Multivibrateurs

Les circuits logiques séquentiels individuels peuvent être utilisés pour construire des circuits plus complexes tels que les multivibrateurs, les compteurs, les registres à décalage, les verrous et les mémoires.

Mais pour que ces types de circuits fonctionnent de manière “séquentielle”, ils nécessitent l’ajout d’un certain type d’impulsion d’horloge ou de signal de synchronisation pour les amener à changer d’état. Les impulsions d’horloge sont généralement des formes d’onde carrées ou rectangulaires continues qui sont produites par un circuit générateur d’impulsions simple, tel qu’un multivibrateur.

Un circuit multivibrateur oscille entre un état “HAUT” et un état “BAS” produisant une sortie continue. Les multivibrateurs astables ont généralement un cycle de service de 50 %, c’est-à-dire que 50 % du temps de cycle, la sortie est “HAUTE” et les 50 % restants, la sortie est “ÉTEINTE”. En d’autres termes, le cycle de service pour une impulsion d’horloge astable est de 1:1.

Les circuits logiques séquentiels qui utilisent un signal d’horloge pour la synchronisation dépendent de la fréquence et, par conséquent, de la largeur de l’impulsion d’horloge pour activer leur action de commutation. Les circuits séquentiels peuvent également changer leur état de commutation en utilisant soit le front montant, le front descendant, ou les deux fronts du signal d’horloge, comme nous l’avons vu précédemment avec les circuits basiques à bascule. La liste suivante présente des termes couramment associés à une impulsion de synchronisation ou à une forme d’onde.

Signal d’Horloge Waveform

• HAUT Actif  –  si le changement d’état se produit d’un état “BAS” à un état “HAUT” sur le front montant de l’impulsion d’horloge ou durant la largeur de l’horloge.
• BAS Actif  –  si le changement d’état se produit d’un état “HAUT” à un état “BAS” sur le front descendant des impulsions d’horloge.
• Largeur d’Horloge  –  le temps durant lequel la valeur du signal d’horloge est égale à une logique “1” ou HAUT.
• Période d’Horloge  –  le temps entre les transitions successives dans la même direction, c’est-à-dire entre deux fronts montants ou deux fronts descendants.
• Cycle de Service  –  le rapport de la largeur de l’horloge à la période de l’horloge.
• Fréquence d’Horloge  –  la fréquence d’horloge est l’inverse de la période d’horloge, fréquence = 1/période d’horloge. ( ƒ = 1/T )

Les circuits de génération d’impulsions d’horloge peuvent être une combinaison de circuits analogiques et numériques qui produisent une série continue d’impulsions (ceux-ci sont appelés Multivibrateurs Astables) ou une impulsion d’une durée spécifique (ceux-ci sont appelés Multivibrateurs Monostables).

La combinaison de deux ou plusieurs circuits multivibrateurs permet de générer un motif d’impulsions souhaité (y compris la largeur d’impulsion, le temps entre les impulsions et la fréquence des impulsions).

Il existe essentiellement trois types de circuits de génération d’impulsions d’horloge :

• Astable – Un multivibrateur auto-entretenu qui n’a AUCUN état stable mais change continuellement entre deux états, cette action produit un train d’impulsions carrées à une fréquence fixe connue.
• Monostable – Un multivibrateur à impulsion unique qui a seulement UN état stable car une fois déclenché, il retourne à son premier état stable.
• Bistable – Une bascule qui a DEUX états stables produisant une impulsion unique soit HAUTE soit BAS en valeur.

Une façon de produire un signal d’horloge (ou impulsion) très simple est par l’interconnexion de portes logiques numériques. Comme les portes NAND contiennent un amplificateur de courant, elles peuvent également être utilisées pour fournir un signal d’horloge approprié ou une impulsion de synchronisation avec l’aide d’un seul condensateur et d’une résistance pour fournir les fonctions de retour et de synchronisation requises.

Ces circuits de synchronisation sont souvent utilisés en raison de leur simplicité et sont également utiles si un circuit logique conçu a des portes inutilisées qui peuvent être utilisées pour créer un oscillateur monostable ou astable. Ce type simple de réseau oscillateur RC est parfois appelé “Oscillateur de Relaxation”.

Circuits Multivibrateurs Monostables

Les Multivibrateurs Monostables ou générateurs d’impulsions “à une seule fois” sont généralement utilisés pour convertir de courtes impulsions nettes en impulsions beaucoup plus larges pour des applications de synchronisation. Les multivibrateurs monostables génèrent une unique impulsion de sortie, soit “HAUTE” soit “BASSE”, lorsqu’un signal de déclenchement externe approprié ou une impulsion de départ T est appliqué.

Ce signal d’impulsion déclenche un cycle de synchronisation qui fait changer l’état de la sortie du monostable au début du cycle de synchronisation, ( t₁ ). La sortie reste dans cet état secondaire jusqu’à la fin de la période de synchronisation, ( t₂ ) déterminée par la constante de temps du condensateur de synchronisation, C_T et de la résistance, R_T.

Le multivibrateur monostable reste maintenant dans cet état de synchronisation secondaire jusqu’à la fin de la constante de temps RC et se “réinitialise” automatiquement ou retourne à son état original (stable). Ainsi, un circuit monostable a seulement un état stable qui est son état au repos.

Un nom plus courant pour ce type de circuit est simplement “Flip-Flop”, car il peut être fabriqué à partir de deux portes NAND couplées croisées (ou portes NOR) comme nous l’avons vu précédemment. Considérons le circuit ci-dessous.

Circuit Simple Monostable à Porte NAND

Supposons que l’entrée de déclenchement T soit maintenue HAUTE au niveau logique “1” par la résistance R₁ de sorte que la sortie du premier circuit NAND U1 soit BASSE au niveau logique “0” (principes de la porte NAND). La résistance de synchronisation, R_T est connectée à un niveau de tension égal à un niveau logique “0”, ce qui provoquera la décharge complète du condensateur, C_T.

La sortie de U1 est donc BASSE. À mesure que le condensateur de synchronisation est complètement déchargé, la jonction V1 sera également égale à “0”, ce qui résulte en une sortie de la seconde porte NAND U2, qui est connectée comme une porte NOT inversante, qui sera HAUTE (logique-1).

La sortie de la seconde porte NAND, ( U2 ) est renvoyée à une entrée de U1 pour fournir le feedback positif nécessaire. Puisque la jonction V1 et la sortie de U1 sont toutes deux à la logique “0”, aucun courant ne coule dans le condensateur de synchronisation C_T. Cela entraîne que le circuit reste stable et restera dans cet état stable jusqu’à ce qu’une entrée de déclenchement T soit appliquée.

Si une impulsion négative est maintenant appliquée soit de manière externe soit par l’action du bouton poussoir à l’entrée de déclenchement de la porte NAND U1, la sortie de U1 passera à HAUT au niveau logique “1” (principes de la porte NAND).

Puisque la tension à travers le condensateur ne peut pas changer instantanément (principes de charge de condensateur), cela fera passer la jonction à V1 ainsi que l’entrée de U2 à HAUT, ce qui fera changer l’état de la sortie de la porte NAND U2 à logique-0. Le circuit restera maintenant dans cet état de synchronisation secondaire même si l’impulsion d’entrée de déclenchement T est supprimée. Cela est connu comme l’état méta-stable.

La tension à travers le condensateur augmentera maintenant à mesure que le condensateur C_T commence à se charger à partir de la sortie HAUTE de U1 à une constante de temps déterminée par la combinaison résistance/condensateur. Ce processus de charge continue jusqu’à ce que le courant de charge ne soit plus capable de maintenir l’entrée de U2 et donc, la jonction V1 HAUTE.

Lorsque cela se produit, la sortie de U2 passe à HAUT à nouveau, logique-1, ce qui entraîne que la sortie de U1 s’éteigne et que le condensateur se décharge dans la sortie de U1 sous l’influence de la résistance R_T. Le circuit a maintenant basculé de nouveau à son état stable d’origine.

Ainsi, pour chaque impulsion de déclenchement négative, le circuit multivibrateur monostable produit une impulsion de sortie de niveau BAS. La durée de la période de sortie est déterminée par la combinaison résistance/condensateur (Réseau RC) et est donnée par la Constante de Temps T = 0.693RC (ou 0.7RC pour plus de simplicité dans les calculs) du circuit en secondes. Étant donné que l’impédance d’entrée des portes NAND est très élevée, de grandes périodes de synchronisation peuvent être atteintes.

En plus du circuit monostable à porte NAND ci-dessus, il est également possible de construire des circuits de synchronisation monostables simples qui commencent leur séquence de synchronisation à partir du front montant de l’impulsion de déclenchement à l’aide de portes NOT, de portes NAND et de portes NOR connectées en tant qu’inversatrices comme montré ci-dessous.

Multivibrateur Monostable à Porte NOT

Comme avec le circuit de porte NAND ci-dessus, initialement l’entrée de déclenchement T est HAUTE à un niveau logique “1” de sorte que la sortie du premier porte NOT U1 soit BASSE à un niveau logique “0”. La résistance de synchronisation, R_T et le condensateur, C_T sont connectés ensemble en parallèle à l’entrée de la seconde porte NOT U2. Comme l’entrée de U2 est BASSE, sa sortie à Q sera HAUTE au niveau logique-1.

Lorsque un niveau logique “0” est appliqué à l’entrée de déclenchement T de la première porte NOT, il change d’état et produit une sortie de niveau logique “1”. La diode D1 transmet ce niveau de tension logique-1 au réseau de synchronisation RC.

La tension à travers le condensateur, C_T augmente rapidement à ce nouveau niveau de tension, qui est également connecté à l’entrée de la seconde porte NOT. Cela entraînera alors une sortie de niveau logique “0” à Q et le circuit reste dans cet état méta-stable tant que l’entrée de déclenchement T appliquée au circuit reste BASSE.

Lorsque le signal de déclenchement revient à HAUT, la sortie de la première porte NOT devient BASSE à un niveau logique “0” (principe de la porte NOT) et le condensateur entièrement chargé commence à se décharger à travers la résistance parallèle qui lui est connectée.

À mesure que la tension à travers le condensateur descend en dessous de la valeur de seuil inférieure de l’entrée de la seconde porte NOT, sa sortie revient à un niveau logique “1” à Q. La diode D1 empêche le condensateur de synchronisation de se décharger à travers la sortie de la première porte NOT.

Alors, la Constante de Temps pour un Multivibrateur Monostable à porte NOT est donnée par T = 0.8RC + Déclenchement en secondes.

Un principal inconvénient des Multivibrateurs Monostables est que le temps entre l’application de la prochaine impulsion de déclenchement T doit être supérieur à la constante de temps RC du circuit.

Circuits Multivibrateurs Astables

Les Multivibrateurs Astables sont le type de circuit multivibrateur le plus couramment utilisé. Un multivibrateur astable est un oscillateur libre qui n’a pas d’état “méta” ou “stable” permanent mais change continuellement sa sortie d’un état (BAS) à un autre état (HAUT) puis inversement.

Cette action de commutation continue de “HAUT” à “BAS” et de “BAS” à “HAUT” produit une sortie carrée continue et stable qui bascule brusquement entre les deux niveaux logiques, ce qui la rend idéale pour des applications de synchronisation et d’impulsion d’horloge.

Comme avec le circuit multivibrateur monostable précédent, le cycle de synchronisation est déterminé par la constante de temps RC du réseau résistance-condensateur. Ensuite, la fréquence de sortie peut être modifiée simplement en changeant la ou les valeurs des résistances et du condensateur dans le circuit.

Multivibrateurs Astables à Porte NAND

Le circuit multivibrateur astable utilise deux portes NOT CMOS telles que le CD4069 ou les CI inverseurs hexagonaux 74HC04, ou comme dans notre circuit simple ci-dessous une paire de portes NAND CMOS telles que le CD4011 ou le 74LS132 ainsi qu’un réseau de synchronisation RC. Notez que les deux portes NAND Schmitt sont configurées pour fonctionner comme des portes NOT inversant.

Supposons que la sortie du premier circuit NAND U1 soit initialement HAUTE à un niveau logique “1”, alors l’entrée doit donc être BASSE à un niveau logique “0” (principes de la porte NAND) tout comme la sortie du second circuit NAND U2. Ainsi, la LED connectée à la sortie de U2 est “allumée” (tire courant).

Le condensateur de synchronisation, C est connecté entre l’entrée du premier circuit NAND, U1 et la terre, 0V avec la résistance R₁ connectée à travers le circuit NAND. En supposant qu’au temps t = 0, le condensateur est complètement déchargé, il commence maintenant à se charger à travers la résistance de synchronisation, R₁ à un rythme déterminé par la constante de temps RC de R₁ et C.

À mesure que le condensateur se charge, la valeur de tension à la jonction entre la résistance R₁ et le condensateur à V_C, qui est également connecté aux entrées du premier circuit NAND U1 commence à augmenter de manière exponentielle. Lorsque ce niveau de tension atteint la valeur de seuil supérieure V_T+ d’environ 1,6 volts pour un NAND Schmitt 74LSxxx, la sortie change d’état à une valeur logique-0.

Ce changement d’état de U1 fait également changer l’état de la porte NAND U2 puisque ses entrées, qui sont connectées à la sortie de U1 ont maintenant changé d’état d’une condition logique “1” à une condition logique “0”. Cela entraîne que la sortie de U2 devient HAUTE avec la LED connectée à la sortie de U2 s’éteignant.

Avec un côté de la résistance de synchronisation R₁ connecté à BAS à V₁, et l’autre côté connecté à 1,6 volts à V_C. Le condensateur, C devient maintenant inversé et commence à se décharger de manière exponentielle à travers la résistance R₁ jusqu’au niveau de tension logique-0 (environ 0,4V) maintenant présent à V₁. Encore une fois, à un rythme déterminé par la constante de temps R₁C.

À mesure que le condensateur se décharge de 1,6 volts, le niveau de tension à V_C diminue jusqu’à atteindre la valeur de seuil inférieure de 0,8 volts V_T- pour un NAND Schmitt 74LSxxx, à quel point la sortie de U1 change à nouveau à une valeur logique-1. Le condensateur devient inversé et se recharge à nouveau comme auparavant jusqu’à atteindre la valeur de seuil supérieure de U1 causant un changement d’état et le cycle se répète.

Puisque le condensateur se charge et se décharge entre les seuils supérieure et inférieure des entrées TTL (0,8V et 1,6V environ) de U1, la constante de temps pour un Multivibrateur Astable à NAND est donc donnée par T = 0.693*RC en secondes avec la fréquence de sortie définie comme ƒ = 1/T.

Donc, par exemple, si la résistance R₁ = 1kΩ et le condensateur de synchronisation C = 1,4uF, la fréquence d’oscillation du circuit serait calculée comme :

Cependant, en raison de l’action de commutation de la porte NAND entre ses limites de seuil supérieur et inférieur, le rapport de marque à espace pour ce simple circuit multivibrateur NAND Schmitt astable n’est pas de 1:1 (50 %).

C’est-à-dire que le cycle de service est non symétrique pendant une période complète. En réalité, le circuit produit un rapport de marque à espace de 1:2 donnant un cycle de service d’environ 33 %. Rappelez-vous que le Cycle de Service est donné comme le rapport du temps d’activation sur une période complète (temps d’activation + temps d’extinction) et est exprimé en pourcentage.

Ensuite, la fréquence de sortie est calculée à 1kHz, ce qui équivaut à une période de 1ms avec la forme d’onde de sortie ressemblant à ceci :

Circuits Multivibrateurs Bistables

Les circuits de Multivibrateurs Bistables sont fondamentalement des bascules SR que nous avons examinées dans les tutoriels précédents avec l’ajout d’un inverseur ou d’une porte NOT pour fournir la fonction de commutation nécessaire. Comme avec les bascules, les deux états d’un multivibrateur bistable sont stables, et le circuit restera dans l’un ou l’autre état stable indéfiniment.

Ce type de circuit multivibrateur passe d’un état à l’autre “uniquement” lorsqu’une impulsion de déclenchement externe appropriée T est appliquée et donc pour passer par un cycle complet “SET-RESET”, deux impulsions de déclenchement sont nécessaires. Ce type de circuit est également connu sous le nom de “Verrou Bistable”, “Verrou À Bascule” ou simplement “T-latch”.

Multivibrateurs Bistables à Porte NAND

La façon la plus simple de créer un Verrou Bistable est de connecter une paire de portes NAND Schmitt pour former un verrou SR comme montré ci-dessus. Les deux portes NAND, U2 et U3 forment le bistable déclenché par la porte NAND d’entrée, U1. Cette porte U1 NAND peut être omise et remplacée par un seul interrupteur à bascule pour créer un circuit de rebond que nous avons vu précédemment dans le tutoriel sur le Flip-Flop SR.

Lorsque l’impulsion d’entrée devient “BASSE”, le bistable s’enclenche dans son état “SET”, avec sa sortie à un niveau logique “1”, jusqu’à ce que l’entrée devienne “HAUTE”, ce qui entraîne que le bistable s’enclenche dans son état “RESET”, avec sa sortie à un niveau logique “0”. La sortie d’un multivibrateur bistable restera dans cet état “RESET” jusqu’à ce qu’une autre impulsion d’entrée soit appliquée et toute la séquence recommencera.

Ainsi, un Verrou Bistable ou “Verrou à Bascule” est un dispositif à deux états dans lequel les deux états soit HAUT ou BAS, (logique “1” ou logique “0”) sont stables.

Les Multivibrateurs Bistables ont de nombreuses applications telles que des diviseurs de fréquence, des compteurs ou comme dispositif de stockage dans des mémoires informatiques, mais ils sont mieux utilisés dans des circuits tels que les Verrous et les Compteurs.

Circuit de Timer 555

Les multivibrateurs Monostables ou Astables simples sont facilement fabriqués en utilisant des CI générateurs de formes d’onde standard couramment disponibles spécialement conçus pour créer des circuits de synchronisation et d’oscillateurs. Les oscillateurs de relaxation peuvent être construits simplement en connectant quelques composants passifs à leurs broches d’entrée, le type de générateur de forme d’onde le plus couramment utilisé étant le classique timer 555.

Le Timer 555 est un CI de synchronisation très polyvalent à faible coût qui peut produire des périodes de synchronisation très précises avec une bonne stabilité d’environ 1 % et qui a une période de synchronisation variable de quelques microsecondes à plusieurs heures, avec la période de synchronisation étant contrôlée par un seul réseau RC connecté à une seule alimentation positive allant de 4.5 à 16 volts.

Le timer NE555 et ses successeurs, ICM7555, CMOS LM1455, DUAL NE556, etc., sont couverts dans le tutoriel sur l’oscillateur 555 et d’autres bons sites Web basés sur l’électronique, ils sont uniquement inclus ici à titre de référence comme générateur d’impulsions d’horloge. Le 555 connecté comme un Multivibrateur Astable est montré ci-dessous.

Multivibrateurs Astables NE555

Ici, le timer 555 est connecté comme un Multivibrateur Astable de base produisant une forme de sortie continue. Les broches 2 et 6 sont connectées ensemble afin qu’il puisse se redéclencher à chaque cycle de synchronisation, fonctionnant ainsi comme un oscillateur astable.

Le condensateur, C1 se charge à travers les résistances, R1 et R2 mais se décharge uniquement à travers la résistance, R2 car l’autre côté de R2 est connecté à la broche de décharge, pin 7. La période de synchronisation de t₁ et t₂ est donnée comme suit :

• t₁ = 0.693 (R₁ + R₂) C₁
• t₂ = 0.693 (R₂) C₁
• T = t₁ + t₂ = 0.693 (R₁ + 2R₂) C₁

La tension à travers le condensateur, C1 varie entre 1/3 Vcc et environ 2/3 Vcc selon la période de synchronisation RC. Ce type de circuit est très stable car il fonctionne à partir d’une seule alimentation, ce qui entraîne une fréquence d’oscillation indépendante de la tension d’alimentation Vcc.

Dans le prochain tutoriel sur les Circuits Logiques Séquentiels, nous examinerons un autre type de circuit de bascule contrôlé par horloge appelé Verrou de Données. Les verroux de données sont des circuits séquentiels très utiles fabriqués à partir de flip-flops SR à portes standard et utilisés pour la division de fréquence pour produire divers compteurs à décalage, diviseurs de fréquence et verrous.