MULTIVIBRATORI
I multivibratori sono circuiti adatti a fornire onde quadre, rettangolari e impulsive. Realizzati in svariate forme, a transistor, ad amplificatori operazionali, a porte logiche, in circuito integrato, si distinguono in astabili, monostabili e bistabili:
- Multivibratore Astabile: è caratterizzato da due stati tra i quali il multivibratore oscilla senza bisogno di comandi esterni.
L’astabile è un vero e proprio generatore di onde quadre e rettangolari.
- Monostabile: detto anche one-shot, questo multivibratore presenta uno stato stabile, in cui può rimanere indefinitamente, ed uno stato quasi-stabile.
Mediante un segnale di comando in ingresso (segnale di trigger) è possibile far commutare il monostabile dallo stato stabile a quello quasi-stabile.
Può essere impiegato come temporizzatore o come ritardatore. - Bistabile: questo circuito, detto anche flip-flop, presenta due stati stabili nei quali può permanere indefinitamente. Il circuito passa da uno stato all’altro solo in seguito ad un comando esterno.
Il flip-flop trova largo impiego come cella di memoria e divisore di frequenza. - Trigger di Schmitt: è un particolare bistabile che passa da uno stato all’altro quando la tensione di ingresso Vi supera la cosiddetta tensione di soglia superiore V+.
E’ utilizzato per squadrare segnali di varia forma d’onda e come rivelatore di soglia; costituisce inoltre la base di molti circuiti a scatto.
MULTIVIBRATORE ASTABILE
Questo multivibratore non possiede nessuno stato stabile ed è in grado di fornire in uscita un segnale (tipicamente un’onda quadra) senza l’ausilio di comandi esterni. È conosciuto come generatore di onda quadra o clock. Per innescare l’oscillazione è necessaria una rete RC (Resistenza-Condensatore) che realizzano un ritardo noto, cosicché il multivibratore possa generare un’oscillazione. Un multivibratore astabile è costituito da due stadi di amplificazione collegati in un circuito di feedback positivo da due reti di accoppiamento capacitivo-resistivo. Gli elementi di amplificazione possono essere transistor a giunzione o ad effetto di campo, valvole a vuoto, amplificatori operazionali o altri tipi di amplificatori. Il circuito è solitamente disegnato in forma simmetrica come una coppia incrociata. I due terminali di uscita possono essere definiti sui dispositivi attivi e hanno stati complementari. Uno ha alta tensione mentre l’altro ha bassa tensione, tranne durante le brevi transizioni da uno stato all’altro.
TRIGGER DI SCHMITT
Affinché un circuito astabile possa modificare il suo stato logico in uscita autonomamente è necessario fornire due tensioni di riferimento prima di iniziare il processo di “auto-oscillazione”. Il circuito per eccellenza in grado di generare le oscillazioni è il trigger di Schmitt. Le soglie sono definite da due tensioni VT+ e VT–.
Quando il segnale di ingresso raggiunge la soglia VT+ l’uscita commuta a livello logico alto (+5V), viceversa quando l’ingresso arriva alla tensione VT– l’uscita si porta a livello logico basso 0V.
Nella figura sopra riportata si può vedere un trigger di Schmitt realizzato con porte NAND configurate come inverter. Applicando sull’ingresso un segnale variabile nel tempo in uscita abbiamo una forma d’onda quadra. Prima di comprendere come venga realizzato un multivibratore astabile è necessario comprende come un condensatore venga caricato attraverso un circuito RC.
MULTIVIBRATORE ASTABILE-CIRCUITO RC
Se il condensatore fosse collegato direttamente alla batteria da 5V la carica su di esso sarebbe istantanea, essendo collegato tramite una resistenza di un certo valore ohmico la carica avverrà nel tempo t e formulata con l’espressione T=R.C (secondi) definita come costante di tempo del circuito RC.
LA CARICA DEL CONDENSATORE
Supponiamo che inizialmente il condensatore sia scarico, non appena colleghiamo il generatore si inizierà a caricare attraverso la resistenza R. Ad ogni istante successivo le armature del condensatore immagazzinano sempre più cariche fino a raggiungere la tensione della batteria. A questo punto ci sono due tensioni uguali e opposte di segno, quindi la corrente nel circuito sarà I=0.
Nel grafico sono evidenziati due punti.
- quando la carica sul condensatore è arrivata al 63% che è pari alla costante di tempo del circuito T=RxC ovvero si ha:
VRC = 0,63 X VCC = 0,63×5 = 3,15V
- Quando la carica vale 5RC ossia ha raggiunto il 100%.
Se la costante di tempo del circuito fosse 20ms il condensatore raggiungerebbe il 63% della carica dopo 20ms mentre il 100% dopo 100ms.
SCARICA DEL CONDENSATORE
Supponiamo di togliere il generatore da 5V e cortocircuitare i poli, in tal caso avverrebbe la scarica del condensatore attraverso la resistenza R. Una porta logica per cambiare il proprio stato necessita di raggiungere le soglie già descritte precedentemente. Quindi usando un circuito triggerato e usando come abbiamo visto la carica e la scarica su un condensatore è possibile far oscillare il circuito ad una certa frequenza senza ausilio delle tensioni di 0V e 5V. La cosa essenziale è che la tensione del condensatore possa raggiungere le due soglie logiche di riferimento. Questo permette al circuito, opportunamente innescato, di auto-oscillare.
MULTIVIBRATORE ASTABILE-GENERATORE DI ONDA QUADRA
FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO
Facendo riferimento alla figura e al grafico consideriamo quanto segue: ipotizziamo che inizialmente il LED sia spento, questo significa che l’uscita della porta logica NAND 2 sia a livello logico 0. Il suo ingresso sarà a livello 1 così come l’uscita della NAND 1. Se ne deduce che il condensatore inizia a caricarsi attraverso la resistenza R1 poiché trova il terminale opposto collegato a massa (0V) dall’uscita della NAND 2 in quanto a livello 0. Raggiunta la soglia di riconoscimento (Livello logico 1) all’ingresso della NAND 1, il led viene acceso in quanto l’ingresso della NAND 2 si trova a livello logico 0, tuttavia in questo nuovo stato il condensatore inizia a scaricarsi attraverso R1 in quanto l’uscita della NAND 1 è a potenziale 0V. Non appena la tensione sul condensatore raggiunge la soglia riconosciuta come livello 0 VT- sono nuovamente cambiati gli stati delle porte e il ciclo si ripete. La resistenza R2 fa parte del circuito di retroazione positiva (Retroazione significa che l’uscita viene riportata in ingresso) necessaria affinché si inneschi l’oscillazione spontanea del multivibratore astabile triggerato. La tensione VCC è utilizzata solo ed esclusivamente per mettere in conduzione il diodo led, permettendo l’accensione.
DUTY CYCLE
Il valore percentuale esprime la permanenza a livello logico 1 rispetto allo 0 logico. Nel nostro caso il Duty Cycle sarà del 50%.
MULTIVIBRATORE ASTABILE A TRANSISTOR BJT
FUNZIONAMENTO
Nessuno dei due stati è stabile e il circuito passa continuamente da uno stato all’altro. Il circuito si comporta pertanto come un particolare oscillatore a rilassamento, in grado di produrre onde quadre. Si supponga che nel circuito in figura inizialmente il transistor T1 conduca. La tensione sul collettore è praticamente zero e si ha la carica di C1 attraverso R2. Quando il potenziale nel punto tra C1, R2 e la base di T2 raggiunge 0,6 V, T2 entra in conduzione, portando il potenziale sul suo collettore a zero. C2 inizia a caricarsi provocando l’interdizione di T1 e C1 si scarica via R1-R2. Nel nuovo stato C2 si carica attraverso R3 fino a che la tensione raggiunge 0,6 V, al che T1 ritorna a condurre, caricando C1 e provocando l’interdizione di T2. C2 si scarica via R3-R4. Il ciclo si ripete indefinitamente, con un periodo determinato dai valori dei resistori e dei condensatori. Se i valori di R2/C1 e R3/C2 differiscono, i tempi di accensione/spegnimento dei due transistor non sono simmetrici ed è così possibile variare il duty cycle del segnale. Il circuito può anche essere visto composto da due stadi amplificatori a emettitore comune reazionati positivamente.
I resistori possono avere, ad esempio, i seguenti valori:
R2 = R3 = 22 kΩ
R1 = R4 = 470 Ω
I condensatori, in funzione della frequenza richiesta, possono avere capacità da centinaia di pF a centinaia di uF.
APPROFONDIMENTO AI
TRIGGER DI SCHMITT
Il trigger di Schmitt viene utilizzato per convertire un segnale analogico in un segnale digitale con soglie di tensione specifiche. Il circuito include due comparatori o porte logiche, resistenze R1 e R2, e connessioni a terra (GND1 e GND3). Ecco una spiegazione dettagliata del funzionamento:
Componenti del Circuito:
•R1 e R2: Queste resistenze formano un partitore di tensione che stabilisce le soglie del trigger di Schmitt.
•GND1 e GND3: Punti di massa o terra del circuito.
•INGRESSO (Input): Punto dove il segnale analogico viene introdotto nel circuito.
•USCITA (Output): Punto dove il segnale digitale viene prelevato.
Funzionamento:
1. Segnale di Ingresso: Un segnale analogico viene applicato all’ingresso. Questo segnale può variare gradualmente o avere del rumore.
2. Primo Comparatore: Il primo comparatore riceve il segnale attraverso R1. Questo componente ha due ingressi; uno per il segnale e uno collegato a un riferimento di tensione (stabilito dal partitore di tensione con R1 e R2).
3. Isteresi: Il trigger di Schmitt utilizza l’isteresi per prevenire risposte indesiderate al rumore o alle variazioni minori del segnale di ingresso. Ciò significa che il circuito ha due soglie di tensione: una per l’attivazione (quando il segnale passa da basso ad alto) e una per la disattivazione (quando passa da alto a basso). Le soglie sono stabilite in modo tale che la tensione di attivazione sia maggiore della tensione di disattivazione.
4. Secondo Comparatore: Dopo che il segnale è stato processato dal primo comparatore, può essere ulteriormente condizionato da un secondo comparatore, che assicura che il segnale di uscita sia stabile e pulito (senza rumore o oscillazioni).
5. Uscita: Il segnale di uscita è quindi un segnale digitale che cambia stato solo quando il segnale di ingresso supera le soglie specifiche. L’uscita può essere collegata a ulteriori circuiti di elaborazione o dispositivi.
Applicazioni:
Il trigger di Schmitt è comunemente usato nei sistemi digitali per:
•Pulire i segnali analogici che possono essere affetti da rumore.
•Generare segnali digitali nitidi da ingressi analogici non precisi.
•Funzionare come base per i timer e i circuiti di oscillazione.
Questo tipo di circuito è molto utile in applicazioni dove è necessario garantire che il passaggio da un livello di segnale all’altro sia netto e preciso, eliminando le ambiguità causate da piccole fluttuazioni del segnale di ingresso.
MULTIVIBRATORE ASTABILE
Il circuito mostra un’implementazione di un circuito oscillatore utilizzando due porte NAND. Andiamo a esaminare passo per passo come funziona questo circuito:
Componenti del Circuito
1. Due porte NAND – Etichettate come “1” e “2”.
2. Resistori – R1, R2, R3.
3. Un condensatore – C1.
4. Alimentazione – 5V.
Funzionamento del Circuito
Il funzionamento di questo circuito si basa sulla proprietà di feedback e sui tempi di ritardo creati dal condensatore e dai resistori.
1. Inizio dell’oscillazione:
•Quando il circuito viene alimentato, il condensatore C1 inizia scarico.
•Inizialmente, assumiamo che entrambe le porte NAND abbiano i loro ingressi a livello basso (0), quindi le loro uscite saranno alte (1) a causa della natura delle porte NAND (se tutti gli ingressi di una porta NAND sono bassi, l’uscita è alta).
2. Caricamento del Condensatore:
•Il condensatore C1 comincia a caricarsi attraverso R1. Il tempo di carica del condensatore (costante di tempo τ) dipende dal valore di R1 e C1.
•Mentre C1 si carica, l’input alla porta NAND 1 cambia lentamente da basso a alto.
3. Cambio di Stato della Prima Porta NAND:
•Quando l’input alla porta NAND 1 diventa alto (a causa del condensatore C1 che raggiunge una tensione sufficiente), l’uscita della porta NAND 1 diventa bassa (0).
4. Feedback e Oscillazione:
•L’uscita bassa della porta NAND 1 viene mandata all’ingresso della porta NAND 2. Questo cambia l’uscita della porta NAND 2 da alta a bassa, dato che ora entrambi i suoi ingressi sono bassi.
•L’uscita bassa della porta NAND 2 viene riportata alla porta NAND 1, mantenendo il suo ingresso basso.
5. Scarica del Condensatore:
•Con l’uscita della porta NAND 1 ora bassa, il condensatore C1 inizia a scaricarsi attraverso R2 e l’ingresso della porta NAND 1 torna lentamente a basso.
•Questo processo inverte di nuovo le uscite delle porte NAND quando C1 si scarica completamente.
6. Ripetizione:
•Questo processo di carica e scarica si ripete, generando un’oscillazione continua.
Conclusione
Il circuito quindi funziona come un oscillatore astabile, dove il condensatore C1 si carica e si scarica periodicamente, e questo ciclo causa il continuo cambiamento degli stati di uscita delle porte NAND, generando una forma d’onda oscillante in uscita. Questa forma d’onda può essere utilizzata per vari scopi, come un segnale di clock in un circuito digitale o per generare toni audio.
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