单稳态触发器与施密特触发器实验优化

一、实验目的

① 掌握使用集成门电路构成单稳态触发器的基本方法。

② 熟悉集成单稳态触发器的逻辑功能及其使用方法。

③ 熟悉集成施密特触发器的性能及其应用。

二、实验原理

在数字系统中，作为时钟信号的矩形波控制和协调整个系统的工作，因此时钟脉冲的特性直接关系到系统能否正常工作。一种矩形波由自激多谐振荡器（不需要外加信号触发的矩形波发生器）产生。另一种矩形波由它激多谐振荡器产生。它激多谐振荡器有两种：单稳态触发器，它需要在外加触发信号的作用下输出具有一定宽度的矩形脉冲波；施密特触发器，它对外加的正弦波等波形进行整形，使电路输出矩形脉冲波。

1. 用与非门组成单稳态触发器

利用与非门作开关，依靠定时元件RC电路的充放电来控制与非门的启闭。单稳态电路有微分型与积分型两大类，这两类触发器对触发脉冲的极性与宽度有不同的要求。

微分型触发器如图2.10.1所示，其中R1，C1构成输入端微分隔离电路；R，C构成微分型定时电路，定时元件R，C的取值不同，输出脉宽tw也不同。

tp≈(0.7～1.3)RC

该电路为负脉冲触发，适用于触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度的情况。稳态时 G1导通，G2截止（G3仅起整形倒相作用）。Ui为负极性时，UA↓→UB↑，由于电容端电压不能跃变，故UD↑→UE↓，该低电平使UB高电平得以维持，电路进入暂稳态。此时，电容C充电，随着I充↓→UD↑，当UD=UT时，电路又翻转成G1导通，G2截止的稳定状态。若Ui的脉宽较小时，则输入端就不必加R1C1微分电路了。

图2.10.1 微分型单稳态触发器

积分型单稳态触发器如图2.10.2所示。电路采用正脉冲触发，适用于触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度的情况。其工作波形如图2.10.3所示。电路的稳定条件是R≤1 kΩ，输出脉冲宽度tw≈1.1RC。

2.10.2 积分型单稳态触发器

图2.10.3 积分型单稳态工作波形图

单稳态触发器共同特点是：加入触发脉冲前，电路处于稳态。此时，可以测得各门的输入和输出电位。加入触发脉冲后，电路立刻进入暂稳态。暂稳态的时间，即输出脉冲的宽度tw，只取决于RC数值的大小，与触发脉冲无关。

2. 用与非门组成施密特触发器

施密特触发器能对正弦波、三角波等信号进行整形，并输出矩形波。图2.10.4（a），（b）所示是两种典型的电路。（a）图中，门G1，G2是基本RS触发器，门G3是反相器；二极管D起电平偏移作用，以产生回差电压。其工作情况如下：设Ui=0，G3截止，R =1，S =0，Q =1， Q=0，电路处于原态。Ui由0V上升到电路的接通电位UT时，G3导通，R =0，S =1，触发器翻为Q =0，Q=1的新状态。此后Ui继续上升，电路状态不变。当Ui由最大值下降到接近UT值的时间内，R仍等于0，S =1，电路状态也不变。当Ui≤UT时，G3由导通变截止，而US=UT +UD为高电平，因而R =1，S =1，触发器状态仍保持。只有Ui降至使US = UT时，电路才翻回到Q =1， Q=0的原态。电路的回差ΔU =UD。

图2.10.4（b）所示是由电阻R1，R2产生回差的电路，工作原理请读者自己分析。

图2.10.4 与非门组成施密特触发器

3. 集成双稳态触发器CC14528（CC4098）及其应用

图2.10.5所示为CC14528（CC4098）的逻辑符号。其功能真值表如表2.10.1所示。

图2.10.5 CC14582的逻辑符号

表2.10.1 CC14528（CC4098）功能真值表

该器件能提供稳定的单脉冲，脉宽由外部电阻RX和外部电容CX决定，调整RX和CX可使Q端和Q端输出脉冲宽度有一个较宽的范围。本器件可采用上升沿触发（+TR）也可用下降沿触发（-TR），为使用带来很大的方便。在正常工作时，电路应由每一个新脉冲去触发。当采用上升沿触发时，为防止重复触发，Q必须连到-TR端。同样，在使用下降沿触发时，Q端必须连到+TR端。

该触发器的时间周期约为TX=RXCX。

所有的输出级都有缓冲级，以提供较大的驱动电流。

应用举例：

① 实现脉冲延迟，如图2.10.6所示。

图2.10.6 实现脉冲延迟

② 实现多谐振荡器，如图2.10.7所示。

4. 集成6施密特触发器CC40106及其应用

图2.10.7所示是CC40106的逻辑符号及引脚功能。它可用于波形的整形，也可作为反相器或构成单稳态触发器和多谐振荡器。

图2.10.7 实现多谐振荡(www.xing528.com)

图2.10.8 CC40106引脚功能

① 将正弦波转换成方波，如图2.10.9所示。

图2.10.9 将正弦波转换成方波

② 构成直接耦合光开关，如图2.10.10所示。

图2.10.10 直接耦合光开关

光照时，输入电压上升至UT+时，输出为低电平，光照消失后，输出恢复至高电平。

③ 构成多谐振荡器，如图2.10.11所示。

④ 构成单稳态触发器，如图2.10.12所示。其中（a）为下降沿触发，（b）为上升沿触发。

图2.10.11 多谐振荡器

图2.10.12 单稳态触发器

三、实验设备与器件

+5 V直流电源；双踪示波器；连续脉冲源；数字频率计；74LS00，74LS04，CC14528， CC40106，电位器、电阻、电容若干。

四、实验内容

① 按图2.10.1接线，输入1 kHz连续脉冲，用双踪示波器观测Ui，UA，UB，UD，UE及Uo的波形，并作记录。

② 改变R或C的值，重复实验内容①。

③ 按图2.10.2接线，重复实验内容①。

④ 按图2.10.4（a）接线，令Ui由0→5 V变化，测量U1，U2的值，并作记录。

⑤ 按图2.10.6连线，输入1 kHz连续脉冲，用双踪示波器观测输入、输出波形，测定T1与T2。

⑥ 按图2.10.7连线，用示波器观测输出波形，测定振荡频率。

⑦ 按图2.10.11连线，用示波器观测输出波形，测定振荡频率。

⑧ 按图2.10.9连线，构成整形电路。被整形信号可由音频信号源提供，图中串联的2kΩ电阻起限流保护作用。正弦信号频率取1 kHz，调节信号电压由低到高变化，观测输出波形的变化。记录输入信号为0 V，0.25 V，0.5 V，1.0 V，1.5 V，2.0 V时的输出波形。

⑨ 分别按图2.10.12（a），（b）连线，进行实验。

五、预习要求

① 预习有关单稳态触发器和施密特触发器的内容。

② 画出实验线路图。

③ 拟好记录实验结果所需的表格。

六、思考题

微分型单稳态触发器，其输入端如果没有微分电路，当输入信号脉宽大于按元件参数计算的输出脉宽时，电路能否正常工作？为什么？

七、实验报告

① 绘出实验线路图，用坐标纸记录波形。

② 分析各次实验结果的波形，验证有关的理论。

③ 总结单稳态触发器及施密特触发器的特点及其应用。