第3节 单稳态触发器

单稳态触发器有如下特点：

第一，电路有一个稳定态和一个暂稳态。静止期间电路长期处于稳定状态。

第二，在外来触发脉冲信号作用下，电路由稳定状态翻转到暂稳状态。暂稳状态是不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳定状态。

第三，暂稳状态持续时间的长短取决于电路的定时元件参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。

7.3.1         电路组成

图7.3.1所示为用555定时器构成的单稳态触发器。图（a）中复位端接电源电压为高电平。输入信号（低电平有效）加在555的触发输入端。放电管的集电极（7脚）与阈值输入端相连，并通过电阻与电源相连，同时通过电容接地构成定时电路。

 

图7.3.1（b）为具有微分环节的单稳态电路，、构成微分电路，输入信号经过微分电路后再接入触发输入端，可以减小触发持续时间。

7.3.2  工作原理

由图7.3.1（a），静态期间即无触发信号，输入为高电平，电路处于稳定状态，基本触发器，，输出为低电平，放电管饱和导通。

输入为高电平，若接通电源瞬间555定时器中基本触发器处在1状态，即，，则输出为高电平，放电管截止。此时，电源通过电阻对电容进行充电，充电结果导致电容两端电压逐渐升高，阈值输入（6脚），当电容充电到使时，电压比较器就出现，电压比较器输出低电平（0状态），基本触发器被复位到0状态，即，，输出电压为低电平，放电管饱和导通。此后，电容通过放电管迅速放电，使，触发器维持状态不变。

设输入信号如图7.3.2（a）所示，在0~期间为高电平，电路处于上述稳定状态。

在时刻，输入信号的下降沿到达，这时使得电压比较器出现

 

（而），电压比较器输出为低电平，基本触发器被置1，即，，输出为高电平。电路因下降沿到达由稳态翻转到暂稳态。

，的状态是暂稳态，此时放电管截止，通过电阻对电容充电，电容充电的结果导致电位逐步上升，如图7.3.2（b）所示，当（时刻）时，电压比较器出现的输入情况，比较器输出低电平，基本触发器被置0，即，，电路又发生了一次翻转，暂稳态结束，此时电路输出为低电平，放电管导通，电容很快通过放电至0，电路恢复到稳定状态。

暂稳态所持续的时间称为单稳态触发器的输出脉宽，如图7.3.2（c）所示，很明显，即电容由开始充电到充电至使所需的时间。

利用三要素公式（7.1.2），取，，，。容易求出输出脉冲宽度

                      （7.3.1）

从暂稳态结束到电容放电至所需的时间称为恢复时间。设饱和导通放电管的导通电阻为（一般很小），放电时间常数。通常恢复时间由下式决定：

                      （7.3.2）

当输入触发信号是周期为的连续脉冲时（如图7.3.2（a）所示），为了保证单稳态触发器能够正常工作，必须满足下列条件：

                         （7.3.3）

即周期的最小值

因此，单稳态触发的最高工作频率应为

                     （7.3.4）

必须指出，在图7.3.1（a）所示电路中，触发输入信号的触发脉冲宽度（即低电平持续时间）必须小于单稳触发器输出的脉冲宽度，否则电路将不能正常工作。原因很简单，若单稳触发器被触发翻转到暂稳态后，如果低电平持续不变，电压比较器的输出保持为0，基本触发器保持在置1状态，电容充电至大于时，无法自动结束暂稳态回到稳态。

为了解决这一问题，通常的办法是在其输入端增加一个微分电路，以减小低电平持续的时间，如图7.3.1（b）所示。

7.3.3  集成单稳态触发器

鉴于单稳态触发器的应用十分普遍，在TTL电路和CMOS电路的中规模集成产品中，都有单片集成的单稳态触发器。按功能划分，集成单稳态触发器可分为可重复触发和不可重复触发两种类型，所谓可重复触发是指单稳态触发器在暂稳态期间接收新的触发信号，重新开始暂稳态过程；而不可重复触发，则在暂稳态期间不接收新的触发信号，或者说，即使有新的触发信号到来，其既定的暂稳态过程会照样进行下去，直至结束为止。

74LS121是一种典型的不可重复触发单稳态触发器。其管脚分布和逻辑符号如图7.3.3所示，电路功能如表7.3.1所示。

 

 

表7.3.1  　　74LS121的功能表
输入			输出		说明
0	×	1	0	1	保持稳态
×	0	1	0	1
×	×	0	0	1
1	1	×	0	1
0		1			下降沿触发
	1	1
		1
0	×				上升沿触发
×	0

 

图中、是两个下降沿有效的触发信号输入端，B是上升沿触发有效的触发信号输入端。、是外接定时电阻和电容的连接端，、是两个互补输出端。

定时元件连接方式如图7.3.4所示，图（a）中外接电阻取值在1.4~30之间，

 

外接电容取值在10~10之间，得到的脉冲宽度范围为20ns~200ms，图（b）采用了74LS121内置的2K电阻。

输出的脉冲宽度由下式确定。

                         （7.3.5）

在定时时间结束之后，定时电容有一段充电恢复时间，如果在此恢复时间内又输入触发脉冲，电路可以被触发，但输出脉冲宽度就会小于规定的定时时间。这是使用74LS121应注意的一个问题。

74LS122是一种比较典型的可重复触发TTL单稳态触发器。其管脚分布和逻辑符号如图7.3.5所示。电路功能如表7.3.2所示。

 

 

 

表7.3.2  　　74LS122的功能表
输入					输出		说明
0	×	×	×	×	0	1	复位
×	1	1	×	×	0	1	保持稳态
×	×	×	0	×	0	1
×	×	×	×	0	0	1
1	0	×		1			上升沿触发
1	0	×	1
1	×	0		1
1	×	0	1
	0	×	1	1
	×	0	1	1
1	1		1	1			下降沿触发
1			1	1
1		1	1	1

 

74LS122有四个触发信号输入端：、为下降沿触发有效，、为上升沿触发有效。为低电平有效的直接复位输入端，、是两个互补输出端，外接定时电阻和电容的连接与74LS121相同，通常的取值范围为5~50，电容的取值范围基本没有限制。

当定时电容>1000PF时，可用下式估算输出脉冲宽度

                        （7.3.6）

与74LS121类似，74LS122在暂稳态结束后，需经过恢复时间，电路才能返回稳态。

7.3.4  应用举例

单稳态触发器是常用的单元电路，在脉冲波形的变换、整形等方面都有着广泛的应用，下面通过几个简单例子说明其应用。

1．  延时与定时

所谓延时是指将信号延迟一段时间后输出，由于单稳态触发器在触发信号（如下降沿）到来之后，能产生一个宽度为的矩形脉冲，如图7.3.6所示。观察单稳电路输出

 

 

与的时间关系，可看出，的下降沿比的下降沿滞后了，也即延迟了。所以单稳电路输出的脉冲宽度反映其延迟特性。

在图7.3.6（a）中，单稳态触发器的输出，作为与门的定时控制信号，当为高电平时，与门打开，；当为低电平时，与门关闭，。显然，单稳态触发器输出高电平的时间，规定了与门打开的时间，如图7.3.6（b）所示。即单稳态触发器起着定时的作用。

2．整形

单稳态触发器能够把不规则的输入信号整形成为幅度、宽度都相同的矩形脉冲，如图7.3.7所示。由于脉冲宽度仅取决于RC定时元件的参数值，因此，单稳态触发器还可改变输入脉冲的占空比。