مولدهای شکل موج، مدارهای الکترونیکی هستند که می­‌توانند شکل موج­‌های سینوسی، مربعی، مثلثی و دندانه اره‌­ای را با استفاده از اسیلاتورها و مدارهای پالسی تولید کنند.

در آموزش­‌های قبلی به طور مفصل به سه نوع مختلف مدارهای مولتی ویبراتور ترانزیستوری پرداختیم که می‌­توانند به عنوان نوسانگرهای وقفه­‌ای (ریلاکسیون) برای تولید موج مربعی یا مستطیلی در خروجی خود جهت استفاده به عنوان سیگنال ساعت (کلاک) و زمان‌­بندی استفاده شوند.

اما می­‌توان مدارهای مولد شکل موج پایه را با مدارهای مجتمع ساده یا تقویت­‌کننده‌­های عملیاتی متصل به مدار مخزنی (تانک) مقاومت-خازن (RC) یا کریستال کوارتز نیز ساخت تا شکل موج خروجی دودویی یا مربعی مورد نیاز را در فرکانس مورد نظر تولید کند.

آموزش تولید شکل موج بدون نمونه‌­هایی از مدارهای سوئیچینگ احیاکننده (regenerative) دیجیتال ناقص خواهد بود، زیرا هم عملکرد سوئیچینگ و هم عملکرد مولدهای شکل موج مورد استفاده برای تولید امواج مربعی جهت زمان­‌بندی یا شکل موج­های ترتیبی را نشان می­‌دهد.

می‌­دانیم که مدارهای سوئیچینگ احیا­کننده مانند مولتی ویبراتورهای آستابل (Astable) متداول‌­ترین نوع نوسان سازهای وقفه­‌ای هستند، زیرا یک خروجی موج مربعی ثابت تولید کرده که آن­ها را به یک مولد شکل موج دیجیتال ایده‌­آل تبدیل می­‌کند.

مولتی ویبراتورهای آستابل، نوسانگرهای بسیار خوبی می­‌سازند چون به طور مداوم بین دو حالت ناپایدار خود با سرعت تکرار ثابت جابجا شده و در نتیجه یک موج مربعی پیوسته با نسبت علامت به فاصله ۱:۱ (زمان “روشن” و “خاموش” برابر) از خروجی آن تولید می­‌کنند. .

در این مقاله، به برخی از راه‌های مختلف که می‌توانیم مولدهای شکل موج را با استفاده از مدارهای منطقی استاندارد TTL و CMOS به همراه برخی اجزای زمان‌بندی گسسته اضافی بسازیم، خواهیم پرداخت.

مولدهای شکل موج اشمیت (Schmitt)

مولدهای شکل موج ساده را می‌­توان با استفاده از معکوس­‌کننده‌­های (inverter) عملیاتی اشمیت مانند TTL 74LS14 ساخت. این روش تقریبا ساده­‌ترین راه برای ساختن یک مولد شکل موج ناپایدار است.

هنگامی که مولتی ویبراتور آستابل برای تولید سیگنال‌های کلاک یا زمان‌بندی استفاده می‌شود، باید یک شکل موج پایدار تولید کند که به سرعت بین حالت‌های “زیاد” و “کم” بدون هیچگونه اعوجاج یا نویزی سوئیچ کند و معکوس­‌کننده‌­های اشمیت دقیقاً این کار را انجام می‌دهند.

می‌­دانیم که حالت خروجی یک معکوس­‌کننده اشمیت برعکس یا معکوس حالت ورودی آن است (قاعده عمل گیت NOT) و می­‌تواند در سطوح مختلف ولتاژ تغییر حالت داده و به آن « hysteresis» بدهد.

معکوس­‌کننده­‌های اشمیت از یک عمل فرمان اشمیت استفاده می‌­کنند که با افزایش و کاهش سیگنال ولتاژ ورودی در ترمینال ورودی، وضعیت را بین یک سطح آستانه بالا و پایین تغییر می­‌دهد. سطح آستانه بالایی، خروجی را “تنظیم” می‌­کند و سطح آستانه پایینی خروجی را “بازنشانی” می­‌کند که به ترتیب برابر با سطح منطقی “۰” و “۱” برای یک معکوس­‌کننده است. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مولد شکل موج معکوس‌کننده اشمیت

۱. مولد شکل موج معکوس‌کننده اشمیت

این مدار مولد شکل موج ساده شامل یک گیت منطقی معکوس­‌کننده TTL 74LS14 اشمیت با یک خازن C متصل بین ترمینال ورودی و زمین (0 ولت) است و فیدبک مثبت مورد نیاز برای نوسان مدار توسط مقاومت فیدبک R فراهم می‌شود.

این مدار چگونه کار می کند؟ فرض کنید که شارژ در صفحات خازن زیر سطح آستانه پایین اشمیت (۰.۸ ولت که در کتابچه راهنما داده شده) است. بنابراین، ورودی به معکوس­‌کننده سطح منطقی “۰” است که سطح خروجی منطقی “۱” را نتیجه می­‌دهد (قاعده عمل معکوس­‌کننده).

اکنون یک سمت مقاومت R به خروجی منطقی “1” (5+ ولت) وصل شده در حالی که طرف دیگر مقاومت به خازن C که در سطح منطقی “0” (0.8 ولت یا کمتر) است، متصل است. خازن اکنون شروع به شارژ شدن در جهت مثبت از طریق مقاومت با نرخ تعیین شده توسط ثابت زمانی ترکیب RC می­‌کند.

هنگامی که شارژ خازن به سطح آستانه بالای اشمیت ۱.۶ ولت (مقدار داده شده در کتابچه) می رسد، خروجی معکوس­‌کننده اشمیت به سرعت از سطح منطقی “۱” به سطح منطقی “۰” تغییر کرده و جریان در مقاومت تغییر جهت می­‌دهد.

این تغییر باعث می­‌شود خازن که در ابتدا از طریق مقاومت R شارژ می شد، شروع به تخلیه مجدد خود از طریق همان مقاومت کند تا زمانی که شارژ در صفحات خازن به سطح آستانه پایین 0.8 ولت رسیده که خروجی معکوس­‌کننده حالت خود را سوییچ کرده و تا زمانی که ولتاژ تغذیه وجود داشته باشد، چرخه بارها و بارها تکرار می‌­شود.

بنابراین خازن C دائماً در طول هر چرخه بین ورودی‌های سطوح آستانه بالایی و پایینی معکوس­‌کننده اشمیت شارژ و تخلیه شده و سطح منطقی “1” یا سطح منطقی “0” را در خروجی معکوس­‌کننده ایجاد می‌کند. با این حال، شکل موج خروجی متقارن نیست و یک چرخه کاری در حدود 33% یا 3/1 ایجاد می­‌کند زیرا به دلیل مشخصه‌­های گیت ورودی معکوس کننده TTL، نسبت علامت به فاصله بین “زیاد” و “کم” به ترتیب 1:2 است.

مقدار مقاومت فیدبک (R) نیز باید کمتر از 1 کیلو اهم باشد تا مدار به درستی نوسان کند، 220R تا 470R مناسب است، و با تغییر مقدار خازن C، فرکانس تغییر می­‌کند.

همچنین در سطوح فرکانس بالا، شکل موج خروجی از شکل موج مربعی به شکل موج ذوزنقه‌­ای تغییر شکل می‌­دهد، چون مشخصه‌­های ورودی گیت TTL تحت تأثیر شارژ و تخلیه سریع خازن قرار می­‌گیرند. بنابراین فرکانس نوسان برای مولدهای شکل موج اشمیت به صورت زیر است:

فرکانس شکل موج اشمیت

با مقدار مقاومت بین: 100R تا 1 کیلواهم و مقدار خازن بین: 1 نانوفاراد تا 1000 میکروفاراد، یک محدوده فرکانسی بین 1 هرتز تا 1 مگاهرتز نتیجه می‌­شود (فرکانس‌­های بالا اعوجاج شکل موج ایجاد می­‌کنند).

به طور کلی، گیت‌های منطقی استاندارد TTL به دلیل مشخصه‌­های متوسط ورودی و خروجی، اعوجاج شکل موج خروجی و مقدار کم مقاومت فیدبک مورد نیاز و در نتیجه خازنی با مقدار بزرگ برای عملکرد فرکانس پایین، به خوبی مولدهای شکل موج کار نمی­‌کنند.

همچنین اگر مقدار خازن فیدبک خیلی کم باشد، نوسانگرهای TTL ممکن است نوسان نکنند. با این حال، می­‌توانیم مولتی ویبراتورهای ناپایدار را با استفاده از فناوری CMOS بسازیم که با منبع تغذیه 3 ولت تا 15 ولت مانند معکوس­‌کننده اشمیت CMOS 40106B کار می‌­کنند.

CMOS 40106 یک معکوس­‌کننده تک ورودی با همان عملکرد راه انداز اشمیت مانند TTL 74LS14 است، اما با ایمنی نویز بسیار خوب، پهنای باند بالا، بهره بالا و مشخصه‌­های ورودی/خروجی مطلوب برای تولید شکل موج خروجی “مربع” تر مانند شکل زیر.

مولد شکل موج اشمیت CMOS

2. مولد شکل موج اشمیت CMOS

مدار مولدهای شکل موج اشمیت برای CMOS 40106 اساساً مانند معکوس­‌کننده قبلی TTL 74LS14 است، به جز مقاومت 10 کیلو اهم اضافی که برای جلوگیری از آسیب رساندن خازن به ترانزیستورهای ورودی حساس ماسفت در هنگام تخلیه سریع در فرکانس­‌های بالا استفاده می­‌شود.

نسبت علامت به فاصله به طور یکنواخت در حدود 1:1 بوده و مقدار مقاومت فیدبک به زیر 100 کیلواهم افزایش یافته و در نتیجه یک خازن (C) زمان‌بندی کوچکتر و ارزان‌تر نیاز می‌شود.

فرکانس نوسان ممکن است ( 1/1.2RC ) نباشد زیرا مشخصه‌­های ورودی CMOS با TTL متفاوت است. با مقاومت بین: 1 کیلواهم و 100 کیلواهم و مقدار خازن بین: 1 پیکوفاراد تا 100 میکروفاراد، محدوده فرکانسی بین 0.1 هرتز تا 100 کیلوهرتز نتیجه می­‌شود.

مولدهای شکل موج معکوس­‌کننده اشمیت همچنین می‌توانند از گیت‌های منطقی مختلفی که برای تشکیل یک مدار معکوس­‌کننده متصل شده‌اند، ساخته شوند. مدار مولتی ویبراتور پایه اشمیت را می‌­توان به راحتی با برخی از اجزای اضافی برای تولید خروجی‌ها یا فرکانس­‌های مختلف تغییر داد. به عنوان مثال، دو شکل موج وارون یا فرکانس­‌های چندگانه، و با تغییر مقاومت فیدبک ثابت به یک پتانسیومتر، فرکانس خروجی را می­‌توان مطابق شکل زیر تغییر داد.

مولدهای شکل موج ساعت (کلاک)

۳. مولدهای شکل موج ساعت (کلاک)

در اولین مدار بالا، یک معکوس­‌کننده اشمیت اضافی به خروجی مولد شکل موج اشمیت اضافه شده تا شکل موج دومی را تولید کند که تصویر معکوس یا آینه­‌ای اولی است و دو شکل موج خروجی مکمل را تولید می­‌کند. بنابراین، وقتی یک خروجی “زیاد” باشد، دیگری “کم” است. معکوس­‌کننده دوم اشمیت نیز شکل موج خروجی معکوس را بهبود می­‌بخشد، اما یک “تاخیر گیت” کوچک به آن اضافه می‌­کند، بنابراین دقیقاً با حالت اول هماهنگ نیست.

همچنین، فرکانس خروجی مدار نوسان­ساز را می‌توان با تغییر مقاومت ثابت R به پتانسیومتر تغییر داد، اما برای جلوگیری از اتصال کوتاه معکوس­‌کننده به پتانسیومتر زمانی که در حداقل مقدار خود (0 اهم) است، همچنان به یک مقاومت فیدبک کوچک‌ نیاز است.

همچنین می‌توانیم از دو خروجی مکمل، Q و Ǭ مدار اول استفاده کنیم تا دو مجموعه چراغ یا LED با اتصال مستقیم خروجی‌های آن­ها به پایه‌های دو ترانزیستور سوئیچینگ مطابق شکل، به طور متناوب چشمک بزنند.

به این ترتیب، یک یا چند LED به صورت سری به کلکتور ترانزیستورهای سوئیچینگ متصل می­‌شوند و منجر به فلاش‌­های متناوب هر مجموعه LED با روشن شدن نوبتی هر ترانزیستور می‌­شود.

علاوه بر این، هنگام استفاده از این نوع مدار به یاد داشته باشید که یک مقاومت سری مناسب R را محاسبه کنید تا جریان LED را به کمتر از 20 میلی آمپر (LED قرمز) برای ولتاژ مورد استفاده خود محدود کنید.

۴. مولدهای شکل موج ساعت (کلاک)

به منظور تولید یک خروجی فرکانس پایین در حد چند هرتز برای فلاش LED ها، مولدهای شکل موج اشمیت از خازن­‌های زمان­‌بندی با مقدار زیاد استفاده می­‌کنند که خود می­‌توانند از نظر فیزیکی بزرگ و گران باشند.

یک راه حل جایگزین این است که از یک خازن با مقدار کمتر برای تولید فرکانس بسیار بالاتر استفاده کنید، مثلاً ۱ کیلوهرتز یا ۱۰ کیلوهرتز، و سپس این فرکانس کلاک اصلی را به واحدهای کوچکتر تقسیم کرده تا مقدار فرکانس پایین مورد نیاز به دست آید. مدار دوم بالا این کار را انجام می‌­دهد.

مدار پایینی در شکل بالا نشان می­‌دهد که اسیلاتور برای تحریک ورودی کلاک یک شمارنده موج­‌دار (ripple) استفاده می­‌شود. شمارش‌گرهای ریپل اساساً تعدادی از فلیپ فلاپ‌های تقسیم بر 2 و نوع D بوده که با هم یک شمارنده تقسیم بر N تشکیل می‌دهند، که در آن N برابر است با تعداد بیت شمارنده‌ها مانند شمارشگر ریپل 7 بیتی CMOS 4024 یا شمارشگر ریپل 12 بیتی CMOS 4040.

فرکانس کلاک ثابت تولید شده توسط مدار پالس کلاک ناپایدار اشمیت، به تعدادی فرکانس فرعی مختلف مانند ƒ÷2، ƒ÷4، ƒ÷8، ƒ÷256 و غیره تا حداکثر مقدار «تقسیم بر n» شمارنده ریپل مورد استفاده، تقسیم می‌­شود.

فرآیند استفاده از فلیپ فلاپ‌­ها، شمارنده‌­های باینری و یا شمارنده­‌های ریپل برای تقسیم فرکانس کلاک ثابت اصلی به فرکانس‌های فرعی مختلف، به‌عنوان تقسیم فرکانس شناخته می‌شود و می‌توانیم از آن برای بدست آوردن تعدادی فرکانس از یک مولد شکل موج تکی استفاده کنیم.

مولدهای شکل موج گیت NAND

مولدهای شکل موج اشمیت را همچنین می‌توان با استفاده از گیت‌های NAND منطقی CMOS  که برای تولید مدار معکوس‌­کننده متصل هستند، ساخت. در اینجا، دو گیت NAND به یکدیگر متصل شده تا نوع دیگری از مدار نوسان­‌ساز وقفه‌­ای (ریلاکسیون) RC را تولید کنند که شکل موج خروجی مربعی را مطابق شکل زیر ایجاد می‌­کند.

مولد شکل موج گیت NAND

5. مولدهای شکل موج گیت NAND

در این نوع مدار مولد شکل موج، شبکه RC از مقاومت R1 و خازن C تشکیل می‌­شود که این شبکه RC توسط خروجی اولین گیت NAND کنترل می‌­شود.

خروجی از این شبکه R1C از طریق مقاومت R2 به ورودی اولین گیت NAND فیدبک خورده و زمانی که ولتاژ شارژ در خازن به سطح آستانه بالای گیت NAND اول می رسد، گیت NAND تغییر وضعیت داده و باعث می‌­شود تا دومین گیت NAND از آن پیروی کند. به دنبال آن، وضعیت تغییر کرده و یک تغییر در سطح خروجی ایجاد می­‌شود.

ولتاژ در سراسر شبکه R1C اکنون وارون شده و خازن شروع به تخلیه از طریق مقاومت می­‌کند تا زمانی که به سطح آستانه پایین اولین گیت NAND برسد که باعث می‌­شود دو گیت یک بار دیگر حالت را تغییر دهند.

مانند مدار مولدهای شکل موج اشمیت قبلی، فرکانس نوسان توسط ثابت زمانی R1C تعیین می­‌شود که به صورت1/2.2R1C  داده می­‌شود. به طور کلی، به R2 مقداری داده می­‌شود که 10 برابر مقدار مقاومت R1 است.

هنگامی که به پایداری بالا یا خود راه‌­اندازی تضمینی نیاز است، مولدهای شکل موج CMOS را می­‌توان با استفاده از سه گیت NAND معکوس یا هر سه معکوس­‌کننده منطقی دیگر، به صورت زیر به هم متصل کرده و مداری را تولید کرد که گاهی اوقات مولد شکل موج “حلقه سه­‌تایی” نامیده می­‌شود.

فرکانس نوسان مجدداً با ثابت زمانی R1C تعیین شده و همان مقداری که برای نوسان‌گر دو گیت بالا داده شد، می­‌باشد و به صورت 1/2.2R1C که R2 مقداری 10 برابر مقدار مقاومت R1 دارد، تعریف می­‌شود.

مولد شکل موج گیت NAND پایدار

6. مولد شکل موج گیت NAND

افزودن گیت اضافی NAND تضمین می‌­کند که نوسانگر حتی با مقادیر خازن بسیار کم شروع به کار کند. همچنین پایداری مولد شکل موج بسیار بهبود یافته زیرا سطح تحریک آستانه آن تقریباً نیمی از ولتاژ تغذیه بوده و کمتر تاثیرپذیر از تغییرات منبع تغذیه است.

میزان پایداری عمدتاً توسط فرکانس نوسان تعیین می‌­شود و به طور کلی هر چه فرکانس کمتر باشد، نوسانگر پایدارتر است.

از آنجایی که این نوع از مولدهای شکل موج تقریباً در نیم یا ۵۰ درصد ولتاژ تغذیه کار می­‌کنند، شکل موج خروجی حاصل تقریباً ۵۰ درصد چرخه کاری دارد و نسبت علامت به فاصله ۱:۱ است. مولد شکل موج سه گیت مزایای زیادی نسبت به نوسان­ساز دو گیت قبلی بالا دارد، اما یک عیب بزرگ آن استفاده از یک گیت منطقی اضافی است.

مولد شکل موج حلقه (Ring)

در بالا دیدیم که مولدهای شکل موج را می‌توان با استفاده از TTL و یا با استفاده از فناوری گیت منطقی CMOS با یک شبکه RC ساخت تا در هنگام اتصال به یک، دو یا حتی سه گیت منطقی، یک تاخیر زمانی در مدار ایجاد کرده و یک نوسان­‌ساز وقفه‌­ای (ریلاکسیون) RC ساده را تشکیل دهد.

همچنین می‌­توانیم مولدهای شکل موج را با استفاده از گیت­‌های منطقی NOT یا به عبارت دیگر، معکوس‌­کننده‌­های بدون مولفه غیرفعال (passive) اضافی متصل، بسازیم.

با اتصال تعداد فردی (3، 5، 7، 9 و غیره) گیت‌­های NOT برای تشکیل یک مدار “حلقه”، به طوری که خروجی حلقه مستقیماً به ورودی حلقه متصل شود، مدار به نوسان ادامه می­‌دهد. همانطور که سطح منطقی “1” دائماً در شبکه می چرخد، فرکانس خروجی تولید کرده که با تأخیر انتشار معکوس‌­کننده‌­های مورد استفاده تعیین می­‌شود.

مولد شکل موج حلقه

7. مولد شکل موج دروازه NAND پایدار

فرکانس نوسان با تأخیر انتشار کل معکوس­‌کننده‌­های استفاده شده در حلقه که خود با نوع فناوری گیت، TTL، CMOS، BiCMOS که معکوس­‌کننده از آن ساخته شده است در ارتباط است، تعیین می­‌شود.

تأخیر انتشار یا زمان انتشار، کل زمان مورد نیاز (معمولاً در نانوثانیه) برای عبور مستقیم سیگنال از طریق معکوس‌­کننده از سطح منطقی “۰” ورودی به سطح منطقی “۱” تولید شده در خروجی آن است.

همچنین برای این نوع از مدار مولد شکل موج حلقه، تغییرات ولتاژ تغذیه، دما و ظرفیت بار همگی بر تأخیر انتشار گیت‌های منطقی تأثیر می‌گذارند. به طور کلی، میانگین زمان تاخیر انتشار در کتابچه سازنده برای نوع گیت‌­های منطقی دیجیتال استفاده شده، داده می­‌شود و با فرکانس نوسان به صورت زیر رابطه دارد:

در این رابطه، ƒ فرکانس نوسان، n تعداد گیت­‌های استفاده شده و Tp زمان تاخیر انتشار برای هر گیت است.

برای مثال، فرض کنید که یک مدار مولد شکل موج ساده دارای پنج معکوس‌­کننده مجزا است که در زنجیره سری به یکدیگر متصل شده‌­‌اند تا یک نوسانگر حلقه­‌ای را تشکیل دهند. اگر زمان تأخیر انتشار برای هر معکوس­‌کننده ۸ نانوثانیه داده شود، بنابراین فرکانس نوسان مدار به صورت زیر محاسبه می­شود:

البته این نوسانگر به دلیل ناپایداری و فرکانس نوسان بسیار بالا در حدود ۱۰ مگاهرتز بسته به نوع فناوری گیت منطقی مورد استفاده، کاربردی نیست و در مثال ساده ما ۱۲.۵ مگاهرتز محاسبه شده است!!

فرکانس خروجی نوسانگر حلقه را می‌­توان با تغییر تعداد معکوس­‌کننده­‌های استفاده شده در حلقه کمی “تنظیم” کرد، اما بهتر است از یک مولد شکل موج RC پایدارتر مانند مواردی که در بالا بحث کردیم استفاده شود.

با این وجود، گیت‌های منطقی می‌توانند برای تولید مولدهای شکل موج مبتنی بر مدارهای منطقی به یکدیگر متصل شده و مدارهای دیجیتالی با طراحی بد با تعداد زیاد گیت‌ها، مسیرهای سیگنال و حلقه‌های فیدبک طراحی شوند که به‌طور ناخواسته نوسان می‌کنند.

با استفاده از یک شبکه RC در سراسر مدار معکوس­‌کننده، فرکانس نوسان را می­توان به طور دقیق کنترل کرد و یک مدار نوسان ساز وقفه­‌ای پایدار عملی‌­تر برای استفاده در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی تولید کرد.

در مقاله بعدی در مورد شکل موج‌­ها و تولید شکل موج، تایمر ۵۵۵ را بررسی خواهیم کرد که یکی از محبوب­ترین و کاربردی­ترین مدارهای مجتمع تولید شده است که می­‌تواند طیف گسترده‌­ای از شکل موج­‌ها و سیگنال­‌های زمان­‌بندی مختلف را از مولتی ویبراتورهای مونو استابل تا آستابل را تولید کند.