Multivibratörler

Bireysel sıralı mantık devreleri; multivibratörler, sayaçlar, shift register (vardiya kayıtçısı) devreleri, mandallar (latch) ve bellek birimleri gibi daha karmaşık sistemler oluşturmak amacıyla kullanılabilir. Ancak bu tür devrelerin “sıralı” (ardışıl) bir şekilde çalışabilmesi, durumlarını değiştirmelerini sağlayacak bir saat darbesi (clock pulse) ya da zamanlama sinyalinin varlığını gerektirir. Saat darbeleri, genellikle bir multivibratör gibi tek bir sinyal jeneratörü devresi tarafından üretilen sürekli kare ya da dikdörtgen biçimli dalga formlarından oluşur.

Bir multivibratör devresi, “yüksek” (logic 1) ile “düşük” (logic 0) durumları arasında salınım yaparak sürekli bir kare dalga çıkışı üretir. Astable (kararsız) multivibratörler genellikle %50’lik bir görev döngüsüne (duty cycle) sahiptir. Bu durum, periyot süresinin yarısında çıkışın “yüksek”, kalan yarısında ise “düşük” olduğu anlamına gelir. Başka bir deyişle, astable zamanlama darbesi için görev döngüsü oranı 1:1 olarak gerçekleşir.

Senkronizasyon amacıyla bir saat sinyali kullanan ardışıl mantık devreleri, anahtarlama eylemlerini gerçekleştirebilmek için frekansa ve dolayısıyla saat darbe genişliğine doğrudan bağlıdır. Sıralı devreler, temel flip-flop mimarilerinde olduğu gibi saat sinyalinin yükselen kenarını (rising edge), düşen kenarını (falling edge) ya da her iki kenarını da kullanarak durum geçişi yapabilir. Zamanlama darbeleri veya dalga formları ile ilişkili temel terimler şunlardır:

Aktif Yüksek (Active HIGH): Durum değişikliğinin, saat sinyalinin yükselen kenarında veya saat darbesinin genliği boyunca “düşük” seviyeden “yüksek” seviyeye geçişte gerçekleştiği durumdur.
Aktif Düşük (Active LOW): Durum geçişinin, saat darbesinin düşen kenarında “yüksek” seviyeden “düşük” seviyeye inişte gerçekleştiği durumdur.
Saat Darbe Genişliği (Clock Width): Saat sinyalinin lojik “1” (yüksek) seviyesinde kaldığı süredir.
Saat Periyodu (Clock Period): Aynı yönde ardışık geçişler arasındaki süredir; yani iki yükselen veya iki düşen kenar arasındaki toplam zaman dilimidir.
Görev Döngüsü (Duty Cycle): Saat darbe genişliğinin toplam saat periyoduna oranıdır.
Saat Frekansı (Clock Frequency): Saat frekansı, saat periyodunun matematiksel tersidir. Frekans formülü olarak ifade edilir.

Saat darbesi üreten devreler; sürekli darbe dizisi üreten kararsız (Astable) multivibratörler veya tetiklendiğinde belirli bir süre boyunca tek bir darbe veren tek kararlı (Monostable) multivibratörler şeklinde tasarlanabilir. İki veya daha fazla multivibratör devresinin birleştirilmesiyle darbe genişliği, darbe aralığı ve frekansı özel olarak belirlenmiş sinyal desenleri elde etmek mümkündür.

Temel olarak üç ana tip saat darbesi üretim devresi bulunur:

• Astable (Kararsız): Kararlı bir durumu olmayan, iki durum arasında sürekli salınım yapan serbest çalışan (free-running) bir multivibratördür. Bu devre, belirli bir frekansta sürekli kare dalga sinyali üretir.
• Monostable (Tek Kararlı): Yalnızca bir kararlı durumu olan, harici bir tetikleme sinyali aldığında geçici durum değiştirip ardından RC zaman sabitine bağlı olarak otomatik olarak ilk kararlı durumuna geri dönen tek atımlık (one-shot) bir multivibratördür.
• Bistable (Çift Kararlı): İki farklı kararlı durumu olan ve harici tetikleme alana kadar mevcut konumunu süresiz koruyan flip-flop yapılarıdır. Durum değiştirmek için tetikleme sinyaline ihtiyaç duyar.

Dijital mantık kapılarının birbirine geri beslemeli olarak bağlanması, son derece basit saat sinyalleri üretmenin pratik bir yoludur. NAND (VE DEĞİL) kapıları akım yükseltme kabiliyetine sahip olduklarından; direnç ve kondansatör elemanlarıyla kurulan geri besleme hatları sayesinde kararlı zamanlama sinyalleri üretmek için sıklıkla tercih edilirler.

Bu pratik zamanlama devreleri, az bileşen gerektirmeleri ve düşük maliyetleri nedeniyle devre tasarımlarında popüler birer çözümdür.

Monostable Multivibratör Devreleri

Monostable multivibratörler veya “tek atımlı” (one-shot) darbe jeneratörleri, genellikle kısa ve kararsız tetikleme sinyallerini daha geniş ve kararlı zamanlama darbelerine dönüştürmek amacıyla kullanılır. Harici bir tetikleme sinyali uygulandığında, devre çıkışında süresi ayarlanabilir tek bir darbe üretir.

Uygulanan bu tetikleme darbesi sinyali, monostable çıkışının zamanlama döngüsünü başlatarak durumunu değiştirmesine neden olur (). Çıkış, zamanlama kondansatörü () ve direncinin () zaman sabiti () ile belirlenen zaman periyodunun () sonuna kadar bu geçici ikinci durumda kalmaya devam eder.

RC zaman sabitinin belirlediği süre dolduğunda, monostable otomatik olarak kendini sıfırlar ve ilk baştaki orijinal kararlı durumuna geri dönüş yapar.

Basit NAND Kapısı Monostable Devresi

Değil Kapısı Monostable Multivibratör

Yukarıdaki kapı devresinde, başlangıçta tetikleme girişi lojik “1” seviyesindedir; bu sebeple ilk değil kapısı ‘in çıkışı lojik “0” seviyesinde düşüktür. Zamanlama direnci ve kondansatör , ikinci kapı ‘nin girişine paralel olacak şekilde bağlanmıştır. ‘nin girişi düşük seviyede olduğu için çıkışı lojik “1” (yüksek) olarak elde edilir.

Bir NAND kapılı Astable Multivibratörün çıkış periyodu formülü ile hesaplanırken, çıkış frekansı ise bu periyodun tersi olan formülü ile elde edilir.

Örnek bir senaryo olarak; direnç değeri ve kapasitör değeri seçildiğinde, devrenin salınım frekansı şu şekilde hesaplanacaktır:

Buradan çıkış frekansı yaklaşık olarak hesaplanır, bu da ‘lik bir periyoda (zaman sabitine) denk gelir. Elde edilen çıkış dalga formu aşağıdaki karakteristik yapıya sahip olacaktır:

Bistable Multivibratör Devreleri

Bistable multivibratör devreleri, temel olarak durum kilitleme ve anahtarlama işlevlerini gerçekleştirebilmek amacıyla bir evirici kapının eklenmesiyle oluşturulan SR flip-flop yapılarıdır. Flip-flop’larda olduğu gibi bistable multivibratörün de her iki çıkış durumu kararlıdır ve devre, dışarıdan yeni bir tetikleme sinyali alana kadar bu durumu süresiz olarak korur. Devrenin durum değiştirmesi için mutlaka uygun genlik ve yönde bir tetikleme darbesi uygulanmalıdır; tam bir SET-RESET döngüsünü tamamlamak için ise iki ayrı tetikleme darbesine ihtiyaç duyulur. Bu tür devreler literatürde bistable latch (çift kararlı mandal) veya durum değiştiren mandal (toggle latch) olarak da adlandırılır.

NAND Kapısı Bistable Multivibratör

Bistable bir mandal tasarlamanın en kolay yolu, yukarıdaki şemada gösterildiği gibi iki adet Schmitt tetiklemeli NAND kapısını birbirine bağlayarak bir SR mandalı inşa etmektir. U2 ve U3 NAND kapıları bistable mandal yapısını oluştururken, U1 kapısı devreyi tetiklemekle görevlidir. Girişteki U1 kapısı, mekanik anahtarlardaki kontak sıçramalarını (switch bounce) önlemek için bir anahtar filtresi olarak da kullanılabilir. Girişteki U1 kapısı, mekanik anahtarlardaki kontak sıçramalarını (switch bounce) önlemek için bir anahtar filtresi olarak da kullanılabilir. Dijital sayaçların kararlı çalışması hakkında hazırladığımız asenkron sayıcı rehberimizi inceleyerek teorik bilgilerinizi pratik devre tasarımlarıyla pekiştirebilirsiniz.