آشنایی با مولتی ویبراتور بای استابل

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، مولتی ویبراتور بای استابل (Bistable Multivibrator) یا بی استابل، به طریقی مشابه با فلیپ فلاپ‌ها عمل می‌کند. خروجی تولید شده توسط این مدار دارای دو حالت است و هر دو این حالت‌های خروجی، پایدار محسوب می‌شود. در واقع این دو حالت پایدار، مکمل (Complement) یکدیگر هستند. در این مطلب قصد داریم تا به بررسی مولتی ویبراتور‌های بای استابل بپردازیم و انواع مختلف این مدارات را شرح دهیم.

مولتی ویبراتور‌های بای استابل نوع دیگری از مدارات دو حالته هستند که مشابه با مولتی ویبراتور‌های مونواستابل که در مباحث قبلی مجله فرادرس به آن پرداختیم، عمل می‌کنند، اما تفاوت اصلی که این دو مدار با یکدیگر دارند این است که در مولتی ویبراتور‌های مونواستابل، بر خلاف مولتی ویبراتور‌های بای استابل، فقط یکی از حالت‌های تولید شده در خروجی پایدار است.

اما مولتی ویبراتور‌های بای استابل دارای دو حالت خروجی پایدار هستند و دلیل نام‌گذاری آن‌ها نیز دقیقا بنا بر همین واقعیت است. این مدارات، یک حالت خروجی را اتخاذ می‌کنند و تا زمانی که یک پالس تریگر خارجی دیگر به مدار وارد نشود، آن حالت را در خروجی خود حفظ می‌کنند. بنابراین، در یک مولتی ویبراتور بای استابل، می‌توان از طریق اعمال یک پالس تریگر، حالت را از یک وضعیت پایدار به وضعیت پایدار دیگری تغییر داد. در نتیجه می‌توان گفت که در یک مدار مولتی ویبراتور بای استابل به دو پالس تریگر خارجی قبل از برگشت به حالت اصلی نیاز است. به دلیل این‌که مدارات بای استابل دارای دو حالت خروجی هستند، عموما با نام لچ یا فلیپ فلاپ نیز شناخته می‌شوند که در مدارات ترتیبی کاربرد زیادی دارند.

مدار مولتی ویبراتور بای استابل

مولتی ویبراتور‌های بای استابل گسسته، نوعی از مدارات دو حالته غیر احیاگر (Non-Regenerative) هستند که از دو ترانزیستور کوپل متقاطع تشکیل شده‌اند. این دو ترانزیستور به عنوان کلید‌های ترانزیستوری خاموش روشن (ON-OFF) عمل می‌کنند. در هر یک از دو حالت، یکی از ترانزیستور‌ها در وضعیت قطع (Cut-Off) قرار می‌گیرد، در حالی که ترانزیستور دیگر در ناحیه اشباع (Saturation) است. این وضعیت بدین معنی است که مدار مولتی ویبراتور بای استابل می‌تواند تا زمان نامحدود در هر یک از حالت‌ها قرار گیرد.

برای این که حالت مولتی ویبراتور بای استابل از یکی وضعیت به وضعیت دیگری تغییر کند، به یک پالس تریگر مناسب نیاز است و برای طی کردن یک چرخه کامل، به ۲ پالس تریگر نیاز دارد. در واقع هر پالس تریگر، برای تغییر از یک حالت مورد استفاده قرار می‌گیرد. فلیپ فلاپ نام عمومی‌تری است که برای توصیف عملکرد این مدارات نیز مناسبت‌تر به نظر می‌رسد؛ زیرا زمانی که مدار به صورت آنی به یک حالت منطقی می‌رود (Flip)، در آن حالت باقی می‌ماند و سپس تغییر وضعیت داده و به حالت اصلی خود برمی‌گردد (Flop). در شکل زیر نمایی از مدار یک مولتی ویبراتور بای استابل دیده می‌شود.

مدار یک مولتی ویبراتور بای استابل

مدار مولتی ویبراتور بای استابل شکل بالا، در هر دو حالت پایدار است، چه در حالتی که ترانزیستور اول خاموش و ترانزیستور دوم روشن باشد و چه در حالتی که ترانزیستور دوم روشن و اولی خاموش باشد. فرض کنیم که کلید در موقعیت سمت چپ، یعنی موقعیت A قرار داشته باشد. در این حالت بیس ترانزیستور TR۱ به زمین متصل می‌شود و در ناحیه قطع خود، یک سیگنال خروجی در Q تولید می‌کند. حال ترانزیستور TR۲ روشن است و از طریق مقاومت‌های سری R۱و R۲ به منبع تغذیه VCC متصل می‌شود. چون ترانزیستور TR۲ روشن است، یک خروجی سطح صفر منطقی در خروجی Qتولید می‌شود که معکوس خروجی Q است.

حال کلید را به موقعیت سمت راست، یعنی نقطه B حرکت می‌دهیم. در نتیجه ترانزیستور TR۲ خاموش می‌شود و این بار ترانزیستور TR۱ از طریق مقاومت‌های سری R۳و R۴ روشن می‌شود و باعث می‌شود که ولتاژ سطح یک منطقی در خروجیQو ولتاژ صفر منطقی در خروجی Q ایجاد شود. به همین دلیل می‌توان گفت که یک حالت پایدار در این مدار متعلق به زمانی است که ترانزیستور TR۱ روشن و TR۲ خاموش باشد. مدار زمانی در حالت پایدار دوم قرار می‌گیرد که TR۱ خاموش و TR۲ روشن باشد و کلید به موقعیت B حرکت کرده باشد.

بنابراین، برخلاف مولتی ویبراتور مونواستابل که خروجی آن وابسته به ثابت زمانی شبکه RC در مدار فیدبک مورد استفاده است، خروجی مولتی ویبراتور بای استابل وابسته به اعمال دو پالس تریگر خارجی یا تغییر وضعیت کلید از موقعیت A به موقعیت B است. با توجه به نکاتی که در مورد نحوه عملکرد مدار مولتی ویبراتور بای استابل بیان شد، می‌توان به این نکته پی برد که این مدار قادر است هم پالس‌های خروجی بسیار کوتاهی را تولید کند و هم پالس‌های خروجی مستطیلی شکل بسیار طولانی‌تر را ایجاد کند که در این پالس‌ها، لبه بالا رونده در زمان، با اعمال پالس تریگر خارجی اول اتفاق می‌افتد و لبه پایین رونده، وابسته به اعمال پالس تریگر دوم است. شکل موج خروجی مولتی ویبراتور بای استابل در تصویر زیر دیده می‌شود.

شکل موج خروجی مولتی ویبراتور بای استابل

کلیدزنی دستی (Manually Switching) بین دو حالت پایدار ممکن است باعث ایجاد یک مدار مولتی ویبراتور بای استابل شود، اما در عمل کاربرد زیادی ندارد. یک راه برای تغییر وضعیت (Toggling) بین دو حالت با استفاده از فقط یک پالس تریگر تکی، در مدار زیر نشان داده شده است.

مدار یک مولتی ویبراتور بای استابل با کلیدزنی ترتیبی

کلیدزنی بین دو حالت در مدار بالا، فقط با یک پالس تریگر تکی قابل تحقق است. پالس تریگر، به صورت متوالی ترانزیستور روشن را خاموش و ترانزیستور خاموش را در نیمه منفی پالس تریگر روشن می‌کند. در نتیجه مدار به صورت پیوسته از طریق اعمال یک پالس به ترتیب به هر یک از بیس‌های ترانزیستورها، تغییر حالت می‌دهد. در واقع این عمل با استفاده از اعمال یک پالس تریگر، از طریق ورودی دیود‌های بایاس شده به عنوان مدار فرمان (Steering) انجام می‌گیرد؛ بنابراین با استفاده از اولین پالس منفی، وضعیت هر ترانزیستور تغییر می‌یابد و با اعمال پالس منفی دوم، ترانزیستور‌ها به حالت اولیه خود ریست می‌شوند و مانند یک شمارنده مقسم بر دو عمل می‌کنند. همچنین می‌توانیم دیودها، خازن‌ها و مقاومت‌های فیدبک را حذف کنیم و هر پالس تریگر منفی تکی را مستقیما به بیس ترانزیستور‌ها اعمال کنیم.

مولتی ویبراتور بای استابل دارای کاربرد‌های بسیار زیادی، مثلا در ساخت فلیپ فلاپ‌های ست-ریست یا SR در مدارات شمارنده (Counting Circuits) است. همچنین این ادوات در تولید حافظه‌های یک بیتی در کامپیوتر‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. کاربرد دیگر فلیپ فلاپ‌های بای استابل در مقسم‌های فرکانسی (Frequency Dividers) است؛ زیرا پالس خروجی دارای فرکانسی برابر با دقیقا نصف فرکانس پالس تریگر ورودی تکی است که با استفاده از آن حالت تغییر می‌کند. به عبارت دیگر، مدار یک مقسم فرکانسی است، چون فرکانس ورودی را بر فاکتور ۲ تقسیم می‌کند.

مولتی ویبراتور بای استابل TTL/CMOS

مولتی ویبراتور بای استابل را می‌توان با استفاده از عناصر گسسته تکی مانند ترانزیستور‌ها ایجاد کرد. اما راه دیگر ساخت مدارات بای استابل، استفاده از مدارات مجتمع متداول است که امروزه به راحتی در دسترس هستند. مدار تصویر زیر نشان می‌دهد که چطور به سادگی با استفاده از دو گیت پایه NAND دو ورودی، می‌توان یک مدار مولتی ویبراتور بای استابل را ایجاد کرد.

مدار مولتی ویبراتور بای استابل گیت NAND

مدار شکل بالا، نحوه اتصال دو گیت NAND برای ایجاد مدار مولتی ویبراتور بای استابل را نشان می‌دهد. این نوع از مدارات مولتی ویبراتور تحت عنوان فلیپ فلاپ بای استابل (Bistable Flip Flop) هم شناخته می‌شوند. مولتی ویبراتور بای استابلی که به صورت دستی کنترل شود، توسط یک کلید تک پل دو زبانه (Single Pole Double Throw Switch) یا SPDT فعال‌سازی می‌شود تا یک سیگنال سطح صفر منطقی و یا یک منطقی در خروجی تولید کند.

در واقع، این نوع از مدارات کلیدزنی مولتی ویبراتور بای استابل، همان فلیپ فلاپ‌های SR با استفاده از گیت NAND هستند. در مقاله فلیپ فلاپ‌های SR در مجله فرادرس به این مبحث پرداختیم که گیت‌های SR NAND بای استابل به عنوان صاف‌کننده ولتاژ کلیدزنی (Switch Debounce) عملکرد بسیار خوبی دارند. پس از انجام عمل کلیدزنی، در ولتاژ خروجی مدار نوساناتی با فرکانس بسیار بالا ایجاد می‌شود که برای گیت‌های منطقی و سایر مدارات دیجیتال متصل به مدار بسیار خطرناک است و منجر به آسیب دیدن آن‌ها می‌شود. این نوسانات ولتاژ خروجی با نام دیبانس کلیدزنی شناخته می‌شود. با استفاده از یک گیت منطقی SR، فقط به یک عمل کلیدزنی اجازه داده می‌شود که بر وضعیت نهایی مدار پس از کلیدزنی تاثیر داشته باشد و از سایر نوسانات ناخواسته در ولتاژ جلوگیری می‌شود.

 

منبع: فرادرس