บทที่ 6 วงจรพัลส์เบื้องต้น

       

  

  วงจรพัลส์เป็นวงจรที่กำเนิดรูปคลื่นพัลส์หรือรูปคลื่นสี่เหลี่ยม ซึ่งขนาดและความถี่ของรูปคลื่นที่เกิดขึ้นสามารถกำหนดได้ตามที่ออกแบบใช้งานรูปคลื่นที่เกิดจากวงจรพัลส์สามารถนำไปใช้ในการควบคุมการทำงานของวงจรทางดิจิตอลได้ เรียกสัญญาณนี้ว่า "สัญญาณนาฬิกา" (Clock Pulse)

        6.1 คุณลักษณะของสัญญาณพัลส์

       สัญญาณพัลส์เป็นสัญญาณที่เกิดขึ้นซ้ำๆกันกันโดยมีการเปลี่ยนแปลงจากระดับลอจิก 0 ไปลอจิก 1 และเปลี่ยนระดับลอจิก 1 เป็นระดับลอจิก 0 เปลี่ยนวนซ้ำๆเช่นนี้ต่อเนื่องกันไปแสดงดังรูปภาพที่ 6.1

 6.2 วงจรมัลติไวเบรเตอร์
        วงจรมัลติไวเบรเตอร์ (Multivibrator) เป็นวงจรกำเนิดความถี่สัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยมหรือรูปคลื่นพัลส์ที่มีความสำคัญต่อวงจรดิจิตอลอีกชนิดหนึ่งหรือเรียกวงจรที่กำเนิดสัญญาณนี้ว่า "วงจรออสซิลเลเตอร์" (Oscillator Circuit) ก็ได้การทำงานของวงจรชนิดนี้มีทั้งต้องใช้สัญญาณกระตุ้นจากภายนอก
และไม่ต้องใช้สัญญาณกระตุ้นจากภายนอกวงจรมัลติไวเบรเตอร์แบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดคือ
                      1. วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์
                      2. วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์
                      3. วงจรไบสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์

                      6.2.1 วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์
                               วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ (Astable Multivibrator) คือวงจรที่สร้างหรือกำเนิดสัญญาณพัลส์ด้วยตัวของมันเอง โดยการที่วงจรทำงานและหยุดทำงานสลับกันไปอย่างต่อเนื่องจนเกิดความถี่และรูปคลื่นขึ้น ไม่อาศัยสัญญาณจากภายนอกมากระตุ้นหรือช่วยทำงานเรียกชื่อวงจรนี้อีกอย่างหนึ่งว่า "วงจรฟรีรันนิ่ง" (Free Running Multivibrator)สามารถสร้างได้จากลอจิกเกตต่อร่วมกับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุหรืออาจจะสร้างจากไอซีเบอร์ 555 ต่อร่วมกับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุก็ได้ แสดงดังวงจรต่อไปนี้

      จากรูปที่ 6.2, 6.3 และ 6.4 จะทำงานเหมือนกันกล่าวคือเป็นลอจิกที่ต่อในลักษณะการทำงานแบบกลับสัญญาณคือ สัญญาณเข้าลอจิก 1 สัญญาณออกจะเป็นลอจิก 0 และถ้าสัญญาณเข้าเป็นลอจิก 0 สัญญาณออกจะเป็นลอจิก 1 จากรูปดังกล่าวต่อเป็นวงจจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ ซึ่งจะได้สัญญาณออกทางเอาต์พุตเป็นลอจิก 1 และ 0 สลับกันไป

      จากรูปที่ 6.5 สามารถอธิบายการทำงานของวงจรได้ดังนี้คือ เมื่อสภาวะเอาต์พุตเป็นลอจิก 0 จุดที่ 2 จะเป็นลอจิก 1 และจุดที่ 1 เป็นลอจิก 0 ตามลำดับเนื่องจากวงจรทำงานเป็นนอตเกตหรืออินเวอร์เตอร์นั่นเอง เมื่อพิจารณาดูแล้วจะเห็นว่าในสภาวะนี้จะทำให้ตัวเก็บประจุได้รับกระแสจากจุดที่ 2 ไหลผ่านตัวต้านทานมาเก็บประจุจนเต็มในระยะเวลาหนึ่ง

      เมื่อตัวเก็บประจุทำการเก็บประจุไฟฟ้าจนเต็มก็สิ้นสุดภาวะลอจิก 0 หลังจากนั้นตัวเก็บประจุก็จะคายประจุไฟฟ้ามายังจุดที่ 1 ดังรูปที่ 6.6 ทำให้จุดที่ 1 เป็นลอจิก 1ส่งผลให้จุดที่ 2 เป็นลอจิก 0 และจุดที่ 3 กลับเป็นลอจิก 1 ตามลำดับตามสภาวะการทำงานของนอตเกตเอาต์พุตจึงเป็นลอจิก 1 ตามช่วงระยะเวลาที่ตัวเก็บประจุจะคายประจุไฟฟ้าจนหมดวงจรจะทำงานสลับต่อเนื่องเช่นนี้เรื่อยไป จึงทำให้ได้เอาต์พุตดังรูปที่ 6.7

       ในการปฏิบัติจริงนั้นรูปคลื่นที่ได้จะมีขอบโค้งมนไม่คมดังรูป เนื่องจากผลของการทำงานของตัวเก็บประจุ แต่สามารถแก้ไขให้รูปคลื่นมีขอบคมได้โดยต่อวงจรดังรูปที่ 6.8

  เอาต์พุตของวงจรสามารถหาคาบเวลา (T) และค่าความถี่ (F) ได้จากสมการดังนี้

วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ สามารถสร้างโดยใช้ไอซีไทม์เมอร์เบอร์ 555 ได้โดยต่อร่วมกับตัวต้านและตัวเก็บประจุดังรูปที่ 6.9

 จากรูปที่ 6.9 การต่อขาที่ 2 และขาที่ 6 เป็นการต่อเพื่อเปรียบเทียบแรงดันขณะที่ C1 ประจุแรงดันถึง ของแหล่งจ่ายซึ่งใช้ระยะเวลาช่วงหนึ่งจะทำให้เอาต์พุตขาที่ 3 เป็นลอจิก 0 จากนั้น C1 จะเริ่มคายประจุจนถึงระดับแรงดันของแหล่งจ่ายผ่าน R2 และโครงสร้างภายในของไอซี ซึ่งจะใช้ระยะเวลาอีกช่วงหนึ่ง ขาเอาต์พุตขาที่ 3 ก็จะเปลี่ยนเป็นลอจิก 1 ทันทีแล้ว C1 จะเริ่มเก็บประจุอีกครั้ง กระทำกลับไปกลับมาเช่นนี้อย่างต่อเนื่อง จึงทำให้เกิดสัญญาณพัลส์ออกมาที่เอาต์พุต สามารถทำให้วงจรหยุดการทำงานได้โดยนำขาที่ 4 ต่อลงกราวด์เนื่องจากขาที่ 4 เป็นขา Reset

 6.2.2 วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์
          วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ (Monostable Multivibrator)หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า "วงจรวันช็อต" (One shot Circuit)เป็นวงจรที่กำเนิดสัญญาณพัลส์โดยต้องมีการกระตุ้นจากสัญญาณอินพุตกล่าวคือ ถ้ามีสัญญาณอินพุตมากระตุ้นจะทำให้มีการเปลี่ยนแปลงระดับสัญญาณทางเอาต์พุต เป็นระยะเวลาตามที่สามารถออกแบบได้ แล้วกลับคืนสู่สภาวะเดิม

วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ แบ่งตามสัญญาณการกระตุ้นทางอินพุตได้ 2 ชนิด คือ
      1. วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์แบบกระตุ้นซ้ำได้ (Retriggerable Monostable Multivibrator) เป็นวงจรรที่เริ่มทำงานโดยเมื่อมีการกระตุ้นที่อินพุตแล้วทางเอาต์พุตจะเปลี่ยนสภาวะจาก 0 ไปเป็น 1 ในระยะเวลาที่วงจรจะทำได้ในขณะนี้เองถ้าวงจรได้รับสัญญาณการกระตุ้นทางอินพุตอีกครั้งโดยที่สัญญาณเอาต์พุตยังไม่เปลี่ยนเป็นลอจิก 0 วงจรจะเริ่มต้นนับการเกิดสัญญาณลอจิก 1 ทางเอาต์พุตในการกระตุ้นครั้งที่สองนี้ใหม่ แสดงดังรูปที่ 6.12

2. วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์แบบกระตุ้นซ้ำไม่ได้ (Non Retriggerable Monostable Multivibrator)เป็นวงจรที่เริ่มทำงานโดยเมื่อมีการกระตุ้นที่อินพุตแล้ว ทางเอาต์พุตจะเปลี่ยนสภาวะจาก  0 เป็นลอจิก  1 ในระหว่างนี้ถ้ามีการกระตุ้นทางอินพุตอีกจะไม่มีผลต่อสัญญาณทางเอาต์พุต จนกว่าเอาต์พุตหมดเวลาการคงสภาพของสัญญาณลอจิก  1 แล้วเปลี่ยนจากสัญญาณลอจิก 1 เป็นลอจิก  0 จึงจะรับการกระตุ้นทางอินพุตอีกครั้ง
      รูปแบบของการทำงานของวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์แบบกระตุ้นซ้ำได้และแบบกระตุ้นซ้ำไม่ได้ สัญญาณที่กระตุ้นทางอินพุตนั้นมีทั้งแบบการกระตุ้นด้วยขอบขาขึ้นและการกระตุ้นด้วยขอบขาลงทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งานและการออกแบบของวงจร สัญญาณที่มากระตุ้นทางอินพุตเรียกตามชื่อภาษาอังกฤษว่า "สัญญาณทริกเกอร์" (Trigger)

วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์โดยใช้ไอซีไทม์เมอร์เบอร์ 555 ต่อร่วมกับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุดังรูปที่  6.14

 6.2.3 วงจรไบสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์
         วงจรไบสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ (Bistable Multivibrator) เป็นวงจรที่มีการทำงานหรือจะเกิดการเปลี่ยนแปลงได้ ก็ต่อเมื่อมีสัญญาณอินพุตมาควบคุมจึงจะเกิดการเปลี่ยนแปลงและจะคงสภาวะเช่นนี้ต่อไปจนกว่าจะมีสัญญาณอินพุตมากระตุ้นอีกจึงจะกลับไปสู่สภาวะเดิมวงจรการทำงานนี้จะมีสองส่วนนั่นหมายความว่าถ้าส่วนที่หนึ่งทำงานส่วนที่สองจะหยุดการทำงาน ลักษณะของวงจรประเภทนี้ได้แก่ 

ฟลิปฟลอปหรือวงจรแลตช์ ซึ่งวงจรแลตช์นั้นได้กล่าวมาแล้วในหน่วยการเรียกที่ผ่านมาส่วนวงจรทรานซิสเตอร์แสดงดังรูปที่ 6.15

        จากรูปที่ 6.15 ทรานซิสเตอร์  Q1 และทรานซิสเตอร์  Q2 สลับกันทำงานนั่นหมายความว่า กรณีที่ทรานซิสเตอร์ Q1 หยุดทำงานหรือ OFF จะทำให้ขา C ขา E มีค่าความต้านทานสูงแรงดันที่ +Vccจะไหลไปไบอัสให้กับขา B ของทรานซิสเตอร์ Q2 ทำให้ทรานซิสเตอร์ Q2 อยู่ในสภาวะทำงาน ON จนถึงจุดอิ่มตัวส่งผลให้แรงดันที่ขา E กับขา C มีค่าแรงดันประมาณ 0V แรงดังที่จุด -Vbb จะจ่ายให้ขา B ของทรานซิสเตอร์ Q1  มีผลทำให้ทรานซิสเตอร์ Q1 อยู่ในสภาวะ OFF และทรานซิสเตอร์ Q2 อยู่ในสภาวะ ON เป็นเช่นนี้จนกว่าจะมีอินพุต Eil มากระตุ้นที่ขา B ของทรานซิสเตอร์ Q1 ทำให้ทรานซิสเตอร์ Q1 ทำงานอยู่ในสภาวะ ON จึงทำให้ขา E กับขา C ของ Q1 มีค่าความต้านทานต่ำส่งผลให้แรงดันที่จุด -Vbb ไหลเข้าที่ขา B ของทรานซิสเตอร์ Q2 สภาวะนี้ทรานซิสเตอร์ Q2 จึงหยุดทำงานอยู่ในสภาวะ OFF ซึ่งจะยังคงสภาวะเช่นนี้เรื่อยไปจนกว่าจะมีอินพุต Ei2 ป้อนเข้ามากระตุ้นอีก การทำงานก็จะสลับเช่นนี้เรื่อยไป ซึ่งจะเห็นว่าจะเกิดการเปลี่ยนแปลงที่เอาต์พุตได้ต้องมีสัญญาณจากภายนอกมาควบคุม