لدراسة ولصناعة أجهزة تعتمد على النبضات الرقمية كالعداد الرقمي مثلا فمن الضروري توفرك على مولد لهذه النبضات.

في هذا المقال سنقوم بشرح تفصيلي لطريقة صنع مولد النبضات الرقمية بشكل مبسط.

أما من أراد أن يفهم الجانب النظري لهذا الجهاز سنتطرق في النصف الثاني من المقال إلى مبدأ عمل المذبذب النبضي وأيضا لمواضيع جانبية تساعد في فهم الموضوع بشكل مستفيض.

النبضات أو لنقل الترددات المنطقية هي تلك الموجات المربعة الشكل التي تساعدنا ليس على تحديد الوقت فقط بل حتى لصناعة أجهزة عديدة ومعقدة كأجهزة الحواسيب مثلا.

صورة الجهاز الذي نريد صنعه هي كالتالي:

يتميز هذا الجهاز بالمواصفات التالية:

·        دارة كهربائية بسيطة.

·        مجال الترددات المنخفضة يتراوح من 7 إلى 70 هرتز (Hz).

·        مجال الترددات المرتفعة يتراوح من 70 إلى 7 كيلوهرتز (KHz).

العربية

الإنجليزية

الفرنسية

الكمية

الصيغة أو الرمز

المقاومة

Resistor

Résistance

1

1Kohm, 1/4 Watt

1

10Kohm, 1/4 Watt

1

4.7Kohm, 1/2 Watt

مقاومة متغيرة

Potentiometer

1

100Kohm

المكثف

Capacitor

Condensateur

1

0.1uF/15v (Mylar)

1

100uF/15v (Electrolytic)

1

1uF/15v (Mylar)

1

0.1uF/15v (MylarأوCeramic)

1

0.01uF/15v (MylarأوCeramic)

الصمام الضوئي

LED

1

أي لون

المؤقت 555

555 timer

Timer 555

1

NE555

المعدل الكهربائي

Voltage regulator

Regulateur du tension

1

LM78L05

قاطع كهربائي

Switch

Interrupteur

2

SPDT

بطارية

Battery

Batterie

1

9 فولت

يمكنك فهم المبدأ العام لهذه الدارة في الجزء الثاني من المقال. كما أنك غير مقيد بقراءة المقال كله إذا كنت تريد أن تصنع الجهاز فحسب. الدارة الكهربائية العامة للجهاز هي كالتالي:

الدارة الكهربائية السابقة بسيطة الإنجاز ويمكنك إنجازها بالطريقة التي تريد. ونرى أن انجازها على لوحة مثقبة سيكون مناسبا.

يمكنك التطرق إلى التالي لتفهم طريقة استعمال هذه اللوحات:

يمكنك اختيار الصندوق الذي يليق بك لتضع فيه اللوحة الإليكترونية للجهاز. كذلك لا تصل الدارة بالطاقة الكهربائية إلا بعد أن تتأكد كل التأكد من كل شيء مركب في مكانه كما هو حتى لا يحدث بك تلف للدارة عند إيصالها بالكهرباء. ومن الأحسن أن تجعل البطارية في مكان معزول داخل الجهاز لغايتين اثنتين:

-       أن يكون استخراجها سهلا.

-       حتى إذا فسدت لا تؤثر على المركبات الإليكترونية الأخرى.

وصورة الجهاز بعد اكتماله تكون كالتالي:

يتميز هذا الجهاز بنوعين من المجالات:

·        مجال الترددات المنخفضة يتراوح من 7 إلى 70 هرتز (Hz).

·        مجال الترددات المرتفعة يتراوح من 70 إلى 7 كيلوهرتز (Khz).

وتوجد ثلاث طرق لامتحان عمل جهاز توليد الذبذبات المنطقية اختر منها ما تشاء.

اشتعال الصمام الضوئي

قم بإيصال مخرج (out) الجهاز بمقاومة 4.7Kohm مركبة على التوالي مع صمام ضوئي (LED). عند اختيارك للموضع L (أي المجال المنخفض أو Low) وجعلك المقاومة المتغيرة في أدنى قيمة لها، سيظهر لك وميضا ضوئيا منطلقا من الصمام الضوئي.

سماعة كريستالية

توجد طريقة أخرى وهي استعمال سماعة أذن كريستالية. اختر الموضع الذي تشاء (L أو H)، ستسمع نبضات على شكل نوتات موسيقية تبرز الترددات المرتفعة.

جهاز راسم الإشارة (Oscilloscope)

أحسن طريقة لفحص عمل مولد النبضات الرقمية هو استعمال جهاز راسم الإشارة إذا توفر عندك. سيخولك هذا الجهاز ليس للتأكد من عمل مولد النبضات الرقمية فقط، بل حتى قياس ترددات النبضات والجهد الكهربائي عند المخرج (out).

في نظام العمل كمذبذب (والمعروف باسم النظام عديم الاستقرار astable أو الحر) يعمل المؤقت 555 كمولد نبضات مستطيلة حيث يمكن التحكم فى الشكل الموجي الناتج (فترة زمنية منخفضة أو فترة زمنية مرتفعة أو التردد...) عن طريق دارات شحن وتفريغ RC خارجية.

يلزمنا لفهم مبدأ عمل دارة المذبذب النبضي فهم 4أربعة مواضيع الكترونية وهي:

       * المؤقت 555.

       * عملية الشحن والتفريغ للمكثف.

       * عمل المقارن الإلكتروني.

       * دور القلاب RS.

تتلخص عملية الشحن والتفريغ للمكثف في الصورتين التاليتين:

يتم شحن المكثف بالكامل بحيث يصبح جهده مساويا لجهد المصدر بعد زمن:

T= 5×(R×C)

اي خمس اضعاف الزمن الثابت لأن الزمن الثابت او ثابت الشحن = R×C.

كذلك التفريغ يتم بنفس الطريقة. تتم عملية التفريغ اذا وجدت نقطة جهدها اقل من جهد المكثف.

نستخدم قانون الشحن أوالتفريغ (حسب حالة المكثف) لمعرفة جهد المكثف عند زمن محدد، مع اعتبار ان نقطة الزمن المرجعية هي بداية الشحن او بداية التفريغ.

مبدأ عمله بإختصار كالتالي:

اذا كانت فولتية المدخل الموجب أكبر من فولتية المدخل السالب فإن المخرج يكون 1 (منطقي)، اي هناك فولتية على المخرج.

اما اذا كانت (فولتية المدخل السالب أكبر من فولتية المدخل الموجب) فإن المخرج يكون 0 (منطقي)، اي ليس هناك فولتية على المخرج.

المقارن (comparator, comparateur)

وهو الاصل في عمل مذبذب 555، حيث أنه:

l       اذا قدحنا S بفولتية (1 منطقي، مرتفع) يصبح المخرج  Qمرتفعا والطرف الاخر منخفضا، ويبقى القلاب على هذه الحالة ، حتى يتم قدح R

l       إذا قدحنا الطرف R بفولتية (1 منطقي، مرتفع) فسيصبح المخرج Ǭ مرتفعا والطرف الاخر منخفضا ويبقى على هذه الحالة حتى يتم قدح S مرة اخرى.

القلاب (flip flop)

المكونات الخارجية

شبكة (مكثف مقاومة)

منها نحدد ثابت الشحن والتفريغ (فقط لمعرفة المسارات، لان الدارة 555 عبارة عن ترانزستورات تسبب تأخيرا في الاشارة وبالتالي قانونا الشحن والتفريغ ادناه غير مجديين في هذه الحالة لمعرفة دورة الاشارة او التردد).

ثابتة الشحن = R₁+R₂)×C) (وهي ايضا مسار الشحن)

ثابتة التفريغ = R₂×C        (وهي ايضا مسار التفريغ)

المكونات الداخلية للدارة 555

ثلاث مقاومات متكافئة

الهدف منها تقسيم جهد المصدر الى ثلاث اقسام متكافئة بحيث يكون:

l       بعد المقاومة الاولى الجهد يساوي قيمة ثلثي جهد المصدر :وهو دخل الطرف السالب للمقارن العلوي .

l       بعد المقاومة الثانية الجهد يساوي قيمة ثلث جهد المصدر: دخل الطرف الموجب للمقارن السفلي .

المقارنين العلوي والسفلي

l       خرج المقارن العلوي يعمل لإعادة ضبط (reset) للقلاب.

l       خرج المقارن السفلي يعمل لضبط (set) للقلاب.

القلاب RS

l       الخرج Q هو مخرج النظام الذي ناخذ منه الاشارة المتذبذبة.

l       الخرج Ǭ موصول بقاعدة ترانستور بحيث اذا كانت قيمة هذا الخرج (1 منطقي، مرتفع) يدخل الترانزستور في حالة انحياز ويؤمن مسار لتفريغ المكثف.

اطراف 555

الطرف 1: ويتم وصله بالارضي او المشترك كمشترك للدارة الداخلية.

الطرف 8: ويتم وصله بمصدر التغذية ليغذي الدارة الداخلية في 555.

الطرف 2: ويمثل المدخل الاخر (السالب) للمقارن السفلي، ويتم وصله بالمكثف، بحيث جهده يساوي جهد المكثف.

الطرف 6: ويمثل المدخل الاخر (الموجب) للمقارن العلوي، ويتم وصله بالمكثف، بحيث جهده يساوي جهد المكثف.

الطرف 4: يعيد الدارة الى حالتها الاصلية اذا كان جهده (0 منطقي ، منخفض).

الطرف 5: ويتم وصله بمكثف (0.01µF) لتقليل التشويش.

الطرف 7: طرف يربط (المكثف C والمقاومة R₂) بالاضافة الى مصدر التغذية بالمسار الاقل جهدا في مرحلة تفريغ المكثف.

الطرف 3: ويمثل خرج النظام الذي نأخذ منه الاشارة المتذبذبة. بجهد اقل بـ 1.7 فولت من جهد المصدر وتيار اقصى 200 ميلي أمبير. (هو نفسه Q).

لنأخذ مثالا عمليا لشرح الدارة. نفترض أنه لدينا ما يلي:

l       قيمة التغذية V_cc =  9 فولت (يمكن اختيار جهد مصدر بين 5 الى 15 فولت)

l       قيمة المكثف  C   = 1 µF

l       قيمة المقاومة R₂  = 100 kΩ

l       قيمة المقاومة R₁  = 1 kΩ

فبالتالي:

قيمة ثلث جهد المصدر = 3 فولت

قيمة ثلثي جهد المصدر = 6 فولت

مراحل الدارة

1- لحظة تشغيل الدارة

l       يكون المكثف فارغا وبالتالي:
جهد المكثف = 0 فولت

l       في هذه المرحلة يكون جهدي الطرفين 2 و 6 ايضا يساويين صفر.

l       بالنسبة للمقارن العلوي فإن جهد المدخل السالب (6 فولت) يكون اعلى من جهد الطرف الموجب (0 فولت) وبالتالي يكون خرج المقارن منخفضا وإعادة الضبط (reset) منخفضة.

l       بالنسبة للمقارن السفلي فإن جهد المدخل الموجب (3 فولت) يكون اعلى من جهد الطرف السالب (0 فولت) وبالتالي يكون خرج المقارن مرتفعا والضبط (set) مرتفع، اي تم قدح الضبط (set).

l       يكون خرج القلاب في هذه الحالة نتيجة قدح الضبط (set) كما يلي:
1=Q: خرج الدارة فعال .
0=Ǭ: مسار التفريغ غير فعال.

2- شحن جزئي

l       يبدأ المكثف بالشحن عبر المقاومتين (R₁ و R₂) حتى يصبح جهده كالتالي:
قيمة ثلث جهد المصدر< جهد المكثف <  قيمة ثلثي جهد المصدر

l       في هذه المرحلة يكون جهدي الطرفين 2 و 6 ايضا يساويين جهد المكثف.

l       بالنسبة للمقارن العلوي فإن جهد المدخل السالب (6 فولت) يكون اعلى من جهد الطرف الموجب (جهد المكثف) وبالتالي يكون خرج المقارن منخفضا وإعادة الضبط (reset) منخفضة.

l       بالنسبة للمقارن السفلي فإن جهد المدخل الموجب (3 فولت) يكون اقل من جهد الطرف السالب (جهد المكثف) وبالتالي يكون خرج المقارن منخفضا والضبط (set) منخفض.

l       طبعا لا يؤثر على حالة خرج القلاب وانما يؤثر فيها هو قدح إعادة الضبط (reset) ويكون خرج القلاب في هذه الحالة كما يلي:
1=Q: خرج الدارة فعال.
0=Ǭ: مسار التفريغ غير فعال.
اي يبقى الخرج للنظام كما هو فعال ويعطي فولتية .

3- شحن كلي

l       يستمر المكثف بالشحن حتى يصبح جهده كالتالي:
قيمة ثلثي جهد المصدر< جهد المكثف

l       في هذه المرحلة يكون جهدي الطرفين 2 و 6 ايضا يساويين جهد المكثف.

l       بالنسبة للمقارن العلوي فإن جهد المدخل السالب (6 فولت) يكون اقل من جهد الطرف الموجب (جهد المكثف) وبالتالي يكون خرج المقارن مرتفعا وإعادة الضبط (reset) مرتفعة.

l       بالنسبة للمقارن السفلي فإن جهد المدخل الموجب (3 فولت) يكون اقل من جهد الطرف السالب (جهد المكثف) وبالتالي يكون خرج المقارن منخفضا والضبط (set) منخفض.

l       في هذه الحالة تم قدح إعادة الضبط (reset) وبالتالي يعاد القلاب لحالته الاصلية ليصبح كما يلي:
Q=0: خرج الدارة غير فعال.
1=Ǭ: مسار التفريغ فعال.
حيث ان الخرج Ǭ الموصول بقاعدة الترانزستور (داخل الدارة 555) يدخله في حالة انحياز، الامر الذي يوفر نقطة اقل جهد لمصدر التغذية والمكثف، ويبدأ عندها المكثف بتفريغ شحنته عبر المقاومة  R₂مرورا بالطرف رقم 7 الى الارضي .

4- تفريغ جزئي

l       يستمر المكثف بتفريغ شحنته حتى يصبح جهده كالتالي:
قيمة ثلث جهد المصدر< جهد المكثف <  قيمة ثلثي جهد المصدر

l       في هذه المرحلة يكون جهدي الطرفين 2 و 6 ايضا يساويين جهد المكثف.

l       بالنسبة للمقارن العلوي فإن جهد المدخل السالب (6 فولت) يكون اعلى من جهد الطرف الموجب (جهد المكثف) وبالتالي يكون خرج المقارن منخفضا وإعادة الضبط (reset) منخفضة.

l       بالنسبة للمقارن السفلي فإن جهد المدخل الموجب (3 فولت) يكون اقل من جهد الطرف السالب (جهد المكثف) وبالتالي يكون خرج المقارن منخفضا والضبط (set) منخفض.

l       طبعا لا يؤثر من حالة خرج القلاب وانما يؤثر فيها هو قدح الضبط (set) ويكون خرج القلاب في هذه الحالة كما يلي:
Q=0: خرج الدارة غير فعال.
1=Ǭ: مسار التفريغ فعال.
اي أن الدارة تبقى كما هي في حالة تفريغ للمكثف.

5- تفريغ كلي

l       يستمر تفريغ المكثف حتى يصبح جهده كالتالي:
جهد المكثف <  قيمة ثلث جهد المصدر

l       في هذه المرحلة يكون جهدي الطرفين 2 و 6 ايضا يساويين جهد المكثف.

l       الان بالنسبة للمقارن العلوي فإن جهد المدخل السالب (6 فولت) يكون اعلى من جهد الطرف الموجب (جهد المكثف) وبالتالي يكون خرج المقارن منخفضا وإعادة الضبط (reset) منخفضة.

l       بالنسبة للمقارن السفلي فإن جهد المدخل الموجب (3 فولت) يكون اعلى من جهد الطرف السالب (جهد المكثف) وبالتالي يكون خرج المقارن مرتفعا والضبط (set) مرتفع، اي تم قدح الضبط (set).

l       ويكون خرج القلاب في هذه الحالة نتيجة قدح الضبط (set):
1=Q: خرج الدارة فعال.
0=Ǭ: مسار التفريغ غير فعال.
مع قدح الضبط (set) مرة اخرى تبدأ دورة جديدة للاشارة.

ملاحظة: اول دورة للاشارة شاذة عن باقي الدورات لان الشحن فيها يكون من الصفر فولت في حين يكون الشحن في الدورات الاخرى عند جهد اقل بشئ بسيط من قيمة ثلث جهد المصدر.

عن طريق المعادلات التالية يمكننا حساب التردد (f)، زمن الدورة الواحدة (T)، زمن الجهد المرتفع في الدورة الواحدة (T₁)، زمن الجهد المنخفض في الدورة الواحدة (T₂).

    * التردد f = 7.16 هيرتز 

        * زمن الدورة الواحدة T= 0.139 ث

        * زمن الجهد المرتفع في الدورة الواحدة T₁= 0.0699 ث

        * زمن الجهد المنخفض في الدورة الواحدة T₂= 0.0693 ث

        * الدورة المشغولية %D= 50.25   

موضوع مهم مرتبط بمذبذب النبضات وهو الدورة المشغولية (duty cycle) وهي نسبة تمثل الوقت الذي تكون فيه الاشارة فعالة (مرتفعة) ضمن الدورة الواحدة الى الوقت الكلي للدورة الواحدة، يمثلها القانون التالي:

T: الفترة الزمنية للدورة الواحدة

R: الفترة الزمنية للارتفاع (on) في الدورة الواحدة.

والدورة المشغولية هي نتيجةلاختلاف مسار التفريغ عن مسار الشحن، والذان يؤثران حسب القانونين اعلاه في قيمة كل من T₁ و T₂، وحتى تكون النسبة تقريبا 50 % فإن:

1/100 × R2  ≈  R₁