自激多谐振荡器是一种无稳态电路,但是有两个维持不能长久的暂稳态,因而能够不断地进行转化而形成振荡,如上一篇文章写的交替闪烁信号灯电路。而以下要介绍的是与非门构成的rc微分型单稳态电路。所谓单稳态电路,即有一个稳定状态和一个暂时稳定状态,在输入信号的控制下,能够由稳态转变为暂稳态,经过一定时间后又自动返回到稳定状态,暂稳态的持续时间由元件参数来决定。
电路由与非门ic1a、ic1b和c2、r4等微分电路组成单稳态电路,由按钮开关s1和c1等组成负脉冲触发信号电路,由led1、r5组成显示电路。当电源刚接通,且s1尚未闭合时,电源通过电阻r1和r3向电容c1充电,c1左端为正,r2和r3组成分压电路,使得ic1a的输入端第1脚得到电源电压的1/2,也就是3v左右的电压,高于ic1a的转换电压。而此时ic1b的第6脚接在电源正极上,第6脚为高电平,第5脚由于通过电阻r4接地,所以第5脚为低电平,故ic1b此时输出端第4脚为高电平,该高电平同时加载至ic1a的第2脚,故与非门ic1a的输出端第3脚为低电平。
当按钮开关s1闭合时,在c1上已经充满的电荷通过电阻r3放电,在r3上的放电电流方向是自下而上,与原作为分压电路的电流方向自上而下相反,因此在ic1a的第1脚得到了一个负向尖顶脉冲信号,此时ic1a输出的第3脚将变为高电平,该高电平通过c2送至ic1b的第5脚,由于电容两端电压不能突变,所以ic1b的第5脚也为高电平,第4脚将变为低电平,驱动led1点亮,电路将从稳态变为暂稳态。
随着c2不断充电,ic1b的第5脚电压将逐渐降低,达到ic1b的翻转电位后,第4脚将恢复为高电平,led1熄灭,电路恢复到稳定状态。
这个微分型的单稳态电路的输出脉冲宽度为确定值,即ic1a触发后持续输出高电平的时间是固定值,而led1的持续点亮时间将由定时元件c2和r4决定,其延时时间的计算公式为t=0.94×c2×r4;一般来说,r4的取值范围相对较小,c2的取值范围可以大些。
电路中s1是无锁按钮开关,实验时先将开关置于“on”,闭合状态,然后再断开,以模拟按钮开关的工作过程。我们可以通过实验可以发现,s1闭合的时间长短,甚至按住不放,对输出脉冲的宽度也没什么影响,led1的点亮时间长短不会发生改变。
有条件的话可以用示波器来观察ic1a的第1脚波形,在s1闭合瞬间,总会存在或多或少的,或通或断的毛刺,这是机械开关触点在闭合瞬间普遍存在的现象,一般称之为“抖动”。但是经过单稳态点亮后,就可以输出一个波形前后沿陡峭,宽度一定的负向脉冲信号,这就是微分型单稳态电路的信号波形定宽和整形的作用。
4011芯片内共有4组二输入端与非门,这里只用了其中的两组,其余二组未用到的与非门,它们的输入端不宜悬空,应接在高电平或低电平,以防止因悬空导致输入端电平处于不定状态,导致芯片逻辑发生错误,影响电路的稳定性。
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一种无稳态数字电路的自激多谐振荡器
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