Divisor de frequência com CI 4017: Como proteger sua placa de som

O uso da placa de som do computador como um osciloscópio de baixo custo é uma técnica amplamente difundida entre hobbistas e profissionais de eletrônica.

No entanto, essa prática esconde perigos latentes, como a exposição da entrada de áudio a tensões elevadas ou a frequências ultrassônicas que o hardware não consegue processar.

Eu preparei este guia técnico para ensinar você a construir um divisor de frequência por 10, garantindo que sinais rápidos sejam traduzidos para uma faixa segura e legível pelo software de processamento de áudio.

O funcionamento do divisor de frequência na eletrônica

Um divisor de frequência é um circuito lógico que recebe um sinal de entrada com uma determinada periodicidade e entrega na saída um sinal com uma frequência reduzida por um fator específico.

No nosso projeto, utilizamos o fator de divisão dez. Isso significa que, ao injetarmos um sinal de 100 kHz na entrada, obteremos 10 kHz na saída.

Este processo é fundamental para quem deseja analisar fontes chaveadas ou sensores ultrassônicos utilizando apenas a placa de som, que geralmente possui uma largura de banda limitada a 20 kHz ou 48 kHz.

O coração deste projeto é o circuito integrado 4017, um contador Johnson de 5 estágios.

Ele não apenas conta pulsos, mas oferece uma saída específica chamada Carry Out, que é a chave para a estabilidade do sinal que enviamos ao computador.

Nós optamos por essa abordagem porque a lógica digital pura do 4017 garante uma onda quadrada limpa, facilitando a interpretação pelo software de osciloscópio.

Fundamentos técnicos do CMOS 4017

O CI 4017 pertence à família CMOS série 4000, conhecida pela sua versatilidade em tensões de alimentação e baixo consumo de energia.

Para este artigo, é essencial entender que o dispositivo opera através de uma sequência de estados internos acionados por pulsos de clock.

A pinagem correta é o primeiro passo para o sucesso. O pino 16 deve ser conectado ao positivo da fonte, enquanto o pino 8 é o nosso terra (GND).

Embora o componente suporte tensões maiores, nós recomendamos o uso de 5 V, pois essa é a tensão nominal de muitos circuitos integrados e periféricos de computador, minimizando riscos em caso de falhas de isolação.

O papel crucial do Pino 12 (Carry Out)

Diferente das saídas de contagem individuais (pinos 0 a 9), o pino 12 permanece em nível alto durante as cinco primeiras contagens e em nível baixo durante as cinco subsequentes.

Esse comportamento gera uma onda quadrada simétrica com ciclo de trabalho de 50%.

Para a entrada de som do PC, um sinal simétrico é muito mais fácil de processar do que pulsos curtos, evitando erros de leitura ou distorções causadas pelo acoplamento capacitivo das placas de áudio.

Cálculos e o Divisor de Tensão Protetivo

Um dos maiores erros cometidos em bancada é ignorar a amplitude do sinal de saída.

Um circuito alimentado com 5 V entregará pulsos de quase 5 V.

Contudo, as entradas de microfone de computadores são projetadas para sinais de baixa amplitude, geralmente abaixo de 1 V.

Sem a devida atenuação, você corre o risco de saturar o conversor analógico-digital (ADC) ou, no pior cenário, queimar os pré-amplificadores da placa-mãe.

Para resolver isso, implementamos um divisor resistivo de tensão.

A fórmula para calcular a tensão de saída (Vout) em relação à entrada (Vin) é:

Vout = Vin * (R3 / (R2 + R3))

Onde:
Vout é a tensão que vai para a placa de som.
Vin é a tensão de saída do pino 12 do CI (aprox. 5 V).
R2 é o resistor em série com o sinal.
R3 é o resistor conectado ao terra.

No projeto do Canal Ibytes Brasil, utilizamos R2 = 10k e R3 = 1k.

Aplicando a fórmula, temos uma redução significativa que mantém o sinal em aproximadamente 0,45 V, um nível totalmente seguro para o hardware do seu PC.

Você pode conferir a explicação detalhada dessa montagem no vídeo oficial através do link: https://www.youtube.com/watch?v=mQX749kYkKw e acompanhar mais dicas no Canal Ibytes Brasil (https://www.youtube.com/@Ibytesbrasil).

Esquema e Componentes Necessários

Para montar este divisor de frequência, você precisará dos seguintes itens:

1. Circuito Integrado 4017.
2. R1: Resistor de 1k (Proteção da entrada de clock).
3. R2: Resistor de 10k (Parte do divisor de saída).
4. R3: Resistor de 1k (Referência de saída para o terra).
5. R4: Resistor de 3k9 (Limitador de corrente para o LED).
6. D2: LED (Sinalizador de operação).
7. Fonte de alimentação de 5 V estabilizada.

O sinal entra pelo pino 14 (Clock), protegido por R1. Os pinos 13 (Clock Enable) e 15 (Reset) devem ser obrigatoriamente aterrados para evitar que o ruído eletromagnético cause reinicializações indesejadas.

O sinal dividido por 10 sai pelo pino 12, passa pelo divisor resistivo e segue para o plugue P2 que será conectado ao computador.

Aplicações reais e instrumentação de baixo custo

Este dispositivo é ideal para monitorar sinais de PWM em controladores de carga solar, analisar a frequência de osciladores de cristal divididos ou verificar o funcionamento de sensores de ultrassom.

Ao reduzir a frequência, permitimos que ferramentas de software identifiquem padrões que seriam invisíveis devido às limitações de amostragem (Teorema de Nyquist) da placa de som convencional.

Vantagens:
– Custo extremamente reduzido comparado a um osciloscópio.
– Proteção robusta contra sobre tensão na entrada de áudio.
– Simplicidade de montagem em protoboard ou placa de circuito impresso.

Limitações:
– Perda da forma de onda original (o sinal de saída será sempre quadrado, independentemente se a entrada for senoidal ou triangular).
– Dependência de uma fonte de alimentação externa de boa qualidade para evitar ruídos de 60 Hz.

Sugestões de leitura interna:
– Técnicas avançadas de proteção de entradas analógicas.
– Como calibrar softwares de osciloscópio baseados em placa de som.

FAQ – Perguntas Frequentes

Posso usar este circuito para medir tensões de 110V ou 220V?

Não. Este divisor de frequência é destinado a sinais de lógica digital e baixa tensão (até 12 V na entrada, respeitando os limites do CI).

Para altas tensões, são necessários transformadores de isolação e circuitos de atenuação muito mais complexos para garantir a segurança do operador e do equipamento.

Por que o meu circuito integrado 4017 está esquentando?

O aquecimento geralmente indica uma inversão de polaridade na alimentação (pinos 16 e 8) ou um curto-circuito em uma das saídas. Verifique também se a tensão de entrada não ultrapassou os 15 V, que é o limite máximo operacional da série 4000.

A placa de som consegue ler frequências de rádio com este divisor?

Apenas se a frequência de rádio for dividida sucessivamente até cair na faixa de áudio (abaixo de 20 kHz).

Um único divisor por 10 transforma 1 MHz em 100 kHz, o que ainda é alto para a maioria das placas de som comuns.

Para frequências de rádio, seriam necessários múltiplos estágios de divisão.