Criando um gerador simples de função

Introdução

Um gerador de funções (ou gerador de sinais) é um dispositivo capaz de produzir diferentes formas de onda periódicas tipicamente senoidais, quadradas e triangulares dentro de uma faixa de frequências ajustável. Essa ferramenta é essencial em laboratórios de eletrônica e no ensino, pois permite testar circuitos e analisar o comportamento de dispositivos submetidos a diversos sinais de entrada. Diferentemente de um oscilador de precisão, o gerador de funções se destaca pela versatilidade possibilita variar forma de onda, frequência e amplitude do sinal para simular diferentes condições em projetos eletrônicos.Neste tutorial, vamos construir passo a passo um gerador de funções simples, adequado para fins educacionais e didáticos. Em vez de usar um CI especializado (XR2206/ICL8038, comuns em geradores comerciais, recorreremos a componentes básicos principalmente um CI lógico da família CMOS 4000 para entender os princípios fundamentais por trás da geração de ondas. O objetivo é demonstrar na prática como um oscilador controlado pode gerar formas de onda básicas, a partir das quais outras formas (como a senoidal) podem ser derivadas. Ao final, teremos saídas de onda quadrada e triangular em diferentes frequências, suficientes para experimentos simples em bancada.

Componentes Principais do Circuito

• Diodos: Dois 1N4148 controlam caminhos de carga/descarga, favorecendo rampa simétrica e estabilidade. Topologias com dois diodos e dois resistores reduzem a dependência dos limiares e da temperatura

• CI HEF4069UB (Inversor Hexagonal Não-Bufferizado): Coração do circuito. CI CMOS com seis inversores (NOT) no mesmo encapsulamento. A versão "UB" permite operação em modo analógico. Opera entre 3 V e 15 V. Entradas não utilizadas devem ser amarradas ao VDD ou VSS para evitar instabilidade. Uma alternativa é o CI 4093 (NAND Schmitt-Trigger), que também forma osciladores RC com facilidade.

• Diodos: Dois 1N4148 controlam caminhos de carga/descarga, favorecendo rampa simétrica e estabilidade. Topologias com dois diodos e dois resistores reduzem a dependência dos limiares e da temperatura

• Resistores e Potenciômetros: Definem as constantes de tempo RC; um potenciômetro permite ajustar a frequência e, com diodos/resistores distintos, o duty cycle.

• Capacitores: O capacitor do oscilador carrega/descarga continuamente (rampa). A frequência é aproximadamente f ≈ 1/(R·C). Capacitores de desacoplamento (100 nF + 10 µF) próximos ao CI estabilizam a alimentação.

• Fonte de Alimentação: O 4069UB aceita 3–15 V. Use 5 V para compatibilidade TTL/CMOS ou 9–12 V para maior amplitude.

Funcionamento do Circuito Oscilador

O circuito é um oscilador de relaxação com o 4069UB e uma rede RC. A saída do inversor carrega/descarrega o capacitor na entrada; ao cruzar os limiares do CMOS, o inversor comuta, reiniciando o ciclo e produzindo onda quadrada. No nó do capacitor, obtém-se uma rampa (dente-de-serra). Diodos em paralelo inverso com o resistor de realimentação definem caminhos de carga (R1) e descarga (R2), permitindo duty cycle próximo de 50% e rampas mais lineares. Usamos duas portas: a primeira oscila e a segunda bufferiza a saída, isolando o nó RC.

Expressões Matemáticas

Aproximações úteis para dimensionamento (válidas para faixas usuais e diodos simétricos):

onde R_eq é o valor efetivo visto pelo capacitor em um período médio (ajustável via potenciômetro).

Exemplo numérico:

Montagem do Circuito Passo a Passo

1) Montagem do Oscilador Básico: escolha uma porta (p.ex., IN no pino 1, OUT no pino 2). Capacitor do IN ao GND; resistor e dois diodos entre OUT e IN em paralelo e sentidos opostos. Amarre entradas não usadas a VDD/VSS. Desacople VDD com 100 nF próximo ao CI.
2) Controles de Frequência: substitua o resistor por potenciômetro (1 MΩ em série com 100 kΩ). Varie C para mudar faixas (10 nF a 1 µF).
3) Buffer e Saídas: a segunda porta do 4069UB bufferiza a onda quadrada. A rampa do nó RC sai via acoplamento AC (capacitor série + resistor de referência ao GND).
4) PCB (Opcional): o repositório possui esquemático e PCB prontos. Mantenha trilhas curtas no nó RC e use bom desacoplamento.

Testes e Resultados

Alimente com 9 V. Na saída bufferizada, observe onda quadrada com amplitude próxima a VDD. Na saída em rampa (via acoplamento AC), observe onda dente-de-serra centrada em 0 V. Variando o potenciômetro, ambas as frequências mudam em conjunto. O 4093 pode atingir MHz; o 4069UB opera confortavelmente em dezenas a centenas de kHz. Duty cycle pode ser ajustado pela relação R1/R2.

Conclusão

O gerador proposto é excelente para fins didáticos: demonstra oscilador de relaxação, histerese efetiva e modelagem de forma de onda com diodos. Pode ser aprimorado com buffers de op-amp (baixa impedância de saída) e conformadores para senoidal. Arquivos do projeto (esquema, layout, BOM) estão no repositório em github.com/aragonxpd154/Simple-Signal-Generator.

Referências

• makerhero.com – artigos introdutórios sobre geradores de função e formas de onda.

• github.com/aragonxpd154/Simple-Signal-Generator – repositório do projeto (esquemático/PCB).

• assets.nexperia.com – notas de aplicação/datasheet do 4069UB (osciladores RC).

• newtoncbraga.com.br – uso prático de 4093/CMOS em osciladores e temporizadores.