مولتی ویبراتورها

مولتی ویبراتورها مدارهای منطقی متوالی هستند که به طور پیوسته بین دو حالت متمایز HIGH و LOW کار می کنند.

مدارهای منطقی ترتیبی فردی را می توان برای ساخت مدارهای پیچیده تر مانند مولتی ویبراتورها، شمارنده ها، رجیسترهای شیفت، لچ ها و حافظه ها استفاده کرد.

اما برای این که این نوع مدارها به روشی “متوالی” کار کنند، نیاز به اضافه کردن نوعی پالس ساعت یا سیگنال

زمان دارند تا باعث شود حالت آنها تغییر کند. پالس های ساعت به طور کلی شکل موج مربعی یا مستطیلی ممتد

هستند که توسط یک مدار تولید کننده پالس مانند یک مولتی ویبراتور تولید می شوند.

مدار مولتی ویبراتور بین حالت “بالا” و “پایین” در نوسان است و خروجی متوالی تولید می کند.

مولتی ویبراتورهای پایدار به طور کلی دارای یک چرخه کاری حتی 50٪ هستند، یعنی 50٪ از زمان چرخه خروجی “HIGH” و 50٪ باقی مانده از زمان چرخه خروجی “OFF” است.

به عبارت دیگر، چرخه وظیفه برای یک پالس زمان بندی پایدار 1:1 است.

مدارهای منطقی ترتیبی که از سیگنال ساعت برای همگام سازی استفاده می کنند، برای فعال کردن عمل سوئیچینگ خود به فرکانس و در نتیجه عرض پالس ساعت وابسته هستند.

مدارهای ترتیبی همچنین می توانند وضعیت سوئیچینگ خود را با استفاده از لبه بالارونده، لبه سقوط یا هر دو لبه سیگنال ساعت تغییر دهند.

همانطور که قبلاً در مدارهای فلیپ فلاپ اصلی دیدیم.

فهرست زیر عباراتی است که معمولاً با یک پالس زمان بندی یا شکل موج همراه است.

Active HIGH – اگر تغییر حالت از “LOW” به “HIGH” در لبه افزایشی پالس ساعت یا در طول عرض ساعت رخ دهد.

Active LOW – اگر تغییر حالت از “HIGH” به “LOW” در لبه سقوط پالس ساعت رخ دهد.

Clock Width- این زمانی است که در طی آن مقدار سیگنال ساعت برابر با منطق “1” یا HIGH است.

Clock Period- این زمان بین انتقال های متوالی در یک جهت، یعنی بین دو لبه بالارونده یا دو لبه سقوط است.

Duty Cycle- این نسبت عرض ساعت به دوره ساعت است.

Clock Frequency- فرکانس ساعت متقابل دوره ساعت است، فرکانس = 1 / دوره ساعت. (ƒ = 1/T)

مدارهای تولید پالس ساعت می توانند ترکیبی از مدارهای آنالوگ و دیجیتالی باشند که مجموعه ای پیوسته از

پالس ها (که به آنها مولتی ویبراتورهای Astable گفته می شود) یا یک پالس با مدت زمان مشخص (به این

مولتی ویبراتورهای مونوستابل گفته می شود) تولید می کنند. ترکیب دو یا چند مدار مولتی ویبراتور تولید یک الگوی

دلخواه از پالس ها (شامل عرض پالس، زمان بین پالس ها و فرکانس پالس ها) را فراهم می کند.

اساساً سه نوع مدار تولید پالس ساعت وجود دارد:

Astable

یک مولتی ویبراتور آزاد که هیچ حالت پایداری ندارد، اما به طور مداوم بین دو حالت سوئیچ می کند، این عمل یک قطار از پالس های موج مربعی در یک فرکانس مشخص ثابت تولید می کند.

Monostable

یک مولتی ویبراتور تک شات که تنها یک حالت پایدار دارد، همانطور که از بیرون راه اندازی شده است، به اولین حالت پایدار خود باز می گردد.

Bistable

یک فلیپ فلاپ که دارای دو حالت پایدار است که یک پالس واحد با مقدار بالا یا پایین تولید می کند.

یکی از راه‌های تولید یک سیگنال ساعت (یا پالس) بسیار ساده، اتصال گیت‌های منطقی دیجیتال است.

از آنجایی که گیت های NAND حاوی تقویت جریان هستند، می توان از آنها برای ارائه سیگنال ساعت یا پالس زمان

بندی مناسب با کمک یک خازن و مقاومت استفاده کرد تا بازخورد و عملکردهای زمان بندی مورد نیاز را فراهم کند.

این مدارهای زمان‌بندی اغلب به دلیل سادگی مورد استفاده قرار می‌گیرند و همچنین در صورتی مفید هستند که یک

مدار منطقی زمانی طراحی شده باشد که دارای گیت‌های بلااستفاده باشد که می‌توان از آنها برای ایجاد یک نوسانگر

یکنواخت یا استوار استفاده کرد. این نوع ساده از شبکه اسیلاتور RC گاهی اوقات “نوسانگر آرامش” نامیده می شود.

مدارهای مولتی ویبراتور یکنواخت

مولتی ویبراتورهای یکنواخت یا پالس مولدهای “تک شات” معمولاً برای تبدیل پالس های تیز کوتاه به پالس های بسیار

گسترده تر برای کاربردهای زمان بندی استفاده می شوند. مولتی ویبراتورهای یکنواخت یک پالس خروجی واحد

تولید می کنند، “HIGH” یا “LOW”، زمانی که یک سیگنال ماشه خارجی مناسب یا پالس شروع T اعمال شود.

این سیگنال پالس ماشه یک چرخه زمان بندی را آغاز می کند که باعث می شود خروجی monostable در شروع

چرخه زمان بندی تغییر حالت دهد (t1). خروجی در این حالت دوم تا پایان دوره زمان بندی (t2) باقی می ماند که با

ثابت زمانی خازن زمان بندی، CT و مقاومت، RT تعیین می شود.

مولتی ویبراتور مونوپایدار اکنون تا پایان ثابت زمانی RC در این حالت زمان‌بندی دوم باقی می‌ماند و به طور خودکار “بازنشانی” می‌کند یا خود را به حالت اولیه (پایدار) خود باز می‌گرداند. سپس یک مدار یکنواخت فقط یک حالت پایدار دارد که حالت بیکار یا استراحت آن است. نام رایج‌تر برای این نوع مدار صرفاً «Flip-Flop» است، زیرا همانطور که قبلاً دیده‌ایم، می‌توان آن را از دو گیت NAND متقابل (یا دروازه‌های NOR) ساخت. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار یکنواخت ساده گیت NAND  

فرض کنید که ابتدا ورودی ماشه T در سطح منطقی “1” توسط مقاومت R1 بالا نگه داشته می شود، به طوری که خروجی از اولین دروازه NAND U1 در سطح منطقی “0”، LOW باشد (اصول دروازه NAND). مقاومت تایمینگ، RT به سطح ولتاژی برابر با سطح منطقی “0” متصل می شود، که باعث می شود خازن، CT به طور کامل تخلیه شود. بنابراین خروجی U1 کم است. از آنجایی که خازن زمان بندی کاملاً تخلیه می شود، اتصال V1 نیز برابر با “0” خواهد بود که در نتیجه خروجی از دروازه NAND دوم U2، که به عنوان یک گیت NOT معکوس متصل است، به HIGH (منطقی-1) می شود.

خروجی از گیت NAND دوم، (U2) به یک ورودی U1 بازخورد داده می شود تا بازخورد مثبت لازم را ارائه دهد. از آنجایی که محل اتصال V1 و خروجی U1 هر دو در منطق “0” هستند، هیچ جریانی در خازن زمان بندی CT جریان ندارد.

این منجر به پایدار بودن مدار می شود و تا زمانی که یک ورودی ماشه T اعمال شود در این حالت پایدار باقی می ماند.

اگر اکنون یک پالس منفی به صورت خارجی یا با عمل دکمه فشاری به ورودی ماشه دروازه NAND U1 اعمال شود، خروجی U1 به منطق “1” بالا می رود (اصول دروازه NAND).

از آنجایی که ولتاژ دو طرف خازن نمی تواند فوراً تغییر کند (اصول شارژ خازن)، این باعث می شود که اتصال در V1 و همچنین ورودی U2 به HIGH برسد، که به نوبه خود خروجی دروازه NAND U2 را به حالت منطقی-0 تغییر می دهد. مدار اکنون در این حالت زمان‌بندی دوم باقی می‌ماند حتی اگر پالس ورودی ماشه T حذف شود. این حالت به عنوان حالت متا پایدار شناخته می شود.

ولتاژ در خازن اکنون افزایش می یابد زیرا CT خازن شروع به شارژ شدن از خروجی HIGH U1 در ثابت زمانی تعیین شده توسط ترکیب مقاومت/خازن می کند. این فرآیند شارژ تا زمانی ادامه می یابد که جریان شارژ قادر به نگه داشتن ورودی U2 و بنابراین اتصال V1 HIGH نباشد.

هنگامی که این اتفاق می‌افتد، خروجی U2 مجدداً به سمت HIGH تغییر می‌کند، منطق-1، که به نوبه خود باعث می‌شود خروجی U1 پایین بیاید و خازن تحت تأثیر مقاومت RT به خروجی U1 تخلیه شود. مدار اکنون به حالت پایدار اولیه خود بازگشته است.

بنابراین:

برای هر پالس ماشه منفی، مدار مولتی ویبراتور یکنواخت یک پالس خروجی LOW تولید می کند.

طول دوره زمانی خروجی توسط ترکیب خازن/مقاومت (شبکه RC) تعیین می شود و به عنوان ثابت زمانی T = 0.69RC مدار در ثانیه تعریف می شود.

از آنجایی که امپدانس ورودی گیت های NAND بسیار بالا است،‌می‌توان دوره‌های زمانی زیادی را به دست آورد.

مانند مدار نوع یکنواخت دروازه NAND در بالا، همچنین می توان مدارهای زمان بندی یکنواخت ساده ای ساخت که دنباله زمان بندی خود را از لبه بالارونده پالس ماشه با استفاده از گیت های NOT، گیت های NAND و گیت های NOR متصل به عنوان اینورتر مانند شکل زیر شروع می کنند. .

مولتی ویبراتور تک گیت NOT

همانند مدار گیت NAND در بالا، ابتدا ورودی ماشه T در سطح منطقی “1” HIGH است به طوری که خروجی از اولین گیت NOT U1 در سطح منطقی “0” LOW است. مقاومت زمان بندی، RT و خازن، CT به موازات ورودی دومین گیت NOT U2 به هم متصل می شوند. از آنجایی که ورودی U2 LOW است، خروجی آن در Q بالا خواهد بود.

هنگامی که یک پالس سطح منطقی “0” به ورودی ماشه T اولین گیت NOT اعمال می شود، حالت تغییر می کند و یک خروجی سطح منطقی “1” تولید می کند. دیود D1 این سطح ولتاژ منطقی 1 را به شبکه زمانبندی RC منتقل می کند. ولتاژ در خازن، CT به سرعت به این سطح ولتاژ جدید افزایش می یابد، که همچنین به ورودی گیت NOT دوم متصل می شود. این به نوبه خود یک منطق “0” را در Q خروجی می دهد و تا زمانی که ورودی ماشه T اعمال شده به مدار LOW باقی می ماند مدار در این حالت متاپایدار باقی می ماند.

هنگامی که سیگنال ماشه مجدداً HIGH برمی گردد، خروجی از اولین گیت NOT LOW به منطق “0” (نه اصول گیت) می رود و خازن کاملاً شارژ شده شروع به تخلیه مجدد خود از طریق مقاومت موازی متصل در سراسر آن می کند. هنگامی که ولتاژ دو طرف خازن به زیر مقدار آستانه پایین ورودی به گیت NOT دوم می‌رسد، خروجی آن دوباره سوئیچ می‌کند و سطح منطقی “1” را در Q ایجاد می‌کند. دیود D1 از تخلیه خازن زمان‌بندی از طریق اولی جلوگیری می‌کند. خروجی گیت نیست.

سپس، ثابت زمانی برای یک مولتی ویبراتور تک گیت NOT به صورت T = 0.8RC + Trigger در ثانیه تعریف میشه.

یکی از معایب اصلی مولتی ویبراتورهای مونواستابل این است که زمان بین اعمال پالس ماشه بعدی T باید بیشتر از ثابت زمانی RC مدار باشد.

مدارهای مولتی ویبراتور پایدار

مولتی ویبراتورهای Astable رایج ترین نوع مدار مولتی ویبراتور هستند. یک مولتی ویبراتور آستابل یک نوسان ساز آزاد در حال کار است که حالت “متا” یا “پایدار” دائمی ندارد اما به طور مداوم خروجی خود را از یک حالت (LOW) به حالت دیگر (HIGH) تغییر می دهد و سپس دوباره برمی گردد. این عمل تغییر مداوم از “HIGH” به “LOW” و “LOW” به “HIGH” یک خروجی موج مربعی پیوسته و پایدار ایجاد می کند که به طور ناگهانی بین دو سطح منطقی سوئیچ می کند و آن را برای برنامه های زمان بندی و پالس ساعت ایده آل می کند.

همانند مدار مولتی ویبراتور تک پایدار قبلی در بالا، سیکل زمان بندی توسط ثابت زمانی RC مقاومت-خازن، شبکه RC تعیین می شود. سپس فرکانس خروجی را می توان با تغییر مقدار(های) مقاومت و خازن در مدار تغییر داد.

مولتی ویبراتور NAND Gate Astable

مدار مولتی ویبراتور قابل استقرار از دو گیت CMOS NOT مانند آی سی های اینورتر CD4069 یا 74HC04 شش گوش یا مانند مدار ساده ما در زیر یک جفت گیت CMOS NAND مانند CD4011 یا 74LS132 و همچنین یک شبکه زمان بندی RC استفاده می کند. دو گیت NAND به عنوان گیت های NOT معکوس به هم متصل می شوند.

فرض کنید:

که در ابتدا خروجی از دروازه NAND U2 در سطح منطقی “1” بالا باشد، بنابراین ورودی باید در سطح منطقی

“0” (اصول دروازه NAND) کم باشد، همانطور که خروجی از اولین دروازه NAND U1 خواهد بود.

خازن C بین خروجی دومین گیت NAND U2 و ورودی آن از طریق مقاومت زمان بندی R2 متصل می شود. خازن اکنون با نرخی که با ثابت زمانی R2 و C تعیین می شود شارژ می شود.

با شارژ شدن خازن، C، محل اتصال مقاومت R2 و خازن، C، که همچنین از طریق مقاومت تثبیت کننده به ورودی

دروازه NAND U1 متصل می شود، R2 کاهش می یابد تا زمانی که به مقدار آستانه پایین U1 برسد.

در این مرحله U1 حالت تغییر می کند و خروجی U1 اکنون HIGH می شود. این تغییر باعث می‌شود که دروازه NAND U2 نیز تغییر حالت دهد، زیرا ورودی آن از حالت منطقی “0” به شرایط منطقی “1” تغییر کرده است و در نتیجه خروجی دروازه NAND U2 LOW می‌شود.

خازن C اکنون بایاس معکوس شده است، بنابراین از طریق ورودی U1 شروع به تخلیه می کند.

خازن، C دوباره در جهت مخالف تعیین شده توسط ثابت زمانی هر دو R2 و C مانند قبل شارژ می شود تا زمانی که

به مقدار آستانه بالای دروازه NAND U1 برسد. این باعث می شود U1 حالت را تغییر دهد و چرخه دوباره تکرار شود.

سپس، ثابت زمانی برای مولتی ویبراتور پایدار گیت NAND به صورت T = 2.2RC در ثانیه با فرکانس خروجی به صورت ƒ = 1/T تعریف می شود.

به عنوان مثال:

اگر مقاومت R2 = 10kΩ و خازن C = 45nF باشد، فرکانس نوسان مدار را به صورت زیر میبینید:

سپس فرکانس خروجی 1 کیلوهرتز محاسبه می شود که برابر با ثابت زمانی 1 میلی ثانیه است. بنابراین شکل موج خروجی چیزی شبیه به این خواهد بود:

مدارهای مولتی ویبراتور Bistable

مدار مولتی ویبراتورهای Bistable اساساً یک فلیپ فلاپ SR است که در آموزش های قبلی با افزودن یک اینورتر یا گیت NOT برای ارائه عملکرد سوئیچینگ لازم به آن نگاه کردیم. مانند فلیپ فلاپ ها، هر دو حالت یک مولتی ویبراتور دوپایا پایدار هستند و مدار به طور نامحدود در هر یک از حالت های پایدار باقی می ماند. این نوع مدار مولتی ویبراتور از یک حالت به حالت دیگر “فقط” عبور می کند که یک پالس ماشه خارجی مناسب T اعمال شود و بنابراین برای جابجایی در یک چرخه کامل “SET-RESET” دو پالس راه اندازی لازم است. این نوع مدار با نام‌های «Bistable Latch»، «Toggle Latch» یا به‌طور ساده «T-latch» نیز شناخته می‌شود.

مولتی ویبراتور Bistable NAND Gate

ساده‌ترین راه برای ساختن یک لچ Bistable اینه که یک جفت گیت اشمیت NAND را بهم متصل کنید تا یک چفت SR مانند شکل بالا بسازید.

دو گیت NAND، U2 و U3، دو پایداری را تشکیل می‌دهند که توسط ورودی NAND، U1 راه‌اندازی می‌شود.

این گیت U1 NAND را می توان حذف کرد و با یک سوئیچ تکی جایگزین کرد تا یک مدار جهش سوئیچ ایجاد کند که قبلاً در آموزش فلیپ فلاپ SR دیدیم.

هنگامی که پالس ورودی “پایین” می شود، دوپایه به حالت “SET” خود می چسبد، با خروجی آن در سطح منطقی “1”،

تا زمانی که ورودی “HIGH” شود و باعث می شود که bistable به حالت “RESET” با خروجی خود بچسبد. در سطح

منطقی “0”. خروجی یک مولتی ویبراتور دو پایدار تا زمانی که یک پالس ورودی دیگر اعمال شود و کل دنباله دوباره

شروع شود، در این حالت “RESET” باقی می ماند.

سپس یک قفل Bistable یا “Toggle Latch” یک دستگاه دو حالته است که در آن هر دو حالت یا HIGH یا LOW، (منطقی “1” یا منطق “0”) پایدار هستند.

مولتی ویبراتورهای Bistable کاربردهای زیادی مانند تقسیم کننده فرکانس، شمارنده یا به عنوان یک وسیله ذخیره سازی در حافظه های رایانه دارند، اما بهترین کاربرد آنها در مدارهایی مانند لچ و شمارنده است.

مدار تایمر 555

مولتی ویبراتورهای ساده یکنواخت یا پایدار به راحتی با استفاده از طراحی ویژه IC مولد شکل موج استاندارد معمول در

دسترس برای ایجاد مدارهای زمان بندی و نوسان‌ساز تولید می شوند. نوسان سازهای آرامش را

می توان به سادگی با اتصال چند جزء غیرفعال به پین های ورودی آنها با متداول ترین نوع IC مولد شکل موج که تایمر کلاسیک 555 است، ساخت.

تایمر 555 یک آی سی زمان بندی کم هزینه بسیار همه کاره است که می تواند دوره های زمانی بسیار دقیق با

پایداری خوب در حدود 1% تولید کند و دارای دوره زمانی متغیری از چند میکرو ثانیه تا چندین ساعت است که دوره

زمان بندی توسط آن کنترل می شود. یک شبکه RC منفرد متصل به یک منبع مثبت منفرد بین 4.5 تا 16 ولت.

تایمر NE555 و جانشینان آن، ICM7555، CMOS LM1455، DUAL NE556 و غیره، در آموزش نوسان ساز 555 و سایر وب سایت های خوب مبتنی بر الکترونیک پوشش داده شده اند، بنابراین فقط برای اهداف مرجع به عنوان یک تولید کننده پالس ساعت در اینجا گنجانده شده است. 555 متصل به عنوان یک مولتی ویبراتور Astable در زیر نشان داده شده است.

مولتی ویبراتور پایدار NE555

در اینجا تایمر 555 بعنوان یک مولتی ویبراتور پایه پایدار متصل می‌شود که یک شکل موج خروجی متوالی تولید می کند.

پین‌های 2 و 6 به یکدیگر متصل شده‌اند تا در هر چرخه زمان‌بندی دوباره خود را راه‌اندازی کند و در نتیجه به عنوان یک نوسان‌گر پایدار عمل کند.

خازن، C1 از طریق مقاومت، R1 و مقاومت، R2 شارژ می شود، اما فقط از طریق مقاومت تخلیه می شود، R2 به عنوان طرف دیگر R2 به ترمینال تخلیه، پایه 7 متصل می شود.

سپس دوره زمانی t1 و t2 به صورت زیر تعریف می شود:

t1 = 0.693 (R1 + R2) C1

t2 = 0.693 (R2) C1

T = t1 + t2 = 0.693 (R1 + 2R2) C1

ولتاژ خازن C1 از 1/3 Vcc تا تقریباً 2/3 Vcc برحسب دوره زمانبندی RC متغیر است.

این نوع مدار بسیار پایدار است زیرا از یک ریل منبع تغذیه کار می کند که منجر به فرکانس نوسانی مستقل از ولتاژ تغذیه Vcc می شود.

در آموزش بعدی در مورد مدارهای منطقی ترتیبی، نوع دیگری از فلاپ فلاپ کنترل شده با ساعت به نام Data Latch را بررسی خواهیم کرد. لچ های داده مدارهای متوالی بسیار مفیدی هستند که از فلیپ فلاپ SR دروازه دار استاندارد ساخته شده اند و برای تقسیم فرکانس برای تولید ریپل شمارنده ها، تقسیم کننده های فرکانس و چفت ها استفاده می شوند.

منبع : کلیک