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.
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
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
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
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 t0 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
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
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.
