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單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理和應(yīng)用

CHANBAEK ? 來源:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 作者:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 2024-07-16 16:33 ? 次閱讀

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(Monostable Multivibrator),也稱為單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器或單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器,是一種具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的觸發(fā)器。它的主要特點(diǎn)是,當(dāng)接收到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)后,能夠從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),并保持這個(gè)新狀態(tài)一段時(shí)間(稱為穩(wěn)態(tài)寬度或脈沖寬度),然后自動(dòng)恢復(fù)到初始穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)穩(wěn)態(tài)寬度是固定的,與觸發(fā)信號(hào)的寬度無關(guān)。

一、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理基于RC(電阻-電容)電路和邏輯門的組合。以下是其典型的工作過程:

初始穩(wěn)定狀態(tài):在沒有觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí),單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于初始穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí),電路中的電容器通過電阻充電或放電到某個(gè)穩(wěn)定電壓值,邏輯門根據(jù)這個(gè)電壓值維持電路的穩(wěn)定狀態(tài)。

觸發(fā)信號(hào)輸入:當(dāng)外部觸發(fā)信號(hào)(通常是一個(gè)邊沿信號(hào),如上升沿或下降沿)輸入到觸發(fā)器時(shí),它會(huì)改變邏輯門的輸入電壓,導(dǎo)致電容器開始放電或充電。這個(gè)過程中,電路的狀態(tài)會(huì)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

穩(wěn)態(tài)寬度:在觸發(fā)信號(hào)的作用下,電路保持在新的穩(wěn)定狀態(tài)一段時(shí)間,這個(gè)時(shí)間由RC電路的時(shí)間常數(shù)決定。時(shí)間常數(shù)越大,穩(wěn)態(tài)寬度越長;反之,穩(wěn)態(tài)寬度越短。

自動(dòng)復(fù)位:在穩(wěn)態(tài)寬度結(jié)束后,電路會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到初始穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)過程也是由RC電路和邏輯門的組合完成的,不需要外部信號(hào)的干預(yù)。

二、利用與非門組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理

利用與非門開關(guān),依靠定時(shí)元件RC電路的充放電來控制與非門的啟閉。單穩(wěn)態(tài)電路有微分型與積分型兩大類,這兩類觸發(fā)器對(duì)觸發(fā)脈沖的極性與寬度有不同的要求。

(1)微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖所示,其中R1、C1構(gòu)成輸入端微分隔直電路。R、C構(gòu)成微分型定時(shí)電路,定時(shí)元件R、C的取值不同,輸出脈寬tw也不同。Tp≈(0.7~1.3)RC。該電路為負(fù)脈沖觸發(fā),適用于觸發(fā)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度的情況。穩(wěn)態(tài)時(shí)G1導(dǎo)通,G2截止(G3僅起整形倒相作用)。Vi負(fù)極性時(shí),VA↓→VB↑由于電容端電壓不能躍變,故VD↑→VE↓,該低電平使VB高電平得以維持,電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),此時(shí)電容C充電,隨著I充↓→VD↓,當(dāng)VD=VT時(shí),電路又翻轉(zhuǎn)成G1導(dǎo)通,G2截止的穩(wěn)定狀態(tài)。若Vi的脈寬較小時(shí),則輸入端就不必加R1C1微分電路了。

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圖為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

(2)積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖所示。電路采用正脈沖觸發(fā),適用于觸發(fā)脈沖寬度大于輸出脈沖寬度的情況,其工作波形如圖14-3所示。電路的穩(wěn)定條件是R<1KΩ,輸出脈沖寬度tw≈1.1RC。

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圖為積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器共同特點(diǎn)是:觸發(fā)脈沖末加入前,電路處于穩(wěn)態(tài)。此時(shí),可以測得各門的輸入和輸出電位。觸發(fā)脈沖加入后,電路立刻進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間,即輸出脈沖的寬度tw只取決于RC數(shù)值的大小,與觸發(fā)脈沖無關(guān)。

三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路組成

如圖所示,其中R、C為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)元件,它們的連接點(diǎn)Vc與定時(shí)器的閾值輸入端(6腳)及輸出端Vo'(7腳)相連。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tpo=1.1RC。

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Ri、Ci構(gòu)成輸入回路的微分環(huán)節(jié),用以使輸入信號(hào)Vi的負(fù)脈沖寬度tpi限制在允許的范圍內(nèi),一般tpi>5RiCi,通過微分環(huán)節(jié),可使Vi'的尖脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度tpo。若輸入信號(hào)的負(fù)脈沖寬度tpi本來就小于tpo,則微分環(huán)節(jié)可省略。

定時(shí)器復(fù)位輸入端(4腳)接高電平,控制輸入端Vm通過0.01uF接地,定時(shí)器輸出端Vo(3腳)作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的單穩(wěn)信號(hào)輸出端。

四、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

1.定時(shí)

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度tw矩型輸出脈沖,如利用這個(gè)矩形脈沖作為定時(shí)信號(hào)去控制某電路,可使其在tw時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或不動(dòng)作。例如,利用單穩(wěn)態(tài)輸出的矩形脈沖作為與門輸入的控制信號(hào)如圖,則只有這個(gè)矩形波的Wt時(shí)間內(nèi),信號(hào)vA有可能通過與門。

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2.延時(shí)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時(shí)作用可以從圖所示微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形看出。圖中輸出端ou升沿相對(duì)輸入信號(hào)u1上升沿延遲了t1段時(shí)間。單穩(wěn)態(tài)的延時(shí)作用常被應(yīng)用于時(shí)序控制。

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3.脈沖整形

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度的脈沖這一特性,可以將過窄或過寬的輸入脈沖整形成固定寬度的脈沖輸出。

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如圖所示的不規(guī)則輸入波形,經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處理后,便可得到固定寬度、固定幅度,且上升、下降沿陡峭的規(guī)整矩形波輸出。

4.組成噪聲消除電路

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可構(gòu)成噪聲消除電路(或稱脈沖鑒別電路)。通常噪聲多表現(xiàn)為尖脈沖,寬度較窄,而有用的信號(hào)都具有一定寬度。利用單穩(wěn)態(tài)電路,將輸出脈寬調(diào)節(jié)到大于噪聲寬度而小于信號(hào)脈寬,即可消除噪聲。如用v1作為下降沿觸發(fā)的計(jì)數(shù)器觸發(fā)脈沖,干擾加入,就會(huì)造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

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五、555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的四種電路

圖(a)所示電路是典型的單穩(wěn)模式電路。當(dāng)外加脈沖經(jīng)C1、R1微分電路加至555的2腳時(shí),負(fù)向脈沖(<1/3VDD)使555置位,3腳輸出暫穩(wěn)脈沖寬度td=1.1RC。

圖(b)與圖(a)類同,但它有兩個(gè)輸出端。C通過R至555內(nèi)部灌電流放電,恢復(fù)時(shí)間比圖(a)要長。

圖(c)電路的2、6腳接法與圖(a)、(b)不同,外加觸發(fā)應(yīng)為正向脈沖,幅值應(yīng)大于號(hào)VDD,暫穩(wěn)脈沖為負(fù)向,其寬度td=1.1RC,可同時(shí)輸出兩路。

圖(d)與圖(c)類同,但由于在充電回路中加進(jìn)了導(dǎo)向二極管D,加快了充電速率,使工作頻率大大提高。該電路可同時(shí)輸出兩路。

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六、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)

兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài):單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有初始穩(wěn)定狀態(tài)和觸發(fā)穩(wěn)定狀態(tài)兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。觸發(fā)信號(hào)的到來會(huì)使電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài),并在一定時(shí)間后自動(dòng)復(fù)位。

固定穩(wěn)態(tài)寬度:無論觸發(fā)信號(hào)的寬度如何變化,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)寬度都是固定的。這個(gè)特性使得單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在需要固定時(shí)間延遲的場合非常有用。

易于實(shí)現(xiàn):單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以使用少量的邏輯門電路和RC電路來構(gòu)造,實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡單。

可靠性高:由于電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的可靠性較高,不易受到外部干擾的影響。

廣泛應(yīng)用:單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中有著廣泛的應(yīng)用,包括計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、存儲(chǔ)器、狀態(tài)檢測器等領(lǐng)域。

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