單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點：

²        電路有一個穩(wěn)態(tài)、一個暫穩(wěn)態(tài)。

²        在外來觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。

²        暫穩(wěn)態(tài)不能長久保持，由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于RC電路的參數(shù)值。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的這些特點被廣泛地應(yīng)用于脈沖波形的變換與延時中。

一、門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.         電路組成及工作原理

微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可由與非門或或非門電路構(gòu)成，如下圖。與基本RS觸發(fā)器不同,

               

           　　(a)由與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器       (b)由或非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)

                        　　　　　　　　　　　　 圖6.7微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個邏輯門是由RC耦合的，由于RC電路為微分電路的形式，故稱為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。下面以CMOS或非門構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為例，來說明它的工作原理。

⑴ 沒有觸發(fā)信號時，電路處于一種穩(wěn)態(tài)

沒有觸發(fā)信號時，  為低電平。由于門  輸入端經(jīng)電阻R接至  ，因此  為低電平;  的兩個輸入均為0，故輸出  為高電平，電容兩端的電壓接近0V，這是電路的“穩(wěn)態(tài)”。在觸發(fā)信號到來之前，電路一直處于這個狀態(tài)：

                        ,  。

⑵ 外加觸發(fā)信號，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)

   當(dāng)       時，  的輸出  由1    0，經(jīng)電容C耦合，使  ,于是  的輸出v02 =1,  的高電平接至  門 的輸入端，從而再次瞬間導(dǎo)致如下反饋過程：

這樣  導(dǎo)通  截至在瞬間完成。此時，即使觸發(fā)信號  撤除（  ），由于  的作用，  仍維持低電平。然而，電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，故稱之為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時，          

                          ，   。

⑶ 電容充電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回至穩(wěn)態(tài)

在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源經(jīng)電阻R和門  的導(dǎo)通工作管對電容C充電，隨著充電時間的增加  增加，  升高，使  時，電路發(fā)生下述正反饋過程（設(shè)此時觸發(fā)器脈沖已消失）：

 迅速截止，  很快導(dǎo)通，電路從暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài)。  ,   。

暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容將通過電阻R放電，使C上的電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時的初始值。在整個過程中，電路各點工作波形如圖6.8所示。

圖6.8  微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器各點工作波形

2.       主要參數(shù)的計算

(1) 輸出脈沖寬度 

   暫穩(wěn)態(tài)的維持時間即輸出脈沖寬度  ，可根據(jù)  的波形進行計算。為了計算方便，對于圖6.8的波形，將觸發(fā)脈沖作用的起始時刻  作為時間起點，于是有

                  

根據(jù)RC電路瞬態(tài)過程分析，可得到

         

當(dāng)  時，  ，代入上式可求得

               

 RC ln                

當(dāng)  =  /2，則  »0.7RC              

(2)恢復(fù)時間 

暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，還需要一段恢復(fù)時間，以便電容C在暫穩(wěn)態(tài)期間所充的電荷釋放完，使電路恢復(fù)到初始狀態(tài)。一般要經(jīng)過3  (  為放電時間常數(shù))的時間，放電才基本結(jié)束，故 約為3  。

(3)最高工作頻率 

設(shè)觸發(fā)信號  的時間間隔為T，為使單穩(wěn)電路能正常工作，應(yīng)滿足T>  +  的條件，即最小時間間隔   +  。因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率為

               <         

   上述關(guān)系式是在作了某些近似值后得到的（例如，忽略了導(dǎo)通管的漏源電阻等），因而只能作為選擇參數(shù)的初步依據(jù)，準(zhǔn)確的參數(shù)還要通過實驗調(diào)整得到。

3.       討論

 （1）如圖6.8所示，在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束(  )瞬間，  的輸入電壓   +  。為避免高的輸入電壓  損壞CMOS門，在CMOS器件內(nèi)部設(shè)有保護二極管D，如圖6.7(b)中的虛線所示。在電容C充電期間，二極管D開路。而當(dāng)  時，D導(dǎo)通，于是  被鉗制在  +0.6V的電位上（見圖6.8中的虛線）。同時，在恢復(fù)期間，電容C放電的時間常數(shù) =(  ║  )C（  為二極管D的正向電阻）,由于  «  ，因此電容放電的時間很短。

 （2）當(dāng)輸入  的脈沖寬度  >  時，則在  變?yōu)榈碗娖胶螅?nbsp; 沒有響應(yīng)，不能形成前述的正反饋過程，使  的輸出邊沿變緩。因此，當(dāng)輸入脈沖寬度  很寬時，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加入  、  組成的微分電路。同時為了改善輸出波形，可在圖6.7中的  輸出端再加一級反相器  ，如圖6.9所示。

圖6.9寬脈沖觸發(fā)的單穩(wěn)電路

（3）若采用TTL與非門構(gòu)成如圖6.7(a)所示的單穩(wěn)電路時，由于TTL門存在輸入電流，因此，為了保證穩(wěn)態(tài)時  的輸入為低電平，電阻R要小于0.7kΩ。如果輸入端采用  , 微分電路時，  的數(shù)值應(yīng)大于2kΩ，使得穩(wěn)態(tài)時  大于門  的開門電平(  )，而CMOS門由于不存在輸入電流，故不受此限制。

二、集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雖然電路簡單,但輸出脈寬的穩(wěn)定性差,調(diào)節(jié)范圍小,且觸發(fā)方式單一。為適應(yīng)數(shù)字系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,現(xiàn)已生產(chǎn)出單片集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

 

		可重復(fù)觸發(fā)
集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
		不可重復(fù)觸發(fā)

兩種不同觸發(fā)特性的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要區(qū)別是：不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在進入暫穩(wěn)態(tài)期間，如有觸發(fā)脈沖作用，電路的工作過程不受其影響，只有當(dāng)電路的暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，輸入觸發(fā)脈沖才會影響電路狀態(tài)。電路輸出脈寬由R、C參數(shù)確定。

可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間，如有觸發(fā)脈沖作用，電路會重新被觸發(fā)，使暫穩(wěn)態(tài)繼續(xù)延遲一個  時間，直至觸發(fā)脈沖的間隔超過單穩(wěn)輸出脈寬，電路才返回穩(wěn)態(tài)。

兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形分別如圖6.10所示。

 

    (a)不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形           (b) 可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形

圖6.10 兩種單穩(wěn)電路工作波形

1.不可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

                       圖6.11   74121邏輯圖       　　　　　　74121引腳圖

    74121是一種不可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其邏輯圖和引腳圖分別如上圖所示。

(1)    電路組成及工作原理

電路由觸發(fā)信號控制電路、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及輸出緩沖電路組成。

將具有遲滯特性的非門  與  門合起來看成是一個或非門，它與  門及外接電阻  （或  ）、電容  即組成微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其電路工作原理與微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器基本相同。電路只有一個穩(wěn)態(tài)  ,  。當(dāng)圖中a點有正脈沖觸發(fā)時，電路進入暫穩(wěn)態(tài)  ,  。  為低電平后是觸發(fā)信號控制電路中RC觸發(fā)器的  門輸出低電平，將  門封鎖，這樣即使有觸發(fā)信號輸入，在a點也不會產(chǎn)生微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號，只有等電路返回穩(wěn)態(tài)后，電路才會在輸入觸發(fā)信號作用下被再次觸發(fā)，根據(jù)上述分析，電路屬于不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

（2）觸發(fā)與定時

Ø         觸發(fā)方式

74121集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有3個觸發(fā)輸入端，由觸發(fā)信號控制電路分析可知，在下述情況下，電路可由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)：

l     若  、  兩個輸入中有一個或兩個為低電平，B發(fā)生由0到1的正跳變。

l     若B和  、  中的一個為高電平，輸入中有一個或兩個產(chǎn)生由1到0的負跳變。

74121的功能如表1所示。

表1    74121功能表

Ø         定時

單穩(wěn)電路的定時取決于定時電阻和定時電容的數(shù)值。74121的定時電容連接在芯片的10、11引腳之間。若輸出脈沖寬度較寬，而采用電解電容時，電容C的正極接在  輸入端（10腳）。對于定時電阻，使用者可以有兩種選擇：

l       利用內(nèi)部定時電阻(2kΩ),此時將9號引腳(  )接至電源  (14腳)  。

l       采用外接定時電阻（阻值在1.4~40kΩ之間），此時9腳應(yīng)懸空，電阻接在11、14腳之間。

74121的輸出脈沖寬度

                       

通常R的數(shù)值取在  KΩ之間，C的數(shù)值取在  pF  µF之間，得到的取值范圍可達到  ns  ms。

上式中的R可以是外接電組  ，也可以是芯片內(nèi)部電阻  （約2kΩ），如希望得到較寬的輸出脈沖，一般使用外接電阻。

2.可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

以常用CMOS集成器件MC14528為例，介紹可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理。該器件的邏輯圖和引腳圖分別如圖6.12所示。

由圖可見，電路主要有三態(tài)門，積分電路、控制電路組成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及輸出緩沖電路組成。

  

　　　　　　　　　　(a)邏輯圖         　　　　　　　　　　　　(b)引腳圖

　　　　圖6.12    集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528

(1) 穩(wěn)態(tài)

令  ´，無觸發(fā)信號時  1，  ´,設(shè)接通電源后電容還未充電,  =0V,此時  輸出  一定為高電平。若  為低電平，則在與  =  的共同作用下， 輸出低電平并使  輸出高電平，  輸出低電平，于是v04 被置為高電平，這樣圖中   ,   ,  、  同時截止，  經(jīng)  向  充電，當(dāng)  大于  時，Q=0,  =1,電路處于穩(wěn)態(tài)。同樣，當(dāng)  ´，輸入信號  ´，  0時，  門輸出低電平，使  、  門組成的基本RS觸發(fā)器的v07 為低電平，經(jīng)  反相后使v  處于高電平。電路維持穩(wěn)態(tài)不變。

（2）觸發(fā)與定時

 以  ，  ，  端加正觸發(fā)脈沖情況為例說明電路觸發(fā)工作情況。在端上升沿到來時   ，由于   ，于是  輸出  =  ，  導(dǎo)通，  開始放電，當(dāng)  下降至  門的閾值電壓  時，電路進入暫態(tài)  。此暫態(tài)不能持續(xù)下去，當(dāng)  進一步下降至  門的閾值電壓  時，  門輸出低電平，經(jīng)  使  、  組成的基本RS觸發(fā)器的  輸出高電平，  輸出為低電平，這樣  又截止，C又重新開始充電，當(dāng)  值大于  門的閾值電壓  時，電路自動返回到穩(wěn)態(tài)，即  的狀態(tài)，  繼續(xù)充電至  以后電路又恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)。MC14528功能表如下表所示。電路工作波形如圖6.13所示。

圖6.13 MC14528工作波形

MC14528功能表

 

由圖6.13可見，輸出脈寬  等于  由  下降至  的時間與  由  充電至  兩個時間之和。為獲得較寬的輸出脈沖，一般都將  設(shè)計得較高而將  設(shè)計得較低。

    為說明MC14528的可重復(fù)特性，分析圖中  時的工作情況。如前所述，在  時刻電路被觸發(fā)進入暫態(tài)，電容很快放電后，又進入充電狀態(tài)。當(dāng)  尚未充至  時，時刻電路被再次觸發(fā)，  門的低電平使   ，門  輸出高電平，  管導(dǎo)通，電容C又放電，當(dāng)放電使  <<  時，  門輸出低電平，  管截止，電容又充電，一直充到  且在無觸發(fā)信號作用時，電路才返回至穩(wěn)態(tài)。顯然，在這兩個重復(fù)脈沖觸發(fā)下，輸出脈沖寬度  。這種可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)可利用在暫穩(wěn)態(tài)加觸發(fā)脈沖的方法增加輸出脈寬。

三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

    單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是數(shù)字電路中常用的基本單元電路，典型應(yīng)用介紹如下：

u       定時

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能生產(chǎn)一定寬度  的矩形輸出脈沖，如利用這個矩形脈沖作為定時信號去控制某電路，可使其在  時間內(nèi)動作（或不動作）。例如，利用單穩(wěn)輸出的矩形脈沖作為與門輸入的控制信號(見下圖)，則只有這個矩形波的  時間內(nèi)，信號  才有可能通過與門。

      

                    圖6.14  單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作定時電路的應(yīng)用

                   (a) 邏輯圖         (b)波形圖

u        延時

    單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時作用不難從圖6.8所示微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形可看出。圖中輸出端的  上升沿相對輸入信號  的上升沿延遲了  一段時間。單穩(wěn)態(tài)的延時作用常被應(yīng)用于時序控制。

u       多諧振蕩器

利用兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以構(gòu)成多諧振蕩器。有兩片74121集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的多諧振蕩器如圖6.15所示，圖中開關(guān)S為振蕩器控制開關(guān)。

設(shè)當(dāng)電路處于Q  =0,Q  =0  時，將開關(guān)S打開，電路開始振蕩，其工作過程如下： 

在起始時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器I的A  為低電平，開關(guān)S打開瞬間，B端產(chǎn)生正跳變，單穩(wěn)I被觸發(fā)，  輸出正脈沖，其脈沖寬度0.7R  C  ，當(dāng)單穩(wěn)I暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束時，  的下跳沿觸發(fā)單穩(wěn)Ⅱ，  端輸出正脈沖，此后，  的下跳沿又觸發(fā)單穩(wěn)I，如此周而復(fù)始地產(chǎn)生振蕩，其振蕩周期為 

圖6.15 由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器

u       噪聲消除電路

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以構(gòu)成噪聲消除電路（或稱脈寬鑒別電路）。通常噪聲多表現(xiàn)為尖脈沖，寬度較窄，而有用的信號都具有一定的寬度。利用單穩(wěn)電路，將輸出脈寬調(diào)節(jié)到大于噪聲寬度而小于信號脈寬，即可消除噪聲。由單穩(wěn)態(tài)處發(fā)起組成的噪聲消除電路及波形如圖6.15所示。

 

圖6.16 噪聲消除電路

          (a)邏輯圖                                          (b)波形圖

圖中，輸入信號接至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)輸入端和D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端及直接置0端。由于有用信號大于單穩(wěn)態(tài)輸出脈寬，因此單穩(wěn)  輸入上升沿使D觸發(fā)器置1，而當(dāng)信號消失后，D觸發(fā)器被清0。若輸入中含有噪聲，其噪聲前沿使單穩(wěn)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，但由于單穩(wěn)輸出脈寬大于噪聲寬度，故單穩(wěn)  輸出上升沿時，噪聲已消失，從而在輸出信號中消除了噪聲成分。