مدار اشمیت تریگر با آی سی ۵۵۵ – راهنمای کاربردی ساخت

در آموزش‌های پیشین مجله فرادرس، با مدار اشمیت تریگر و پیاده‌سازی آن با کمک آپ امپ آشنا شدیم. در این آموزش، مدار اشمیت تریگر با آی سی 555 را معرفی می‌کنیم.

اشمیت تریگر چیست؟

انتقال سیگنال‌های High و Low در ورودی اکثر ادوات CMOS باید از طریق لبه‌های سریعی باشد. اگر لبه‌ها از سرعت کافی برخوردار نباشند، منجر به کشیدن جریان بیشتری می‌شوند و این ممکن است به دستگاه آسیب برساند. سیگنال‌های آنالوگ به طور کلی کامل نیستند و ممکن است همیشه لبه‌های تمیز و قابل قبولی نداشته باشند. اشمیت تریگر نوعی مقایسه‌کننده است که برای جلوگیری از چنین سیگنال‌هایی به کار می‌رود.

مقایسه‌کننده دستگاهی است که دو ولتاژ را با هم مقایسه می‌کند و نشان می‌دهد که یک ولتاژ از ولتاژ دیگر بزرگ‌تر است یا خیر. اشمیت تریگر که به آن «مقایسه‌کننده بازتولیدی» (Regenerative Comparator) نیز گفته می‌شود، ولتاژ ورودی را با دو ولتاژ مرجع مقایسه و یک خروجی معادل تولید می‌کند. خروجی اشمیت تریگر بدون توجه به شکل ورودی، همیشه یک موج مربعی یا مستطیلی است. در مواردی که نیاز به انجام موارد زیر است، اغلب از اشمیت تریگر استفاده می‌شود:

• تبدیل موج سینوسی به موج مربعی
• حذف سیگنال‌های دارای نویز
• تبدیل لبه‌های کند (مانند موج مثلثی) به لبه‌های تند (مانند موج مربعی)

اشمیت تریگر را می‌توان از یک آی سی 555 یا همان تایمر 555 ساخت. یکی دیگر از کاربردهای آی سی 555، علاوه بر تایمر، استفاده از دو مقایسه‌کننده داخلی به عنوان واحدهای مستقل برای تشکیل یک اشمیت تریگر است. عملکرد کلی اشمیت تریگر با آی سی 555 معکوس‌کنندگی است.

اشمیت تریگر با آی سی 555

مدار زیر ساختار یک تایمر 555 را نشان می‌دهد که به عنوان اشمیت تریگر مورد استفاده قرار گرفته است.

پایه‌های 4 و 8 به منبع تغذیه (Vcc) متصل می‌شوند. پایه‌های 2 و 6 به هم متصل شده و ورودی از طریق خازن به این نقطه وصل می‌شود. این نقطه مشترک با ولتاژ بایاس خارجی Vcc/2 با کمک مدار تقسیم ولتاژ متشکل از مقاومت‌های R₁ و R₂ تغذیه می‌شود.

مشخصه مهم اشمیت تریگر هیسترزیس است. اگر ولتاژ ورودی از مقدار آستانه بالا بیشتر باشد، خروجی اشمیت تریگر High و اگر ولتاژ ورودی از مقدار آستانه پایین کمتر باشد، خروجی اشمیت تریگر Low است.

وقتی ورودی بین دو مقدار آستانه باشد، خروجی مقدار خود را حفظ می‌کند. استفاده از دو مقدار آستانه، «هیسترزیس» (Hysteresis) نامیده می‌شود و اشمیت تریگر به عنوان یک عنصر حافظه (یک مولتی‌ویبراتور بای‌استابل یا یک فلیپ‌فلاپ) عمل می‌کند.

مقادیر آستانه در این حالت 2/3Vcc و 1/3Vcc است؛ یعنی مقایسه‌کننده بالا در 2/3Vcc و مقایسه‌کننده پایین در 1/3Vcc تریپ می‌شود. ولتاژ ورودی توسط مقایسه‌کننده‌های جدا با این مقادیر آستانه مقایسه می‌شود و بر این اساس فلیپ‌فلاپ SET یا RESET می‌شود. بر این اساس، خروجی High یا Low می‌شود.

وقتی یک ورودی سینوسی با دامنه بزرگ‌تر از Vcc/6 به ورودی اعمال می‌شود، فلیپ‌فلاپ SET شده و به طور متناوب برای چرخه مثبت و چرخه منفی SET و RESET می‌شود و خروجی یک موج مربعی خواهد بود. شکل موج سینوسی ورودی و موج مربعی خروجی در شکل زیر نشان داده شده است.

برای آشنایی بیشتر با مدار اشمیت تریگر با آی سی 555 پیشنهاد می‌کنیم به فیلم آموزش تکنیک پالس فرادرس مراجعه کنید که لینک آن در ادامه آورده شده است.

• برای مشاهده فیلم آموزش تکنیک پالس + اینجا کلیک کنید.

اشمیت تریگر در وضعیت معکوس

ماهیت عملکرد نرمال مدار اشمیت تریگر با آی سی 555 معکوس است. وقتی ورودی تریگر، که همان ورودی خارجی است، به زیر مقدار آستانه 1/3Vcc برسد، خروجی مقایسه کننده پایین High، فلیپ فلاپ SET و خروجی در پایه سه High می‌شود.

فیلم آموزش تکنیک پالس با رویکرد حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

به همین ترتیب، وقتی ورودی آستانه، که همان ورودی خارجی است، از مقدار آستانه 2/3Vcc افزایش یابد، خروجی مقایسه کننده بالایی High شده و فلیپ فلاپ RESET و خروجی در پایه سه Low می‌شود.

شکل موج اشمیت تریگر در وضعیت معکوس در شکل زیر نشان داده شده است.

پیاده‌سازی عملی اشمیت تریگر با آی سی 555

در این بخش می‌خواهیم روش پیاده‌سازی یک مدار ساده اشمیتر تریگر با آی سی 555 را بررسی کنیم. ابزار و وسایل لازم برای پیاده‌سازی اشمیت تریگر با آی سی 555 به شرح زیر است:

• یک باتری ۹ ولتی کتابی
• یک سرباتری
• دو عدد پراب
• یک پتانسیومتر ۱۰ کیلواهمی با ۱۵ دور
• یک آی سی تایمر 555
• یک عدد LED قرمز
• یک عدد LED  سبز
• دو مقاومت ۱ کیلواهمی
• یک ولت‌متر یا مولتی‌متر دیجیتال

نمودار شماتیکی مدار به صورت زیر است.

اشمیت تریگر را با نماد زیر نشان می‌دهیم.

بنابراین، نمودار شماتیکی بالا به صورت زیر در می‌آید.

پیاده‌سازی مدار روی بردبورد به شکل زیر است.

تایمر 555 احتمالاً یکی از متنوع‌ترین تراشه‌های «جعبه سیاه» است. سه مقاومت مقسم ولتاژ، دو مقایسه‌کننده و فلیپ فلاپSET-RESET داخلی آن سیم‌کشی شده‌اند تا در این طراحی یک اشمیت تریگر ایجاد شود. جالب است بدانید که این پیکربندی به پیکربندی اشمیت تریگر با آپ امپ نزدیک نیست، اما نتیجه نهایی یکسان است.

برای بررسی مدار، پتانسیومتر را تنظیم کنید تا چراغ‌ها حالت چشمک‌زن پیدا کنند، سپس ولتاژ را اندازه بگیرید. این ولتاژ را با ولتاژ منبع تغذیه مقایسه کنید. پتانسیومتر را دوباره تنظیم کنید تا LED دوباره روشن شود و ولتاژ را اندازه بگیرید. چقدر به اندازه‌های 1/3 و 2/3 نزدیک شده‌اید؟ سعی کنید باتری 9 ولتی را با یک باتری 6 ولتی یا دو باتری 6 ولتی جایگزین کنید و ببینید که آستانه‌ها چقدر به اندازه‌های 1/3 و 2/3 نزدیک هستند.

اشمیت تریگر یک مدار پایه است که چندین کاربرد دارد. یکی از این کاربردها پردازش سیگنال است که اشمیت تریگرها می‌توانند داده‌های دیجیتال را از برخی از محیط‌های دارای نویز جدا کنند.

مشخصه تعریف هر اشمیت تریگر هیسترزیس آن است. در این حالت، 1/3 و 2/3 ولتاژ منبع تغذیه است که توسط مقسم ولتاژ مقاومت داخلی 555 تعریف می‌شود. مقایسه‌کننده‌های داخلی C₁ و C₂ ولتاژ ورودی را با مراجع فراهم شده توسط مقسم ولتاژ مقایسه می‌کنند و از مقایسه برای استفاده از فلیپ فلاپ داخلی استفاده می‌کنند که داریور خروجی را هدایت می‌کند. این یکی دیگر از ویژگی‌های خوب آی سی 555 است.

آی سی 555 می‌تواند تا 200 میلی‌متر از هر دو طرف ریل منبع تغذیه درایو کند. درایور خروجی یک مسیر با هدایت بسیار کم به هر دو طرف اتصالات منبع تغذیه ایجاد می‌کند. مدار هر طرف مدار LED را «اتصال کوتاه» و سمت دیگر را روشن می‌کند.

مقاومت‌های ۵ کیلواهمی خیلی دقیق نیستند. جالب است بدانید که به دلیل ساخت IC، به طور کلی مقاومت‌ها دقیق نیستند، اما در مقایسه با یکدیگر از نظر مقدار بسیار نزدیک هستند که برای عملکرد مدار بسیار مهم است.

معرفی فیلم آموزش تکنیک پالس فرادرس

برای آشنایی بیشتر با مدار اشمیت تریگر با آی سی 555 پیشنهاد می‌کنیم به فیلم آموزش تکنیک پالس مراجعه کنید. این آموزش که مدت آن ۱۶ ساعت و ۳۹ دقیقه است، در شش درس تدوین شده است. در درس اول، پاسخ مدارات خطی (Linear circuit) به سیگنال‌های پالس و در درس دوم پاسخ مدارات غیرخطی به سیگنال‌های پالس بررسی شده‌اند. موضوع درس سوم، مولتی ویبراتورها (Multivibrator) است و در درس چهارم درباره مولدهای موج مورب بحث شده است. در نهایت، در درس‌های پنجم و ششم نیز، به ترتیب، کاربرد تقویت‌کننده‌های عملیاتی در تکنیک پالس و کاربرد آی سی 555 (555 IC) در تکنیک پالس به طور کامل شرح داده شده است.

• برای مشاهده فیلم آموزش تکنیک پالس + اینجا کلیک کنید.