مولتی ویبراتورها

مولتی ویبراتورها، مدارات منطقی ترتیبی هستند که به صورت پیوسته بین دو حالت بالا و پایین راه‌‌اندازی ‌می‌شوند.

از مدارات منطقی ترتیبی خاص ‌می‌توان برای ساخت مدارات پیچیده‌تری مانند مولتی ویبراتورها، شمارنده‌ها، ثبات‌های shift، قفل‌ها و حافظه‌ها بهره برد.

اما برای اینکه اینگونه از مدارات به صورت ترتیبی عمل کنند، نیاز به یک پالس کلاک یا سیگنال زمانبندی دارند که باعث ‌می‌شود وضعیت شان را تغییر دهند. پالس‌های کلاک به طور کلی امواج پیوسته مربعی یا مستطیلی هستند که توسط یک مدار پالس ژنراتور مانند مولتی ویبراتور ساخته ‌می‌شوند.

مدار مولتی ویبراتور بین سطح بالا و سطح پایین نوسان ‌می‌کند و این نوسان یک خروجی پیوسته را به وجود ‌می‌آورد. مولتی ویبراتورهای ناپایدار (Astable) معمولا دارای دیوتی سایکل 50% ‌می‌باشند. به عبارتی دیگر نصف زمان سیکل، خروجی در سطح بالا قرار دارد و در نصف دیگر، خروجی در سطح پایین (ولتاژ صفر) است و دیوتی سایکل برای یک پالس زمانبندی Astable به صورت ۱:۱ ‌می‌باشد.

مدارات منطقی ترتیبی که از سیگنال کلاک برای سنکرون شدن استفاده ‌می‌کنند، وابسته به فرکانس هستند و در نتیجه، پهنای پالس کلاک برای فعال سازی عملکرد سوییچینگ مهم ‌می‌باشد. همچنین مدارات منطق ترتیبی ‌می‌توانند وضعیت سوییچینگ شان را تغییر دهند. (گوشه بالارونده پالس، گوشه ی پایین رونده یا هر دو گوشه پالس)

لیست زیر شامل اصطلاحاتی ‌می‌باشد که وابسته به پالس زمان بندی یا شکل موج است.

فعال در سطح بالا

اگر تغییر سطح از پایین به بالا، در گوشه ی بالارونده پالس کلاک رخ دهد

فعال در سطح پایین

اگر تغییر وضعیت از بالا به پایین در گوشه پایین رونده پالس کلاک رخ دهد.

پهنای پالس کلاک

بازه ی زمانی بین تغییرات متوالی در جهت یکسان بین ۲ گوشه بالا و پایین رونده.

دیوتی سایکل

نرخ پهنای پالس کلاک به دوره تناوب کلاک

شکل موج سیگنال کلاک

فرکانس کلاک

فرکانس کلاک معکوس دوره ی تناوب آن ‌می‌باشد و به صورت f=1/T محاسبه ‌می‌شود

مدارات سازنده‌ی پالس کلاک ‌می‌توانند ترکیبی از مدارات آنالوگ و دیجیتال باشند که ‌می‌توانند سری متوالی از پالس‌ها را به وجود بیاورند. (که به آن‌ها مولتی ویبراتورهای ناپایدار (Astable) ‌می‌گویند.) یا ‌می‌توانند یک پالس با بازه ی زمانی مشخص باشند ( که به آن‌ها مولتی ویبراتورهای مونواستابل یا تک حالته (Monostable) ‌می‌گویند.) ترکیب دو یا چند مدار مولتی ویبراتور با یکدیگر ‌می‌تواند الگوی دلخواه پالس را تولید کند. (موج با پهنای پالس دلخواه، بازه ی زمانی دلخواه بین پالس‌ها و فرکانس دلخواه تولید شود.)

به طور کلی ۳ نوع مدار برای ساخت پالس کلاک وجود دارد:

• ناپایدار یا آستابل (Astable): یک مولتی ویبراتور آزاد که هیچ حالت ثابتی ندارد اما سوییچ‌ها به صورت مداوم بین دو حالت نوسان ‌می‌کنند. این حالت باعث ایجاد قطاری از پالس‌های مربعی با فرکانس ثابت ‌می‌شود.
• تک حالته یا مونواستابل (Monostable): مولتی ویبراتورهای one-shot تنها یک حالت پایدار دارند. هنگا‌می‌که یک بار به صورت خارجی تحریک ‌می‌شود، دوباره به شرایط اولیه خودش باز‌می‌گردد.
• دو حالته یا بای استابل (Bistable): یک فلیپ فلاپ که دارای ۲ حالت ثابت ‌می‌باشد، یک پالس تک را در حالت بالا به پایین تولید ‌می‌کند.

یک راه برای تولید سیگنال کلاک، استفاده از دروازه‌های منطقی ‌می‌باشد. از آن جایی که گیت‌های NAND دارای بهره جریان (تقویت جریان) ‌می‌باشند، ‌می‌توانند برای ساخت یک سیگنال کلاک مناسب یا سیگنال زمانبندی مورد استفاده قرار بگیرند.

این مدارات زمانبندی معمولا به این دلیل استفاده ‌می‌شوند که طراحی ساده ای دارند. همچنین اگر یک مدار منطقی طراحی شود، دروازه‌های منطقی بلااستفاده زیادی دارد که از آن‌ها ‌می‌توان برای ساخت یک اسیلاتور تک حالته یا ناپایدار استفاده نمود. شبکه ی اسیلاتور RC ساده ای که به وسیله دروازه‌های منطقی و مقاومت و خازن به وجود ‌می‌آیند به Relaxation Oscillator معروف هستند.

مولتی ویبراتور مونواستابل

به طور کلی، از مولتی ویبراتورهای مونواستابل یا ژنراتورهای پالسی one-shot برای تبدیل پالس‌های کوتاه تیز به پالس‌های پهن تر استفاده ‌می‌شود تا از آن‌ها برای زمانبندی استفاده شود.

هنگا‌می‌که سیگنال تحریک خارجی مناسب یا پالس شروع (T) اعمال شود، مولتی ویبراتورهای تک حالته یک پالس خروجی تکی ایجاد ‌می‌کنند که در وضعیت منطقی یک یا صفر ‌می‌باشد.

این پالس تحریک آغازگر یک سیکل زمانبندی خواهد بود که باعث ‌می‌شود خروجی مدار تک حالته وضعیتش را در آغاز سیکل زمانبندی تغییر دهد (t۱) توسط تابث زمانی خازن (CT) و مقاومت (RT) تعیین ‌می‌شود.

مولتی ویبراتورهای تک حالته در وضعیت دوم زمانبندی باقی خواهند ماند تا ثابت زمانی RC به پایان برسد. سپس مولتی ویبراتور به صورت اتوماتیک ریست ‌می‌شود یا به حالت پایدار اولیه اش باز‌می‌گردد. به همین دلیل، مدار مونوستابل، تنها دارای یک حالت پایدار است که حالت بی کاری یا استراحت نیز نامیده ‌می‌شود. نام رایج برای این نوع مدار، فلیپ فلاپ است. چرا که ‌می‌تواند از دو گیت NAND یا وقفه که به صورت ضربدری به یکدیگر اتصال پیدا کرده‌اند؛ ساخته شود. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار مونواستابل با دو گیت NAND

فرض کنید که ورودی تحریک T توسط مقاومت R1 در سطح بالا نگه داشته شده باشد طوری که خروجی از اولین گیت NAND (U1) در سطح پایین ‌می‌باشد. در این حالت، مقاومت زمانبندی (RT) به سطح ولتاژ صفر متصل است که باعث ‌می‌شود. خازن (CT) کاملا دشارژ شود. در این حالت، خروجی U1 در سطح پایین قرار دارد. هنگا‌می‌که خازن زمان بندی به صورت کامل دشارژ شود، ولتاژ در نقطه V۱ نیز برابر با صفر ‌می‌شود که باعث ‌می‌شود خروجی گیت NAND دوم (U2) در سطح بالا (منطق یک) قرار بگیرد.

سپس خروجی از دومین گیت NAND (U2) به ورودی U1 فیدبک داده ‌می‌شود تا یک فیدبک مثبت داشته باشیم. از آن جایی که پیوند V1 و خروجی U1 هر دو در منطق صفر هستند، هیچ جریانی از خازن CT عبور ن‌می‌کند. در این حالت، مدار پایدار خواهد بود و در این شرایط باقی ‌می‌ماند تا یک ورودی محرک (T) به مدار اعمال شود.

اگر در این حال یک پالس منفی به صورت خارجی یا با استفاده از دکمه فشاری به ورودی گیت NAND (U1) اعمال شود، خروجی Q1 به سطح بالا ‌می‌رود.

از آن جایی که ولتاژ در دو سر خازن ن‌می‌تواند به سرعت تغییر کند، سطح ولتاژ در نقطه V1 و ورودی U2 بالا خواهد بود که باعث ‌می‌شود خروجی گیت NAND U2 به وضعیت صفر برود. در این شرایط، مدار حالت فعلی خود را حفظ خواهد کرد. حتی اگر پالس تحریک ورودی (T) دیگر به مدار اعمال نشود. این وضعیت Meta-Stable (شبه پایدار یا کم ثبات نام دارد.)

ولتاژ در طول خازن به تدریج افزایش پیدا ‌می‌کند. چرا که خازن CT با استفاده از خروجی U1 که در سطح بالا قرار دارد، شروع به شارژ شدن ‌می‌کند. ثابت زمانی دشارژ خازن بستگی به مقدار CT وRTدارد. فرایند شارژ تا جایی ادامه ‌می‌یابد که جریان شارژ قادر نباشد ورودی U2 را در سطح بالا نگه دارد. سپس خروجی U2 دوباره به سطح بالا ‌می‌رود که متعاقبا باعث ‌می‌شود خروجی U1 به سطح پایین برود و خازن در خروجی U1 از طریق مقاومت RT دشارژ شود. حال مدار دوباره به شرایط پایدار قبلی اش بازگشته.

بنابراین به ازای هر گوشه پالس پایین رونده، مولتی ویبراتور تک حالته یک پالس خروجی سطح پایین تولید ‌می‌کند. طول دوره تناوب خروجی توسط ترکیب خازن/ مقاومت تعیین ‌می‌شود و ثابت زمانی به صورت T=0.69RC و بر حسب ثانیه محاسبه ‌می‌شود. از آن جایی که امپدانس ورودی گیت‌های NAND خیلی بالا ‌می‌باشد، دوره‌های تناوب طولانی قابل دستیابی خواهد بود.

علاوه بر مدار تک حالته NAND که در بالا به آن پرداخته شد، ‌می‌توان یک مدار زمانبندی تک حالته ساده را به وجود آورد که زمانبندی اش را از گوشه بالارونده پالس تحریک آغاز ‌می‌کنند و از گیت‌های NOT که به صورت زیر اتصال یافته‌‌اند، تشکیل شده‌‌اند.

مونواستابل با گیت NOT

در مدار بالا، ورودی T در ابتدا بالا ‌می‌باشد. بنابراین خروجی از اولین گیت NOT (U1) در سطح پایین قرار دارد. مقاومت زمانبندی RT  و خازن CT به صورت موازی با یکدیگر و به ورودی دومین گیت NOT (U2) متصل شده‌‌اند. هنگا‌می‌که ورودی U2 در سطح پایین قرار دارد، خروجی در نقطه ی Q به سطح بالا ‌می‌رود.

هنگا‌می‌که یک پالس منطقی در سطح صفر به ورودی T اولین گیت NOT اعمال ‌می‌شود، تغییر وضعیت ‌می‌دهد و یک خروجی با سطح منطقی یک تولید ‌می‌کند. دیود D1 این ولتاژ سطح بالا را به شبکه RC انتقال ‌می‌دهد و ولتاژ در دو سر خازن CT به سرعت افزایش ‌می‌یابد که متصل به ورودی دومین گیت NOT است. سپس در نقطه Q سطح منطقی صفر برقرار ‌می‌شود و مدار در حالت Meta-Stable یا کم ثبات باقی ‌می‌ماند تا یک ورودی T به مدار اعمال شود.

هنگا‌می‌که سیگنال تحریک دوباره به سطح بالا باز‌می‌گردد، خروجی از اولین گیت NOT به سطح پایین ‌می‌رود و خازنی که کاملا شارژ شده شروع به دشارژ شدن از طریق مقاومت موازی میکند. هنگا‌می‌که ولتاژ در دو سر خازن به کمتر از مقدار ورودی گیت دوم NOT برسد، خروجی‌ها دوباره سطح منطقی یک را در نقطه Q به وجود ‌می‌آورند و دیود D1 اجازه ن‌می‌دهد که خازن زمانبندی خود را از طریق اولین گیت NOT دشارژ کند.

سپس ثابت زمانی برای یک گیت NOT در یک مولتی ویبراتور تک حالته به صورت T=0.8RC و بر حسب ثانیه محاسبه ‌می‌شود.

یکی از بزرگترین نقاط ضعف مولتی ویبراتورها این است که بازه زمانی بین اعمال پالس تحریک T بعدی باید بزرگ تر از ثابت زمانی RC مدار باشد.

مدارات مولتی ویبراتور ناپایدار

مولتی ویبراتورهای ناپایدار، پرکاربردترین نوع مولتی ویبراتور ‌می‌باشند. یک مولتی ویبراتور ناپایدار، اسیلاتوری آزاد ‌می‌باشد که هیچ حالت ثابت یا شبه ثابتی ندارد. اما مدام سطح خروجی اش را تغییر ‌می‌دهد. این تغییرات مداوم یک خروجی موج مربعی پیوسته ایجاد ‌می‌کند که به طور ناگهانی بین دو سطح منطقی سوییچ ‌می‌کند و مدار را برای مقاصد زمانبندی و ساخت پالس کلاک مناسب میکند.

همانند مدار تک حالته بالا، سیکل زمانبندی توسط ثابت زمانی RC تعیین ‌می‌شود. سپس فرکانس خروجی ‌می‌تواند به سهولت و با تغییر مقادیر مقاومت‌ها و خازن‌های موجود در مدار تغییر کند.

مولتی ویبراتور ناپایدار با گیت NAND

یک مدار ناپایدارمولتی ویبراتور از دو گیت CMOS NOT مانند CD4069 یا 7411C04 یا ازیک جفت گیت  CMOS NAND  مانند CD4011 یا 74LS132  به همراه یک شبکه زمانبندی RC استفاده ‌می‌کند. دو گیت NAND به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌‌اند.

فرض کنید که در ابتدا خروجی در گیت NAND (U2) در سطح منطقی بالا ‌می‌باشد.

بنابراین ورودی باید در سطح منطقی پایین باشد. خروجی اولین گیت NAND (U1) نیز در سطح پایین ‌می‌باشد. خازن C بین خروجی گیت NAND دوم (U2) و مقاومت R۲ قرار گرفته. حال خازن با ثابت زمانی R۲C شروع به شارژ شدن ‌می‌کند. هنگا‌می‌که خازن C در حال شارژ شدن است، اختلاف پتانسیل پیوند بین مقاومت R۲ و C که به ورودی گیت U1 متصل است رو به کاهش ‌می‌گذارد تا به مقدار آستانه U1 برسد. در این شرایط، U1 شرایطش را تغییر ‌می‌دهد و خروجی U1 به سطح بالا ‌می‌رود. این تغییرات باعث ‌می‌شود گیت U2 NAND نیز وضعیتش را تغییر دهد. چرا که ورودی اش از سطح صفر به یک رسیده و متعاقبا خروجی NAND گیت U2 به سطح پایین رفته‌است.

حال خازن C بایاس معکوس ‌می‌شود و خودش را از طریق ورودی U1 دشارژ ‌می‌کند و این بار در خلاف جهت قبلی شروع به شارژ شدن ‌می‌کند تا به مقدار آستانه گیت U1 NAND برسد. در این شرایط U1 وضعیتش را تغییر ‌می‌دهد و سیکل دوباره تکرار ‌می‌شود.

در نتیجه ثابت زمانی برای یک گیت NAND در یک مولتی ویبراتور ناپایدار به صورت T=2.2RC و بر حسب ثانیه محاسبه ‌می‌شود و فرکانس خروجی به صورت f=1/T ‌می‌باشد.

به عنوان مثال، اگر مقاومت R۲=10KΩ باشد و خازن C=45nf، فرکانس نوسان مدار به صورت زیر محاسبه ‌می‌شود:

و فرکانس خروجی 1KHz خواهد بود. در نتیجه دوره تناوب موج یک میلی ثانیه ‌می‌باشد و حالت موج خروجی چیزی شبیه به شکل زیر ‌می‌باشد:

مدارات مولتی ویبراتور دو حالته

مدارهای مولتی ویبراتور دو حالته در اصل یک فلیپ فلاپ SR ‌می‌باشند که در مقاله‌های پیش به آن پرداخته شد با این تفاوت که یک گیت NOT به آن‌ها افزوده شده تا عملکرد سوییچینگ را در مواقع ضروری به انجام برسانند.

همانند فلیپ فلاپ‌ها، دو حالت یک مدار مولتی ویبراتور پایدار ‌می‌باشد و مدار ‌می‌تواند در هر دو حالت تا بی نهایت باقی بماند. این مدار تنها با اعمال یک پالس محرک خروجی تغییر وضعیت ‌می‌دهد. بنابراین برای سوییچینگ در یک سیکل کامل Set-Reset به دو پالس محرک نیاز خواهد بود. این نوع مدار یک قفل دو حالته (Bistable Latch) یا (Toggle Latch) نامیده ‌می‌شود.

مولتی ویبراتور دو حالته با NAND

راحت ترین راه برای ساخت یک قفل دو حالته این است که یک جفت از گیت‌های NAND اشمیت را به یکدیگر متصل کنیم تا یک قفل SR که در شکل بالا نشان داده شده به وجود بیاید. دو گیت U1 و U2 یک مدار دو حالته ثابت را به وجود ‌می‌آورند که توسط ورودی گیت U1 تحریک ‌می‌شود. این گیت ‌می‌تواند با یک سوییچ toggle تکی جایگزین شود تا یک مدار لرزشگیر کلید را به وجود بیاورد که قبلا و در مقاله فلیپ فلاپ‌های  SRبه آن پرداخته شد.

هنگا‌می‌که پالس ورودی در سطح پایین قرار دارد، مولتی ویبراتور دو حالته به حالت set ‌می‌رود و خروجی‌ها به حالت منطقی یک فرو‌می‌روند و در این حالت باقی ‌می‌مانند تا ورودی به سطح بالا برود و قفل دو حاله در حالت Reset قرار بگیرد. در چنین شرایطی، سطح منطقی خروجی صفر خواهد بود. خروجی یک مولتی ویبراتور دو حالته در شرایط Reset باقی ‌می‌ماند تا پالس ورودی دیگری به مدار اعمال شود و سپس چرخه دوباره تکرار ‌می‌شود.

یک قفل دو حاله مداری دو وضعیتی ‌می‌باشد که در آن هر دو حالت Low یا High پایدار ‌می‌باشد.

مولتی ویبراتورهای دو حالته ‌می‌توانند در حافظه کامپیوتر برای ذخیره اطلاعات به کار گرفته شوند. اما بیشترین استفاده از آن‌ها در قفل‌ها و شمارنده‌ها ‌می‌باشد.

مدار تایمر ۵۵۵

مولتی ویبراتورهای تک حالته یا ناپایدار به راحتی و با استفاده از IC‌های سازنده ی موج قابل ساخت هستند که ‌می‌توانند به سهولت و با استفاده از اتصال چند المان پسیو به پین‌های ورودی شان ساخته شوند. پر کاربردترین IC سازنده موج، تایمر ۵۵۵ ‌می‌باشد.

تایمر 555، IC بسیار ارزان قیمتی ‌می‌باشد و ‌می‌تواند بازه‌های زمانی فوق العاده دقیقی را به وجود بیاورد که ثبات بالایی دارند و دوره ی تناوب از چند میکروثانیه یا چندین ساعت قابل تنظیم خواهد بود که توسط یک شبکه RC تکی که با منبع تغذیه ای با اختلاف پتانسیل بین 4.5 تا 16 ولت تنظیم ‌می‌شوند.

تایمر NE 555 و دیگر هم خانواده‌های ان مانند ICM7555، CMOS LM1455، DUAL NE 556 و… در مقاله اسیلاتور 555 به طور کامل شرح داده شده‌‌اند. بنابراین تنها در این جا به عنوان رفرنسی برای ساخت پالس کلاک ذکر شده‌‌اند. آی سی 555 ‌می‌تواند به عنوان یک مولتی ویبراتور ناپایدار به مدار به صورتی که در شکل زیر نشان داده شده متصل شود.

مولتی ویبراتور ناپایدار NE555

در این جا آی سی 555، یک موج خروجی پیوسته تولید می‌کند. پین‌های 2 و 6 به یکدیگر متصل شده‌‌اند تا بتوانند خودشان را دوباره در هر سیکل زمانبندی تحریک کنند. بنابراین، ‌می‌توانند همانند یک اسیلاتور ناپایدار عمل کنند. خازن C1 از طریق مقاومت R۱ و R۲  شارژ ‌می‌شود. اما تنها از طریق مقاومت R۲ دشارژ ‌می‌شود. چرا که یک سر مقاومت R۲ به ترمینال دشارژ (پین 7) متصل شده. بنابراین بازه زمانی t1 و t2 به صورت زیر محاسبه ‌می‌شود:

t۱ = 0.693 (R۱ + R۲) C۱

t۲ = 0.693 (R۲) C۱

T = t۱ + t۲ = 0.693 (R۱ + 2R۲) C۱

ولتاژ در دو سر خازن C۱  بین 1.3VCC تا 2.3VCC بسته به ثابت زمانی RC تغییر ‌می‌کند. این نوع مدار از ثبات زیادی برخوردار است و ‌می‌تواند فرکانسی را تولید کند که مستقل از ولتاژ تغذیه VCC ‌می‌باشد.

در مقاله بعدی درباره مدارات منطقی ترتیبی، به نوع دیگری از فلیپ فلاپ‌ها که با کلاک کنترل ‌می‌شوند ‌می‌پردازیم که به آن‌ها Data Latch گفته ‌می‌شود. این المان‌ها در مدارات منطقی ترتیبی بسیار پرکاربرد هستند که از فلیپ فلاپ SR ساخته شده‌‌اند و از آن‌ها در مدارات تقسیم گر فرکانسی به منظور ساخت کانترهای ریپل گوناگونی استفاده ‌می‌شود.