بررسی و آموزش مولتی ویبراتور ها 

مولتی ویبراتور مدارهای منطقی ترتیبی هستند که به صورت پیوسته بین دو حالت گسسته بالا و پایین عمل می‌کنند.

مولتی ویبراتور

مدارهای منطقی ترتیبی مستقل می‌تواند برای ساختن مدارهای پیچیده‌تر مانند مولتی ویبراتورها، شمارنده‌ها، شیفت رجیسترها، قفل‌ها و حافظه‌ها به کار رود.

اما برای این نوع از مدارها برای عمل کردن در مسیر “ترتیبی”، آنها نیازمند اضافه کردن یک پالس ساعت یا سیگنال زمانی برای تحریک آنها برای تغییر وضعیت خود است. پالس‌های ساعت عموما شکل موج‌های مربعی و مستطیلی پیوسته هستند که توسط یک مدار مولد پالس سیگنال مانند مولتی ویبراتور ساخته شده‌اند.

مدار مولتی ویبراتور

مدار مولتی ویبراتورها بین یک وضعیت “بالا” و “پایین” نوسان می‌کند و یک خروجی پیوسته تولید می‌کند. مولتی ویبراتورهای آستابل عموما دارای یک چرخه کاری 50% هستند که 50% سیکل کاری خروجی “بالا ” است و بقیه 50% چرخه کاری خروجی “خاموش” است. در بیان دیگر، چرخه کاری برای یک پالس زمانی آستابل 1:1 است.

مدارهای منطقی ترتیبی که از سیگنال ساعت برای همزمان‌سازی استفاده می‌کنند بر فرکانس و پهنای پالس ساعت برای فعال کردن عمل سوئیچینگ بستگی دارند. مدارهای ترتیبی همچنین ممکن است وضعیت خود را در هر دو لبه بالا رونده و پایین رونده یا هر دو سیگنال ساعت همانطور که قبلا با مدارهای فلیپ فلاپ پایه دیدیم، تغییر دهند. لیست زیر واژه‌هایی هستند که با یک پالس زمانی یا شکل موج همراه شده‌اند.

• High فعال – اگر تغییر وضعیت از “پایین” به یک “بالا” در لبه رو به بالا پالس ساعت یا در طول پهنای ساعت رخ دهد.
• LOWفعال – اگر تغییر وضعیت از “بالا” به یک “پایین” در لبه رو به پایین پالس‌های ساعت رخ دهد.
• چرخه کاری – این نسبت پهنای ساعت به طول زمانی ساعت است.
• طول ساعت – این زمان بین انتقال موفق در همان جهت است به طور مثال بین دو لبه رو به بالا یا پایین
• فرکانس ساعت – فرکانس ساعت عکس طول زمانی ساعت است، فرکانس = 1/ طول ساعت (f=1/T) .
• مدارهای تولید پالس ساعت می‌تواند ترکیبی از مدارهای آنالوگ و دیجیتال باشد که یک سری از پالس‌های پیوسته (اینها مولتی ویبراتورهای آستابل نامیده می‌شوند) یا یک پالس مدت زمان ویژه (مولتی ویبراتورهای مونواستابل نامیده می‌شوند) تولید می‌کنند. ترکیب کردن دو یا چند مولتی ویبراتور تولید یک الگو مطلوب از پالس‌ها (شامل پهنای پالس، زمان بین پالس‌ها و فرکانس پالس‌ها) را مهیا می‌کند.

انواع مدار تولید پالس ساعت

اساسا سه نوع مدار تولید پالس ساعت وجود دارد:

پایدار – یک مولتی ویبراتور در حال اجرا مستقل دارای وضعیت‌های پایدار نیست اما بین دو حالت به صورت پیوسته تغییر می‌کند و یک قطار از پالس‌های موج مربعی در یک فرکانس ثابت تولید می‌کند.

مونواستابل – یک مولتی ویبراتور تک شات که دارای تنها یک وضعیت پایدار است و به صورت بیرونی با برگشتن به وضعیت پایدار اولی خود، تریگر می‌شود.

دوپایا – یک فیلیپ فلاپ که دارای دو وضعیت پایدار است که یک پالس سیگنال هم مثبت و یا منفی در مقدار را تولید می‌کند.

یک روش تولید یک سیگنال ساعت بسیار ساده توسط اتصال داخلی گیت‌های منطقی است. از آنجا که گیت‌های NAND شامل تقویت‌‌کنندگی هستند، آنها همچنین می‌توانند برای مهیا کردن یک سیگنال ساعت یا پالس زمانی با کمک یک خازن واحد و یک مقاومت واحد برای مهیا کردن فیدبک و تابع زمانی، به کار روند.

اغلب این مدارهای زمانی به دلیل سادگی آن به کار می‌روند و همچنین کاربردی هستند اگر یک مدار منطقی طراحی شود که دارای گیت‌های استفاده نشده است که می‌تواند برای ایجاد نوسان ساز پایدار یا مونواستابل به کار رود. این نوع ساده شبکه نوسان ساز RC گاهی اوقات یک “نوسان‌ساز Relaxation” نامیده می‌شود.

مدارهای مولتی ویبراتور مونواستابل

مولتی ویبراتورهای مونواستابل یا مولدهای پالس “تک شات” عموما برای تبدیل پالس‌های تیز کوتاه به عریض‌تر برای کاربردهای زمانی به کار می‌روند. مولتی ویبراتورهای مونواستابل یک پالس خروجی واحد  هم “بالا” یا “پایین” را هنگامی که یک سیگنال تریگر بیرونی مناسب یا پالس T اعمال می‌شود، تولید می‌کند.

این سیگنال پالس تریگر یک چرخه زمانی را آغاز می‌کند که باعث می‌شود تا خروجی مونواستابل وضعیت را در آغاز سیکل زمانی (t1) تغییر دهد و در این وضعیت دوم تا زمان انتهای طول زمانی (t2) که توسط ثابت زمانی خازن زمانی CT و مقاومت RT تعیین شده، می‌ماند.

مولتی وبراتور مونواستابل اکنون در این وضعیت زمانی دوم تا انتهای ثابت زمانی RC می‌ماند و به صورت خورکار خودر ا ریست می‌کند و یا خود را به وضعیت اصلی خود (پایدار) برمی‌گرداند. سپس، یک مدار مونواستابل تنها دارای یک وضعیت پایدار است. یک نام رایج‌تر برای این نوع مدار به سادگی یک “فلیپ فلاپ است” زیرا که آن می‌تواند از دو گیت‌های NAND پیوندی متقاطع (یا گیت‌های NOR) ساخته شود که قبلا دیدیم. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار مونواستابل گیت NAND ساده

فرض کنید که ابتدایا ورودی تریگر T در سطح منطقی “1” با مقاومت R1 نگه داشته شده است درنتیجه خروجی از اولین گیت NAND  U1 در سطح منطق “0” پایین است (اصول گیت NAND). مقاومت زمانی RT به سطح ولتاژ معادل با سطح منطق “0” که باعث تخلیه خازن CT می‌شود وصل شده است. خروجی U1 پایین است و خازن CT کاملا تخلیه شده است درنتیجه پیوند V1 همچنین معادل با “0” است که منجر به خروجی از دومین NAND دومی U2 که به صورت یک گیت NOT معکوس وصل شده است و درنهایت بالا خواهد شد، می‌شود.

خروجی از گیت NAND دومی (U2) به یک ورودی U1 برای مهیا کردن فیدبک مثبت ضروری فیدبک شده است. از آنجا که پیوند V1 و خروجی U1 هر دو در سطح منطق”0″ هستند در خازن C_T هیچ جریانی جاری نمی‌شود. این منجر به پایدار شدن مدار می‌شود و در این وضعیت تا تغییر ورودی تریگر  T باقی می‌ماند.

اگر یک پالس منفی اکنون به صورت بیرونی یا با عمل کلید فشاری به ورودی تریگر گیت NAND U1 اعمال شودخروجی U1 به بالا به سطح منطق “1” خواهد رفت (اصول گیت NAND).

از آنجا که ولتاژ دو سر خازن نمی‌تواند به صورت لحظه‌‌ای تغییر کند (اصول شارژ خازن)  این باعث خواهد شد تا پیوند V1 و همچنین ورودی به u2 تا به بالا بروند، که به نوبه خود باعث خواهد شد تا خروجی U2 گیت NAND به پایین به سظح منطق “0” تغییر ‌کند. مدار اکنون در این وضعیت دوم حتی اگر پالس ورودی تریگر T حذف شود باقی  خواهد ماند. این به عنوان وضعیت شبه پایدار شناخته می‌شود.

ولتاژ دو سر خازن اکنون با شروع خازن C_T به تغییر از خروجی U1 در ثابت زمانی تعیین شده توسط ترکیب مقاومت / خازن افزایش خواهد یافت. این فرایند شارژ تا زمانی که جریان شارژی قادر به نگه داشتن ورودی U2 و درنتیجه پیوند V1  در بالا نباشد، ادامه می‌یابد.

زمانی که این اتفاق می‌افتد، خروجی u2 سوئیچ‌ها دوباره در سطح منطق “1” بالا هستند، که به نوبه خود باعث می‌شود تا خروجی u1 به پایین برود و خازن به خروجی U1 تحت تاثیر مقاومت R_T تخلیه می‌شود. اکنون مدار به عقب وضعیت پایدار اصلی خود برمی‌گردد.

درنتیجه، برای هر پالس تریگر رونده به منفی، مدار مولتی ویبراتورها مونواستابل یک پالس خروجی به پایین رونده تولید می‌کند. طول بازه زمانی خروجی توسط ترکیب مقاومت / خازن (شبکه RC) تعیین می‌شود و به عنوان ثابت زمانی T=0.69RC مدار در واحد ثانیه ارائه شده است. از آنجا که امپدانس ورودی گیت‌های NANDخیلی بالا است، طول‌های زمانی بزرگ می‌تواند بدست آید.

همانند مدار نوع مونواستابل گیت NAND فوق، همچنین امکان ساخت مدارای زمانی مونواستابل ساده که ترتیب زمانی خود را از لبه رو به بالا پالس تریگر با استفاده از گیت‌های NOT ،NAND و NOR که به صورت معکوس‌کننده وصل شده‌اند آغاز می‌کنند، وجود دارد که در زیر نشان داده شده است.

مولتی ویبراتورهای مونواستابل گیت NOT

همانند مدار گیت NAND فوق، ابتدا ورودی تریگر T در سطح منطق “1” بالا است  بنابراین خروجی از اولین گیت NOT در سطح منطق “0” پایین است. مقاومت زمانی R_T و خازن C_T به یکدیگر به صورت موازی و همچنین به ورودی گیت NOT دومی U2 وصل هستند. از آنجا که ورودی به U2 در سطح منطق “0” پایین است خروجی آن در Q در سطح “1” بالا است.

هنگامی که پالس سطح منطق “0” به ورودی تریگر T اولین گیت NOT اعمال شد، آن وضعیت را تغییر می‌دهد و خروجی سطح منطقی “1” را تولید می‌کند. دیود D1 این سطح ولتاژ “1” منطقی را به شبکه زمانی RC عبور می‌دهد. ولتاژ دوسر خازن C_T به سرعت به این سطح ولتاژ جدید که همچنین به ورودی دومین گیت NOT وصل است، افزایش می‌یابد. این به نوبه خود خروجی منطقی “0” را در Q می‌دهد و مدار این وضعیت شبه پایدار تا زمانی که ورودی تریگر T به مدار اعمال شود و در پایین بماند، باقی می‌ماند.

هنگامی که سیگنال تریگر به بالا برمی‌گردد، خروجی از اولین گیت NOT به پایین به سطح منطق “0” بر می‌گردد (اصول گیت NOT) و خازن کاملا شارژ شده C_T شروع به تخلیه خود از طریق مقاومت موازی R_T متصل در دوسر خود می‌کند. وقتی که ولتاژ دوسر خازن به زیر پایین‌ترین مقدار آستانه ورودی گیت NOT دومی افت می‌کند، خروجی آن دوباره به عقب سوئیچ می‌کند و یک سطح منطق “1” در  Q تولید می‌کند. دیود D1 از تخلیه خازن زمانی به عقب در اولین خروجی گیت NOT ممانعت می‌کند.

سپس، ثابت زمانی برای یک مولتی ویبراتور مونواستابل گیت NOT به صورت تریگر T=0.8RC+  در ثانیه است.

یکی از معایب اصلی مولتی ویبراتور مونواستابل این است که زمان بین کاربرد پالس تریگر بعدی T باید بزرگتر از ثابت زمانی RC مدار باشد.

مدار مولتی ویبراتور آستابل

مولتی ویبراتوهای آستابل از رایج‌ترین انواع مدار مولتی ویبراتور است. یک مولتی ویبراتور آستابل یک نوسان‌ساز در حال اجرا آزاد است که دارای هیچ وضعیت “شبه” یا “پایدار” دائمی نیست اما خروجی خود را پیوسته از یک حالت (پایین) به وضعیت دیگر “بالا” و دوباره به عقب تغییر می‌دهد.  این عمل سوئیچینگ پیوسته از “بالا” با “پایین” و “پایین” به “بالا” یک خروجی شکل موج مربعی پایدار  و پیوسته که بطور سریع بین دو سطح منطقی سوئیچ می‌کند بوجود می‌آورد و آن را برای کاربردهای پالس ساعت و زمانی ایده‌آل می‌کند.

همانند مدار مولتی ویبراتور مونواستابل قبلی در بالا، چرخه زمانی توسط ثابت زمانی RC شبکه مقاومت-خازن RC تعیین شده است. سپس فرکانس خروجی می‌تواند با تغییر مقدار (ها) مقاومت‌ها و خازن در مدار تغییر کند.

مولتی ویبراتور آستابل گیت NAND

مدار مولتی ویبراتور آستابل دو گیت NOT CMOS  مانند آی سی های معکوس‌کننده … CD4069 یا 74HC04 و یا در مدار ساده ما در پایین یک جفت از NAND CMOS مانند CD4011 یا 74LS132 و یک شبکه زمانی RC را به کار می‌برد. دو گیت NAND به عنوان گیت‌های NOT معکوس وصل شده‌اند.

فرض کنید که در ابتدا خروجی U2  از گیت NAND در سطح منطق “1” بالا است، سپس ورودی باید در سطح منطق “0” پایین باشد (اصول گیت NAND) بطوریکه  خروجی U1 از اولین گیت NAND خواهد بود. خازن C بین خروجی  U2 دومین گیت NAND و ورودی آن با مقاومت زمانی R2 وصل شده است. خازن اکنون در یک محدوده تعیین شده توسط ثابت زمانی R2 و C شارژ می‌شود.

با شارژ خازن C به بالا، پیوند بین مقاومت  R2 و خازن C که به ورودی U1 گیت NAND با مقاومت پایدار R2 وصل شده، تا زمانی که کمترین مقدار آستانه U1 به دست آید که نقطه U1 وضعیت را تغییر می‌دهد و خروجی U1 اکنون بالا می‌شود. این باعث می‌شود U2 گیت NAND همچنین وضعیت خود را با تغییر ورودی از سطح منطق “0” تا سطح “1” تغییر دهد  و منجر به کم شدن خروجی U2 گیت NAND، سطح منطقی “0”، می‌شود.

خازن C بایاس معکوس می‌شود و خود را از طریق ورودی U1 گیت NAND تخلیه می‌کند. خازن  Cدوباره خود را در جiت مخالف تعیین شده توسط ثابت زمانی هر دو R2 و C شارژ می‌کند تا زمانی که مانند قبل آن به بالاترین مقدار آستانه  U1گیت NAND برسد.  این باعث می‌شود تا U1 وضعیت را تغییر دهد و چرخه دوباره خود را تغییر می‌دهد.

سپس، ثابت زمانی برای یک مولتی ویبراتور آستابل گیت NAND به صورت T=2.2 RCدر ثانیه با فرکانس خروجی f=1/T ارائه شده است.

برای مثال، اگر مقاومت R2=10KΩ و خازن C=45nF باشد، فرکانس نوسان مدار به صورت زیر خواهد شد:

سپس فرکانس خروجی به صورت 1kHz محاسبه شده است، که منجر به ثابت زمانی 1ms می‌شود بنابراین شکل موج خروجی به صورت زیر خواهد بود:

مدارهای مولتی ویبراتور دو پایا

مدار مولتی ویبراتورهای دوپایا اساس یک فلیپ فلاپ SR هستند که ما در آموزش‌های قبلی به اضافه یک معکوس‌کننده یا گیت NOT برای مهیا کردن تابع سوئیچینگ ضروروی بر آن پرداختیم. همانند فلیپ فلاپ‌ها، هر دو حالت یک مولتی ویبراتور دو پایا پایدار هستند، و مدار در هر دو وضعیت به صورت نامحدود باقی خواهد ماند.

این نوع از مدار مولتی ویبراتور از یک وضعیت به دیگری “تنها” زمانی که یک پالس تریگر بیرونی مناسب T اعمال شده باشد عبور می‌کند و برای رفتن به به یک چرخه “ست-ریست” کامل دو پالس تریگر لازم است. این نوع از مدار همچنین به عنوان یک “قفل دو پایا”، “قفل تغییر وضعیت” یا به سادگی “قفل- T” شناخته می‌شود.

مولتی ویبراتورهای دو پایا گیت NAND

ساده‌ترین روش برای ایجاد یک قفل دو پایا وصل کردن به هم یک جفت گیت NAND اشمیت برای تشکیل یک قفل SR که در بالا نشان داده شده است. این دو گیت NAND،U2 و U3 یک دوپایا را که توسط ورودی U1  گیت NAND  تریگر شده است را تشکیل می‌دهند. این U1گیت NAND می‌تواند توسط یک سوئیچ قفل واحد حذف و جابه جا شود تا یک مدار منفی سوئیچ که قبلا در آموزش فلیپ فلاپ SR دیدیم ایجاد کند.

هنگامی که پالس ورودی به “پایین” می‌رود، دوپایا به وضعیت “تنظیم” خود قفل می‌شود، با خروجی خود در سطح منطق “1” تا زمانی که ورودی “بالا” برود که باعث می‌شود تا دوپایا با خروجی خود در سطح منطق “0” به وضعیت “ریست” قفل شود. خروجی یک مولتی ویبراتور دوپایا در وضعیت “ریست” تا زمانی که پالس ورودی دیگر اعمال شود باقی خواهد ماند و ترتیب کلی دوباره شروع خواهد شد.

سپس یک قفل دوپایا یا “قفل تغییر وضعیت” یک قطعه دو وضعیتی است به طوریکه هر دو وضعیت مثبت یا منفی (سطح “1” یا سطح “0”) پایدار هستند.

مولتی ویبراتورهای دوپایا دارای کاربرهای بسیاری مانند تقسیم کننده فرکانس / شمارنده‌ها یا مانند یک قطعه قوی در حافظه‌های کامپیوتر هستند اما انها در مدارهایی مانند قفل‌ها و شمارنده‌ها بهتر استفاده می‌شوند.

مدار تایمر 555

مونواستابل ساده یا مولتی ویبراتورهای آستابل اکنون می‌توانند به سادگی با استفاده از آی سی های مولد شکل موج موجود رایج استاندارد به ویژه طراحی تا مدارهای نوسان‌ساز یا زمانی ایجاد کنند، ساخته شده اند.  نوسان‌سازهای Relaxation می‌توانند به سادگی  توسط اتصال مولفه‌های غیر فعال کم به پین‌های ورودی خود با آی سی نوع مولد ژنراتور شکل موج به کار رفته رایج که تایمر 555 کلاسیک است، ساخته می‌شود.

تایمر 555 یک آی سی زمانی کم هزینه بسیار تطبیق‌پذیر است که می‌تواند یک پریود زمانی بسیار دقیق  باپایداری خوب تقریبا 1% ایجاد کند که دارای یک پریود زمانی متغیر از بین چند میکروثانیه تا چند ساعت است که پریود زمانی توسط یک شبکه RC واحد متصل به یک تغذیه مثبت واحد بین 4.5 و 16 ولت کنترل می‌شود.

تایمر NE555 و جانشین آن، IC7555 ،CMOS LM1455 ،NE556 دوتایی و غیره در آموزش نوسان‌ساز 555 و الکترونیک‌های خوب دیگر مبتنی بر وب سایت‌ پوشش داده شدهاند  بنابراین در اینجا تنها برای اهداف مرجع مانند مولد پالس ساعت شامل شده‌اند. 555 به عنوان یک مولتی ویبراتور آستابل وصل شده است که در زیر نشان داه شده است.

مولتی ویبراتور آستابل NE555

در اینجا تایمر 555 به عنوان یک مولتی ویبراتور آستابل پایه وصل شده است و یک شکل موج خروجی پیوسته تولید می‌کند.  پین‌های 2 و 6 به یکدیگر وصل شده‌اند بنابراین خود را بر هر سیکل زمانی دوباره تریگر می‌کند، بنابراین به صورت یک نوسان‌ساز آستابل عمل می‌کند. خازن C1 از طریق مقاومت R1 و مقاوت R2 شارژ می‌شود ولی تنها از طریق مقاومت R2 تخلیه می‌شود زیرا که بخش دیگر مقاومت R2 به ترمینال تخلیه پین 7 وصل شده است. سپس پریود زمانی t1 و t2 به صورت زیر ارائه شده است:

T1=0.693(R1+R2) C1

T2=0.693(R2)C1

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

ولتاژ دو سر خازن C1 از بین 1/3 Vcc تا تقریبا 2/3 Vcc بسته بر پریود زمانی RC محدودیت‌بندی شده است. این نوع از مدار خیلی پایدار است زیرا که از یک ریل تغذیه واحد عمل می‌کند و منجر به یک فرکانس نوسان  که مستقل از ولتاژ تغذیه Vcc است،‌ می‌شود‌.

در آموزش بعدی درباره مدارهای منطقی ترتیبی، بر نوع دیگر فلیپ فلاپ کنترل شده ساعت که قفل داده نامیده می‌شود، پرداختیم. قفل‌های داده مدارهای ترتیبی بسیار پرکاربرد هستند که می‌توانند از هر فلیپ فلاپ SR گیت‌دار استاندارد ساخته شوند و برای تقسیم فرکانسی برای تولید شمارنده‌های موج گوناگون قفل‌ها و تقسیم کننده‌های فرکانسی استفاده می‌کنند.