مولتی ویبراتور مونو استابل

مولتی ویبراتورها مدارهای احیا کننده متوالی همزمان یا ناهمزمان هستند و به طور گسترده در کاربردهای زمان‌بندی الکترونیکی استفاده می‌­شوند. مولتی ویبراتورها یک شکل موج خروجی شبیه موج مربعی متقارن یا نامتقارن تولید می­‌کنند و به این ترتیب رایج­‌ترین مورد استفاده در بین تمام مولدهای موج مربعی هستند. مولتی ویبراتورها به خانواده­ای از نوسان­‌سازها تعلق دارند که معمولاً “نوسان‌سازهای وقفه‌­ای (ریلاکسیون)” نامیده می­‌شوند.

به طور کلی، مولتی ویبراتورهای گسسته از یک مدار سوئیچینگ دو ترانزیستوری تشکیل شده و به گونه­‌ای طراحی شده­‌اند که یک یا چند خروجی آن به عنوان ورودی به ترانزیستور دیگر با یک شبکه مقاومت و خازن (RC) متصل به آن­‌ها برای تولید مدار مخزنی (تانک) فیدبک می­‌خورد.

مولتی ویبراتورها دو حالت الکتریکی متفاوت دارند، یک حالت خروجی “زیاد” و یک حالت “کم” خروجی که بسته به نوع مولتی ویبراتور حالت پایدار یا شبه پایدار به آنها داده می­‌شود. یک نوع از پیکربندی مولد پالس دو حالته، مولتی ویبراتورهای مونو استابل نام دارد. مولتی ویبراتورهای مونوستابل تنها یک حالت پایدار دارند (از این رو نام آنها”مونو” است) و هنگامی که از خارج فعال می­‌شود، یک پالس خروجی تولید می‌­کند. مولتی ویبراتورهای مونو استابل تنها پس از مدتی که توسط ثابت زمانی مدار RC تعیین می­‌شود، به حالت اولیه و پایدار خود باز می‌­گردند.

مدار روبه‌رو را در نظر بگیرید. مقاومت R و خازن C یک مدار زمان بندی RC را تشکیل می‌­دهند. به دلیل ولتاژ در خازن با LED روشن متصل به تخلیه (درین)، ماسفت مد بهبود N کاناله بر روی حالت روشن سوییچ می­‌شود.

هنگامی که سوئیچ بسته می‌­شود، خازن اتصال کوتاه شده و بنابراین تخلیه می­‌شود در حالی که به طور هم زمان، گیت ماسفت به زمین اتصال دارد. ماسفت و در نتیجه LED هر دو “خاموش” هستند. هنگامی که سوئیچ بسته است، مدار همیشه “خاموش” و در “حالت ناپایدار” خود خواهد بود.

۱. مدار ماسفت مونو استابل

هنگامی که سوئیچ باز می‌­شود، خازن کاملاً تخلیه شده، از طریق مقاومت (R) شروع به شارژ شدن می­‌کند با نرخی که توسط ثابت زمانی RC شبکه مقاومت-خازن تعیین می­‌شود. هنگامی که ولتاژ شارژ خازن‌­ها به سطح ولتاژ آستانه پایین دروازه ماسفت­‌ها رسید، ماسفت بر روی حالت “روشن” سوییچ کرده، LED را روشن و مدار را به حالت پایدار خود باز می­‌گرداند.

بنابراین، استفاده از سوئیچ باعث می­‌شود که مدار وارد حالت ناپایدار خود شود، در حالی که ثابت زمانی شبکه RC آن را پس از یک دوره زمان­‌بندی از پیش تعیین شده به حالت پایدار خود بر می­‌گرداند و در نتیجه یک مدار ماسفت مولتی ویبراتور بسیار ساده “تک شات” یا مونو استابل تولید می‌­کند.

مولتی ویبراتورهای مونواستابل یا «مولتی ویبراتورهای تک شات»، برای تولید یک پالس خروجی منفرد با عرض مشخص «زیاد» یا «کم» با اعمال سیگنال فرمان خارجی مناسب یا پالس T استفاده می‌شوند. این سیگنال فرمان یک چرخه زمان­ بندی را آغاز می­‌کند که باعث می­‌شود خروجی مونوستابل حالت خود را در شروع چرخه زمان‌­بندی تغییر دهد و در این حالت دوم باقی بماند.

چرخه زمان‌بندی مونوستابل با ثابت زمانی خازن زمان‌بندی CT و مقاومت RT تعیین می‌شود تا زمانی که دوباره تنظیم شود یا خود را به حالت اولیه (پایدار) برگرداند. مولتی ویبراتور مونوستابل تا زمانی که پالس ورودی یا سیگنال فرمان دیگری دریافت نشود در این حالت پایدار اولیه به طور نامحدود باقی می­‌ماند. بنابراین، مولتی ویبراتورهای مونو استابل تنها یک حالت پایدار دارند و در پاسخ به یک پالس ورودی فرمان تکی، یک چرخه کامل را طی می­‌کنند.

مدار مولتی ویبراتور مونو استابل

۲. مدار مولتی ویبراتور مونوستابل

مدار مولتی ویبراتور مونو استابل ترانزیستوری کلکتور کوپل شده و شکل موج‌­های مرتبط با آن در بالا نشان داده شده است. هنگامی که در ابتدا توان اعمال می­‌شود، بیس ترانزیستور TR2 از طریق مقاومت بایاس (RT) به Vcc متصل می­‌شود، در نتیجه ترانزیستور را “کاملا روشن” و به حالت اشباع برده و همزمان TR1 را “خاموش” می­‌کند. این حالت، مدارهای “وضعیت پایدار” با خروجی صفر را نمایش می‌­دهد. بنابراین، جریانی که به ترمینال بیس اشباع شده TR2 وارد می‌­شود برابر با Ib = (Vcc – 0.7)/RT خواهد بود.

اگر اکنون یک پالس فرمان منفی در ورودی اعمال شود، لبه کاهشی سریع پالس مستقیماً از خازن C1 به بیس ترانزیستور TR1 از طریق دیود مسدود کننده (بلاکینگ) عبور کرده و آن را “روشن” می­‌کند. کلکتور TR1 که قبلاً در مقدار Vcc بود، به سرعت به زیر صفر ولت می­‌رسد و به طور مؤثری به خازن CT شارژ معکوس 0.7- ولت در صفحات خود می­‌دهد. این عمل منجر به این می­‌شود که ترانزیستور TR2 اکنون دارای ولتاژ بیس منفی در نقطه X باشد که ترانزیستور را کاملاً خاموش نگه می­‌دارد. این حالت دوم مدار، “وضعیت ناپایدار” را با ولتاژ خروجی برابر Vcc نشان می‌­دهد.

خازن زمان‌بندی CT شروع به تخلیه این منفی0.7 ولت از طریق مقاومت زمان‌بندی RT کرده و تلاش می‌کند تا ولتاژ منبع تغذیه Vcc را شارژ کند. این ولتاژ منفی در بیس ترانزیستور TR2 به تدریج با نرخی که توسط ثابت زمانی ترکیب RT CT تعیین می­‌شود، شروع به کاهش می­‌کند.

با افزایش ولتاژ پایه TR2 تا Vcc، ترانزیستور شروع به هدایت کرده و با انجام این کار ترانزیستور TR1 را دوباره خاموش می­‌کند که منجر به بازگشت خودکار مولتی ویبراتور مونوستابل به حالت پایدار اولیه خود می­‌شود و منتظر یک پالس فرمان منفی دوم برای راه اندازی مجدد است.

مولتی ویبراتورهای مونواستابل می­‌توانند یک پالس بسیار کوتاه یا یک شکل موج مستطیلی شکل بسیار بلندتر تولید کنند که لبه جلویی آن در زمان با پالس فرمان اعمال شده خارجی افزایش می­‌یابد و لبه انتهایی آن به ثابت زمانی RC اجزای فیدبک مورد استفاده وابسته است. این ثابت زمانی RC ممکن است با زمان تغییر کرده و مجموعه‌ای از پالس‌ها تولید کند که تاخیر زمانی ثابت کنترل‌شده‌ای در رابطه با پالس فرمان اصلی دارند، همانطور که در زیر نشان داده شده است.

شکل موج‌های مولتی ویبراتور مونواستابل

۳. شکل موج‌ های مولتی ویبراتور مونو استابل

ثابت زمانی مولتی ویبراتورهای مونو استابل را می‌­توان با تغییر مقادیر خازن CT، مقاومت RT، یا هر دو تغییر داد. مولتی ویبراتورهای مونو استابل معمولاً برای افزایش عرض یک پالس یا ایجاد تأخیر زمانی در مدار استفاده می­‌شوند زیرا فرکانس سیگنال خروجی همیشه با فرکانس ورودی پالس فرمان یکسان است و تنها تفاوت در عرض پالس است.

مولتی ویبراتورهای مونواستابل TTL/CMOS

علاوه بر تولید مولتی ویبراتورهای مونو استابل از اجزای مجزا مانند ترانزیستورها، می‌توانیم مدارهای یکپارچه را با استفاده از مدارهای مجتمع (IC) معمولی در دسترس بسازیم. مدار زیر نشان می­‌دهد که چگونه می­‌توان یک مدار مولتی ویبراتور مونو استابل را با استفاده از دو گیت منطقی 2 ورودی “NOR” ساخت.

مونواستابل گیت NOR

4. مونواستابل گیت NOR

در ابتدا فرض کنید که ورودی فرمان در سطح منطقی “0” (کم) باشد، به طوری که خروجی از اولین گیت NOR  (U1) در سطح منطقی “1” (زیاد) باشد (قاعده گیت NOR). مقاومت RT به ولتاژ تغذیه متصل است، بنابراین با سطح منطقی “1” نیز برابر است، به این معنی که خازن CT در هر دو صفحه خود شارژ یکسانی دارد. بنابراین اتصال V1 برابر با این ولتاژ است و خروجی از گیت NOR  دوم (U2) در سطح منطقی “0” (کم) خواهد بود. این وضعیت، مدارهای “وضعیت پایدار” را با خروجی صفر نشان می­‌دهد.

هنگامی که یک پالس فرمان مثبت به ورودی در زمان t۰ اعمال می­‌شود، خروجی اولین گیتNOR  (U1) کم شده و صفحه سمت چپ خازن CT را با خود همراه کرده و در نتیجه خازن را تخلیه می­‌کند. از آنجایی که هر دو صفحه خازن اکنون در سطح منطقی “0” هستند، ورودی به دومین گیت NOR (U2) نیز همینطور است و خروجی برابر با سطح منطقی “1” را در پی دارد. بنابراین، این حالت دوم مدار “وضعیت ناپایدار” را با ولتاژ خروجی برابر  Vcc+ نشان می­‌دهد.

دومین گیت NOR (U2)، این حالت دوم ناپایدار را تا زمانی که خازن زمان‌بندی از طریق مقاومت RT شارژ می­‌شود، حفظ کرده تا به حداقل ولتاژ آستانه ورودی U2 (تقریباً 2.0 ولت) برسد. این باعث می­‌شود که U2 وضعیت را تغییر دهد زیرا یک مقدار سطح منطقی “1” اکنون در ورودی­‌های آن ظاهر شده است.

خروجی دروازه‌­های NOR به سطح منطقی “0” برگشت داده می­‌شود که به نوبه خود به یک ورودی U1 فیدبک می­‌شود (حلقه فیدبک). این عمل به طور خودکار مونو استابل را به حالت پایدار اولیه خود باز می‌­گرداند و در انتظار یک پالس فرمان دوم برای راه اندازی مجدد فرآیند زمان بندی می­‌ماند.

شکل موج های مونو استابل گیت NOR

5. شکل موج‌ های مونو استابل گیت NOR

معادله ای برای دوره زمانی مدار به صورت زیر بدست می آید:

که در آن، R به اهم و C به فاراد است.

 می‌توان مولدهای پالس مونوستابل را با استفاده از آی‌سی‌های خاص ساخت و مدارهای مجتمعی وجود دارد که به این امر اختصاص داده شده‌اند مانند مولتی ویبراتور مونو استابل تک شات استاندارد 74LS121 یا مولتی ویبراتور مونو استابل قابل تحریک مجدد 74LS123 یا 4538B که می‌توانند پهنای پالس خروجی از 40 نانوثانیه تا 28 ثانیه با استفاده از تنها دو جزء زمان‌بندی RC خارجی تولید کنند که عرض پالس داده شده به صورت: 0.69RC=T به ثانیه است.

مولد مونو استابل 74LS121

6. مولد مونوستابل 74LS121

این آی سی مولد پالس مونو استابل را می­‌‌توان به گونه‌­ای پیکربندی کرد که یک پالس خروجی را بر روی یک پالس فرمان در لبه بالارونده یا یک پالس فرمان در لبه پایین رونده تولید کند. 74LS121 می­‌تواند عرض پالس از حدود 10 نانوثانیه تا حدود 10 میلی ثانیه با حداکثر مقاومت زمان بندی 40 کیلو اهم و حداکثر خازن زمان بندی 1000میکرو فاراد تولید کند.

خلاصه مولتی ویبراتورهای مونو استابل

به طور خلاصه، مدار مولتی ویبراتور مونو استابل تنها یک حالت پایدار دارد که آن را یک مولد پالس “تک شات” می­‌کند. این مولتی ویبراتور توسط یک پالس فرمان خارجی کوتاه مثبت یا منفی تحریک می­‌شود. پس از راه‌اندازی، حالت مونو‌استابل تغییر کرده و برای مدت زمانی که توسط دوره زمانی مدار فیدبک RC تعیین می­‌شود، در این حالت دوم باقی می‌ماند. پس از گذشت این بازه زمانی، مونوستابل به طور خودکار خود را به حالت “کم” اولیه خود باز می‌گرداند و منتظر یک پالس فرمان دوم می‌­ماند.

بنابراین مولتی ویبراتورهای مونو استابل را می‌توان به عنوان مولد پالس راه‌اندازی در نظر گرفته که عموماً برای ایجاد تأخیر زمانی در مدار استفاده می‌شوند، زیرا فرکانس سیگنال خروجی مشابه فرکانس سیگنال ورودی پالس فرمان بوده و تنها تفاوت آن در عرض پالس است. یکی از معایب اصلی “مولتی ویبراتورهای مونو استابل” این است که زمان بین اعمال پالس فرمان بعدی باید بیشتر از ثابت زمانی RC از پیش تعیین شده مدار باشد تا زمان شارژ و تخلیه خازن را فراهم کند.

در مقاله بعدی در مورد مولتی ویبراتورها، نوعی را بررسی خواهیم کرد که دارای دو حالت پایدار است که برای جابجایی از یک حالت پایدار به حالت دیگر به دو پالس فرمان نیاز دارد. این نوع از مدارهای مولتی ویبراتور، مولتی ویبراتور بای استابل نامیده می­‌شود که با نام رایج‌­تر  “فلیپ-فلاپ” نیز شناخته می­‌شوند.