基本觸發器、單穩態電路及多諧振蕩器的統一設計和教學方法研究

沈繼忠

（浙江大學 信息與電子工程學院，浙江 杭州 310027）

基本觸發器、單穩態電路及多諧振蕩器的統一設計和教學方法研究

沈繼忠

（浙江大學 信息與電子工程學院，浙江 杭州 310027）

針對一般教科書缺乏對基本觸發器、單穩態電路及多諧振蕩器設計方法的論述問題，從電路存儲信號需求出發，研究了基本觸發器、單穩態電路及多諧振蕩器間的內在聯系，發現通過在基本觸發器的支路中接入電容，由電容的充放電實現單穩態電路及多諧振蕩器，從而提出了基本觸發器、單穩態電路及多諧振蕩器的統一設計方法，并在課堂上講授。這不僅有利于學生學習和掌握這3種電路的設計方法，深入理解這3種電路的工作原理，而且可培養學生探索事物本質及其內在聯系的能力。

基本觸發器；單穩態電路；多諧振蕩器；教學方法

基本觸發器（latch）是設計各種實用觸發器的基礎，而觸發器是數字系統中最重要的單元電路之一，在存儲和計算中不可或缺；單穩態電路在脈沖波形變換中有重要作用；多諧振蕩器是產生時鐘信號所必需的電路，是控制與操作數字系統的關鍵電路之一［1-5］。

然而在一般的數字電路與系統設計的教科書中，往往只給出基本觸發器、單穩態電路及多諧振蕩器的電路、功能分析及參數計算，不介紹設計方法。目前尚未見對這3種電路的內在聯系進行研究并提出統一設計方法的文獻。

本文對基本觸發器、單穩態電路及多諧振蕩器的電路進行了深入研究，找到了3種電路存在的內在聯系，提出了這3種電路的統一設計方法，并在大學課程教學中予以講授，不僅幫助學生掌握這3種電路的設計方法，而且可培養學生探索電路內在聯系及本質的科研思維能力。

1 基本觸發器、單穩態電路及多諧振蕩器設計

1.1 基本觸發器設計

由與非門（NAND gates）組成的基本觸發器如圖1所示［1］，表1為其邏輯功能，Q，Q*分別為觸發器的現態和次態。基本觸發器為雙穩態電路，在外輸入信號作用下，輸出的Q有0或1兩種邏輯值，即電路具有兩種穩定的輸出狀態。

圖1 由與非門組成的基本觸發器Fig.1 Latch implemented with NAND gates

基本觸發器的設計思路為，觸發器的功能是保存電路的狀態，即信號a（t）經過一定時間τ后保持不變：

因為電路有延遲性，即信號經過一個電路延遲后相當于保存了一段時間。所以用2個延遲時間為tpd的反相器環接，可構成存儲電路，見圖2。

圖2 由2個反相器環接構成的存儲電路Fig.2 Storage circuit composed of two inverters looped

表1 由與非門組成的基本觸發器特性表Table 1 Function of latch implemented with NAND gates

注 @表示的0狀態同時消失后的狀態不確定。

圖2所示的節點C，B與A的信號存儲表達式為

由于圖2中環接的反相器無法輸入需要存儲的信號，因此用二輸入與非門代替反相器，得到如圖1所示的基本觸發器。當然也可用或非門代替反相器得到基本觸發器。

有了基本觸發器就可設計由時鐘CP控制的各種電平控制觸發器，進一步可設計由時鐘CP跳變沿觸發的各種邊沿操作型觸發器［1］。

1.2 單穩態電路設計

單穩態電路是一種由外界信號觸發后使電路從穩定狀態進入暫時穩定狀態，經過一段時間后又回到穩定狀態的電路。單穩態電路廣泛用于脈沖電路的脈沖寬度變換、波形整形、延時等場合，具有以下特點：

（1）電路有穩定和暫穩定兩種狀態。

（2）在外部觸發脈沖作用下，電路進入暫穩定狀態，持續一段時間后，自動返回穩定狀態。

（3）暫穩定狀態的持續時間與電路參數有關，與觸發脈沖無關。

圖3所示的為由TTL門構成的微分型單穩態電路，其由負脈沖觸發，輸出的亦為負脈沖［6］。

圖3 TTL微分型單穩態電路

Fig.3 TTL differential monostable circuit

根據單穩定電路的定義，電路在外輸入信號觸發下，由穩定狀態轉變為暫穩定狀態，經過一段時間后又回到原來的穩定狀態，這說明電路中存在某個能使電路狀態發生變化的關鍵節點，其電壓受外輸入信號觸發后隨時間發生變化，當該關鍵節點的電壓變化達到某一值時，電路的輸出發生翻轉，使電路在經過一段時間的暫穩定狀態后又回到原來的穩定狀態。因電容的電壓隨時間的變化而變化，可在雙穩態電路（基本觸發器）的一條反饋支路中串接一個電容，使雙穩態電路中門電路的輸入端電壓隨電容的充放電發生變化，從而使單穩態電路自動回到穩定狀態。為控制電容的充放電速度，在電容的一端連接一個電阻，使其滿足電路的性能要求。同時，單穩態電路只要一個輸入觸發信號，雙穩態電路中的一個與非門可用反相器代替，這樣可得到如圖4（a）所示的由負脈沖觸發的單穩態電路。將圖4（a）中的輸入端加入微分電路，即得到圖3所示的TTL微分型單穩態電路。加入微分電路后，當外部觸發脈沖的寬度變化時亦不會影響單穩態電路的輸出［1］。

由于圖4（a）中電路所用的為與非門，與非門由邏輯0輸入信號決定電路的輸出，因此圖4（a）中的Vi需用負脈沖觸發。同時，由于圖4（a）中TTL反相器G2的輸入端電阻R較小且接地，當電路穩定時反相器的輸入為低電平，因此電路的穩態輸出為邏輯1，即穩態輸出的Vo為高電平正脈沖，而暫穩態輸出的Vo為負脈沖。

若要求電路正脈沖觸發，則圖4（a）的與非門用或非門代替，因為或非門由邏輯1輸入信號決定電路輸出。同時，若要求輸出的暫穩定態為正脈沖（邏輯1），則將反相器G2輸入端電阻R的一端連接電源，從而得到正脈沖觸發輸出為正脈沖的暫穩態電路，見圖4（b）。

圖4 由雙穩態電路（基本觸發器）設計單穩態電路

Fig.4 Monostable circuit implemented with bistable circuit （latch）

為使觸發脈沖輸入端Vi的寬度變化不影響單穩態電路的正常工作，需在輸入端加入微分電路，由此得到實際應用中分別為負脈沖觸發和正脈沖觸發的微分型單穩態電路，分別見圖3和圖5［1， 6］。

需要說明的是，因圖3中用的是TTL門，所以Rd要足夠大，保證穩定狀態時VA為高電平，R足夠小，保證穩定狀態時V2為低電平。若圖3中用的是CMOS門電路，則Rd需接電源。在圖5的CMOS正脈沖觸發的微分型單穩態電路中，若用的是TTL門，則Rd要足夠小，以保證在穩定狀態時VA為低電平。

圖5 CMOS正脈沖觸發的微分型單穩態電路

Fig.5 CMOS differential monostable circuit triggered by positive pulse

1.3 多諧振蕩器設計

在基本觸發器的一條支路上串接一個電容可形成單穩態電路，在基本觸發器的2條支路上均串接電容就可形成無穩態電路，即多諧振蕩器。振蕩器能自己產生振蕩信號，不需要輸入信號。同樣，為控制電容的充放電速度，即控制振蕩器的振蕩頻率，需在反相器的輸入端加接電阻，如圖6（a）所示。為使多諧振蕩器的輸出信號在高低電平之間迅速轉換，即令輸出脈沖信號的邊沿更陡峭，需將電阻跨接在反相器的輸入輸出二端，如圖6（b）所示。圖6（b）可轉畫為圖6（c），即教科書上常見的對稱多諧振蕩器電路［1］。

圖6 由雙穩態電路（基本觸發器）設計多諧振蕩器

Fig.6 multivibrator implemented with bistable circuit （latch）

進一步，如果去掉圖6（c）中一條支路上的電容與電阻，即只令一條支路不穩定，因電路無外輸入，所以另一條支路也必不穩定，由此可得教科書上所介紹的非對稱式多諧振蕩器，如圖6（d）所示［1］。

2 討論

通過對基本觸發器、單穩態電路、多諧振蕩器設計過程的討論，發現這3種電路本質上是一致的，即都以存儲信息的2個首尾環接的反相器為基礎，反饋支路上無電容即為雙穩態電路，即基本觸發器。利用電容電壓隨充放電變化的特性，在雙穩態電路的1條或2條反饋支路上添加電容和電阻，便可形成單穩態電路或無穩態電路（多諧振蕩器）。

除前面介紹的電路外，還有積分型單穩態電路、環形多諧振蕩器等，本文雖沒有論述這些電路的設計方法，但深入分析發現，這些電路與本文論述的電路具有相同的本質，可用同樣方法予以設計。

3 結論

通過分析存儲信號的原理，可知其通過2個反相器環接即可實現，而把反相器替換為具有2個輸入端的與非門（或非門），便可得到能輸入存儲信號的基本觸發器，即雙穩態電路。利用電容兩端的電壓隨充放電變化的特性，在雙穩態電路的一條反饋支路上添加電容和電阻，得到單穩態電路。進一步，在雙穩態電路的2條支路上均添加電容和電阻，便可得到多諧振蕩器，即無穩態電路。3種電路的設計過程表明，基本觸發器、單穩態電路、多諧振蕩器本質上是一致的。

在教學中，按照上述思路講解基本觸發器、單穩態電路、多諧振蕩器，使學生更易理解和接受，不僅幫助其掌握基本觸發器、單穩態電路、多諧振蕩器這3種電路的設計方法，而且通過分析，找到了這3種電路之間的內在聯系，有利于培養學生探索事物本質及相互關系的能力，激發學生學習的興趣。

［1］閻石. 數字電子技術基礎［M］. 6版.北京：高等教育出版社， 2016.

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YAN S， WANG H. Fundamentals of Digital Electronic Technology Study Guidance and Problem Solving［M］. 6 th ed. Beijing： Higher Education Press，2016.

An unified approach for designing and teaching of latch, monostable circuit and multivibrator

SHEN Jizhong

（College of Information Science and Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou310027，China）

Due to the lack of discussion on the design methods of latch, monostable circuit and multivibrator in textbooks, the internal relationship of these three kind circuits was studied from the demand of circuit storage signal. It was found that the monostable circuit and multivibrator can be realized by charging and discharging the capacitor which was connected to the latch, then the design methods of latch, monostable circuit and multivibrator were derived, and they were taught in the university courses. The new approach is conducive to studentsapos; learning on the design of these three circuits, help them to understand the performing principle of these three circuits, and train studentsapos; ability to investigate the essence and internal relationship of circuits.

latch; monostable circuit; multivibrator; teaching method

TN 78

A

1008?9497（2022）05?580?04

2021?12?13.

浙江大學2021年度第一批校級本科“課程思政”建設項目；浙江省2020年度省級線下一流課程項目.

沈繼忠（1965—），ORCID：https：//orcid.org/0000-0002-9031-2379，男，博士，教授，主要從事數字集成電路與系統設計研究， E-mail：jzshen@zju.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2022.05.009