门电路构成的单稳态触发器及典型应用分析

门电路构成的单稳态触发器及典型应用分析
单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态。

当外加触发信号时，单稳态触发器从稳定状态转换到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，由于电路中所包含的电容元件的充放电作用，电路自动返回到稳定状态，因此这种电路称为“单稳”。

暂稳态维持的时间取决于电路本身的参数，而与外触发信号的宽度无关。

根据单稳态触发器的这些特点，数字系统常用它构成整形、脉冲展宽、延时和定时（产生一定宽度的方波）等电路。

【项目任务】
一、门电路构成的单稳态触发器 1．电路结构
由门电路和RC 元件组成的单稳态触发器电路形式较多。

一个电阻和一个电容元件可以组成积分电路或者微分电路，因此，由门电路和RC 元件可组成积分型单稳态触发器和微分型单稳态触发器。

图9.10所示电路就是微分型单稳态触发器的电路形式之一。

电路中电阻R 的值小于门电路的关门电阻值，即R<R OFF 。

图9.10 微分型单稳态触发器
2．工作原理定性分析
分析单稳态触发器的工作原理，就是分析如何在外触发信号的作用下，电路由稳态进入暂稳态，然后又如何在电容充放电的作用下，自动返回到稳定状态。

（1）在图9.10所示电路中，输入信号u I 在稳态下为高电平。

考虑到R<R OFF ，所以稳态时u I2为低电平，则u o 为高电平。

与非门G 1的两个输入端均为高电平，所以，u o1为低电平，电容C 两端的电压近似为0V 。

只要输入信号保持高电平不变，电路就维持在u o1为低电平，u o 为高电平这一稳定状态。

（2）假设在t 1时刻，输入端有一负脉冲信号出现，即外加触发信号开始作用，则与非门G 1的输出u o1变为高电平。

由于电容C 两端的电压不能突变，故u I2随u o1跳变为高电平，
u o
u o 跳变为低电平。

该低电平反馈到G 1的输入端，使u o1仍维持在高电平。

电路处于u o1为高电平、u o 为低电平的暂稳状态。

在暂稳态期间，经电容C 和电阻R 到地形成充电回路，电容C 开始充电，随着充电过程的进行，u I2逐渐下降。

当接近门电路的阈值电压U TH 时（设此时触发脉冲已消失），出现下述正反馈过程。

此正反馈的结果，使电路自动返回到u o1为低电平，u o 为高电平的稳定状态。

电容开始放电，为下一次触发作准备。

其工作波形如图9.11所示。

该图中，t W 为暂稳状态的维持时间，通过定量计算（在此略）可知其大小与R 、C 的大小成正比。

需要说明的是，上述工作波形是在假定输入触发信号的脉冲宽度小于t W 的条件下得到的。

如果这个条件不满足，电路就无法正常工作。

对于宽脉冲触发的输入信号，只要在其输入电路前增加一个简单的RC 微分电路,来实现宽脉冲到窄脉冲的变换即可。

图9.11 微分型单稳态触发器的工作波形
二、集成单稳态触发器
由门电路和RC 元件构成的单稳态触发器电路简单，但输出脉宽的稳定性差，调节范围小，且触发方式单一。

因此在数字系统中，广泛使用集成单稳态触发器。

单片集成单稳态触发器只需要外接RC 元件就可方便使用，而且有多种不同的触发方式和输出方式。

目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发和可重复触发之分，不可重复触发的单稳
U
u t
t
t
u
态触发器一旦被触发进入暂稳态之后，即使再有触发脉冲作用，电路的工作过程也不受其影响，直到该暂稳态结束后，它才接受下一个触发而再次进入暂稳态。

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，电路会被重新触发，使暂稳态继续延迟一个t W 时间。

两种单稳态触发器的工作波形如图9.12所示。

（a ）不可重复触发的单稳态触发器工作波形
（b ）可重复触发的单稳态触发器工作波形 图9.12 两种单稳态触发器的工作波形
集成单稳态触发器中，74121、74LS121、74221、74LS221等是不可重复触发的单稳态触发器。

74122、74123、74LS123等是可重复触发的单稳态触发器。

下面以不可重复触发的单稳态触发器74LS121为例加以介绍。

(a) 引脚图 (b) 逻辑符号图10-13 单稳态触
发器74LS121
1Q 2NC 3A 14A 25B 6Q 7GND 74LS12114U CC 13NC 12NC
11R ext /C ext 10C ext 9R int 8
NC
(a )
A 1A 2B
int ext ext ext
(b )
u I
u
u I
u
74LS121单稳态触发器的引脚图和逻辑符号如图10-11(a )、(b )所示，外接电阻R ext 的取值范围为2k Ω~40k Ω，外接电容C ext 取值为10pF~1000μF 。

C ext 接在10、11脚之间，R ext 接在11和电源U CC （14脚）之间，此时9脚开路。

当需要电阻较小时，可以直接使用阻值约为2k Ω的内部电阻R int ，此时将R int 接U CC ，即9、14脚相接。

它的输出脉宽为：
0.7W t RC （9.2）
式（9.2）中的R 可以是R ext ，也可以是芯片的内部电阻R int 。

其功能表如表10-1所示。

74LS121的主要功能如下：
（1）电路在输入信号A 1、A 2、B 的所有静态组合下均处于稳态Q =0，Q =1
（2）有两种
边沿触发方式。

输入A 1或A 2是下降沿触发，输入B 是上升沿触发。

从功能表可见，当A 1、A 2或B 中的任一端输入相应的触发脉冲，则在Q 端可以输出一个正向定时脉冲，Q 端输出一个负向脉冲。

表10-1 74LS121功能表
三、单稳态触发器的应用 1．脉冲整形
图10-14 脉冲整形波形
脉冲信号在传输过程中，常会因干扰导致波形的变化。

由于74LS121内部采用了施密特触发（下节介绍）输入结构，故对于边沿较差的输入信号也能输出一个宽度和幅度恒定的矩形脉冲。

利用这一特点，可将宽度和幅度不规则的脉冲整形为规则的脉冲，如图10-14所示。

2．定时控制
u t
u t
利用单稳态触发器能够输出一定宽度t W的矩形脉冲这一特性，去控制某一系统，使其在t W时间内动作（或不动作），从而起到定时控制的作用。

如图10-15所示，在定时时间t W 内，D端输出脉冲信号，而在其他时间，D端不输出脉冲信号。

(a) 逻辑图 (b) 工作波形图9.15脉冲定时控制
3．脉冲延时
脉冲延时一般包括两种情况，一是边沿延时，如图10-16（a）所示，输出脉冲信号的下降沿相对于输入脉冲信号的下降沿延时了t W ；二是脉冲信号整体延时一段时间，如图10-16
（b）所示。

第一种情况利用一个单稳态触发器即可实现，第二种情况可采用两个单稳态触发器来实现。

其中，第一个单稳态触发器采用上升沿触发，其输出脉冲宽度等于所要求的延时时间；第二个单稳态触发器采用下降沿触发，并使其输出脉冲宽度等于第一个单稳态触发器输入脉冲的宽度即可。

(a) 下降沿延时t W (b) 脉冲延时t D
图9.16脉冲延时
u
t
u
u I
u
u
t
t
t
A
B
C
D
A
D。