單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器概述與仿真驗(yàn)證

郭 濱，高鳳洋

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 前言

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特性具有如下的顯著特點(diǎn):

(1)它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài);

(2)在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后，再自動返回穩(wěn)態(tài);

(3)暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。

2 用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常都是靠RC電路的充、放電過程來維持的。根據(jù)RC電路的不同接法(即接成微分電路形式或積分電路形式)，又把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為微分型和積分型兩種與微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相比，積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有抗干擾能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)閿?shù)字電路中的噪聲多為尖峰脈沖的形式(即幅度較大而寬度極窄的脈沖)，而積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在這種噪聲作用下不會輸出足夠?qū)挾鹊拿}沖。

積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的缺點(diǎn)是輸出波形的邊沿比較差，這是由于電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中沒有正反饋?zhàn)饔玫木壒省４送膺@種積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器必須在觸發(fā)脈沖的寬度大于輸出脈沖寬度時(shí)方能正常工作。

3 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，在TTL電路和CMOS電路的產(chǎn)品中，現(xiàn)已生產(chǎn)出單片集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。使用這些器件時(shí)只需要很少的外接元件和連線，而且由于器件內(nèi)部電路一般還附加了上升沿于下降沿觸發(fā)的控制和置零等功能，使用極為方便。此外，由于將元、器件集成于同一芯片上，并且在電路上采取了溫漂補(bǔ)償措施，所以電路的溫度穩(wěn)定性比較好。

目前使用的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有不可重復(fù)觸發(fā)型和可重復(fù)觸發(fā)型兩種。不可重復(fù)觸發(fā)型的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一旦被觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)以后，再加入觸發(fā)脈沖不會影響電路的工作過程，必須在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束以后，它才能接受下一個(gè)觸發(fā)脈沖而轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。而可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就不同了。在電路被觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)以后，如果再次加入觸發(fā)脈沖，電路將重新被觸發(fā)，使輸出脈沖再維持一個(gè)寬度，有些集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器上還設(shè)置有復(fù)位端，通過在復(fù)位端加入低電平信號能立即終止暫穩(wěn)態(tài)過程，使輸出端返回低電平。

4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特性可以實(shí)現(xiàn)脈沖整形，脈沖定時(shí)等功能。

4.1 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。

如圖1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。

圖1 脈沖整形

4.2 脈沖定時(shí)

若將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出Vo接至與門的一個(gè)輸入腳，與門的另一個(gè)輸入腳輸入高頻脈沖序列Vf。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在輸入負(fù)向窄脈沖到來時(shí)開始翻轉(zhuǎn)，與門開啟，允許高頻脈沖序列通過與門從其輸出端VAND輸出。經(jīng)過tpo定時(shí)時(shí)間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，與門關(guān)閉，禁止高頻脈沖序列輸出。由此實(shí)現(xiàn)了高頻脈沖序列的定時(shí)選通功能。

5 仿真驗(yàn)證

現(xiàn)以54HC123為例介紹一下單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理以及仿真驗(yàn)證。54HC123為可重復(fù)觸發(fā)并帶有復(fù)位端的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖2是54HC123的邏輯框圖，由圖可見，除去外接的電阻R和電容C以外，電路本身包含3個(gè)組成部分:控制電路，施密特觸發(fā)器組成的回路，輸出緩沖電路。A為下降沿觸發(fā)輸入端，B為上升沿觸發(fā)輸入端，R為復(fù)位端但也可作為上升沿觸發(fā)輸入端。使用SPECTRE對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖2 54HC123的邏輯框圖

在沒有觸發(fā)信號時(shí)，(A給高，B給任意值或者B給高，A給任意值)電路處于穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過控制電路使T1導(dǎo)通(P管開啟)，T2截至(N管關(guān)閉)，C通過T1經(jīng)電源迅速充電，使VC=VDD，VC經(jīng)施密特觸發(fā)器使波形反向并且邊沿變陡，然后經(jīng)一個(gè)OAI21，使輸出Q1為低，QIN為高。

在采用上升沿觸發(fā)時(shí)，從B端加入正的脈沖信號(A為低電平，R為高電平)。開始時(shí)P管開啟，N管關(guān)閉，VDD迅速對電容C進(jìn)行充電到VC=VDD，當(dāng)VC高于V+(正向閾值電壓)，施密特觸發(fā)器輸出變?yōu)榈碗娖剑?jīng)反向器反饋，P管開啟，狀態(tài)不變;使此時(shí)當(dāng)B端是輸入信號的上升沿到來時(shí)，經(jīng)過控制電路使P管關(guān)閉，N管開啟，電容C迅速對GND進(jìn)行放電，但是這種狀態(tài)不會一直持續(xù)下去，當(dāng)VC進(jìn)一步下降，VC低于V－(負(fù)向閾值電壓)，施密特觸發(fā)器輸出變?yōu)楦唠娖剑?jīng)反向器反饋，P管關(guān)閉，此時(shí)N管也關(guān)閉，此時(shí)VDD經(jīng)外接電阻對電容C進(jìn)行充電;當(dāng)VC高于V+(正向閾值電壓)，施密特觸發(fā)器輸出變?yōu)榈碗娖剑琍管開啟，N管關(guān)閉，電容C又重新開始充電，繼續(xù)充電到VC=VDD以后，電路又恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)。可見暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。

利用R端復(fù)位端，應(yīng)在R端加入低電平信號(A，B給任意值)，經(jīng)過控制電路使T1導(dǎo)通(P管開啟)，T2截至(N管關(guān)閉)， C通過T1經(jīng)電源迅速充電，使VC=VDD，VC經(jīng)施密特觸發(fā)器使波形反向并且邊沿變陡，然后經(jīng)一個(gè)OAI21，使Q1為0。起到復(fù)位的作用，

6 結(jié) 束 語

根據(jù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點(diǎn)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于脈沖整形，延時(shí)(產(chǎn)生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖)，以及定時(shí)(產(chǎn)生固定時(shí)間寬度的脈沖信號)等。

［1］［美］斯密斯著.專用集成電路［M］.虞惠華，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［2］［美］尤耶繆拉(Uyemura，J.P.)著.超大規(guī)模集成電路與系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.周潤德，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［3］閻石，清華大學(xué)電子學(xué)教研組.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，1997.