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Multivibratoren mit Monostabil, Astabil und Bistabil

Sequenzielle Logik

Individuell Sequenzielle Logik Schaltungen können verwendet werden, um komplexere Schaltungen wie Multivibratoren, Zähler, Schieberegister, Latches und Speicher aufzubauen.

Aber für diese Arten von Schaltungen in einem"Sequentiell" erfordern sie das Hinzufügen eines Taktimpulses oder eines Zeitsignals, damit sie ihren Zustand ändern können. Taktimpulse sind im Allgemeinen eine kontinuierliche quadratische oder rechteckige Wellenform, die von einer einzelnen Impulsgeneratorschaltung wie z. B. einem erzeugt wird Multivibrator.

EIN Multivibrator Die Schaltung schwankt zwischen einem "HIGH" -Zustand und einem“LOW” -Zustand erzeugt eine kontinuierliche Ausgabe. Astable Multivibratoren haben im Allgemeinen einen Betriebszyklus von sogar 50%, das heißt, dass 50% der Zykluszeit "HIGH" und die verbleibenden 50% der Zykluszeit "AUS" sind. Mit anderen Worten beträgt das Tastverhältnis für einen astabilen Taktimpuls 1: 1.

Sequenzielle Logikschaltungen, die die Uhr verwendenSignale für die Synchronisation sind abhängig von der Frequenz und der Taktimpulsbreite, um die Schaltaktion zu aktivieren. Sequentielle Schaltungen können auch ihren Zustand entweder bei der ansteigenden oder abfallenden Flanke oder bei beiden des tatsächlichen Taktsignals ändern, wie wir es zuvor bei den grundlegenden Flip-Flop-Schaltungen gesehen haben. Die folgende Liste enthält Begriffe, die mit einem Taktimpuls oder einer Wellenform verknüpft sind.

Multivibrator-Taktsignal
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Clock Signal Waveform

  • Active HIGH (Aktiv HIGH) - wenn der Zustandswechsel von "LOW" auf "HIGH" bei steigender Flanke des Takts oder während der Taktbreite erfolgt
  • Active LOW (Aktiv LOW) - wenn der Zustandswechsel von "HIGH" auf "LOW" bei abfallender Flanke der Uhr erfolgt.
  • Arbeitszyklus - Dies ist das Verhältnis der Taktbreite zur Taktperiode.
  • Clock Width (Taktbreite) - Dies ist die Zeit, während der der Wert des Taktsignals einer logischen "1" oder einem hohen Pegel entspricht.
  • Taktperiode - Dies ist die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Übergängen in derselben Richtung, dh zwischen zwei ansteigenden oder zwei abfallenden Flanken.
  • Taktfrequenz - Die Taktfrequenz ist der Kehrwert der Taktperiode, Frequenz = 1 / Taktperiode. (f = 1 / T)

Taktimpulserzeugungsschaltungen können einKombination aus analogen und digitalen Schaltungen, die eine kontinuierliche Reihe von Impulsen erzeugen (diese werden als "stabile" Multivibratoren bezeichnet) oder einen Impuls einer bestimmten Dauer (diese werden als monostabile Multivibratoren bezeichnet). Das Kombinieren von zwei oder mehr Multivibratoren ermöglicht die Erzeugung eines gewünschten Impulsmusters (einschließlich Impulsbreite, Zeit zwischen Impulsen und Impulsfrequenz).

Grundsätzlich gibt es drei Arten von Taktimpulserzeugungsschaltungen:

  • Astable - A Freilaufender Multivibrator das hat NEIN stabile Zustände, wechselt jedoch ständig zwischen zwei Zuständen. Diese Aktion erzeugt eine Folge von Rechteckimpulsen mit einer festen Frequenz.
  • Monostabil - A One-Shot-Multivibrator das hat nur EIN stabiler Zustand und wird extern ausgelöst, wobei es in den ersten stabilen Zustand zurückkehrt.
  • Bistabil - A Flip Flops das hat ZWEI stabile Zustände, die einen einzelnen Impuls mit einem positiven oder negativen Wert erzeugen

Eine Möglichkeit, ein sehr einfaches Taktsignal zu erzeugenerfolgt durch die Verbindung von Logikgattern. Da NAND-Gates eine Verstärkung enthalten, können sie auch verwendet werden, um mit Hilfe eines einzelnen Kondensators und eines einzelnen Widerstands ein Taktsignal oder einen Taktimpuls bereitzustellen, um die Rückkopplungs- und Taktfunktion bereitzustellen.

Diese Zeitschaltkreise werden häufig wegen verwendetes ist einfach und ist auch nützlich, wenn eine Logikschaltung entworfen ist, die ungenutzte Gatter aufweist, die zum Erzeugen des monostabilen oder astabilen Oszillators verwendet werden können. Dieser einfache Typ eines RC-Oszillatornetzwerks wird manchmal als "Relaxationsoszillator" bezeichnet.

Monostabile Multivibratorschaltungen

Monostabile Multivibratoren oder "One-Shot" -Pulsgeneratoren werden im Allgemeinen verwendetum kurze, scharfe Impulse für Timing-Anwendungen in breitere umzuwandeln. Monostabile Multivibratoren erzeugen einen einzelnen Ausgangsimpuls, entweder "HIGH" oder "LOW", wenn ein geeignetes externes Triggersignal oder ein Impuls T angelegt wird.

Dieses Triggerimpulssignal initiiert einen Taktzyklus, der bewirkt, dass der Ausgang des Monostabilisators zu Beginn des Taktzyklus seinen Zustand ändert (t1 ) und bleiben bis zum Ende der Zeitperiode in diesem zweiten Zustand, (t2 ), die durch die Zeitkonstante des Zeitkondensators C bestimmt wirdT und der Widerstand, RT.

Der monostabile Multivibrator bleibt nun dabeizweiten Timing-Zustand bis zum Ende der RC-Zeitkonstante und setzt sich automatisch zurück oder kehrt in seinen ursprünglichen (stabilen) Zustand zurück. Dann hat eine monostabile Schaltung nur einen stabilen Zustand. Ein gebräuchlicherer Name für diese Art von Schaltung ist einfach ein "Flip-Flop", da er aus zwei kreuzgekoppelten NAND-Gattern (oder NOR-Gattern) hergestellt werden kann, wie wir zuvor gesehen haben. Betrachten Sie die Schaltung unten.

Einfache monostabile NAND-Gate-Schaltung

Monostabile Multivibratoren von Nand Gate

Angenommen, der Triggereingang T wird anfangs durch den Widerstand R auf logischem Pegel "1" gehalten1 so dass der Ausgang des ersten NAND-Gatters U1 auf dem logischen Pegel "0" LOW ist (NAND-Gatterprinzipien). Der Zeitwiderstand RT ist mit einem Spannungspegel verbunden, der dem Logikpegel "0" entspricht, wodurch der Kondensator C ausgelöst wirdT entlassen werden. Der Ausgang von U1 ist LOW, Zeitkondensator CT vollständig entladen ist, ist die Verbindungsstelle V1 ebenfalls gleich "0", was dazu führt, dass der Ausgang des zweiten NAND-Gatters U2, das als invertierendes NICHT-Gatter geschaltet ist, HIGH ist.

Der Ausgang des zweiten NAND-Gatters (U2) istRückkopplung an einen Eingang von U1, um die notwendige positive Rückmeldung zu ermöglichen. Da sich die Verbindungsstelle V1 und der Ausgang von U1 beide auf logisch "0" befinden, fließt kein Strom in dem Kondensator CT. Dies führt dazu, dass die Schaltung ist Stabil und es bleibt in diesem Zustand, bis sich der Triggereingang T ändert.

Wenn nun ein negativer Impuls entweder extern oder durch Betätigung des Tasters an den Triggereingang des NAND-Gatters U1 angelegt wird, geht der Ausgang von U1 auf HIGH auf logisch "1" (NAND-Gatterprinzipien).

Da kann die Spannung am Kondensator nichtSofort ändern (Kondensatorladeparameter) Dies führt dazu, dass die Verbindungsstelle an V1 und auch der Eingang an U2 ebenfalls auf HIGH gehen, was wiederum dazu führt, dass der Ausgang des NAND-Gatters U2 auf logisch "0" wechselt dieser zweite Zustand, auch wenn der Triggereingangsimpuls T entfernt wird. Dies ist bekannt als Metastabil Zustand.

Die Spannung über dem Kondensator steigt jetzt wie der Kondensator C anT beginnt sich am Ausgang von U1 bei a aufzuladenZeitkonstante, die durch die Kombination aus Widerstand und Kondensator bestimmt wird. Dieser Ladevorgang wird fortgesetzt, bis der Ladestrom den Eingang von U2 und damit die Verbindung V1 HIGH nicht halten kann.

Wenn dies geschieht, schaltet der Ausgang von U2 wieder auf HIGH, logisch "1", was wiederum bewirkt, dass der Ausgang von U1 auf LOW geht und der Kondensator sich unter dem Einfluss des Widerstands R in den Ausgang von U1 entlädtT. Die Schaltung ist jetzt wieder in den ursprünglichen stabilen Zustand zurückgeschaltet.

Also für jeden negativ gehenden Triggerimpuls derDie monostabile Multivibratorschaltung erzeugt einen LOW-gehenden Ausgangsimpuls. Die Länge der Ausgangszeitdauer wird durch die Kondensator / Widerstands - Kombination (RC - Netzwerk) bestimmt und als angegeben Zeitkonstante T = 0,69RC der Schaltung in Sekunden. Da die Eingangsimpedanz der NAND-Gates sehr hoch ist, können große Zeitspannen erreicht werden.

Sowie die monostabile Schaltung des NAND-Gatesoben ist es auch möglich, einfache monostabile Zeitgeberschaltungen aufzubauen, die ihre Zeitabfolge von der ansteigenden Flanke des Triggerimpulses aus unter Verwendung von NICHT-Gattern, NAND-Gattern und NOR-Gattern beginnen, die als Inverter geschaltet sind, wie unten gezeigt.

NICHT monostabiler Multivibrator

nicht monostabiler Multivibrator

Wie bei der obigen NAND-Gatterschaltung ist der Triggereingang T zunächst auf einem logischen Pegel "1" HIGH, so dass der Ausgang des ersten NICHT-Gatters U1 auf einem logischen Pegel "0" LOW ist. Der Zeitwiderstand RT und der Kondensator CT sind parallel miteinander verbunden und auch mit dem Eingang des zweiten NICHT-Gatters U2. Da der Eingang von U2 bei logisch "0" LOW ist, ist sein Ausgang bei Q HIGH bei logisch "1".

Wenn ein Logikpegel "0" an den angelegt wirdTriggereingang T des ersten NOT-Gatters wechselt den Zustand und erzeugt einen Logikpegel "1". Die Diode D1 gibt diesen logischen Spannungspegel "1" an das RC-Zeitsteuerungsnetzwerk weiter. Die Spannung über dem Kondensator CT steigt schnell auf diesen neuen Spannungspegel an, der ebenfalls mit dem Eingang des zweiten NOT-Gatters verbunden ist. Dies gibt wiederum eine logische "0" an Q aus und die Schaltung bleibt dabei Metastabil Zustand solange der an der Schaltung anliegende Triggereingang T LOW bleibt.

Wenn das Triggersignal auf HIGH zurückkehrt, geht der Ausgang des ersten NOT-Gatters auf logisch "0" (NICHT-Gatterprinzipien) und der voll aufgeladene Kondensator CT beginnt sich über den Parallelwiderstand R zu entladenT darüber verbunden. Wenn die Spannung über dem Kondensator unter den unteren Schwellenwert des Eingangs des zweiten NOT-Gatters fällt, schaltet ihr Ausgang wieder zurück, wobei er bei Q einen logischen Pegel "1" erzeugt Gatter NICHT ausgang.

Dann ist die Zeitkonstante für ein NICHT-Tor Monostabiler Multivibrator wird in Sekunden als T = 0.8RC + Trigger angegeben.

Ein Hauptnachteil von Monostabile Multivibratoren ist, dass die Zeit zwischen dem Anlegen des nächsten Triggerimpulses T größer sein muss als die RC-Zeitkonstante der Schaltung.

Stabile Multivibrator-Schaltungen

Stabile Multivibratoren sind der am häufigsten verwendete MultivibratorSchaltung. Ein stabiler Multivibrator ist ein freilaufender Oszillator, der keinen permanenten "Meta" - oder "Steady" -Zustand aufweist, dessen Ausgang jedoch ständig von einem Zustand (LOW) in den anderen Zustand (HIGH) und wieder zurück wechselt. Dieses ständige Umschalten von "HIGH" auf "LOW" und "LOW" auf "HIGH" führt zu einem kontinuierlichen und stabilen Rechteckwellenausgang, der abrupt zwischen den beiden Logikpegeln wechselt, wodurch er ideal für Timing- und Taktanwendungen ist.

Wie beim vorherigen monostabilen MultivibratorIn der obigen Schaltung wird der Taktzyklus durch die RC-Zeitkonstante des Widerstand-Kondensator-RC-Netzwerks bestimmt. Dann kann die Ausgangsfrequenz variiert werden, indem der Wert (die Werte) der Widerstände und des Kondensators in der Schaltung geändert wird.

NAND Gate Astable Multivibrator

nand Gate astabiler Multivibrator

Das ein stabiler Multivibrator Die Schaltung verwendet zwei CMOS-NOT-Gates wie dasCD4069- oder die 74HC04-Hex-Inverter-ICs oder wie in unserer einfachen Schaltung unterhalb eines Paares von CMOS-NANDs wie CD4011 oder 74LS132 und eines RC-Timing-Netzwerks. Die beiden NAND-Gatter sind als invertierende NICHT-Gatter verbunden.

Nehmen wir an, zunächst die Ausgabe vom NANDGatter U2 ist auf logischem Pegel "1" HIGH, dann muss der Eingang auf logischem Pegel "0" (NAND-Gatterprinzipien) LOW sein, ebenso wie der Ausgang des ersten NAND-Gatters U1. Der Kondensator C ist über den Zeitsteuerungswiderstand R zwischen den Ausgang des zweiten NAND-Gatters U2 und seinen Eingang geschaltet2. Der Kondensator lädt sich jetzt mit einer Rate auf, die durch die Zeitkonstante von R bestimmt wird2 und C.

Wenn sich der Kondensator C auflädt, lädt sich die Verbindung zwischen dem Widerstand R auf2 und der Kondensator C, der auch über den Stabilisierungswiderstand R mit dem Eingang des NAND-Gatters U1 verbunden ist2 sinkt bis zum unteren Schwellenwert von U1ist erreicht, an dem Punkt U1 den Zustand ändert und der Ausgang von U1 wird jetzt HIGH. Dies führt dazu, dass auch das NAND-Gatter U2 seinen Zustand ändert, da sein Eingang nun von logisch "0" auf logisch "1" geändert wurde, was dazu führt, dass der Ausgang des NAND-Gatters U2 LOW wird, logischer Pegel "0".

Der Kondensator C ist jetzt in Sperrichtung vorgespannt und entlädt sich durch den Eingang des NAND-Gatters U1. Der Kondensator C lädt sich in der entgegengesetzten Richtung wieder auf, die durch die Zeitkonstante beider R bestimmt wird2 und C wie zuvor, bis es den oberen Schwellenwert des NAND-Gatters U1 erreicht. Dies bewirkt, dass U1 den Status ändert, und der Zyklus wiederholt sich erneut.

Dann die Zeitkonstante für ein NAND-Gatter Stabiler Multivibrator wird als T = 2.2RC in Sekunden angegeben, wobei die Ausgangsfrequenz als f = 1 / T angegeben wird.

Zum Beispiel: wenn der Widerstand R2 = 10 kΩ und der Kondensator C = 45nF wäre die Schwingungsfrequenz der Schaltung als gegeben:

eine stabile Multivibratorfrequenz

Dann wird die Ausgangsfrequenz mit 1 kHz berechnet, was einer Zeitkonstante von 1 ms entspricht.

eine stabile Multivibrator-Wellenform

Bistabile Multivibratorschaltungen

Das Bistabile Multivibratoren Schaltung ist im Grunde ein SR-Flip-Flop, das wir betrachtenin den vorherigen Tutorials mit dem Zusatz eines Inverters oder NOT-Gatters, um die erforderliche Schaltfunktion bereitzustellen. Wie bei Flip-Flops sind beide Zustände eines bistabilen Multivibrators stabil, und die Schaltung bleibt auf unbestimmte Zeit in beiden Zuständen. Diese Art von Multivibratorschaltung geht "nur" von einem Zustand in den anderen über, wenn ein geeigneter externer Triggerimpuls T angelegt wird und einen vollen "SET-RESET" -Zyklus durchläuft zwei Auslöseimpulse sind erforderlich. Diese Art von Schaltung wird auch als "Bistable Latch", "Toggle Latch" oder "T-Latch" bezeichnet.

NAND Gate Bistabiler Multivibrator

bistabiler Multivibrator

Der einfachste Weg, um eine Bistabiler Verschluss ist ein Paar von Schmitt NANDGates, um einen SR-Latch zu bilden, wie oben gezeigt. Die beiden NAND-Gatter U2 und U3 bilden das Bistabile, das vom Eingangs-NAND-Gatter U1 getriggert wird. Dieses U1-NAND-Gatter kann weggelassen und durch einen einzigen Kippschalter ersetzt werden, um eine Schalter-Prellenschaltung zu bilden, wie zuvor im SR-Flip-Flop-Tutorial gezeigt.

Wenn der Eingangsimpuls auf "LOW" geht, ist das bistabilverriegelt sich in seinem "SET" -Zustand mit seinem Ausgang auf Logikpegel "1", bis der Eingang auf "HIGH" geht, was bewirkt, dass das Bistabile in seinen "RESET" -Zustand verriegelt, wobei sich sein Ausgang auf Logikpegel "0" befindet. Der Ausgang eines bistabilen Multivibrators bleibt in diesem "RESET" -Zustand, bis ein weiterer Eingangsimpuls angelegt wird und die gesamte Sequenz von neuem beginnt.

Dann ein Bistabiler Verschluss oder "Toggle Latch" ist ein Gerät mit zwei Zuständen, bei dem beide Zustände entweder positiv oder negativ (logisch "1" oder logisch "0") stabil sind.

Bistabile Multivibratoren haben viele Anwendungen wie Frequenzteiler, Zähler oder als Speichermedium in Computerspeichern, sie werden jedoch am besten in Schaltungen wie z Latches und Zähler.

555 Timer-Schaltung.

Einfache Monostabile oder Astable Multivibratoren könnenSie können jetzt problemlos mit einem handelsüblichen Wellenformgenerator-IC für Timing- und Oszillatorschaltungen hergestellt werden. Entspannungsoszillatoren können einfach aufgebaut werden, indem einige passive Komponenten an ihre Eingangspins angeschlossen werden, wobei der am häufigsten verwendete Signalgenerator vom Typ IC der klassische 555-Timer ist.

Das 555 Timer ist ein sehr vielseitiges, kostengünstiges Timing-IC, das dies ermöglichtSie erzeugen sehr genaue Zeitspannen mit einer guten Stabilität von etwa 1% und haben eine variable Zeitspanne zwischen einigen Mikrosekunden und vielen Stunden und 16 Volt.

Der NE555-Timer und seine Nachfolger, ICM7555, CMOSLM1455, DUAL NE556 usw. werden in dem 555 Oscillator-Tutorial und anderen guten auf Elektronik basierenden Websites behandelt. Daher sind sie hier nur zu Referenzzwecken als Taktgenerator enthalten. Der als Astable Multivibrator angeschlossene 555 ist unten dargestellt.

NE555 Astable Multivibrator

ne555 astabiler Multivibrator

Hier ist der 555-Timer als Basis angeschlossenStabiler Multivibrator, der eine kontinuierliche Signalform erzeugt. Die Pins 2 und 6 sind so miteinander verbunden, dass sie sich bei jedem Taktzyklus erneut triggern und somit als Astable-Oszillator fungieren. Der Kondensator C1 lädt sich über den Widerstand R1 und den Widerstand R2 auf, entlädt sich jedoch nur über den Widerstand R2, da die andere Seite von R2 mit dem Entladeanschluss Pin 7 verbunden ist. Dann wird die Zeitperiode von t1 und T2 ist gegeben als:

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

Die Spannung über dem Kondensator C1 reicht vonzwischen 1/3 Vcc bis ungefähr 2/3 Vcc, abhängig von der RC-Zeitdauer. Diese Art von Schaltung ist sehr stabil, da sie von einer einzelnen Versorgungsschiene aus arbeitet, was zu einer von der Versorgungsspannung Vcc unabhängigen Oszillationsfrequenz führt.

Im nächsten Tutorial ungefähr Sequenzielle Logikschaltungen, werden wir eine andere Art von Uhr sehenFlop-Flop nannte eine Data Latch. Datenlatches sind sehr nützliche sequentielle Schaltungen, die aus jedem Standard-SR-Flipflop mit Gate-Schaltung hergestellt werden können und zur Frequenzteilung verwendet werden, um verschiedene Wellenzähler, Frequenzteiler und Latches zu erzeugen.

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