actividad de la señal rectangular o la simetría de la triangular. Hay mil formas de diseño de un generador senoidal. Cualquier amplificador con una red de realimentación positiva es un oscilador en potencia. Pero muy pocos tienen las características deseadas de baja distorsión y estabilidad de la salida. El grado de realimentación del oscilador es por lo general el talón de Aquiles de los osci-

ladores senoidales. Un pequeño cambio en el grado de realimentación hace que el oscilador varíe su salida o se corte. Por eso se requiere un control de la realimentación positiva que habitualmente se realiza con una pequeña lámpara incandescente cuya resistencia varía con la temperatura del filamento, también se utilizan transistores MOSFET lineales en su zona activa, como resistores variables con la tensión rectificada de salida. Pero lo mejor es diseñar un generador de funciones y comenzar por la señal triangular que es muy fácil de generar con un método similar al que utiliza el 555. Luego esta señal triangular se debe transformar en una señal rectangular, con un CI comparador y en una senoide con un conversor adecuado. No hay problemas de estabilidad ni de variación de frecuencia y además es muy simple fabricar un generador de barrido de audio para el ajuste de cajas

acústicas. Entre las diferentes opciones de circuitos integrados dedicados optamos por el ICL8038 de Intersil que posee muy buena información y circuitos de aplicación para todas las necesidades y que es muy sencillo de conseguir en toda America, además de requerir muy pocos materiales periféricos y poseer un simple ajuste de la frecuencia con un potenciómetro lineal y ser muy estable con la temperatura, tanto de la frecuencia como de la amplitud de la salida. Como característica particular de este integrado tenemos que se pueden sacar las tres formas de señal al mismo tiempo, o seleccionarlas con una llave mecánica o electrónica.

Características del 8038 El circuito integrado 8038 es un generador de tensión con una forma de señal de precisión con-

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Audio Bajo corrimiento de la frecuencia con la temperatura ……………..250 ppm/ºC Baja distorsión ………………………..........................................…..1% (señal sinusoidal de salida) Alta linealidad …………………………..........................................…0.1% (salida triangular) Amplio rango de frecuencia ……….........................................…….0.001 Hz a 300 KHz Tiempo de actividad variable………….........................................…2% a 98% Altos niveles de salida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....................... . TTL to 28V Salida Simultanea sinusoidal, triangular y cuadrada Listo para usar - justo con la menor cantidad de componentes Tabla 1 trolada por tensión. Es un circuito integrado monolítico capaz de generar una forma de señal con gran precisión del tipo rectangular; sinusoidal y triangular tanto como pulsos diente de sierra. Requiere una minima cantidad de componentes periféricos. La frecuencia de funcionamiento puede ser variada exteriormente desde 0.001Hz hasta 300kHz utilizando capacitares y resistores. Se puede diseñar un generador de frecuencia modulada utilizando una tensión externa que provea el tipo de barrido deseado. La tecnología utilizada es del tipo diodo Schottky y resistores de película fina. La salida es estable dentro de un amplio rango de temperaturas y de tensiones de fuente. Vemos las características en la tabla 1. En la figura 1 se puede obser-

var el pin-up del circuito integrado y un diagrama en bloques de su funcionamiento. El funcionamiento del circuito está basado en dos generadores de corriente que cargan o descargan alternativamente a un sólo capacitor C. Cuando la llave está abierta el generador de corriente 1 carga al capacitor C a una corriente I. Cuando la llave se sierra el generador de corriente 2 descarga al capacitor a una corriente 2I. Como el generador 1 permanece conectado en realidad el capacitor se descarga a 2I-I = I. es decir que se carga y descarga siempre al mismo valor de corriente I. Si la corriente de carga es I el capacitor se carga aún ritmo lineal de tensión y luego se descarga al mismo ritmo que se cargó. La llave que realiza el cambio

de estado de carga a descarga, está controlada por un flip-flop que a su vez está comandado por dos comparadores programados a 2/3 de la tensión de fuente el 1 y a 1/3 el 2. De este modo la tensión sobre el capacitor fluctúa variando linealmente entre 1/3 y 2/3 de la tensión de fuente. Cuatro formas de señal son obtenibles de este circuito generador básico. Cuando las fuentes de corriente trabajan a corriente I y 2I la carga y descarga del capacitor C se produce en tiempos iguales y sobre el mismo se crea una señal triangular. El flip-flop que controla la llave genera al mismo tiempo una señal cuadrada. Estas señales son accesibles por medio de etapas repetidoras que proveen baja impedancia en la patas 3 y 9. Los valores de las fuentes de

Fig. 1 Pin-up y diagrama en bloques del circuito integrado.

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Fig. 2 Formas de señal simétricas y asimétricas

Fig. 3 Dos formas de conexión para variar el período de actividad.

corriente son determinados sobre un amplio rango con dos resistores externos accesibles por el usuario. De este modo es posible seleccionar valores diferentes para el generador 1 y 2 de modo de generar períodos diferentes de la onda cuadrada o triangular; es decir que completamos las cuatros formas de señal con un pulso con un tiempo de actividad comprendido entre 1 y 99% y un diente de sierra asimétrico entre el 1 y el 99%. La forma de señal senoidal se genera partiendo de la triangular aplicada a una red no lineal (conversor sinusoidal). Esta red provee un decrecimiento de la impedancia shunt tanto como del potencial de la señal triangular, para generar la señal senoidal punto por punto, entre los dos extremos mínimo y máximo de la triangular. Ver la figura 2. A continuación vamos a anali-

zar la formas de ajuste del período y del período de actividad. Hasta ahora no explicamos cómo se ajusta el período de una determinada forma de señal (o la frecuencia de salida). La simetría de todas las formas de señal puede ser ajustada con un resistor temporizador externo. Las dos posibilidades de conexión son mostradas en la figura 3. En la figura 3 se pueden observar dos posibles formas de conexión de los resistores externos que ajustan la corriente de carga y descarga de C. Los mejores resultados se obtienen utilizando re-

sistores independientes Rb y Ra (Izquierda). Ra controla la carga del capacitor C y RB la descarga. El valor pico a pico de la forma de señal triangular es 1/3 de la tensión de fuente (V+ + V-) ya que varia entre 1/3 y 2/3 de ella. La sección creciente de la señal triangular o la sinusoidal corresponde con el uno de la rectangular. La sección descendente de la forma de señal triangular o sinusoidal corresponde con el cero de la señal rectangular. Ambas secciones son iguales cuando Ra = Rb es decir cuando el período de actividad es del 50%.

Fig. 4. Ecuaciones de los tiempos de crecimiento y decrecimiento.

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Audio Las secciones crecientes o decrecientes tienen una duración dada por las fórmulas de la figura 4. Si el período de actividad sólo debe variar cerca del 50% entonces se puede usar el circuito de la derecha. Pero aclaramos que un potenciómetro de 1kΩ no es suficiente para ajustar el período de actividad en el 50% para todos los CIs. Algunos requerirán un potenciómetro de 2kΩ o de 5kΩ. Cuando se usan resistores RA y Rb separados la frecuencia se

Fig. 5 - Formula de la fre cuencia para RA distinto a RB.

puede determinar por la fórmula de la figura 5. Cuando RA se iguala con RB la fórmula se reduce a f = 0,33/RC en donde R = RA = RB. En la práctica esto permite construir un generador sin posibilidad de variación del período de actividad usando como RA y RB un potenciómetro estereofónico en tande. Con lo cual se reducen al mínimo los componentes periféricos. Como podemos observar; la frecuencia no depende de la tensión de fuente debido a que la misma se cancela por el simple hecho de tomar la amplitud de la señal triangular como una proporción de la tensión de fuente (los puntos de inflexión de los comparadores cambian también con la tensión de fuente).

Reducción de la Distorsión Senoidal La sección más importante del circuito integrado es el conversor de triangular a senoidal. Realmente es una verdadera joyita del diseño que muy bien puede ser armada con componentes discretos. En nuestro caso lo que hicimos para verificar su funcionamiento fue realizar una simulación en Multisim. Vea la figura 6. ¿Cómo funciona el conversor? Tiene como base un circuito atenuador con una resistencia superior de 1kΩ que indicamos como R24. El resistor inferior del divisor no es tal sino que es un circuito activo muy complejo que se comporta como resistor variable con

FIG. 6 - Simulación del conversor triangular senoidal.

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Generadores de Funciones la tensión. En el centro de la triangular tiene impedancia infinita; en las puntas tiene una impedancia de unos 3kΩ produciendo una pequeña atenuación suficiente para recortar los picos y realizar una conversión de forma de señal. En las tensiones intermedias hay atenuaciones intermedias. En la figura 7 se puede observar la forma de señal antes del resistor R24 y después del mismo con el potenciómetro exterior R25 ajustado a minima distorsión tratando de que los dos picos tengan la misma amplitud. Para minimizar la distorsión se debe agregar un resistor de 82kΩ entre la pata 12 y masa llegando a valores del orden del 1%. Si se desea aún menos distorsión se pueden conectar dos presets de acuerdo a la figura 8 que ajustados correctamente llevan la distorsión a valores del orden del 0,5% que son perfectamente adecuados para el trabajo de un reparador o un fabricante de amplificadores. Menores distorsiones sólo son posibles utilizando generadores profesionales que cuestan miles de dólares y sólo suelen llegar a niveles de distorsión de 0,1%. Realmente suponemos que en los amplificadores en que el fabricante indica distorsiones de 0,003% se trata de valores teóricos calculados en función de reducir la realimentación a niveles medibles y luego calcular en cuanto se reduce al poner toda la realimentación. Para ajustar los presets se requiere un medidor de distorsión porque una distorsión del orden del 1% no es apreciable en un osciloscopio cuya distorsión es de ese orden. En la simulación se puede colocar un medidor de distorsión pero se observa que la misma no baja del 3% aunque los dos preset ajustan el mínimo perfecta-

mente. Suponemos que se trata de un problema con los transistores ya que usamos BC548 y BC558 por no saber cuáles utilizar realmente.

Selección de los Valores de R1 R2 y C. Para el mismo rango de salida existen diferentes combinaciones de R y C posibles. Pero de todas, siempre existe una más adecuada para el valor de corriente de

carga y descarga que determinen una óptima performance. Los valores de corriente final del orden del uA son indeseables por ser altamente influenciados por las corrientes de pérdidas que son muy dependientes de la temperatura. A corrientes mayores a 5mA el beta de los transistores y las tensiones de saturación contribuyen a incrementar los errores. Una performance óptima se obtiene con valores de corriente de 10µA a 1mA. Si las patas 7 y 8 son cortocircuitadas el dispositivo se

Fig.7 - Señal triangular convertida a senoidal.

Fig. 8 - Reductores de distorsión

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Fig. 9 - Sección de los generadores de corriente y el VCO.

transforma en un VCO (Voltage Controler Oscilator = oscilador controlado por tensión) en donde la frecuencia puede depender de la tensión aplicada a la pata 7 por un divisor R1/R2 externo. En la figura 9 se puede observar el circuito interno y externo de esta sección. En este dibujo podemos observar la ubicación de los componentes internos y de los externos R1, R2, RB, RA y C.

Con los valores indicados para R1 y R2 y con el cortocircuito entre 7 y 8 la corriente de carga debido a RA puede ser determinada por la ecuación de la figura 10. Un cálculo similar puede ser realizado para la corriente de descarga obteniéndose una fórmula similar pero conteniendo a RB. El capacitor C debe ser elegido en el extremo superior de su rango.

te simple de 10 a 30V o con fuentes dobles de ± 5 a ± 15V. Con fuente simple, el nivel de tensión media triangular o sinusoidal son exactamente la mitad de la tensión de fuente; con salida de onda cuadrada la oscilación va de masa a fuente. La doble fuente posee la ventaja de que la señal oscila simétricamente con el terminal de masa. La salida de onda rectangular es un transistor en disposición “open colector” (colector abierto) de ese modo esta salida puede utilizarse con diferentes tensiones de fuente. Por ejemplo la fuente general puede ser de 12V pero la salida rectangular por la pata 9 puede conectarse con un resistor a +5V o a +3,3V adoptando la tensión de la lógica TTL o la TTL de bajo consumo (verde).

Uso como Barredor de Au dio (Modulación de Frecuencia)

La frecuencia de la forma de señal de este generador es función de la tensión continua de la pata 8 (medida a +B). Alterando esta tensión se puede lograr una modulación de frecuencia. Alterando esta tensión se cambia la frecuencia de salida generando Control de la Forma de la una modulación de frecuencia. Señal de Salida y Fuentes Para pequeñas desviaciones de frecuencia (por ejemplo 10%) Fig. 10 - Magnitud de la co El generador de funciones la señal de modulación puede ser rriente de carga. puede ser operado con una fuen- aplicada directamente a la pata 8 por medio de un capacitor de desacoplamiento de la continua. Ver la figura 11. No es necesario un resistor externo entre las patas 7 y 8, pero puede ser utilizado para aumentar la impedancia de entrada de alrededor de 8kΩ (que se Fig. 11 - Modulación de frecuencia Fig. 12 Modulación de frecuencia de alta obtiene cuando las pade baja profundidad. profundidad tas 7 y 8 de son co-

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Generadores de Funciones nectadas entre sí. La impedancia aumentará a unos R+8kΩ en este caso. Para mayores modulaciones de frecuencia la señal de modulación se debe aplicar directamente entre la pata positiva de fuente y la pata 8. Ver la fig. 12. Por esta vía se crea una fuente de corriente permanente que varia la frecuencia por modulación de elevada profundidad tal como 1000:1. Esta modulación es tal que para frecuencia mínima la tensión VSWEEP debe ser igual a cero, o lo que es lo mismo la tensión de la pata 8 debe estar conectada a la fuente positiva V+. En este caso se debe tener el cuidado de regular la tensión de alimentación, ya que si bien la corriente de carga no es una función de la tensión de alimentación si lo son los umbrales de activación y

por lo tanto la frecuencia se vuelve dependiente de la tensión de alimentación. El potencial de la pata 8 puede ser barrido por debajo de V + hasta 2 V por debajo de 1/3V+.

Aplicaciones Típicas La salida de onda senoidal tiene una impedancia relativamente alta (típico 1kΩ). En el circuito de la figura 6 se presenta un búfer con control de nivel que soluciona este problema. En este circuito se aprovechó para lograr una amplificación de la señal pero si no fuera necesario se podría utilizar un simple amplificador operacional como repetidor. Ver la figura 13. Para usar como señal estroboscópica de audio (un pulso de alterna de una frecuencia deter-

Fig. 13 - Amplificación de la tensión de salida.

Fig. 15 - Oscilador con variación de fre cuencia de 20Hz a 20kHz.

minada un descanso, otro pulso, etc. se puede utilizar un circuito como el de la figura 14, en donde se agregó una llave a FET y un diodo and con una señal STROBE de baja frecuencia. En estos caso suele ser importante que el arranque del tren de pulsos sea siempre con la senoide en cero. En este caso ocurre, porque aunque la levante el pulso rectangular STROBE la senoide no arranca hasta que se produzca un pulso ascendente de la salida rectangular de la pata 9 que siempre coincide con el cero de la senoide. Un caso práctico es realizar un oscilador con una relación de frecuencia de 1000:1 usando un solo valor de capacidad C cosa que es una performance muy buena para un generador porque simplifica su fabricación y permite cubrir toda la banda de audio mo-

Fig. 14 - Generador de au dio con señal STROBE.

Fig. 16 - VCO lineal.

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Fig. 17 - Variación del consumo y la frecuencia con la tensión de fuente.

Fig. 18 - Curva temperatura frecuencia y tiempos de estableci miento y decaimiento.

Fig. 19 - Corriente de carga vs saturación y vs pico normalizado de salida.

Fig. 20 - Tensión de salida normalizada y linealidad en función de la frecuencia.

viendo un solo control. Cosa imposible de realizar en un oscilador por realimentación porque luego de cambiar la frecuencia es necesario esperar que se estabilice. Para obtener un rango de barrido de 1000:1 en el ICL8038 la tensión sobre las resistencias externas RA y RB debe disminuir hasta casi cero. Esto significa que la tensión más alta en la pata 8 de control debe sobrepasar la tensión de la fuente de RA y RB por unos pocos cientos de mV. El circuito de la figura 15 logra esto utilizando un diodo para bajar la tensión de alimentación. La gran resistencia existente en la pata 5 ayuda a reducir el ciclo de variación. La linealidad de la tensión de entrada de barrido con respeto a la frecuencia puede mejorarse considerablemente mediante el uso de un amplificador operacional, como se muestra en la Figura 16. Este último circuito ya es un generador de funciones práctico si Ud. no pretende cambiar el tiempo de actividad entre valores muy grandes. Solo requiere un potenciómetro lineal de 1kΩ sobre la entrada conectado entre masa y la fuente negativa y obtendrá una frecuencia senoidal cuadrada o triangular variable entre 20Hz y 20kHz con un solo valor de capacidad de 3.9nF. Si desea extender el rango puede usar dos capacitores: uno de 8.2nF para ir de 10Hz a 10kHz y otro de 820pF para ir de 100Hz a 100kHz.

Curvas Características

Fig. 21 - Tensión de salida y distorsión en función de la frecuencia.

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En la figura 17 y sucesivas se pueden observar las curvas más características del 8038 para que Ud pueda realizar todos las modificaciones a nuestro proyecto que considere necesario. ✪