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。电路原理图如下(两个图是等效图)。
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 LED 1、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。