Introducción

Un generador de audio es undispositivo que genera una señalsenoidal de frecuencia compren-dida entre unos 20Hz y unos200kHz (aunque el límite de audi-ción humana esté en 20kHz).También posee un medio para va-riar la tensión de salida (atenua-dor).

Un generador de funciones ge-nera señal diente de sierra, rec-tangular o senoidal de 20Hz a200kHz; con atenuador y posibili-dad de variar el período de activi-dad de la señal rectangular o la si-metría de la triangular.

Hay mil formas de diseño deun generador senoidal. Cualquieramplificador con una red de reali-mentación positiva es un osciladoren potencia. Pero muy pocos tie-nen las características deseadasde baja distorsión y estabilidad dela salida. El grado de realimenta-ción del oscilador es por lo gene-ral el talón de Aquiles de los osci-

ladores senoidales. Un pequeñocambio en el grado de realimenta-ción hace que el oscilador varíesu salida o se corte. Por eso se re-quiere un control de la realimenta-ción positiva que habitualmentese realiza con una pequeña lám-para incandescente cuya resisten-cia varía con la temperatura del fi-lamento, también se utilizan tran-sistores MOSFET lineales en suzona activa, como resistores va-riables con la tensión rectificadade salida.

Pero lo mejor es diseñar ungenerador de funciones y comen-zar por la señal triangular que esmuy fácil de generar con un méto-do similar al que utiliza el 555.Luego esta señal triangular se de-be transformar en una señal rec-tangular, con un CI comparador yen una senoide con un conversoradecuado. No hay problemas deestabilidad ni de variación de fre-cuencia y además es muy simplefabricar un generador de barridode audio para el ajuste de cajas

acústicas. Entre las diferentesopciones de circuitos integradosdedicados optamos por elICL8038 de Intersil que poseemuy buena información y circuitosde aplicación para todas las nece-sidades y que es muy sencillo deconseguir en toda America, ade-más de requerir muy pocos mate-riales periféricos y poseer un sim-ple ajuste de la frecuencia con unpotenciómetro lineal y ser muy es-table con la temperatura, tanto dela frecuencia como de la amplitudde la salida.

Como característica particularde este integrado tenemos que sepueden sacar las tres formas deseñal al mismo tiempo, o seleccio-narlas con una llave mecánica oelectrónica.

Características del 8038

El circuito integrado 8038 esun generador de tensión con unaforma de señal de precisión con-

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

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trolada por tensión. Es un circuitointegrado monolítico capaz degenerar una forma de señal congran precisión del tipo rectangu-lar; sinusoidal y triangular tantocomo pulsos diente de sierra. Re-quiere una minima cantidad decomponentes periféricos. La fre-cuencia de funcionamiento puedeser variada exteriormente desde0.001Hz hasta 300kHz utilizandocapacitares y resistores. Se pue-de diseñar un generador de fre-cuencia modulada utilizando unatensión externa que provea el tipode barrido deseado. La tecnolo-gía utilizada es del tipo diodoSchottky y resistores de películafina. La salida es estable dentrode un amplio rango de temperatu-ras y de tensiones de fuente.Vemos las características en latabla 1.

En la figura 1 se puede obser-

var el pin-up del circuito integradoy un diagrama en bloques de sufuncionamiento.

El funcionamiento del circuitoestá basado en dos generadoresde corriente que cargan o descar-gan alternativamente a un sólocapacitor C. Cuando la llave estáabierta el generador de corriente1 carga al capacitor C a una co-rriente I. Cuando la llave se sierrael generador de corriente 2 des-carga al capacitor a una corriente2I. Como el generador 1 perma-nece conectado en realidad el ca-pacitor se descarga a 2I-I = I. esdecir que se carga y descargasiempre al mismo valor de co-rriente I. Si la corriente de cargaes I el capacitor se carga aún rit-mo lineal de tensión y luego sedescarga al mismo ritmo que secargó.

La llave que realiza el cambio

de estado de carga a descarga,está controlada por un flip-flopque a su vez está comandado pordos comparadores programadosa 2/3 de la tensión de fuente el 1y a 1/3 el 2. De este modo la ten-sión sobre el capacitor fluctúa va-riando linealmente entre 1/3 y 2/3de la tensión de fuente.

Cuatro formas de señal sonobtenibles de este circuito gene-rador básico. Cuando las fuentesde corriente trabajan a corriente Iy 2I la carga y descarga del capa-citor C se produce en tiemposiguales y sobre el mismo se creauna señal triangular. El flip-flopque controla la llave genera almismo tiempo una señal cuadra-da. Estas señales son accesiblespor medio de etapas repetidorasque proveen baja impedancia enla patas 3 y 9.

Los valores de las fuentes de

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

Bajo corrimiento de la frecuencia con la temperatura ……………..250 ppm/ºCBaja distorsión ………………………..........................................…..1% (señal sinusoidal de salida)Alta linealidad …………………………..........................................…0.1% (salida triangular)Amplio rango de frecuencia ……….........................................…….0.001 Hz a 300 KHzTiempo de actividad variable………….........................................…2% a 98%Altos niveles de salida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....................... . TTL to 28VSalida Simultanea sinusoidal, triangular y cuadradaListo para usar - justo con la menor cantidad de componentes Tabla 1

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corriente son determinados sobreun amplio rango con dos resisto-res externos accesibles por elusuario. De este modo es posibleseleccionar valores diferentes pa-ra el generador 1 y 2 de modo degenerar períodos diferentes de laonda cuadrada o triangular; esdecir que completamos las cua-tros formas de señal con un pulsocon un tiempo de actividad com-prendido entre 1 y 99% y un dien-te de sierra asimétrico entre el 1 yel 99%.

La forma de señal senoidal segenera partiendo de la triangularaplicada a una red no lineal (con-versor sinusoidal). Esta red pro-vee un decrecimiento de la impe-dancia shunt tanto como del po-tencial de la señal triangular, paragenerar la señal senoidal puntopor punto, entre los dos extremosmínimo y máximo de la triangular.Ver la figura 2.

A continuación vamos a anali-

zar la formas de ajuste del perío-do y del período de actividad.

Hasta ahora no explicamoscómo se ajusta el período de unadeterminada forma de señal (o lafrecuencia de salida). La simetríade todas las formas de señal pue-de ser ajustada con un resistortemporizador externo. Las dosposibilidades de conexión sonmostradas en la figura 3.

En la figura 3 se pueden ob-servar dos posibles formas de co-nexión de los resistores externosque ajustan la corriente de cargay descarga de C. Los mejores re-sultados se obtienen utilizando re-

sistores independientes Rb y Ra(Izquierda). Ra controla la cargadel capacitor C y RB la descarga.

El valor pico a pico de la formade señal triangular es 1/3 de latensión de fuente (V+ + V-) ya quevaria entre 1/3 y 2/3 de ella. Lasección creciente de la señaltriangular o la sinusoidal corres-ponde con el uno de la rectangu-lar. La sección descendente de laforma de señal triangular o sinu-soidal corresponde con el cero dela señal rectangular. Ambas sec-ciones son iguales cuando Ra =Rb es decir cuando el período deactividad es del 50%.

Fig. 2 Formas de señal simétricas y asimétricas

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

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

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Las secciones crecientes o de-crecientes tienen una duracióndada por las fórmulas de la figura4. Si el período de actividad sólodebe variar cerca del 50% enton-ces se puede usar el circuito de laderecha. Pero aclaramos que unpotenciómetro de 1kΩ no es sufi-ciente para ajustar el período deactividad en el 50% para todos losCIs. Algunos requerirán un poten-ciómetro de 2kΩ o de 5kΩ.

Cuando se usan resistores RAy Rb separados la frecuencia se

puede determinar por la fórmulade la figura 5.

Cuando RA se iguala con RBla fórmula se reduce a f =0,33/RC en donde R = RA = RB.En la práctica esto permite cons-truir un generador sin posibilidadde variación del período de activi-dad usando como RA y RB un po-tenciómetro estereofónico en tan-de. Con lo cual se reducen al mí-nimo los componentes periféri-cos. Como podemos observar; lafrecuencia no depende de la ten-sión de fuente debido a que lamisma se cancela por el simplehecho de tomar la amplitud de laseñal triangular como una pro-porción de la tensión de fuente(los puntos de inflexión de loscomparadores cambian tambiéncon la tensión de fuente).

Reducción de la

Distorsión Senoidal

La sección más importante delcircuito integrado es el conversorde triangular a senoidal. Real-mente es una verdadera joyita deldiseño que muy bien puede serarmada con componentes discre-tos. En nuestro caso lo que hici-mos para verificar su funciona-miento fue realizar una simulaciónen Multisim. Vea la figura 6.

¿Cómo funciona el conversor?

Tiene como base un circuito ate-nuador con una resistencia supe-rior de 1kΩ que indicamos comoR24. El resistor inferior del divisorno es tal sino que es un circuitoactivo muy complejo que se com-porta como resistor variable con

FIG. 6 - Simulación del conversor triangular senoidal.

Fig. 5 - Formula de la fre -

cuencia para RA distinto a RB.

la tensión. En el centro de la trian-gular tiene impedancia infinita; enlas puntas tiene una impedanciade unos 3kΩ produciendo una pe-queña atenuación suficiente pararecortar los picos y realizar unaconversión de forma de señal. Enlas tensiones intermedias hay ate-nuaciones intermedias.

En la figura 7 se puede obser-var la forma de señal antes del re-sistor R24 y después del mismocon el potenciómetro exterior R25ajustado a minima distorsión tra-tando de que los dos picos tenganla misma amplitud.

Para minimizar la distorsión sedebe agregar un resistor de 82kΩentre la pata 12 y masa llegandoa valores del orden del 1%. Si sedesea aún menos distorsión sepueden conectar dos presets deacuerdo a la figura 8 que ajusta-dos correctamente llevan la dis-torsión a valores del orden del0,5% que son perfectamente ade-cuados para el trabajo de un re-parador o un fabricante de ampli-ficadores. Menores distorsionessólo son posibles utilizando gene-radores profesionales que cues-tan miles de dólares y sólo suelenllegar a niveles de distorsión de0,1%. Realmente suponemos queen los amplificadores en que el fa-bricante indica distorsiones de0,003% se trata de valores teóri-cos calculados en función de re-ducir la realimentación a nivelesmedibles y luego calcular encuanto se reduce al poner toda larealimentación.

Para ajustar los presets se re-quiere un medidor de distorsiónporque una distorsión del ordendel 1% no es apreciable en un os-ciloscopio cuya distorsión es deese orden.

En la simulación se puede co-locar un medidor de distorsión pe-ro se observa que la misma nobaja del 3% aunque los dos pre-set ajustan el mínimo perfecta-

mente. Suponemos que se tratade un problema con los transisto-res ya que usamos BC548 yBC558 por no saber cuáles utili-zar realmente.

Selección de los Valores

de R1 R2 y C.

Para el mismo rango de salidaexisten diferentes combinacionesde R y C posibles. Pero de todas,siempre existe una más adecua-da para el valor de corriente de

carga y descarga que determinenuna óptima performance. Los va-lores de corriente final del ordendel uA son indeseables por ser al-tamente influenciados por las co-rrientes de pérdidas que son muydependientes de la temperatura.A corrientes mayores a 5mA elbeta de los transistores y las ten-siones de saturación contribuyena incrementar los errores. Unaperformance óptima se obtienecon valores de corriente de 10µAa 1mA. Si las patas 7 y 8 son cor-tocircuitadas el dispositivo se

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Fig.7 - Señal triangular convertida a senoidal.

Fig. 8 - Reductores de distorsión

transforma en un VCO (VoltageControler Oscilator = osciladorcontrolado por tensión) en dondela frecuencia puede depender dela tensión aplicada a la pata 7 porun divisor R1/R2 externo. En la fi-gura 9 se puede observar el cir-cuito interno y externo de estasección. En este dibujo podemosobservar la ubicación de los com-ponentes internos y de los exter-nos R1, R2, RB, RA y C.

Con los valores indicados paraR1 y R2 y con el cortocircuito en-tre 7 y 8 la corriente de carga de-bido a RA puede ser determinadapor la ecuación de la figura 10.

Un cálculo similar puede serrealizado para la corriente de des-carga obteniéndose una fórmulasimilar pero conteniendo a RB. Elcapacitor C debe ser elegido enel extremo superior de su rango.

Control de la Forma de la

Señal de Salida y Fuentes

El generador de funcionespuede ser operado con una fuen-

te simple de 10 a 30V o con fuen-tes dobles de ± 5 a ± 15V. Confuente simple, el nivel de tensiónmedia triangular o sinusoidal sonexactamente la mitad de la ten-sión de fuente; con salida de ondacuadrada la oscilación va de ma-sa a fuente. La doble fuente po-see la ventaja de que la señal os-cila simétricamente con el termi-nal de masa.

La salida de onda rectangulares un transistor en disposición“open colector” (colector abierto)de ese modo esta salida puedeutilizarse con diferentes tensionesde fuente. Por ejemplo la fuentegeneral puede ser de 12V pero lasalida rectangular por la pata 9puede conectarse con un resistora +5V o a +3,3V adoptando la ten-sión de la lógica TTL o la TTL debajo consumo (verde).

Uso como Barredor de Au -

dio (Modulación de Frecuencia)

La frecuencia de la forma deseñal de este generador es fun-ción de la tensión continua de lapata 8 (medida a +B). Alterandoesta tensión se puede lograr unamodulación de frecuencia. Alte-rando esta tensión se cambia lafrecuencia de salida generandouna modulación de frecuencia.

Para pequeñas desviacionesde frecuencia (por ejemplo 10%)la señal de modulación puede seraplicada directamente a la pata 8

por medio de un capa-citor de desacopla-miento de la continua.Ver la figura 11. No es necesario un re-sistor externo entre laspatas 7 y 8, pero pue-de ser utilizado paraaumentar la impedan-cia de entrada de alre-dedor de 8kΩ (que seobtiene cuando las pa-tas 7 y 8 de son co-

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

Fig. 10 - Magnitud de la co -

rriente de carga.

Fig. 11 - Modulación de frecuencia

de baja profundidad.Fig. 12 Modulación de frecuencia de alta

profundidad

nectadas entre sí. La impedanciaaumentará a unos R+8kΩ en estecaso.

Para mayores modulacionesde frecuencia la señal de modula-ción se debe aplicar directamenteentre la pata positiva de fuente yla pata 8. Ver la fig. 12.

Por esta vía se crea una fuen-te de corriente permanente quevaria la frecuencia por modula-ción de elevada profundidad talcomo 1000:1. Esta modulación estal que para frecuencia mínima latensión VSWEEP debe ser igual acero, o lo que es lo mismo la ten-sión de la pata 8 debe estar co-nectada a la fuente positiva V+.

En este caso se debe tener elcuidado de regular la tensión dealimentación, ya que si bien la co-rriente de carga no es una funciónde la tensión de alimentación si loson los umbrales de activación y

por lo tanto la frecuencia se vuel-ve dependiente de la tensión dealimentación. El potencial de lapata 8 puede ser barrido por de-bajo de V + hasta 2 V por debajode 1/3V+.

Aplicaciones Típicas

La salida de onda senoidal tie-ne una impedancia relativamentealta (típico 1kΩ). En el circuito dela figura 6 se presenta un búfercon control de nivel que solucionaeste problema. En este circuito seaprovechó para lograr una ampli-ficación de la señal pero si no fue-ra necesario se podría utilizar unsimple amplificador operacionalcomo repetidor. Ver la figura 13.

Para usar como señal estro-boscópica de audio (un pulso dealterna de una frecuencia deter-

minada un descanso, otro pulso,etc. se puede utilizar un circuitocomo el de la figura 14, en dondese agregó una llave a FET y undiodo and con una señal STRO-BE de baja frecuencia.

En estos caso suele ser impor-tante que el arranque del tren depulsos sea siempre con la senoi-de en cero. En este caso ocurre,porque aunque la levante el pulsorectangular STROBE la senoideno arranca hasta que se produzcaun pulso ascendente de la salidarectangular de la pata 9 que siem-pre coincide con el cero de la se-noide. Un caso práctico es reali-zar un oscilador con una relaciónde frecuencia de 1000:1 usandoun solo valor de capacidad C co-sa que es una performance muybuena para un generador porquesimplifica su fabricación y permitecubrir toda la banda de audio mo-

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Fig. 14 - Generador de au -

dio con señal STROBE.

Fig. 13 - Amplificación de la tensión de

salida.

Fig. 15 - Oscilador con variación de fre -

cuencia de 20Hz a 20kHz. Fig. 16 - VCO lineal.

viendo un solo control. Cosa im-posible de realizar en un osciladorpor realimentación porque luegode cambiar la frecuencia es nece-sario esperar que se estabilice.

Para obtener un rango de ba-rrido de 1000:1 en el ICL8038 latensión sobre las resistencias ex-ternas RA y RB debe disminuirhasta casi cero. Esto significa quela tensión más alta en la pata 8 decontrol debe sobrepasar la ten-sión de la fuente de RA y RB porunos pocos cientos de mV.

El circuito de la figura 15 lograesto utilizando un diodo para ba-jar la tensión de alimentación. Lagran resistencia existente en lapata 5 ayuda a reducir el ciclo devariación. La linealidad de la ten-sión de entrada de barrido conrespeto a la frecuencia puede me-jorarse considerablemente me-diante el uso de un amplificadoroperacional, como se muestra enla Figura 16.

Este último circuito ya es ungenerador de funciones prácticosi Ud. no pretende cambiar eltiempo de actividad entre valoresmuy grandes. Solo requiere unpotenciómetro lineal de 1kΩ so-bre la entrada conectado entremasa y la fuente negativa y ob-tendrá una frecuencia senoidalcuadrada o triangular variable en-tre 20Hz y 20kHz con un solo va-lor de capacidad de 3.9nF.

Si desea extender el rangopuede usar dos capacitores: unode 8.2nF para ir de 10Hz a 10kHzy otro de 820pF para ir de 100Hza 100kHz.

Curvas Características

En la figura 17 y sucesivas sepueden observar las curvas máscaracterísticas del 8038 para queUd pueda realizar todos las modi-ficaciones a nuestro proyecto queconsidere necesario.

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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.

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