單穩態觸發器概述與仿真驗證

郭 濱，高鳳洋

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 前言

單穩態觸發器的工作特性具有如下的顯著特點:

(1)它有穩態和暫穩態兩個不同的工作狀態;

(2)在外界觸發脈沖作用下，能從穩態翻轉到暫穩態，在暫穩態維持一段時間后，再自動返回穩態;

(3)暫穩態維持的時間長短取決于電路本身的參數，與觸發脈沖的寬度和幅度無關。

2 用門電路組成的單穩態觸發器

單穩態觸發器的暫穩態通常都是靠RC電路的充、放電過程來維持的。根據RC電路的不同接法(即接成微分電路形式或積分電路形式)，又把單穩態觸發器分為微分型和積分型兩種與微分型單穩態觸發器相比，積分型單穩態觸發器具有抗干擾能力較強的優點。因為數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)，而積分型單穩態觸發器在這種噪聲作用下不會輸出足夠寬度的脈沖。

積分型單穩態觸發器的缺點是輸出波形的邊沿比較差，這是由于電路的狀態轉換過程中沒有正反饋作用的緣故。此外這種積分型單穩態觸發器必須在觸發脈沖的寬度大于輸出脈沖寬度時方能正常工作。

3 集成單穩態觸發器

用門電路組成的單穩態觸發器雖然電路簡單，但輸出脈寬的穩定性差，調節范圍小，且觸發方式單一。為適應數字系統中的廣泛應用，在TTL電路和CMOS電路的產品中，現已生產出單片集成單穩態觸發器。使用這些器件時只需要很少的外接元件和連線，而且由于器件內部電路一般還附加了上升沿于下降沿觸發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償措施，所以電路的溫度穩定性比較好。

目前使用的集成單穩態觸發器有不可重復觸發型和可重復觸發型兩種。不可重復觸發型的單穩態觸發器一旦被觸發進入暫穩態以后，再加入觸發脈沖不會影響電路的工作過程，必須在暫穩態結束以后，它才能接受下一個觸發脈沖而轉入暫穩態。而可重復觸發的單穩態觸發器就不同了。在電路被觸發進入暫穩態以后，如果再次加入觸發脈沖，電路將重新被觸發，使輸出脈沖再維持一個寬度，有些集成單穩態觸發器上還設置有復位端，通過在復位端加入低電平信號能立即終止暫穩態過程，使輸出端返回低電平。

4 單穩態觸發器應用舉例

利用單穩態觸發器的特性可以實現脈沖整形，脈沖定時等功能。

4.1 脈沖整形

利用單穩態觸發器能產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所示的不規則輸入波形，經單穩態觸發器處理后，便可得到固定寬度、固定幅度，且上升、下降沿陡峭的規整矩形波輸出。

圖1 脈沖整形

4.2 脈沖定時

若將單穩態觸發器的輸出Vo接至與門的一個輸入腳，與門的另一個輸入腳輸入高頻脈沖序列Vf。單穩態觸發器在輸入負向窄脈沖到來時開始翻轉，與門開啟，允許高頻脈沖序列通過與門從其輸出端VAND輸出。經過tpo定時時間后，單穩態觸發器恢復穩態，與門關閉，禁止高頻脈沖序列輸出。由此實現了高頻脈沖序列的定時選通功能。

5 仿真驗證

現以54HC123為例介紹一下單穩態觸發器的工作原理以及仿真驗證。54HC123為可重復觸發并帶有復位端的單穩態觸發器。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個組成部分:控制電路，施密特觸發器組成的回路，輸出緩沖電路。A為下降沿觸發輸入端，B為上升沿觸發輸入端，R為復位端但也可作為上升沿觸發輸入端。使用SPECTRE對其進行仿真驗證。

圖2 54HC123的邏輯框圖

在沒有觸發信號時，(A給高，B給任意值或者B給高，A給任意值)電路處于穩態，經過控制電路使T1導通(P管開啟)，T2截至(N管關閉)，C通過T1經電源迅速充電，使VC=VDD，VC經施密特觸發器使波形反向并且邊沿變陡，然后經一個OAI21，使輸出Q1為低，QIN為高。

在采用上升沿觸發時，從B端加入正的脈沖信號(A為低電平，R為高電平)。開始時P管開啟，N管關閉，VDD迅速對電容C進行充電到VC=VDD，當VC高于V+(正向閾值電壓)，施密特觸發器輸出變為低電平，經反向器反饋，P管開啟，狀態不變;使此時當B端是輸入信號的上升沿到來時，經過控制電路使P管關閉，N管開啟，電容C迅速對GND進行放電，但是這種狀態不會一直持續下去，當VC進一步下降，VC低于V－(負向閾值電壓)，施密特觸發器輸出變為高電平，經反向器反饋，P管關閉，此時N管也關閉，此時VDD經外接電阻對電容C進行充電;當VC高于V+(正向閾值電壓)，施密特觸發器輸出變為低電平，P管開啟，N管關閉，電容C又重新開始充電，繼續充電到VC=VDD以后，電路又恢復為穩態。可見暫穩態維持的時間長短取決于電路本身的參數，與觸發脈沖的寬度和幅度無關。

利用R端復位端，應在R端加入低電平信號(A，B給任意值)，經過控制電路使T1導通(P管開啟)，T2截至(N管關閉)， C通過T1經電源迅速充電，使VC=VDD，VC經施密特觸發器使波形反向并且邊沿變陡，然后經一個OAI21，使Q1為0。起到復位的作用，

6 結 束 語

根據單穩態觸發器的工作特點，單穩態觸發器被廣泛應用于脈沖整形，延時(產生滯后于觸發脈沖的輸出脈沖)，以及定時(產生固定時間寬度的脈沖信號)等。

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

［2］［美］尤耶繆拉(Uyemura，J.P.)著.超大規模集成電路與系統導論［M］.周潤德，譯.北京:電子工業出版社，2004.

［3］閻石，清華大學電子學教研組.數字電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社，1997.