单稳态触发器概述与仿真验证

2013-09-12高凤洋

微处理机 2013年1期

关键词：脉冲序列施密特触发器

郭滨，高凤洋

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 前言

单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点:

(1)它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态;

(2)在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回稳态;

(3)暂稳态维持的时间长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。

2 用门电路组成的单稳态触发器

单稳态触发器的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过程来维持的。根据RC电路的不同接法(即接成微分电路形式或积分电路形式)，又把单稳态触发器分为微分型和积分型两种与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳态触发器具有抗干扰能力较强的优点。因为数字电路中的噪声多为尖峰脉冲的形式(即幅度较大而宽度极窄的脉冲)，而积分型单稳态触发器在这种噪声作用下不会输出足够宽度的脉冲。

积分型单稳态触发器的缺点是输出波形的边沿比较差，这是由于电路的状态转换过程中没有正反馈作用的缘故。此外这种积分型单稳态触发器必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时方能正常工作。

3 集成单稳态触发器

用门电路组成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉宽的稳定性差，调节范围小，且触发方式单一。为适应数字系统中的广泛应用，在TTL电路和CMOS电路的产品中，现已生产出单片集成单稳态触发器。使用这些器件时只需要很少的外接元件和连线，而且由于器件内部电路一般还附加了上升沿于下降沿触发的控制和置零等功能，使用极为方便。此外，由于将元、器件集成于同一芯片上，并且在电路上采取了温漂补偿措施，所以电路的温度稳定性比较好。

目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发型的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入暂稳态。而可重复触发的单稳态触发器就不同了。在电路被触发进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再维持一个宽度，有些集成单稳态触发器上还设置有复位端，通过在复位端加入低电平信号能立即终止暂稳态过程，使输出端返回低电平。

4 单稳态触发器应用举例

利用单稳态触发器的特性可以实现脉冲整形，脉冲定时等功能。

4.1 脉冲整形

利用单稳态触发器能产生一定宽度的脉冲这一特性，可以将过窄或过宽的输入脉冲整形成固定宽度的脉冲输出。

如图1所示的不规则输入波形，经单稳态触发器处理后，便可得到固定宽度、固定幅度，且上升、下降沿陡峭的规整矩形波输出。

图1 脉冲整形

4.2 脉冲定时

若将单稳态触发器的输出Vo接至与门的一个输入脚，与门的另一个输入脚输入高频脉冲序列Vf。单稳态触发器在输入负向窄脉冲到来时开始翻转，与门开启，允许高频脉冲序列通过与门从其输出端VAND输出。经过tpo定时时间后，单稳态触发器恢复稳态，与门关闭，禁止高频脉冲序列输出。由此实现了高频脉冲序列的定时选通功能。

5 仿真验证

现以54HC123为例介绍一下单稳态触发器的工作原理以及仿真验证。54HC123为可重复触发并带有复位端的单稳态触发器。图2是54HC123的逻辑框图，由图可见，除去外接的电阻R和电容C以外，电路本身包含3个组成部分:控制电路，施密特触发器组成的回路，输出缓冲电路。A为下降沿触发输入端，B为上升沿触发输入端，R为复位端但也可作为上升沿触发输入端。使用SPECTRE对其进行仿真验证。

图2 54HC123的逻辑框图

在没有触发信号时，(A给高，B给任意值或者B给高，A给任意值)电路处于稳态，经过控制电路使T1导通(P管开启)，T2截至(N管关闭)，C通过T1经电源迅速充电，使VC=VDD，VC经施密特触发器使波形反向并且边沿变陡，然后经一个OAI21，使输出Q1为低，QIN为高。

在采用上升沿触发时，从B端加入正的脉冲信号(A为低电平，R为高电平)。开始时P管开启，N管关闭，VDD迅速对电容C进行充电到VC=VDD，当VC高于V+(正向阈值电压)，施密特触发器输出变为低电平，经反向器反馈，P管开启，状态不变;使此时当B端是输入信号的上升沿到来时，经过控制电路使P管关闭，N管开启，电容C迅速对GND进行放电，但是这种状态不会一直持续下去，当VC进一步下降，VC低于V－(负向阈值电压)，施密特触发器输出变为高电平，经反向器反馈，P管关闭，此时N管也关闭，此时VDD经外接电阻对电容C进行充电;当VC高于V+(正向阈值电压)，施密特触发器输出变为低电平，P管开启，N管关闭，电容C又重新开始充电，继续充电到VC=VDD以后，电路又恢复为稳态。可见暂稳态维持的时间长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。

利用R端复位端，应在R端加入低电平信号(A，B给任意值)，经过控制电路使T1导通(P管开启)，T2截至(N管关闭)， C通过T1经电源迅速充电，使VC=VDD，VC经施密特触发器使波形反向并且边沿变陡，然后经一个OAI21，使Q1为0。起到复位的作用，