مولدات الأشكال الموجية Waveforms Generators :

[F.Abdelaziz]

مولدات الأشكال الموجية Waveforms Generators :
المحتويات :
· الأشكال الموجية الكهربائية .
· المذبذب متعدد الاهتزاز أحادى الاستقرار Monostable Multivibrator .
· المذبذب متعدد الاهتزاز ثنائى الاستقرار Bistable Multivibrator .
· المذبذب متعدد الاهتزاز عديم الاستقرار Astable Multivibrator .
· مولد الأشكال الموجية Waveform Generator
· المؤقت 555 .
· المذبذب 555 .

الاشكال الموجية الكهربائية :
مقدمة عن الأشكال الموجية :
المذبذب هو دائرة إلكترونية تستخدم لتوليد إشارة خرج باستمرار عادة تكون فى شكل الجيب بتردد محدد , لكن احيانا نحتاج لإنتاج العديد من مختلف الأنواع والترددات والأشكال الموجية للإشارة مثل المربعة , والمستطيلة , والمثلثة , و اسنان المنشار . هذه الأنواع من الاشكال الموجية للإشارة يمكن استخدامها إما كإشارات توقيت timing, وإشارات ساعة clock أو كنبضات إشعال trigger . قبل ان نبدأ النظر فى كيفية إنتاج الانواع المختلفة من الأشكال الموجية , نحتاج فى البداية لفهم الخواص الاساسية للأشكال الموجية الكهربائية .
من الناحية الفنية، الاشكال الموجية الكهربائية هى في الأساس تمثيل مرئى للتغيير فى الجهد أو التيار مع مرور الوقت. بعبارة أخرى إذا وقعنا التغيير فى الجهد أو التيار على قطعة من ورقة الرسم مع تمثيل الزمن على المحور الأفقى فإن الرسم الناتج سيمثل الشكل الموجى كما هو مبين. هناك العديد من الأنواع المختلفة من الاشكال الموجية المتاحة ولكن يمكن تقسيمها إلى مجموعتين مميزتين :
1- الاشكال الموجية أحادية الاتجاه :
هذه الأشكال الموجية تكون دائما موجبة أو سالبة وفى الطبيعة تمر فى اتجاه أمامى فقط لأنها ل تعبر نقطة صفر المحور . الأشكال الموجية الأحادية الاتجاه الشائعة تشمل الموجة المربعة كإشارة التوقيت و نبضات الساعة ونبضات الإشعال .
2- الأشكال الموجية ثنائية الاتجاه Bi-directional Waveforms :
هذه الاشكال الموجية تسمى أيضا الاشكال الموجية المترددة لأنها تتردد من الاتجاه الموجب إلى الاتجاه السالب مع عبور نقطة صفر المحور . الأشكال الموجية ثنائية الاتجاه تذهب خلال تغييرات دورية فى السعة , والموجة الجيبية هى الأكثر شيوعا .
سواء أكان الشكل الموجى أحادى الاتجاه أو ثنائى الاتجاه أو دورى أو غير دورى , متماثل أو غير متماثل , أو بسيط أو معقد , فإن جميع الاشكال الموجية الكهربائية تشمل الخواص الثلاثة المشتركة التالية :

1- الفترة أو الزمن الدورى Period :
وهى طول الزمن بالثوانى الذى يستغرقه الشكل الموجى لتكرار نفسه من البداية إلى النهاية . هذه القيمة أيضا تسمى الزمن الدورى Periodic Time(T) للشكل الموجى للامواج الجيبية , أو عرض النبضة
Pulse Width للأمواج المربعة .

2- التردد Frequency :
هو عدد مرات تكرار الشكل الموجى لنفسه خلال فترة زمنية قدرها واحد ثانية . التردد هو معكوس الزمن الدورى ( = 1/T ) مع استخدام الوحدات القياسية للتردد وهى الهيرتز Hertz, (Hz) .

3- السعة Amplitude :
وهى مقدار او شدة إشارة الشكل الموجى مقاسة بالفولت أو بالأمبير .
الأشكال الموجية الدورية Periodic Waveforms :

[F.Abdelaziz]

الأشكال الموجية الدورية Periodic Waveforms :

الأشكال الموجية الدورية هي الأكثر شيوعا من جميع أنواع الاشكال الموجية وتتضمن الأمواج الجيبية .الشكل الموجى لشبكة التيار المتناوب ACبالمنزل هى موجة جيب والتى تتناوب باستمرار بين قيمة الحد الأقصى وقيمة الحد الأدنى مع مرور الوقت.ويعرف مقدار الوقت الذى يستغرق بين كل تكرار واحد او دورة الشكل الموجى الجيبى باسم "الزمن الدوري"، أو ببساطة فترة Period الشكل الدورى.وبعبارة أخرى، فإنه الوقت الذي يستغرقه الشكل الموجى لتكرار نفسها.لذلك فإن هذه الفترة يمكن تختلف مع كل شكل موجى من كسور الثانية إلى آلاف الثوانى لأنها تعتمد على تردد الشكل الموجى . على سبيل المثال , الشكل الموجى الجيبى الذى يأخذ ثانية واحدة لإكمال دورته سوف يكون له زمن دورى قدرة ثانية واحدة . بالمثل فإن موجة الجيب التى تأخذ خمس ثوانى لتكتمل سوف يكون لها زمن دورى بقيمة خمس ثوانى وهام جرا .
الشكل الموجى لموجة الجيب A Sine Wave Waveform :

وحدات الزمن الدورى (T) تتضمن : الثانية (s) , والملى ثانية (ms) , والميكروثانية ( μs ) .
للشكل الموجى لموجة الجيب فقط , يمكننا أيضا التعبيير عن الزمن الدورى للشكل الموجى إما بالدرجات أو بالدرجات الدائرية , مع العلم بان الدورة الكاملة تساوى 360o ( T = 360o ) أو بالدائرى
2pi, 2 ( T = 2 ) , عندئذ يمكننا القول 2 radians = 360o .
الآن عرفنا أن الزمن الذى يستغرقه الشكل الموجى ليكرر نفسه يعرف بالزمن الدورى أو الفترة والتى تمثل كمية ثابتة من الزمن . إذا أخذنا معكوس الزمن الدورى , ( 1/T ) نحصل على القيمة التى تمثل عدد مرات الزمن الدورى أو عدد تكرارات الدورة لنفسها فى الثانية الواحدة أو عدد الدورات لكل ثانية , وهو ما يعرف بالتردد Frequency بوحدات الهيرتز Hertz, (Hz) . يمكن أيضا تعريف الهيرتز على أنه "دورة لكل ثانية" cps وواحد هيرتز يساوى تماما دورة واحدة بكل ثانية .
كل من الزمن الدورى والتردد يكون المقلوب الرياضى للآخر فكلما تناقص الزمن الدورى للشكل الموجى , تزايد تردده والعكس بالعكس والعلاقة بينهما تعطى بالصيغة التالية :

حيث f بالهيرتز و T بالثوانى .
الهيرتز الواحد يساوى تماما دورة بكل ثانية , لكن الهيرتز وحدة صغير جدا لذلك يستخدم سابقة للدلالة على التردد مثل kHz, MHz , GHz .

الأشكال الموجية للموجة المربعة Square Wave Waveforms :

[F.Abdelaziz]

الأشكال الموجية للموجة المربعة Square Wave Waveforms :

وتستخدم الاشكال الموجية المربعة على نطاق واسع في الدوائر الإلكترونية من أجل الساعة وإشارات التحكم الزمنى حيث انها اشكال موجية متماثلة بدوام متساوى ومربع يمثل كل نصف دورة وتقريبا كل دوائر المنطق الرقمي تستخدم أشكال موجية لموجة مربعة على دخل وخرج البوابات . على عكس موجات الجيب التي لها ارتفاع وانخفاض على نحو سلس بأركان مستديرة عند عند ذروتها الموجبة والسالبة ، على الجانب الآخر الموجات المربعة تكون حادة جدا والجانبين رأسيين تقريبا صعودا ونزولا مع قمة وقاع مسطحة لانتاج الشكل الموجى المربع كما هو مبين أدناه :

نحن نعلم أن الأشكال الموجية للموجة المربعة متماثلة في الشكل لأن كل نصف دورة متماثل ، وبالتالي فإن الزمن الذى يكون فيه عرض النبضة موجب يجب أن يكون مساوى للزمن الذى يكون فيه عرض النبضة سالب أو صفر . عندما تستخدم الاشكال الموجية للموجة المربعة كإشارات "ساعة" في الدوائر الرقمية ويعرف زمن عرض النبضة الموجب باسم "دورة العمل أو الخدمة" في تلك الفترة. لذلك يمكن القول أنه من أجل الشكل الموجى للموجة المربعة أن الزمن الموجب أو زمن العمل "ON" يساوى زمن السالب أو زمن الفصل "OFF" ومن ثم تكون دورة العمل 50% ( نصف فترتها ) . لأن التردد يساوى مقلوب الفترة ( 1/T ) يمكن تعريف تردد الشكل الموجى للموجة المربعة كما يلى :

مثال :

شكل موجى لموجة مربعة له عرض نبضة 10ms , إحسب تردده (f) .
الحل :
للشكل الموجى للموجة المربعة , دورة العمل هى 50% , لذلك فترة الشكل الموجى يجب أن تساوى :
10ms + 10ms أى 20ms . ويكون التردد :

باختصار , الأشكال الموجية للموجة المربعة تكون متماثلة فى الشكل ولها عرض نبضة موجب يساوى عرض النبضة السالب لينتج دورة عمل 50% . تستخدم الأشكال الموجية للموجة المربعة فى الأنظمة الرقمية لتمثيل مستوى المنطق "1" , كسعة مرتفعة و مستوى المنطق "0" , كسعة منخفضة . إذا كانت دورة العمل للشكل الموجى بأى قيمة خلاف 50% فإن الشكل الموجى الناتج يسمى شكل موجى مستطيل أو نبضى .

الشكل الموجى المستطيل Rectangular Waveforms :

[F.Abdelaziz]

الشكل الموجى المستطيل Rectangular Waveforms :

الأشكال الموجية المستطيلة تشبه الشكل الموجى للموجة المربعة بأعلاه , الفرق هو أن عرضى النبضة للشكل الموجى يكون غير متساوى فى الفترة الزمنية . لذك فإن الاشكال الموجية المربعة تصنف على أنها أشكال موجية "غير متماثلة " كما هو موضح فيما يلى :

المثال أعلاه يبين أن عرض النبضة الموجب أقصر فى الزمن من عرض النبضة السالب . بالمثل , عرض النبضة السالب يمكن أن يكون أقصر من عرض النبضة الموجب , وكلاهما شكل موجى مستطيل .
عرضى النبضة الموجب والسالب يسمى أحيانا " العلامة" "Mark" و "الفراغ" "Space" على الترتيب , والنسبة بين العلامة والفراغ تعرف "بنسبة العلامة غلى الفراغ " للفترة وللشكل الموجى للموجة المربعة يجب أن تساوى الواحد .

مثال :

شكل موجى مستطيل له عرض نبضة موجب (زمن العلامة) 10ms ودورة عمل 25% , احسب التردد .
الحل :
دورة العمل معطاة بالصيغة 25% أى 1/4 وحيث أن زمن العلامة 10ms , لذلك يجب أن تساوى فترة الشكل الموجى 10ms (25%) + 30ms (75%) ويكون الاجمالى 40ms (100%), ويكون التردد :

الاشكال الموجية المستطيلة يمكن أن تستخدم لتنظيم كمية القدرة التى تطبق إلى حمل مثل المصباح أة المحرك عن طريق تغيير دورة العمل للشكل الموجى . كلما ارتفعت دورة الخدمة , كلما زادت الكمية المتوسطة للقدرة المطبقة على الحمل وكلما انخفضت دورة الخدمة كلما قلت الكمية المتوسطة للقدرة المطبقة على الحمل والمثال العملى الرائع هو "التعديل بعرض النبضة" لمتحكمات السرعة .

الاشكال الموجية المثلثية Triangular Waveforms :

[F.Abdelaziz]

الاشكال الموجية المثلثية Triangular Waveforms :

الاشكال الموجية المثلثية تكون عامة اشكال موجية ثنائية الاتجاه غير جيبية والتى تتذبذب بين قيمة ذروة موجبة وقيمة ذروة سالبة . على الرغم من انها تسمى أشكال موجية مثلثية , فإن الموجة المثلثية هى بالفعل شكل موجى متماثل منحدر خطيا linear ramp لأنها ببساطة إشارة جهد بطىء الصعود والهبوط عند تردد أو معدل ثابت . المعدل الذى يتغير به الجهد بين كل اتجاه انحدار متساوى خلال كل من نصفى الدورة كما هو مبين فيما يلى :

عامة , من أجل الاشكال الموجية المثلثية يكون الانحدار (الميل) الموجب ( الصاعد) له نفس الفترة الزمنية للانحدار السالب ( الهبوط) ليعطى شكل موجى مثلثى بدورة خدمة 50% .

الأشكال الموجية لأسنان المنشار Sawtooth Waveforms :

الاشكال الموجية لاسنان المنشار هو نوع آخر للشكل الموجى الدورى . كما هو واضح من الاسم , شكل الشكل الموجى يشبه أسنان سلاح المنشار .
الأشكال الموجية لسن المنشار يمكن أن يكون له صورة مرأة لنفسها , عن طريق إما ارتفاع بطىء ولكن بهبوط حاد للغاية , أو ارتفاع حاد للغاية وهبوط بطىء كما هومبين فيما يلى :

الشكل الموجى لاسنان المنشار ذات الانحدار الموجب هو الأكثر شيوعا فى نوعى الشكل الموجى مع كون الجزء المنحدر للموجة تقريبا خطى تماما .

نبضات الإشعال Triggers والنبضات Pulses :

[F.Abdelaziz]

نبضات الإشعال Triggers والنبضات Pulses :

على الرغم من أن نبضات الإشعال والنبضات أشكال موجية منفصلة , يمكننا جمعهما معا كنبضات إشعال وهى فى الأساس نبضة ضيقة جدا . الفرق هو أن نبضة الإشعال يمكن أن تكون إما موجبة أو سالبة فى الاتجاه فى حين أن النبضة تكون موجبة الاتجاه فقط .
الشكل الموجى النبضى أو "قطار النبضات" كما هو شائع , هو نوع من الشكل الموجى الغير جيبى والذى يشبه الشكل الموجى المستطيل الذى تناولناه سابقا . الفرق بينهما أنه يتم تحديد الشكل الدقيق للنبضة عن طريق النسبة بين العلامة والفراغ للفترة ومن أجل الشكل الموجى النبضى أو نبضة الإشعال يكون جزء العلامة للموجة قصير جدا مع شكل ارتفاع وانخفاض سريع كما هو مبين بالشكل التالى :

النبضة pulse هى شكل موجى أو إشارة فى حد ذاتها , ولها نسبة علامة للفراغ مختلفة تماما بالمقارنة لإشارة ساعة الموجة المربعة ذات التردد المرتفع أو حتى الشكل الموجى المستطيل . الغرض من النبضة ونبضة الإشعال هو إنتاج إشارة قصيرة جدا للتحكم فى زمن حدوث شىء ما على سبيل المثال , لبدء المؤقت Timer أو العداد Counter أو المذبذب المتعدد أحادى الاستقرار Monostable أو القلاب Flip-flop إلخ أو كنبضة إشعال trigger لتوصيل الثريستورات أو الترياكات وأجهزة اشباه موصلات القدرة الأخرى .

[Glory Maker]

thanks for this very good topic

but where is the practical circuits and its explanation?