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 1:1 (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 “0” و “1” برای یک معکوس‌کننده است. مدار زیر را در نظر بگیرید.
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 (0.8 ولت که در کتابچه راهنما داده شده) است. بنابراین، ورودی به معکوس‌کننده سطح منطقی “0” است که سطح خروجی منطقی “1” 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 1.6 ولت (مقدار داده شده در کتابچه) می رسد، خروجی معکوس‌کننده اشمیت به سرعت از سطح منطقی “1” به سطح منطقی “0” 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
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)
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.
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 1 کیلوهرتز یا 10 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
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
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 50 درصد ولتاژ تغذیه کار می‌کنند، شکل موج خروجی حاصل تقریباً 50 درصد چرخه کاری دارد و نسبت علامت به فاصله 1:1 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
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 “0” ورودی به سطح منطقی “1” 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 8 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 10 مگاهرتز بسته به نوع فناوری گیت منطقی مورد استفاده، کاربردی نیست و در مثال ساده ما 12.5 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 555 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.
