28、电子电路中的单稳态与双稳态多谐振荡器

电子电路中的单稳态与双稳态多谐振荡器

在电子电路领域，多谐振荡器是一类重要的电路，它们在脉冲电路和波形生成方面发挥着关键作用。本文将深入探讨单稳态（单触发）多谐振荡器和双稳态多谐振荡器（触发器）的工作原理、特点及应用。

1. 单稳态（单触发）多谐振荡器

单稳态多谐振荡器是一种具有两个输出状态的电子电路，但只有一个状态是稳定的。在没有输入信号时，电路通常处于正常状态（一般为逻辑 0）。当输入信号触发时，输出状态会在短时间内反转，从 0 变为 1，然后再回到正常状态。这个时间周期由外部电阻和电容决定。

1.1 SN74121 单稳态多谐振荡器

SN74121 是一种典型的单稳态多谐振荡器电路。它有三个触发输入引脚：A1、A2 和 B。根据电路的具体需求，可以将这些引脚连接到输入触发信号。在特定条件下，A1 和 A2 为低电平有效，B 为高电平有效，此时单稳态多谐振荡器会产生相应的输出脉冲。

输出保持高电平的时间周期 T 由外部电阻 RX 和电容 CX 决定，其关系为：
[T = 0.33 \times R_X \times C_X]

例如，当 (R_X = 20 K\Omega)，(C_X = 5 \mu F) 时，脉冲宽度 (T = 100 ms)。使用 74121 器件时，输出脉冲宽度可以在 40 ns 到 28 s 之间变化，并且它是可重触发的，即输入可以是周期性脉冲序列。

单稳态多谐振荡器主要用于脉冲整形应用，例如加宽窄脉冲或阻挡不需要的输入脉冲。

1.2 基于运算放大器的单稳态多谐振荡器

单稳态多谐振荡器也可以使用运算放大器构建。在输入脉冲为 0 时，运算放大器处于正饱和状态，这是电路的稳定状态。此时，二极管 D1 正向偏置，电容 C1 两端的电压约为 0.7 V，运算放大器反相输入端的电压也为 0.7 V。

通过电压分压公式，运算放大器同相输入端的电压为：
[v^+ = \frac{R_2}{R_1 + R_2} \times V_{sat}^+]

通常，选择电阻 (R_1) 和 (R_2) 使得 (R_2/R_1 = 10)，从而 (v^+ \gg v^-)，运算放大器的输出保持在正饱和状态。

当输入一个负向脉冲，其幅度超过同相输入端的电压时，运算放大器的输出会进入负饱和状态。但这种状态是暂时的，因为二极管 D1 反向偏置，电容 C1 开始负向充电。当电容电压变得比同相输入端的电压更负时，运算放大器的输出再次回到正饱和状态。

输出处于负饱和状态的时间 t 由电容 C1 和反馈电阻 Rf 的时间常数以及电阻比 (R_1/R_2) 决定。其表达式为：
[t = R_F C_1 \ln \frac{1}{1 - a}]
其中，(a = \frac{R_1}{R_1 + R_2})

也可以表示为：
[t = R_F C_1 \ln (1 + \frac{R_1}{R_2})]
如果 (R_2/R_1 = 10)，则 (t \approx 0.1R_F C_1)

1.3 基于 555 定时器的单稳态多谐振荡器

使用 555 定时器也可以构建单稳态多谐振荡器。在稳定状态下，SR 触发器处于复位状态，晶体管饱和，电容电压接近 0 V。输入端子的电压足够高，使得比较器 2 的输出为低电平，输出 Q 也为低电平。

当输入一个负向脉冲时，比较器 2 的输出变为高电平，触发器置位，输出 Q 变为高电平，Q 变为低电平，晶体管截止。此时，电容开始通过电阻 R1 充电，电压指数上升。当电容电压超过比较器 1 的阈值电压（(\frac{2}{3}V_{CC})）时，比较器 1 的输出变为高电平，触发器复位，晶体管饱和，电容放电，多谐振荡器回到稳定状态。

脉冲宽度 T 可以通过以下公式计算：
[T \approx 1.1R_1 C]

2. 双稳态多谐振荡器（触发器）

双稳态多谐振荡器，通常称为触发器，是一种具有两个稳定输出状态的电子电路，其中一个输出是另一个输出的互补状态。只有在输入命令的控制下，输出状态才会改变。下面将介绍固定偏置触发器、自偏置触发器和施密特触发电路。

2.1 固定偏置触发器

固定偏置触发器是早期的一种触发器类型。在这种电路中，集电极电阻 (R_C) 的值被选择为确保集电极电流不超过最大允许电流。同时，电阻 (R_1)、(R_2) 和偏置电压 (V_{BB}) 的值被选择为使得在一个状态下，基极电流足以使一个晶体管饱和，而在另一个状态下，基极 - 发射极结处于截止状态。

下面通过一个例子来说明其工作原理。假设有一个固定偏置触发器电路，晶体管的最小 (h_{FE}) 值为 50。

假设晶体管 (T_1) 截止，晶体管 (T_2) 导通。由于饱和电压较小（约 0.2 V），我们先忽略它们，令 (V_{C2} \approx 0 V)，(V_{B2} \approx 0 V)。

通过电压分压公式计算 (V_{B1})：
[V_{B1} = \frac{15 K\Omega}{100 K\Omega + 15 K\Omega} \times (-12 V) = -1.57 V]
这个电压足以使晶体管 (T_1) 截止。

为了验证晶体管 (T_2) 是否处于饱和状态，我们先计算 (I_1) 和 (I_2)：
[I_1 = \frac{12 V}{2.2 K\Omega} = 5.45 mA]
[I_2 = \frac{0 - (-12 V)}{100 K\Omega + 15 K\Omega} = 0.10 mA]

则集电极电流 (I_{C2} = I_1 - I_2 = 5.35 mA)。

通常，最小基极电流 (I_{Bmin}) 从晶体管的集电极特性曲线读取。由于没有给出曲线，我们使用给定的最小 (h_{FE}) 值来计算饱和所需的最小基极电流：
[I_{Bmin} = \frac{I_{C2}}{h_{FE}} = \frac{5.35 mA}{50} = 0.11 mA]

接下来计算 (I_{B2})：
[I_3 = \frac{12 V}{2.2 K\Omega + 15 K\Omega} = 0.70 mA]
[I_4 = \frac{12 V}{100 K\Omega} = 0.12 mA]
[I_{B2} = I_3 - I_4 = 0.58 mA]

由于 (I_{B2} > I_{Bmin})，晶体管 (T_2) 处于深度饱和状态。

最后，集电极电压 (V_{C1}) 为：
[V_{C1} = 12 V - 2.2 K\Omega \times I_3 = 10.5 V]

在假设饱和电压为 0 V 的情况下，该触发器稳定状态下的电压和电流总结如下表：
| 参数 | 值 |
| ---- | ---- |
| (I_{C1}) | 0 mA |
| (V_{C1}) | 10.5 V |
| (I_{C2}) | 5.35 mA |
| (V_{C2}) | 0 V |
| (I_{B1}) | 0 mA |
| (V_{B1}) | -1.56 V |
| (I_{B2}) | 0.58 mA |
| (V_{B2}) | 0 V |

另一个稳定状态是晶体管 (T_1) 导通，晶体管 (T_2) 截止，此时电压和电流在两个晶体管之间互换。

2.2 自偏置触发器

自偏置触发器也是早期的一种触发器类型。它使用一个公共发射极电阻 (R_E) 来提供自偏置，从而消除了对负电源的需求。

下面通过一个例子来说明其工作原理。假设有一个使用 P - N - P 相同晶体管的自偏置触发器电路，我们需要计算其稳定状态下的电流和电压，并找出使导通晶体管保持饱和的最小 (h_{FE}) 值。

假设晶体管 (T_1) 截止，晶体管 (T_2) 导通。首先，我们需要计算电压 (V_{EN1})。

从电路中可以观察到 (V_{EN2} = V_{EN1})，且 (V_{EN2} = -(I_{B2} + I_{C2}) \times R_E)。

为了找到饱和电流 (I_{B2}) 和 (I_{C2})，我们应用戴维宁定理。先将晶体管 (T_2) 的集电极电路和基极电路分别替换为其等效电路，然后将它们组合起来，并插入晶体管 (T_2)。

通过一系列计算，我们得到戴维宁等效电压和电阻，然后应用基尔霍夫电压定律（KVL）列出方程：
[8.23I_{B2} + 0.5I_{C2} = 2.03]
[0.5I_{B2} + 4.14I_{C2} = 10.7]

使用 MATLAB 求解上述方程组：

A=[8.23  0.5; 0.5  4.14]; 
B=[2.03  10.7]'; 
x=A\B;
fprintf(' \n'); 
fprintf('IB2=%2.3f mA \t',x(1));
fprintf('IC2=%2.3f mA \t',x(2)); 
fprintf(' \n')

解得 (I_{B2} = 0.090 mA)，(I_{C2} = 2.574 mA)。

则最小 (h_{FE}) 值为：
[h_{FE} = \frac{I_{C2}}{I_{B2}} = \frac{2.57}{0.09} = 28.5]

根据这些值，我们可以计算出其他电压值，如 (V_{CN2})、(V_{BN2}) 等。

该自偏置触发器稳定状态下的电压和电流总结如下表：
| 参数 | 值 |
| ---- | ---- |
| (I_{C1}) | 0 mA |
| (V_{CN1}) | -10.83 V |
| (I_{C2}) | 2.57 mA |
| (V_{CN2}) | -1.53 V |
| (I_{B1}) | 0 mA |
| (V_{BN1}) | -1.56 V |
| (I_{B2}) | 0.09 mA |
| (V_{BN2}) | -2.03 V |
| (V_{EN1}) | -1.33 V |
| (V_{EN2}) | -1.33 V |

综上所述，单稳态和双稳态多谐振荡器在电子电路中都有重要的应用。单稳态多谐振荡器用于脉冲整形和信号处理，而双稳态多谐振荡器则用于存储和控制信号。通过合理选择电路参数和元件，可以实现各种复杂的电子系统。

下面是单稳态多谐振荡器和双稳态多谐振荡器工作过程的 mermaid 流程图：

graph TD;
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([单稳态多谐振荡器]):::startend --> B{有输入信号?}:::decision;
    B -- 是 --> C(输出状态反转):::process;
    B -- 否 --> D(保持正常状态):::process;
    C --> E(根据 RC 时间回到正常状态):::process;

    F([双稳态多谐振荡器]):::startend --> G{有输入命令?}:::decision;
    G -- 是 --> H(输出状态改变):::process;
    G -- 否 --> I(保持当前状态):::process;

这个流程图展示了单稳态和双稳态多谐振荡器的基本工作流程。单稳态多谐振荡器在有输入信号时改变状态，然后根据 RC 时间常数回到正常状态；双稳态多谐振荡器只有在输入命令时才改变状态。

希望本文能够帮助读者更好地理解单稳态和双稳态多谐振荡器的工作原理和应用，为电子电路的设计和分析提供有益的参考。

电子电路中的单稳态与双稳态多谐振荡器

3. 多谐振荡器的应用场景分析

多谐振荡器在现代电子设备中有着广泛的应用，下面将详细介绍单稳态和双稳态多谐振荡器在不同领域的具体应用。

3.1 单稳态多谐振荡器的应用

• 脉冲整形 ：在信号传输过程中，脉冲信号可能会因为各种干扰而变得不规则。单稳态多谐振荡器可以将这些不规则的窄脉冲加宽，使其更易于后续电路处理。例如，在通信系统中，接收到的微弱脉冲信号可能会因为噪声干扰而变窄，通过单稳态多谐振荡器可以将其整形为宽度合适的脉冲，提高信号的可靠性。
• 脉冲延迟 ：单稳态多谐振荡器可以实现脉冲的延迟功能。通过调整外部电阻和电容的值，可以精确控制输出脉冲的延迟时间。在一些需要精确时间控制的系统中，如雷达系统、定时控制系统等，单稳态多谐振荡器可以作为脉冲延迟器使用。
• 噪声抑制 ：在存在大量噪声的环境中，单稳态多谐振荡器可以用于阻挡不需要的输入脉冲。只有当输入脉冲的幅度和宽度满足一定条件时，单稳态多谐振荡器才会触发并输出脉冲，从而有效抑制噪声干扰。

3.2 双稳态多谐振荡器的应用

• 数据存储 ：双稳态多谐振荡器的两个稳定状态可以用来表示二进制的 0 和 1，因此可以作为基本的存储单元。在计算机内存、寄存器等存储设备中，大量的双稳态多谐振荡器组合在一起，实现数据的存储和读取功能。
• 信号控制 ：双稳态多谐振荡器可以根据输入命令改变输出状态，因此可以用于信号的控制和切换。在数字电路中，双稳态多谐振荡器可以作为开关使用，控制信号的通断和流向。
• 频率分频 ：通过对双稳态多谐振荡器的输出信号进行处理，可以实现频率分频的功能。例如，将一个高频信号输入到双稳态多谐振荡器中，经过多次状态切换后，可以得到一个低频信号，实现频率的分频。

4. 多谐振荡器的设计与优化要点

在设计和使用多谐振荡器时，需要考虑一些关键因素，以确保其性能和可靠性。

4.1 元件选择

• 电阻和电容 ：电阻和电容的精度和稳定性对多谐振荡器的性能有很大影响。在选择电阻和电容时，应尽量选择精度高、温度系数小的元件，以保证输出脉冲的宽度和频率的稳定性。
• 晶体管和集成电路 ：晶体管和集成电路的参数和特性也会影响多谐振荡器的性能。在选择晶体管和集成电路时，应根据具体的应用需求选择合适的型号，并注意其最大允许电流、电压等参数。

4.2 电路布局

• 布线 ：合理的布线可以减少电路中的干扰和噪声。在布线时，应尽量缩短信号线的长度，避免信号线之间的交叉和耦合。同时，应将电源线和地线分开布线，以减少电源噪声对电路的影响。
• 接地 ：良好的接地是保证电路稳定性的关键。在设计电路时，应采用单点接地或多点接地的方式，确保所有元件的接地电位一致。

4.3 温度补偿

多谐振荡器的性能会受到温度变化的影响。为了减少温度对电路的影响，可以采用温度补偿措施。例如，在电路中加入热敏电阻或温度传感器，根据温度变化自动调整电路参数，以保证输出脉冲的稳定性。

5. 多谐振荡器的故障诊断与排除

在实际使用中，多谐振荡器可能会出现各种故障，需要进行及时的诊断和排除。

5.1 常见故障类型

• 输出脉冲异常 ：输出脉冲的宽度、频率或幅度不符合设计要求，可能是由于元件参数变化、电路布线不合理或电源电压不稳定等原因引起的。
• 无输出信号 ：多谐振荡器没有输出信号，可能是由于元件损坏、电路短路或断路等原因引起的。
• 不稳定工作 ：多谐振荡器的输出信号不稳定，可能是由于温度变化、噪声干扰或电源波动等原因引起的。

5.2 故障诊断方法

• 观察法 ：通过观察电路的外观和工作状态，检查元件是否有损坏、焊点是否松动等情况。
• 测量法 ：使用万用表、示波器等仪器测量电路中的电压、电流、频率等参数，判断电路是否正常工作。
• 替换法 ：将怀疑有故障的元件替换为新的元件，观察电路的工作状态是否恢复正常。

5.3 故障排除步骤

下面是一个故障排除的流程图，展示了排除多谐振荡器故障的一般步骤：

graph TD;
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(观察电路外观):::process;
    B --> C{是否有明显损坏?}:::decision;
    C -- 是 --> D(更换损坏元件):::process;
    C -- 否 --> E(测量关键参数):::process;
    E --> F{参数是否正常?}:::decision;
    F -- 是 --> G(检查布线和接地):::process;
    F -- 否 --> H(分析异常原因):::process;
    H --> I(更换可能故障元件):::process;
    I --> J(重新测量参数):::process;
    J --> K{参数是否正常?}:::decision;
    K -- 是 --> L(测试电路功能):::process;
    K -- 否 --> H;
    D --> L;
    G --> L;
    L --> M{功能是否正常?}:::decision;
    M -- 是 --> N([结束]):::startend;
    M -- 否 --> H;

按照这个流程图，可以逐步排查多谐振荡器的故障，直到找到并解决问题。

6. 总结与展望

多谐振荡器作为电子电路中的重要组成部分，在脉冲电路和波形生成方面发挥着不可替代的作用。单稳态多谐振荡器通过改变输出状态实现脉冲整形和信号处理，而双稳态多谐振荡器则通过保持两个稳定状态实现数据存储和信号控制。

在实际应用中，我们需要根据具体的需求选择合适的多谐振荡器类型，并合理设计电路参数和布局，以确保其性能和可靠性。同时，掌握多谐振荡器的故障诊断和排除方法，可以帮助我们及时解决电路中出现的问题，提高电子设备的稳定性和可用性。

随着电子技术的不断发展，多谐振荡器的性能和功能也在不断提升。未来，我们可以期待多谐振荡器在更高频率、更低功耗、更小尺寸等方面取得更大的突破，为电子设备的小型化、智能化和高性能化提供更有力的支持。

以下是单稳态和双稳态多谐振荡器的关键参数对比表格：
| 类型 | 稳定状态 | 触发方式 | 输出特点 | 应用场景 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 单稳态多谐振荡器 | 一个稳定状态 | 输入信号触发 | 短时间改变状态后回到稳定状态 | 脉冲整形、延迟、噪声抑制 |
| 双稳态多谐振荡器 | 两个稳定状态 | 输入命令触发 | 保持状态直到新的输入命令 | 数据存储、信号控制、频率分频 |

通过这个表格，我们可以更清晰地对比单稳态和双稳态多谐振荡器的特点和应用场景，为实际设计和应用提供参考。

希望本文能够帮助读者深入理解多谐振荡器的工作原理、应用和故障排除方法，为电子电路的设计和维护提供有价值的信息。