單穩態電路和無穩態電路
實驗目的
1. 瞭解組成單穩態和無穩態電路的邏輯。
2. 認識單穩態、雙穩態、無穩態三種電路之間的內在聯繫。
3. 練習用集成門組成單穩態和無穩態電路。
4. 練習用D觸發器組成單穩態電路。練習用集成單穩態芯片組成單穩態電路。
儀器用具
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儀器 |
型號 |
規格 |
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直流穩壓電源 |
Suin SS1792F |
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信號發生器 |
Tek AFG3051C |
1G/s/s 50MHz |
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示波器 |
Tek TDS 1012C-EDU |
1Gs/s 100MHz |
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萬用表 |
KEITHLEY 2110 5 1/2 |
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47k電位器1個，電阻、電容若干，74LS00,CD4011,CD4013芯片若干 |
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表 1 儀器用具
實驗原理
1. 雙穩態電路。
電路圖如下，直耦強正反饋系統組成的環路。置位信號Set，復位信號Reset爲雙穩態電路的兩個控制端信號。
圖 1 雙穩態電路
2. 單穩態電路。
電路圖如下，在雙穩態電路的基礎上，將Set信號的響應信號延遲一段時間後作爲Reset信號回輸給電路自身，得到單穩態電路。G2G3組成閂鎖，通過阻容延遲電路反饋，稱爲單穩態電路。G0G1爲觸發脈衝形成電路。
圖 2 單穩態電路
3. 無穩態電路。
電路圖如下，進一步將Reset信號的響應信號延遲一段時間後作爲Set信號回輸給電路自身。
圖 3 無穩態電路
無穩態電路另一種形態，G2G3用對稱的阻容電路，如下圖。當兩端的電容電阻都相等時，電路可實現無穩態狀態。
圖 4 對稱阻容無穩態電路
4. 74HC123芯片
74HC123是具有Reset端的高速CMOS單穩振盪器。一個芯片內部集成了兩個互相獨立的單穩模塊，每一個模塊都有復位端R,兩個輸入控制端可以靈活選擇脈衝觸發沿，A端接低電平時，B端上升沿產生單穩輸出信號，反之，B端接高電平時，A端下降沿產生單穩輸出信號。可以通過外接電阻和外接電容來調整輸出脈衝寬度
實驗內容
1. 用阻容延遲電路組成單穩態電路。
電路圖見圖2.採用74LS00芯片。其中
R = 9.9kΩ, C = 500pF, C1 = 100pF, 信號源設置f = 1Hz, 輸出幅度0~5V
調整電位器R1，使脈衝寬度爲1us，此時電位器的阻值爲4.76kΩ，各個端口的波形爲
圖 5 輸入脈衝和G2端輸出波形 圖6 輸入脈衝和G3端輸出波形
圖 7 輸入脈衝和RC之間輸出波形
分析：
(1) 做完實驗之後才發現我得到的時序圖和其他人的不一樣。主要問題在於，我的兩個與非門的工作狀態和其他人的相反，即保持穩態的時候，我的Q輸出是高電平，這樣的結果就是，無論來自G1的輸入是高電平還是低電平，Q的輸出仍會保持爲高電平.所以G1輸入的脈衝會失去作用。
(2) 但實際上從G3的輸出波形可以看出，在輸入脈衝之後，G3輸出端的電平還是經過了一個克服波動的過程，其幅度爲2.0V，寬度爲200ns。這樣一個過程可以體現單穩態的特性。
(3) G2端的輸出波形和RC之間的波形都不是很理想，只能體現輸入脈衝瞬間電路發生了微弱的變化，但是電平並沒有很大改變。
(4) 出現這個問題可能的原因：電阻、電容參數的設置不合理，阻容電路的電阻設置應該用20kΩ，我使用了10kΩ，這可能導致電路的工作狀態的逆轉。另外，G1輸出的脈衝也不夠完美。
2. 用阻容延遲電路組成無穩態電路。
電路圖如圖3，採用CD4011芯片，R=19.9KΩ,C=500pF
輸出Q(G2輸出端)穩定在5.12V，G3輸出端不穩定，波形爲方波，佔空比約50%，週期爲1.09MHz。
把電阻替換成電位器，當從大到小連續改變電位器的阻值時，G2輸出端的波形經歷了從穩定的高電平變成佔空比不是50%的方波的過程，而G3的輸出端則從方波變成三角波。圖形如下：
分析：
(1) 理想的波形是兩個輸出分別是反相的方波，佔空比約50%.但是按照既定的參數得到只有一個輸出是無穩態，所以嘗試改變電阻。
(2) 改變電阻之後，G2的輸出確實能變成無穩態，但是波形仍不是很理想，上面的組圖中，第3幅最接近這種情形，但是可以看到，波形很不規整。
(3) 阻值不斷增大時，振盪波形的頻率也在不斷增大。這是因爲阻值增大，延遲減小。
(4) 從上面的過程可以看到，阻容電路的參數對實驗結果是決定性的，不僅影響着波形的參數，還決定了波形的特徵形狀，即電路的工作狀態。
(5) 上面的波形不夠好，可能的原因還有電路焊接問題、芯片問題甚至電路板問題。
3. 用對稱阻容延遲電路組成無穩態電路。
電路圖如圖. 電阻R1=R2=19.9kΩ，電容C1=C2=500pF.
G2G3分別輸出雙穩態方波波形，頻率爲185kHz.
圖 8 對稱阻容無穩態電路波形圖
分析：
(1) 電路工作較爲理想，兩個輸出都是佔空比約50%的方波，電平各自標準，且相反。
(2) 從時間軸放大的圖像可以看到，兩個輸出之間的響應有大約100ns的延遲，這個延遲應該是來自與非門的延遲。
(3) 對稱阻容電路相對上一個實驗，效果更好。
4. 用集成單穩態芯片74HC123設計一個單穩態電路。
電路圖如圖9，C3=500pF,R13取47k的電位器，B端輸入1Hz,0~5V的方波
圖 9 單穩芯片實現單穩電路
在5和12端口輸出反相的兩個脈衝波形，通過調整電位器的阻值，可以實現對脈衝寬度的控制。如圖10（脈衝寬度7us）
圖 10 單穩芯片輸出脈衝
分析：
(1) 74HC123是一個高度封裝的單穩芯片，外電路只需要焊接一個電容一個電阻即可，且通過改變電阻可以方便地調控脈衝寬度，實驗中脈衝寬度的範圍可達幾百ns至幾十us
(2) 除了剛響應的時刻有一個吉布斯現象之外，脈衝的波形非常完美。
思考題
1. 多諧波振盪器和環形振盪器的異同。
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多諧波振盪器 |
環形振盪器 |
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相同之處 |
都能形成振盪，產生週期性的波形， |
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都能通過改變器件參數控制振盪頻率 |
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不同之處 |
與非門工作在截至區、飽和區 |
與非門工作在線性放大區 |
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頻率由阻容延遲決定，頻率較低 |
頻率由與非門自身延遲決定，頻率較高 |
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輸出波形是方波 |
輸出波形是多諧波疊加成的不規則波形 |
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表 2 思考題一
2. 用一個集成單穩芯片組成一個無穩態電路。
設計方案：將Q’信號輸出到A端，B端只要給一個上升沿，然後一直保持高電平，即可實現無穩態電路。佔空比爲 ，其中 是脈衝寬度，tw是芯片輸入端到輸出端的延遲，爲40~50us.
時序圖如圖：
圖 11 用74HC123實現無穩態電路時序圖
實驗數據