Multivibratoarele sunt circuite logice secvențiale care funcționează continuu între două stări distincte de HIGH și LOW. Circuitele logice secvențiale individuale pot fi folosite pentru a construi circuite mai complexe, cum ar fi multivibratoare, contoare, registrele de deplasare, latch-uri și memorii.

Dar pentru ca aceste tipuri de circuite să funcționeze într-un mod "secvențial", ele necesită adăugarea unui impuls de ceas (tact) sau a unui semnal de sincronizare pentru a le determina să își schimbe starea. Impulsurile de ceas sunt, în general, forme continue de undă pătrată sau dreptunghiulară, care sunt produse de un singur circuit generator de impulsuri, cum ar fi un multivibrator.

Un circuit multivibrator oscilează între o stare "HIGH" și o stare "LOW" producând o ieșire continuă. Multivibratoarele astabile au în general un ciclu de sarcină de 50%, adică 50% din timpul ciclului ieșirea fiind "HIGH" și restul de 50% din timpul ciclului ieșirea fiind "OFF". Cu alte cuvinte, ciclul de sarcină pentru un impuls de sincronizare astabil este de 1: 1.

Circuitele logice secvențiale care utilizează semnalul de ceas pentru sincronizare depind de frecvența și de lățimea impulsului de ceas pentru a activa acțiunea lor de comutare. Circuitele secvențiale pot, de asemenea, să schimbe starea fie pe frontul de creștere fie pe cel de cădere, sau ambele ale semnalului de ceas real, așa cum am văzut anterior cu circuitele de bază flip-flop. Următoarea listă sunt termenii asociați cu un impuls de sincronizare sau o formă de undă.

• Activ HIGH - dacă schimbarea de stare are loc de la "LOW" la "HIGH" la frontul de creștere al impulsului de ceas sau pe durata lățimii de ceas.

• Activ LOW - în cazul în care schimbarea de stare are loc de la un "HIGH" la un "LOW" la frontul de cădere al impulsurilor ceas.

• Ciclul de sarcină - acesta este raportul dintre lățimea de ceas și perioada de ceas.

• Lățimea de ceas - acesta este timpul în care valoarea semnalului de ceas este egală cu un logic "1" sau HIGH.

• Perioada de ceas - acesta este intervalul dintre tranzițiile succesive în aceeași direcție, adică între două fronturi de creștere sau cădere.

• Frecvența de ceas - frecvența de tact este inversa perioadei de ceas, frecvența = 1/perioada ceas (ƒ = 1/T)

Circuitele de generare a impulsurilor de ceas pot fi o combinație de circuite analogice și digitale care produc o serie continuă de impulsuri (acestea se numesc multivibratoare astabile) sau un impuls de o anumită durată (numite multivibratoare monostabile). Combinarea a două sau mai multe multivibratoare asigură generarea unui model dorit de impulsuri (inclusiv lățimea impulsului, timpul dintre impulsuri și frecvența impulsurilor).

Există în principiu trei tipuri de circuite generatoare de impulsuri de ceas:

• Astabil - Un multivibrator cu rulare liberă, care NU are stări stabile dar comută în mod continuu între două stări, această acțiune produce un tren de impulsuri de undă pătrată la o frecvență fixă.

• Monostabil - un multivibrator cu un singur impuls care are numai UNA stare stabilă și este declanșat extern, revenind la prima stare stabilă.

• Bistabil - un flip-flop care are DOUĂ stări stabile care produc un singur impuls fie pozitiv, fie negativ în valoare.

O cale de a produce un semnal de ceas foarte simplu este prin interconectarea porților logice. Deoarece porțile NAND conțin amplificare, ele pot fi folosite și pentru a furniza un semnal de ceas sau un impuls de sincronizare cu ajutorul unui singur condensator și a unui singur rezistor pentru a furniza funcția de feedback și de sincronizare.

Aceste circuite de sincronizare sunt adesea folosite datorită simplității și sunt utile dacă este proiectat un circuit logic care are porți neutilizate, ce pot fi folosite pentru a crea oscilatorul monostabil sau astabil. Acest tip simplu de rețea oscilator RC este uneori numit "Oscilator de relaxare".

Circuite multivibrator monostabile

Multivibratoarele monostabile sau generatoare de impulsuri "one-shot" sunt utilizate în general pentru a transforma impulsuri ascuțite scurte în unele mai largi, pentru aplicațiile de temporizare. Multivibratoarele monostabile generează un singur impuls de ieșire, fie "HIGH", fie "LOW", atunci când se aplică un semnal de declanșare extern sau un impuls T adecvat.

Acest semnal impuls de declanșare inițiază un ciclu de temporizare care determină ieșirea monostabilului să schimbe starea la începutul ciclului de temorizare (t1) și să rămână în această a doua stare până la sfârșitul perioadei de temporizare (t2) care este determinată de constanta de timp a condensatorului de temporizare CT și rezistorului RT.

Multivibratorul monostabil rămâne acum în această a doua stare de temporizare până la sfârșitul constantei de timp RC și se resetează automat sau se reîntoarce la starea inițială (stabilă). Deci, un circuit monostabil are o singură stare stabilă. Un nume mai obișnuit pentru acest tip de circuit este pur și simplu un "Flip-Flop", deoarece poate fi realizat din două porți NAND cuplate încrucișat (sau porți NOR ) așa cum am văzut anterior. Considerați circuitul de mai jos.

Circuit simplu monostabil cu porți NAND

Să presupunem că inițial intrarea de declanșare T este menținută HIGH la nivel logic "1" de către rezistorul R1, astfel încât ieșirea de la prima poartă U1 să fie LOW la nivel logic "0" (principiile porții NAND). Rezistorul de temporizare RT este conectat la un nivel de tensiune logic "0", ceea ce va determina descărcarea condensatorului CT. Ieșirea U1 este LOW, condensatorul de temporizare CT este complet descărcat, deci joncțiunea V1 este de asemenea egală cu "0", rezultând că ieșirea din a doua poartă NAND U2, conectată ca o poartă NOT inversoare, va fi, prin urmare, HIGH.

Ieșirea din a doua poartă NAND (U2) este trimisă înapoi la o intrare a U1 pentru a furniza feedback-ul pozitiv necesar. Deoarece joncțiunea V1 și ieșirea U1 sunt ambele la logic „0“ nu curge curent în condensatorul CT. Acest lucru face circuitul stabil și va rămâne în această stare până când intrarea de declanșare T se modifică.

Dacă se aplică acum un impuls negativ fie extern, fie prin acțiunea push-butonului la intrarea de declanșare a porții NAND U1, ieșirea U1 va merge HIGH la logic "1" (principiile porții NAND).

Deoarece tensiunea pe condensator nu se poate schimba instantaneu (principiile de încărcare a condensatorului), aceasta va provoca joncțiunea la V1 și, de asemenea, intrarea în U2 pentru a merge HIGH, care la rândul său va face ca ieșirea porții NAND U2 să se schimbe LOW la logic "0 "Circuitul va rămâne în această stare secundară, chiar dacă impulsul T pe intrare de declanșare este îndepărtat. Aceasta este cunoscută ca starea Meta-stabilă.

Tensiunea pe condensator va crește acum, deoarece condensatorul CT începe să se încarce de la ieșirea U1 la o constantă de timp determinată de combinația rezistor/condensator. Acest proces de încărcare continuă până când curentul de încărcare nu mai poate să mențină HIGH intrarea lui U2 și, prin urmare, joncțiunea V1.

Când se întâmplă acest lucru, ieșirea lui U2 comută HIGH din nou, logic „1“, care, la rândul său, determină ieșirea lui U1 să fie LOW și condensatorul se descarcă în ieșirea lui U1 sub influența rezistorului RT. Circuitul a revenit la starea inițială stabilă.

Astfel, pentru fiecare impuls de declanșare negativ, circuitul multivibrator monostabil produce un impuls de ieșire LOW. Lungimea perioadei de ieșire este determinată de combinația condensator rezistor (RC Network) și este Constanta de Timp T = 0,69 RC a circuitului în secunde. Deoarece impedanța de intrare a porților NAND este foarte ridicată, pot fi obținute perioade mari de temporizare.

Pe lângă circuitul de tip monostabil cu porți NAND de mai sus, este posibil să se construiască circuite simple de temporizare monostabile care pornesc secvența lor de temporizare de la frontul crescător al impulsului de declanșare utilizând porți NOT, porți NAND și porți NOR conectate ca inversoare, așa cum se arată mai jos .

Multivibrator monostabil cu porți NOT

Ca și în cazul circuitului de poartă NAND de mai sus, inițial intrarea de declanșare T este HIGH la un nivel logic "1", iar ieșirea de la prima poartă NOT U1 este LOW la nivel logic "0". Rezistorul de temporizare RT și condensatorul CT sunt conectați împreună în paralel și la intrarea celei de a doua porți NOT U2. Deoarece intrarea la U2 este LOW la logic "0", ieșirea lui la Q este HIGH la logic "1".

Când un impuls de nivel logic "0" este aplicat intrării de declanșare T a primei porți NOT, aceasta schimbă starea și produce o ieșire logic "1". Dioda D1 trece acest nivel de tensiune logic "1" la rețeaua de temporizare RC. Tensiunea pe condensatorul CT crește rapid la acest nou nivel de tensiune, care este, de asemenea, conectat la intrarea celei de a doua porți NOT. Aceasta, la rândul său, scoate un logic "0" la Q și circuitul rămâne în această stare Meta-stabilă, atâta timp cât intrarea de declanșare T aplicată circuitului rămâne LOW.

Când semnalul de declanșare returnează HIGH, ieșirea de la prima poartă NOT merge la LOW la logic "0" și condensatorul, complet încărcat, CT începe să se descarce prin rezistorul paralel RT. Atunci când tensiunea pe condensator scade sub valoarea de prag inferior de intrare la a doua poartă NOT, ieșirea comută înapoi producând din nou un nivel logic „1“, la Q. Dioda D1 împiedică descărcarea condensatorului înapoi prin ieșirea primei porți NOT.

Constanta de timp pentru un multivibrator monostabil cu porți NOT este dată de T = 0,8 RC + Trigger în secunde.

Un dezavantaj principal al multivibratorului monostabil este acela că timpul pentru aplicarea următorului impuls T de declanșare trebuie să fie mai mare decât constanta de timp RC a circuitului.

Circuite multivibrator astabile

Multivibratoarele Astabile sunt cel mai frecvent utilizat tip de circuit multivibrator. Un multivibrator astabil este un oscilator cu rulare liberă care nu are o stare permanentă "meta" sau "constantă", dar schimbă continuu ieșirea dintr-o stare (LOW) în cealaltă stare (HIGH) și apoi din nou înapoi. Această acțiune de comutare continuă de la "HIGH" la "LOW" și "LOW" la "HIGH" produce o ieșire de formă pătrată, continuă și stabilă, care se schimbă brusc între cele două nivele logice, ceea ce îl face ideal pentru aplicații de temporizare și impuls de ceas.

Ca și în cazul circuitului multivibrator monostabil de mai sus, ciclul de temporizare este determinat de constanta de timp RC a rețelei rezistor-condensator. Deci, frecvența de ieșire poate fi modificată prin schimbarea valorii rezistorului și a condensatorului din circuit.

Multivibrator astabil cu porți NAND

Circuitul multivibrator astabil utilizează două porți CMOS NOT, cum ar fi CD4069 sau 74HC04, IC-uri cu șase inversoare, sau ca în circuitul nostru simplu de mai sus o pereche de CMOS NAND, cum ar fi CD4011 sau 74LS132 și o rețea RC de temporizare. Cele două porți NAND sunt conectate ca niște porți NOT inversoare.

Să presupunem că inițial ieșirea de la poarta NAND U2 este HIGH la nivel logic "1", atunci intrarea trebuie să fie LOW la nivel logic "0", deoarece va fi ieșirea de la prima poartă NAND U1. Condensatorul C este conectat între ieșirea celei de a doua porți NAND U2 și intrarea sa prin intermediul rezistorului de temporizare R2. Condensatorul se încarcă acum la o rată determinată de constanta de timp a lui R2 și C.

Pe măsură ce condensatorul C se încarcă, joncțiunea dintre rezistorul R2 și condensatorul C, care este conectată la intrarea porții NAND U1 prin rezistența de stabilizare R1 scade până când se atinge pragul inferior al lui U1, moment în care poarta U1 schimbă starea și ieșirea lui U1 devine acum HIGH. Acest lucru face ca poarta NAND U2 să schimbe și ea starea, rezultând ieșirea de la poarta NAND U2 devenind LOW, nivel logic "0".

Condensatorul C este acum polarizat invers și se descarcă prin intrarea porții NAND U1. Condensatorul C se încarcă din nou în direcția opusă determinată de constanta de timp a ambelor R2 și C, ca și mai înainte până când atinge valoarea de prag superioară a porții NAND U1. Acest lucru face ca U1 să schimbe starea și ciclul se repetă din nou.

Atunci, constanta de timp pentru un Multivibrator Astabil cu porți NAND este dată de T = 2,2 RC în secunde, cu frecvența de ieșire dată de f = 1/T.

De exemplu: dacă rezistorul R2 = 10 kΩ și condensatorul C = 45 nF, frecvența de oscilație a circuitului ar fi dată de:

Atunci, frecvența de ieșire este calculată ca fiind 1 kHz, ceea ce echivalează cu o constantă de timp de 1 ms, astfel încât forma de undă de ieșire ar arăta ca:

Circuite multivibrator bistabile

Circuitul multivibratoarelor bistabile este în esență un flip-flop SR pe care l-am văzut în tutorialele anterioare, cu adăugarea unui inversor sau a unei porți NOT pentru a furniza funcția de comutare necesară. La fel ca și în cazul flip-flop-urilor, ambele stări ale unui multivibrator bistabil sunt stabile, iar circuitul va rămâne în oricare stare pe o perioadă nedeterminată. Acest tip de circuit multivibrator trece de la o stare la alta "numai" atunci când este aplicat un impuls T extern de declanșare adecvat și pentru a trece printr-un ciclu complet "SET-RESET" sunt necesare două impulsuri de declanșare. Acest tip de circuit este, de asemenea, cunoscut sub numele de "Bistable Latch", "Toggle Latch" sau pur și simplu "T-latch".

MULTIVIBRATOR bistabil cu porți NAND

Cea mai simplă modalitate de a face un Latch bistabil este să conectați împreună o pereche de porți Schmitt NAND pentru a forma un Latch SR așa cum se arată mai sus. Cele două porți NAND, U2 și U3, formează bistabilul care este declanșat de poarta de intrare NAND, U1. Această poartă U1 NAND poate fi omisă și înlocuită de un singur comutator basculant pentru a face un circuit de eliminare oscilații la comutator, așa cum era anterior în tutorialul Flip-flop SR.

Când impulsul de intrare merge "LOW", bistabilul se blochează în starea "SET", cu ieșirea la nivel logic "1", până când intrarea devine "HIGH", ce determină blocarea bistabilului în starea "RESET" la nivel logic "0". Ieșirea unui multivibrator bistabil va rămâne în această stare "RESET" până când se va aplica un alt impuls de intrare și întreaga secvență va porni din nou.

Deci, un dispozitiv de blocare Bistabil sau "Toggle Latch" este un dispozitiv cu două stări în care ambele stări fie pozitive, fie negative (logic "1" sau logic "0") sunt stabile.

Multivibratoarele Bistabile au multe aplicații, cum ar fi divizoare de frecvență, contoare sau ca un dispozitiv de stocare în memorii de calculator, dar acestea sunt cel mai bine utilizate în circuite, cum ar fi Latche și contoare.

Circuitul 555 Timer

Multivibratorul Monostabil sau Astabil simplu poate fi realizat cu ușurință folosind IC-uri cu generator de forme de undă disponibil standard, special concepute pentru a crea circuite de temporizare și oscilare. Oscilatoarele de relaxare pot fi construite pur și simplu prin conectarea câtorva componente pasive la pinii lor de intrare cu cel mai frecvent utilizat generator de undă tip IC, fiind clasicul timer 555.

555 Timer este un IC de temporizare foarte versatil, cu cost mic, care poate produce o perioadă de temporizare foarte precisă, cu o bună stabilitate de aproximativ 1% și care are o perioadă variabilă de temporizare între câteva microsecunde la mai multe ore cu perioada de temporizare controlată de o singură rețea RC conectată la o singură sursă de alimentare pozitivă între 4,5 și 16 volți.

NE555 Timer și succesorii săi, ICM7555, CMOS LM1455, DUAL NE556 etc, sunt acoperite de tutorialul 555 Oscillator și de alte site-uri web bazate pe electronică, deci sunt incluse aici doar ca referință ca generator de impulsuri de ceas. 555 conectat ca multivibrator Astabil este prezentat mai jos.

NE555 Multivibrator astabil

Aici, cronometrul 555 este conectat ca un multivibrator Astabil de bază care produce o formă de undă continuă de ieșire. Pinii 2 și 6 sunt conectați împreună, astfel încât să se declanșeze din nou în fiecare ciclu de timp, funcționând astfel ca un oscilator Astabil. Condensatorul C1 se încarcă prin rezistorul R1 și rezistorul R2, dar se descarcă doar prin rezistorul R2 deoarece cealaltă parte a lui R2 este conectată la terminalul de descărcare, pinul 7. Atunci perioada de temporizare t1 și t2 este dată de:

t1 = 0,693 (R1 + R2) C1

t2 = 0,693 (R2) C1

T = t1 + t2 = 0,693 (R1 + 2R2) C1

Tensiunea pe condensatorul C1 variază între 1/3 Vcc și aproximativ 2/3 Vcc, în funcție de perioada de temporizare RC. Acest tip de circuit este foarte stabil, deoarece funcționează de la o singură șină de alimentare rezultând o frecvență de oscilație independentă de tensiunea de alimentare Vcc.

În următorul tutorial despre Circuitele logice secvențiale, vom arăta un alt tip de flop-flop controlat cu ceas numit Data Latch. Data Latch-urile sunt circuite secvențiale foarte utile, care pot fi realizate din orice flip-flop SR și sunt utilizate pentru divizarea frecvențelor pentru a produce diferiți contori de ripple, divizoare de frecvență și dispozitive de blocare.