单稳态触发器

单稳态触发器特点：

电路有一个稳态、一个暂稳态。

在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。

暂稳态不能长久保持，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间取决于RC电路的参数值。 单稳态触发器的这些特点被广泛地应用于脉冲波形的变换与延时中。 一、门电路组成的微分型单稳态触发器 1. 电路组成及工作原理

微分型单稳态触发器可由与非门或或非门电路构成，如下图。与基本RS触发器不同

,

(a)由与非门构成的微分型单稳态触发器 (b)由或非门构成的微分型单稳态触发

图6.7微分型单稳态触发器

构成单稳态触发器的两个逻辑门是由RC耦合的，由于RC电路为微分电路的形式，故称为微分型单稳态触发器。下面以CMOS或非门构成的单稳态触发器为例，来说明它的工作原理。

⑴ 没有触发信号时，电路处于一种稳态 没有触发信号时，

为低电平;

为低电平。由于门

输入端经电阻R接至

，因此

的两个输入均为0，故输出

为高电平，电容两端的电压接近0V，

这是电路的“稳态”。在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：

, 。

⑵ 外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态 当

=1,

时，

的输出

由1 0，经电容C耦合，使

,于是

的输出v02

的高电平接至

门 的输入端，从而再次瞬间导致如下反馈过程：

这样

由于

导通

截至在瞬间完成。此时，即使触发信号

撤除（

），

的作用，

仍维持低电平。然而，电路的这种状态是不能长久保持的，

故称之为暂稳态。暂稳态时，

，

。

⑶ 电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态 在暂稳态期间，电源经电阻R和门

间的增加

增加，

升高，使

的导通工作管对电容C充电，随着充电时

时，电路发生下述正反馈过程（设此

时触发器脉冲已消失）：

迅速截止，

很快导通，电路从暂稳态返回稳态。

,

。

暂稳态结束后，电容将通过电阻R放电，使C上的电压恢复到稳定状态时的初始

值。在整个过程中，电路各点工作波形如图6.8所示。

图6.8 微分型单稳态触发器各点工作波形 2. 主要参数的计算 (1) 输出脉冲宽度

暂稳态的维持时间即输出脉冲宽度

，可根据

的波形进行计算。为了计算

方便，对于图6.8的波形，将触发脉冲作用的起始时刻

作为时间起点，于是有

根据RC电路瞬态过程分析，可得到

当

时，

，代入上式可求得

RC ln

当

= /2，则

»0.7RC

(2)恢复时间

暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，以便电容C在暂稳态期间所充的电荷释放完，使电路恢复到初始状态。一般要经过3 放电才基本结束，故

约为3

。

(

为放电时间常数)的时间，

(3)最高工作频率

设触发信号

的时间间隔为T，为使单稳电路能正常工作，应满足T>

+

+ 的

条件，即最小时间间隔

。因此，单稳态触发器的最高工作频率为

上述关系式是在作了某些近似值后得到的（例如，忽略了导通管的漏源电阻等），因而只能作为选择参数的初步依据，准确的参数还要通过实验调整得到。 3. 讨论

（1）如图6.8所示，在暂稳态结束( 为避免高的输入电压

)瞬间，

的输入电压

+

。

损坏CMOS门，在CMOS器件内部设有保护二极管D，如

时，D

图6.7(b)中的虚线所示。在电容C充电期间，二极管D开路。而当

导通，于是

被钳制在

+0.6V的电位上（见图6.8中的虚线）。同时，在

=(

║

)C（

为二极管D的正向电

恢复期间，电容C放电的时间常数

阻）,由于

«

，因此电容放电的时间很短。

（2）当输入

的脉冲宽度

> 时，则在

变为低电平后，

没有响应，

不能形成前述的正反馈过程，使

的输出边沿变缓。因此，当输入脉冲宽度

、

组成的微分电路。同时为了

，如图6.9所示。

很宽时，可在单稳态触发器的输入端加入

改善输出波形，可在图6.7中的

输出端再加一级反相器

图6.9宽脉冲触发的单稳电路

（3）若采用TTL与非门构成如图6.7(a)所示的单稳电路时，由于TTL门存在输入电流，因此，为了保证稳态时

果输入端采用

于门

,

的输入为低电平，电阻R要小于0.7kΩ。如

的数值应大于2kΩ，使得稳态时

大

微分电路时，

的开门电平( )，而CMOS门由于不存在输入电流，故不受此限制。

二、集成单稳态触发器

用门电路组成的单稳态触发器虽然电路简单,但输出脉宽的稳定性差,调节范围小,且触发方式单一。为适应数字系统中的广泛应用,现已生产出单片集成单稳态触发器。

集成单稳态触发器

可重复触发 不可重复触发

两种不同触发特性的单稳态触发器的主要区别是：不可重复触发单稳态触发器，

在进入暂稳态期间，如有触发脉冲作用，电路的工作过程不受其影响，只有当电路的暂稳态结束后，输入触发脉冲才会影响电路状态。电路输出脉宽由R、C参数确定。

可重复触发单稳态触发器在暂稳态期间，如有触发脉冲作用，电路会重新被触发，使暂稳态继续延迟一个

才返回稳态。

两种单稳态触发器的工作波形分别如图6.10所示。

时间，直至触发脉冲的间隔超过单稳输出脉宽，电路

(a)不可重复触发单稳态触发器工作波形 (b) 可重复触发单稳态触发器工作波形

图6.10 两种单稳电路工作波形 1.不可重复触发的集成单稳态触发器

图6.11 74121逻辑图 74121引脚图

74121是一种不可重复触发集成单稳态触发器，其逻辑图和引脚图分别如上图所示。

(1) 电路组成及工作原理

电路由触发信号控制电路、微分型单稳态触发器及输出缓冲电路组成。 将具有迟滞特性的非门

接电阻

（或

与

门合起来看成是一个或非门，它与

门及外

）、电容

即组成微分型单稳态触发器，其电路工作原

,

。当图中

理与微分型单稳态触发器基本相同。电路只有一个稳态

a点有正脉冲触发时，电路进入暂稳态

号控制电路中RC触发器的

,

。

为低电平后是触发信

门输出低电平，将

门封锁，这样即使有触发

信号输入，在a点也不会产生微分型单稳态触发器的触发信号，只有等电路返回稳态后，电路才会在输入触发信号作用下被再次触发，根据上述分析，电路属于不可重复触发单稳态触发器。 （2）触发与定时 Ø 触发方式

74121集成单稳态触发器有3个触发输入端，由触发信号控制电路分析可知，在下述情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态： l 若

、

两个输入中有一个或两个为低电平，B发生由0到1的正跳变。

l 若B和 跳变。

、

中的一个为高电平，输入中有一个或两个产生由1到0的负

74121的功能如表1所示。 表1 74121功能表

Ø 定时

单稳电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若输出脉冲宽度较宽，而采用电解电容时，电容C的正极接在

输入端（10脚）。对于定时电阻，使用者可以有两种选择：

l 利用内部定时电阻(2kΩ),此时将9号引脚( )接至电源

(14脚) 。

l 采用外接定时电阻（阻值在1.4~40kΩ之间），此时9脚应悬空，电阻接在11、14脚之间。 74121的输出脉冲宽度

通常R的数值取在

取值范围可达到

ns

KΩ之间，C的数值取在

ms。

pF

µF之间，得到的

上式中的R可以是外接电组

，也可以是芯片内部电阻

（约2kΩ），如

希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。 2.可重复触发集成单稳态触发器

以常用CMOS集成器件MC14528为例，介绍可重复触发单稳态触发器工作原理。该器件的逻辑图和引脚图分别如图6.12所示。

由图可见，电路主要有三态门，积分电路、控制电路组成的积分型单稳态触发器及输出缓冲电路组成。

(a)逻辑图 (b)引脚图 图6.12 集成单稳态触发器MC14528 (1) 稳态 令

´，无触发信号时

输出

1，

´,设接通电源后电容还未充电, 为低电平，则在与

=

的共同

=0V,此时

作用下，

一定为高电平。若

输出低电平并使

,

输出高电平，

,

、

输出低电平，于是v04 被置同时截止，

经

向

´，

为高电平，这样图中

充电，当

输入信号

大于

´，

时，Q=0, 0时，

=1,电路处于稳态。同样，当

门输出低电平，使

、

门组成的基

本RS触发器的v07 为低电平，经

不变。

（2）触发与定时 以

在

，

，

反相后使v 处于高电平。电路维持稳态

端加正触发脉冲情况为例说明电路触发工作情况。

，由于

下降至

，于是

门的阈值电压

进一步下降至

输出

=

，

端上升沿到来时

导通，

开始放电，当

时，电路进入暂门的阈值电压

输值

态

时，

。此暂态不能持续下去，当

门输出低电平，经

使

、

组成的基本RS触发器的

出高电平，

大于

输出为低电平，这样

又截止，C又重新开始充电，当

门的阈值电压

时，电路自动返回到稳态，即

的状态，

继续充电至

以后电路又恢复为稳态。MC14528功能表如下表所示。电路

工作波形如图6.13所示。

图6.13 MC14528工作波形

MC14528功能表

由图6.13可见，输出脉宽

电至

将

等于

由

下降至

的时间与

由

充两个时间之和。为获得较宽的输出脉冲，一般都将

设计得较低。 设计得较高而

为说明MC14528的可重复特性，分析图中

时的工作情况。如前所述，在

尚未充

输出高时刻电路被触发进入暂态，电容很快放电后，又进入充电状态。当

至

时，时刻电路被再次触发，

门的低电平使

，门

电平，

管导通，电容C又放电，当放电使

门输出低电平，

管截止，电容又充电，一直充到

且在无触发信号作用时，电路才返回至

。这种可重稳态。显然，在这两个重复脉冲触发下，输出脉冲宽度

复触发单稳态可利用在暂稳态加触发脉冲的方法增加输出脉宽。

三、单稳态触发器的应用

单稳态触发器是数字电路中常用的基本单元电路，典型应用介绍如下： u 定时

由于单稳态触发器能生产一定宽度

为定时信号去控制某电路，可使其在

的矩形输出脉冲，如利用这个矩形脉冲作时间内动作（或不动作）。例如，利用

单稳输出的矩形脉冲作为与门输入的控制信号(见下图)，则只有这个矩形波的 时间内，信号

才有可能通过与门。

图6.14 单稳态触发器作定时电路的应用

(a) 逻辑图 (b)波形图

u 延时

单稳态触发器的延时作用不难从图6.8所示微分型单稳态触发器的工作波形可看出。图中输出端的

上升沿相对输入信号

的上升沿延迟了

一段时间。单稳态的延时作用常被应用于时序控制。

u 多谐振荡器

利用两个单稳态触发器可以构成多谐振荡器。有两片74121集成单稳态触发器组成的多谐振荡器如图6.15所示，图中开关S为振荡器控制开关。

设当电路处于Q =0,Q =0 时，将开关S打开，电路开始振荡，其工作过程如下：

在起始时，单稳态触发器I的A 为低电平，开关S打开瞬间，B端产生正跳变，单稳I被触发，

输出正脉冲，其脉冲宽度0.7R C ，当单稳I暂稳态结束

时，

的下跳沿触发单稳Ⅱ，

端输出正脉冲，此后，

的下跳沿又触发

单稳I，如此周而复始地产生振荡，其振荡周期为

图6.15 由单稳态触发器构成的多谐振荡器

u 噪声消除电路

利用单稳态触发器可以构成噪声消除电路（或称脉宽鉴别电路）。通常噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号都具有一定的宽度。利用单稳电路，将输出脉宽调节到大于噪声宽度而小于信号脉宽，即可消除噪声。由单稳态处发起组成的噪声消除电路及波形如图6.15所示。

图6.16 噪声消除电路

(a)逻辑图 (b)波形图

图中，输入信号接至单稳态触发器的触发输入端和D触发器的数据输入端及直接置0端。由于有用信号大于单稳态输出脉宽，因此单稳

输入上升沿使D触发器置1，而当信号消失后，D触发器被清0。若输入中含有噪声，其噪声前沿使单稳触发翻转，但由于单稳输出脉宽大于噪声宽度，故单稳

噪声已消失，从而在输出信号中消除了噪声成分。

输出上升沿时，