Conversor de onda quadrada simples para onda senoidal

O circuito conversor de onda quadrada em onda senoidal é um importante circuito analógico que converte formas de onda quadradas em formas de onda seno. Ele tem um amplo espectro de aplicações em muitas áreas diferentes da eletrônica, como em operações matemáticas, acústica, aplicações de áudio, inversores, fonte de alimentação, gerador de função, etc.

Neste projeto, discutiremos como funciona um circuito conversor de onda quadrada em onda senoidal e como ele pode ser construído usando eletrônica passiva simples. Você também pode verificar outros circuitos geradores de forma de onda listados abaixo.

• Circuito gerador de onda quadrada
• Circuito gerador de onda senoidal
• Circuito Gerador de Ondas Triângulo
• Circuito gerador de onda dente de serra

Conversor Quadrado para Onda Senoidal usando Rede RC

Um conversor de onda quadrada em onda senoidal pode ser construído usando 6 componentes passivos, ou seja, capacitores e três resistores. Usando esses três capacitores e três resistores, uma rede RC de 3 estágios pode ser construída, tendo uma onda quadrada como entrada e uma onda senoidal como saída. Um circuito de rede RC simples de estágio único é mostrado abaixo.

No circuito acima, um filtro RC de estágio único é mostrado onde um único resistor e um único capacitor são usados. O circuito acima é bastante simples. O capacitor é carregado dependendo do status da onda quadrada. Se a onda quadrada na entrada estiver em uma posição alta, o capacitor será carregado, e se a onda quadrada estiver em uma posição baixa, o capacitor será descarregado.

Uma onda de sinal variável, como uma onda quadrada, tem uma frequência; dependendo dessa frequência, a saída dos circuitos é alterada. Devido a este comportamento do circuito, o filtro RC é denominado circuito integrador RC. Um circuito integrador RC altera a saída do sinal dependendo da frequência e pode alterar a onda quadrada para uma onda triangular ou a onda triangular para uma onda senoidal.

Diagrama de circuito do conversor de onda senoidal para quadrado

Neste tutorial, estamos usando esses circuitos integradores RC (redes de filtros RC) para converter onda quadrada em onda senoidal. O diagrama completo do circuito do conversor é fornecido abaixo e, como você pode ver, ele possui apenas alguns componentes passivos.

O circuito consiste em três estágios de circuitos de filtro RC. Cada estágio tem seu próprio significado de conversão, vamos entender o funcionamento de cada estágio e como ele contribui para a conversão de onda quadrada em onda senoidal observando a simulação da forma de onda

Princípio de funcionamento do conversor de onda quadrada

Para saber como funciona o conversor de onda quadrada em onda senoidal, é necessário entender o que está acontecendo em cada estágio do filtro RC.

Primeira etapa:

No primeiro estágio da rede RC, possui resistor em série e capacitor em paralelo. A saída está disponível no capacitor. O capacitor é carregado através do resistor em série. Mas, como o capacitor é um componente dependente da frequência, leva tempo para carregar. No entanto, essa taxa de carga pode ser determinada pela constante de tempo RC do filtro. Ao carregar e descarregar o capacitor, e como a saída vem do capacitor, a forma de onda é altamente dependente da tensão de carga do capacitor. A tensão do capacitor durante o tempo de carga pode ser determinada pela fórmula abaixo

V _C = V (1 - e ^{- (t / RC)})

E a tensão de descarga pode ser determinada por -

V _C = V (e ^{- (t / RC)})

Portanto, a partir das duas fórmulas acima, a constante de tempo RC é um fator importante para determinar quanta carga o capacitor armazena, bem como quanta descarga é feita para o capacitor durante uma constante de tempo RC. Se selecionarmos o valor do capacitor como 0,1uF e o resistor como 100 k-ohms como a imagem abaixo, ele terá uma constante de tempo de 10 milissegundos.

Agora, se 10ms de uma onda quadrada constante for fornecida através deste filtro RC, a forma de onda de saída será assim devido à carga e descarga do capacitor na constante de tempo RC de 10ms.

A onda é a forma de onda exponencial em formato parabólico.

Segundo estágio:

Agora, a saída do primeiro estágio da rede RC é a entrada do segundo estágio da rede RC. Esta rede RC pega a forma de onda exponencial em formato parabólico e a torna uma forma de onda triangular. Usando o mesmo cenário de carga e descarga constante RC, os filtros RC de segundo estágio fornecem uma inclinação ascendente reta quando o capacitor é carregado e uma inclinação reta descendente quando o capacitor é descarregado.

A saída deste estágio é a saída de rampa, uma onda triangular apropriada.

Terceira etapa:

Neste terceiro estágio da rede RC, a saída da segunda rede RC é a entrada do terceiro estágio da rede RC. Ele pega a onda de rampa triangular como uma entrada e, em seguida, muda as formas das ondas triangulares. Ele fornece uma onda senoidal onde as partes superior e inferior da onda triangular se suavizam, tornando-as curvas. A saída é muito próxima a uma saída de onda senoidal.

Seleção de valores R e C para o circuito conversor de onda quadrada

O valor do capacitor e do resistor é o parâmetro mais importante deste circuito. Porque, sem o capacitor e o valor do resistor adequados, a constante de tempo RC não corresponderá a uma determinada frequência e o capacitor não terá tempo suficiente para carregar ou descarregar. Isso resulta em uma saída distorcida ou mesmo em alta frequência, o resistor funcionará como um único resistor e pode produzir a mesma forma de onda que foi fornecida na entrada. Portanto, os valores do capacitor e do resistor devem ser escolhidos corretamente.

Se a frequência de entrada pode ser alterada, pode-se escolher um capacitor aleatório e um valor de resistor e alterar a frequência de acordo com a combinação. É bom usar o mesmo valor de capacitor e resistor para todos os estágios do filtro.

Para uma referência rápida, em baixas frequências, use um capacitor de valor mais alto e, para frequências altas, escolha um capacitor de valor mais baixo. No entanto, se todos os componentes, R1, R2 e R3 são o mesmo valor e todos os capacitores C1, C2, C3 são o mesmo valor, o capacitor e o resistor podem ser selecionados usando a fórmula abaixo -

f = 1 / (2π x R x C)

Onde F é a frequência, R é o valor da resistência em Ohms, C é a capacitância em Farad.

Abaixo, o esquema é um circuito integrador RC de três estágios descrito anteriormente. No entanto, o circuito usa capacitores de 4,7nF e resistores de 1 kilo-ohms. Isso cria uma faixa de frequência aceitável na faixa de 33 kHz.

Testando nosso circuito conversor de onda quadrada para senoidal

O esquema é feito em um breadboard e um gerador de função junto com um osciloscópio é usado para verificar a onda de saída. Se você não tem um gerador de função para gerar a onda quadrada, você pode construir seu próprio gerador de onda quadrada ou até mesmo um Gerador de forma de onda Arduino que pode ser usado para todos os projetos relacionados a forma de onda. O circuito é muito simples e, portanto, é facilmente construído na placa de ensaio, como você pode ver abaixo.

Para esta demonstração, estamos usando um gerador de função e como você pode ver na imagem abaixo, o gerador de função está configurado para a saída de onda quadrada de 33 kHz desejada.

A saída pode ser observada em um osciloscópio, um instantâneo da saída do osciloscópio é fornecido abaixo. A onda quadrada de entrada é mostrada na cor amarela e a onda senoidal de saída é mostrada na cor vermelha.

O circuito funcionou conforme o esperado para uma frequência de entrada variando de 20kHz a 40kHz, você pode consultar o vídeo abaixo para obter mais detalhes sobre como o circuito funciona. Espero que você tenha gostado do tutorial e aprendido algo útil. Se você tiver alguma dúvida, deixe-as na seção de comentários abaixo. Ou você também pode usar nossos fóruns para postar outras questões técnicas.