單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理和應(yīng)用

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（Monostable Multivibrator），也稱為單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器或單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器，是一種具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的觸發(fā)器。它的主要特點(diǎn)是，當(dāng)接收到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)后，能夠從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，并保持這個(gè)新?tīng)顟B(tài)一段時(shí)間（稱為穩(wěn)態(tài)寬度或脈沖寬度），然后自動(dòng)恢復(fù)到初始穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)穩(wěn)態(tài)寬度是固定的，與觸發(fā)信號(hào)的寬度無(wú)關(guān)。

一、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理基于RC（電阻-電容）電路和邏輯門的組合。以下是其典型的工作過(guò)程：

初始穩(wěn)定狀態(tài)：在沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于初始穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，電路中的電容器通過(guò)電阻充電或放電到某個(gè)穩(wěn)定電壓值，邏輯門根據(jù)這個(gè)電壓值維持電路的穩(wěn)定狀態(tài)。

觸發(fā)信號(hào)輸入：當(dāng)外部觸發(fā)信號(hào)（通常是一個(gè)邊沿信號(hào)，如上升沿或下降沿）輸入到觸發(fā)器時(shí)，它會(huì)改變邏輯門的輸入電壓，導(dǎo)致電容器開(kāi)始放電或充電。這個(gè)過(guò)程中，電路的狀態(tài)會(huì)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

穩(wěn)態(tài)寬度：在觸發(fā)信號(hào)的作用下，電路保持在新的穩(wěn)定狀態(tài)一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由RC電路的時(shí)間常數(shù)決定。時(shí)間常數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)寬度越長(zhǎng)；反之，穩(wěn)態(tài)寬度越短。

自動(dòng)復(fù)位：在穩(wěn)態(tài)寬度結(jié)束后，電路會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到初始穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程也是由RC電路和邏輯門的組合完成的，不需要外部信號(hào)的干預(yù)。

二、利用與非門組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理

利用與非門開(kāi)關(guān)，依靠定時(shí)元件RC電路的充放電來(lái)控制與非門的啟閉。單穩(wěn)態(tài)電路有微分型與積分型兩大類，這兩類觸發(fā)器對(duì)觸發(fā)脈沖的極性與寬度有不同的要求。

（1）微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖所示，其中R1、C1構(gòu)成輸入端微分隔直電路。R、C構(gòu)成微分型定時(shí)電路，定時(shí)元件R、C的取值不同，輸出脈寬tw也不同。Tp≈（0.7～1.3）RC。該電路為負(fù)脈沖觸發(fā)，適用于觸發(fā)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度的情況。穩(wěn)態(tài)時(shí)G1導(dǎo)通，G2截止（G3僅起整形倒相作用）。Vi負(fù)極性時(shí)，VA↓→VB↑由于電容端電壓不能躍變，故VD↑→VE↓，該低電平使VB高電平得以維持，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電容C充電，隨著I充↓→VD↓，當(dāng)VD=VT時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)成G1導(dǎo)通，G2截止的穩(wěn)定狀態(tài)。若Vi的脈寬較小時(shí)，則輸入端就不必加R1C1微分電路了。

圖為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

（2）積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖所示。電路采用正脈沖觸發(fā)，適用于觸發(fā)脈沖寬度大于輸出脈沖寬度的情況，其工作波形如圖14-3所示。電路的穩(wěn)定條件是R＜1KΩ，輸出脈沖寬度tw≈1.1RC。

圖為積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器共同特點(diǎn)是：觸發(fā)脈沖末加入前，電路處于穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，可以測(cè)得各門的輸入和輸出電位。觸發(fā)脈沖加入后，電路立刻進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，即輸出脈沖的寬度tw只取決于RC數(shù)值的大小，與觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)。

三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路組成

如圖所示，其中R、C為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)元件，它們的連接點(diǎn)Vc與定時(shí)器的閾值輸入端（6腳）及輸出端Vo'（7腳）相連。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tpo=1.1RC。

Ri、Ci構(gòu)成輸入回路的微分環(huán)節(jié)，用以使輸入信號(hào)Vi的負(fù)脈沖寬度tpi限制在允許的范圍內(nèi)，一般tpi>5RiCi，通過(guò)微分環(huán)節(jié)，可使Vi'的尖脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度tpo。若輸入信號(hào)的負(fù)脈沖寬度tpi本來(lái)就小于tpo，則微分環(huán)節(jié)可省略。

定時(shí)器復(fù)位輸入端（4腳）接高電平，控制輸入端Vm通過(guò)0.01uF接地，定時(shí)器輸出端Vo（3腳）作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的單穩(wěn)信號(hào)輸出端。

四、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

1.定時(shí)

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度tw矩型輸出脈沖，如利用這個(gè)矩形脈沖作為定時(shí)信號(hào)去控制某電路，可使其在tw時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或不動(dòng)作。例如，利用單穩(wěn)態(tài)輸出的矩形脈沖作為與門輸入的控制信號(hào)如圖，則只有這個(gè)矩形波的Wt時(shí)間內(nèi)，信號(hào)vA有可能通過(guò)與門。

2.延時(shí)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時(shí)作用可以從圖所示微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形看出。圖中輸出端ou升沿相對(duì)輸入信號(hào)u1上升沿延遲了t1段時(shí)間。單穩(wěn)態(tài)的延時(shí)作用常被應(yīng)用于時(shí)序控制。

3.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(guò)窄或過(guò)寬的輸入脈沖整形成固定寬度的脈沖輸出。

如圖所示的不規(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。

4.組成噪聲消除電路

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可構(gòu)成噪聲消除電路（或稱脈沖鑒別電路）。通常噪聲多表現(xiàn)為尖脈沖，寬度較窄，而有用的信號(hào)都具有一定寬度。利用單穩(wěn)態(tài)電路，將輸出脈寬調(diào)節(jié)到大于噪聲寬度而小于信號(hào)脈寬，即可消除噪聲。如用v1作為下降沿觸發(fā)的計(jì)數(shù)器觸發(fā)脈沖，干擾加入，就會(huì)造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

五、555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的四種電路

圖(a)所示電路是典型的單穩(wěn)模式電路。當(dāng)外加脈沖經(jīng)C1、R1微分電路加至555的2腳時(shí)，負(fù)向脈沖(<1/3VDD)使555置位，3腳輸出暫穩(wěn)脈沖寬度td=1．1RC。

圖(b)與圖(a)類同，但它有兩個(gè)輸出端。C通過(guò)R至555內(nèi)部灌電流放電，恢復(fù)時(shí)間比圖(a)要長(zhǎng)。

圖(c)電路的2、6腳接法與圖(a)、(b)不同，外加觸發(fā)應(yīng)為正向脈沖，幅值應(yīng)大于號(hào)VDD，暫穩(wěn)脈沖為負(fù)向，其寬度td=1．1RC，可同時(shí)輸出兩路。

圖(d)與圖(c)類同，但由于在充電回路中加進(jìn)了導(dǎo)向二極管D，加快了充電速率，使工作頻率大大提高。該電路可同時(shí)輸出兩路。

六、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)

兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有初始穩(wěn)定狀態(tài)和觸發(fā)穩(wěn)定狀態(tài)兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)會(huì)使電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)，并在一定時(shí)間后自動(dòng)復(fù)位。

固定穩(wěn)態(tài)寬度：無(wú)論觸發(fā)信號(hào)的寬度如何變化，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)寬度都是固定的。這個(gè)特性使得單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在需要固定時(shí)間延遲的場(chǎng)合非常有用。

易于實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以使用少量的邏輯門電路和RC電路來(lái)構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。

可靠性高：由于電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的可靠性較高，不易受到外部干擾的影響。

廣泛應(yīng)用：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中有著廣泛的應(yīng)用，包括計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、存儲(chǔ)器、狀態(tài)檢測(cè)器等領(lǐng)域。