วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกา

                วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกา เป็นวงจรที่กำเนิดสัญญาณที่มีความต่อเนื่องและมีคาบเวลาคงที่ทั้งที่เป็นพัลส์บวกและพัลส์ลบ การสร้างวงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาสามารถสร้างได้โดยใช้ลอจิกเกตรวมทั้งใช้ไอซีเบอร์ 555  
                 หลักในการกำเนิดสัญญาณจะใช้หลักการเก็บและการคายประจุของตัวเก็บประจุที่ต่อร่วมกับตัวต้านทานเป็นตัวกำหนดค่าคาบเวลาและความถี่ของสัญญาณ
1 วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาที่สร้างจากลอจิกเกต
                จากรูปที่ 1  เป็นวงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาที่สร้างจาก น๊อตเกต 2  ตัว ตัวต้านทาน 1 ตัว และตัวเก็บประจุ 1  ตัว มีเอาต์พุต 2  เอาต์พุต คือเอาต์พุต Q  และ ซึ่งจะมีสภาวะตรงกันข้ามเสมอ ตัวต้านทาน R จะมีค่าประมาณ 150 โอห์ม ถึง 330 โอห์ม ส่วนตัวเก็บประจุจะทำหน้าที่ป้อนกลับ เพื่อทำให้เกิดการออสซิลเลตขึ้น

รูปที่ 1  วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาที่สร้างจากน๊อตเกต

รูปที่ 2 สัญญาณที่จุด 1  และเอาต์พุต

จากรูปที่ 2 การคิดค่าคาบเวลา และความถี่ของสัญญาณที่เอาต์พุตของวงจรโดยประมาณ จะได้ค่า ดังสมการต่อไปนี้

คาบเวลา ( t )     =    3 RC

ความถี่ ( f )     = 

สัญญาณที่เอาต์พุตของวงจรตามรูปที่ 2  จะเป็นรูปสัญญาณในอุดมคติ ในทางปฏิบัติสัญญาณที่ได้จะมีขอบมนเล็กน้อย เกิดจากการเก็บประจุและการคายประจุของตัวเก็บประจุ ซึ่งถ้าต้องการปรับรูปร่างของสัญญาณให้มีความคม และเป็นสัญญาณรูปเหลี่ยมที่สมบูรณ์ ก็สามารถทำได้โดยใช้วงจรในรูป 3  และ 4

รูปที่ 3 วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาที่สร้างจากแนนด์เกต

รูปที่ 4  วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาที่สร้างจากนอร์เกต

2 วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาที่สร้างจากไอซี 555
ไอซี 555  เป็นไอซีที่สามารถนำมาสร้างเป็นวงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกา สาเหตุที่เรียกไอซีตัวนี้ว่า ไอซี 555  ก็เนื่องมาจากการใช้ตัวต้านทานค่า 5 k  จำนวน 3  ตัวต่อเป็นวงจรแบ่งแรงดันระหว่าง V_cc กับกราวด์ เพื่อสร้างเป็นแรงดันอ้างอิงให้กับตัวเปรียบเทียบแรงดันภายในไอซี นั่นคือถ้าแรงดัน V_ccมีค่าเท่ากับ 9 V แรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวจะมีค่าเท่ากับ 3 V แสดงโครงสร้างภายในของไอซี 555 ดังรูปที่ 14.5

รูปที่ 5 โครงสร้างภายในของไอซี 555

2.1  วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาที่สร้างจากไอซี 555
จากรูปที่ 6  เป็นวงจรการใช้งานไอซี 555  เพื่อทำหน้าที่กำเนิดสัญญาณนาฬิกา มีตัวต้านทาน R_A , R_B และตัวเก็บประจุ C เป็นตัวกำหนดคาบเวลาและความถี่ของสัญญาณนาฬิกา

รูปที่ 6 แสดงวงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาโดยใช้ไอซี 555

2.2  การคำนวณหาค่าช่วงเวลา ความถี่ และดิวตี้ไซเกิลของไอซี 555
การคำนวณหาค่าช่วงเวลา t_L และ t_H ของวงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาที่ใช้ไอซี 555 สามารถสรุปได้ดังนี้
จากรูปที่ 6  ซึ่งเป็นวงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาเบื้องต้น โดยใช้ไอซี 555 สามารถคำนวณหาค่าต่างๆได้ดังนี้

ค่าคาบเวลา t_H            =       0.693 (R_A+R_B)C

ค่าคาบเวลา t_L             =       0.693 R_BC

                                            T       =       t_H  +  t_L      =       0.693 (R_A+2R_B)C

ความถี่ (F)         =    

 

ความถี่   =  

 

Duty Cycle        =

ตัวอย่างที่ 1     จากวงจรในรูปที่ 7 จงคำนวณหาค่า t_L , t_H , Duty Cycle และความถี่ของสัญญาณ
กำหนดให้ R_A = 4.7 k  , R_B = 10 k  ,  C  =  680 pF

รูปที่ 7 วงจรตัวอย่างที่ 1

วิธีทำ

                                           t_L      =       0.693 R_BC

                                                   =       0.693(10x10³x680x10^-12)

                                                   =       4.71  mS

                                           t_H      =       0.693 (R_A+R_B)C

                                                   =       0.693(4.7x10³+10x10³)680x10^-12

                                                    =       6.93 mS

                              Duty Cycle        = 

 

=     

=       40.4   %                                                                                               

ความถี่ =  

                                                       =   

                                                       =       85.9 kHz

              เมื่อพิจารณาสมการของ t_L และ t_H จะพบว่าค่าของช่วงเวลา t_H จะต้องมากกว่า t_L เสมอ เนื่องจากช่วงเวลาในการเก็บประจุของตัวเก็บประจุ กระแสจะไหลผ่านตัวต้านทาน 2 ตัวคือ R_A และ R_B แต่ในช่วงเวลาของการคายประจุ จะคายประจุผ่านตัวต้านทานเพียงตัวเดียวคือ R_B ดังนั้นสัญญาณที่ได้จากวงจรจึงไม่สามารถทำให้มีค่าเปอร์เซ็นต์ Duty Cycle เท่ากับ 50 เปอร์เซ็นต์ได้ นั่นก็หมายความว่าวงจรในลักษณะนี้ไม่สามารถกำเนิดสัญญาณรูปสี่เหลี่ยมได้ แต่ถ้าต้องการให้วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกาที่ใช้ไอซี 555 สร้างสัญญาณ รูปสี่เหลี่ยมก็สามารถปรับเปลี่ยนรูปแบบของวงจร โดยการกำหนดให้ตัวต้านทาน R_A และ R_B มีค่าเท่ากัน แล้วต่อไดโอดขนานกับตัวต้านทาน R_B เพื่อทำให้ในจังหวะของการเก็บประจุ กระแสจากแหล่งจ่ายจะไหลผ่าน R_A ผ่านไดโอด ไปยังตัวเก็บประจุ และในจังหวะของการคายประจุ ตัวเก็บประจุก็จะคายประจุผ่านตัวต้านทาน R_B ซึ่งกำหนดให้มีค่าเท่ากับ R_A ดังนั้นจึงทำให้ช่วงเวลาของ t_L และ t_H      จะมีค่าเท่ากัน แสดงวงจรดังรูปที่ 8

รูปที่ 8 วงจรสร้างสัญญาณนาฬิกาที่มีค่า Duty Cycle เท่ากับ 50 %