双稳态触发器是数字和脉冲电路中常见的基石组件。双稳态触发器具有两个稳定状态的特点,在触发信号的作用下,可以从一种稳定状态切换到另一种稳定状态。如果没有触发信号,现有的状态将保持不变。双稳态触发器可以通过晶体管、数字电路或时基电路构造。
下图展示了晶体管双稳态触发器电路:
它由两个晶体管 VT1 和 VT2 交叉耦合组成。R5 和 R3 是 VT1 的基极偏置电阻,R2 和 R6 是 VT2 的基极偏置电阻,R1 和 R4 分别是两个晶体管的集电极电阻。输出信号可以从两个晶体管的集电极获取,两个晶体管的输出信号相反。双稳态触发器实际上由两级共射极开关电路组成,形成正反馈回路,如图所示,VT2 的集电极输出端通过 R5 反馈到 VT1 的基极输入端。
双稳态触发器的两个稳定状态是:VT1 导通,VT2 截止;或者 VT2 导通,VT1 截止。
1)VT1 导通,VT2 截止时的状态
由于 VT1 导通,Uc1=0V,VT2 由于没有基极电流而截止,此时 Uc2=+VCC,通过 R5 为 VT1 提供基极电流,使 VT1 保持导通,如图所示,电路处于稳定状态。
1)VT2 导通,VT1 截止时的状态
由于 VT2 导通,Uc2=0V,VT1 由于没有基极电流而截止,此时 Uc1=+VCC,通过 R2 为 VT2 提供基极电流,使 VT2 保持导通,如图所示,电路处于另一种稳定状态。
双稳态触发器有两种触发方式:单端触发和计数触发。
1)单端触发
单端触发是指将两路触发脉冲分别施加到两个晶体管的基极上,如图所示,该单端触发电路采用将负脉冲施加到导通晶体管基极使其截止的方法,C1 与 R7、C2 与 R8 分别组成两路触发脉冲的微分电路,二极管 VD1 和 VD2 隔离正脉冲,仅允许负脉冲施加到晶体管基极上。
触发过程如下:
假设电路处于 VT1 导通、VT2 截止状态。当在左侧触发端施加脉冲时,通过 C1 和 R7 微分,其上升沿和下降沿分别产生正、负脉冲。正脉冲被 VD1 隔离,负脉冲通过 VD1 施加到导通晶体管 VT1 的基极,使其截止。VT1 的截止又迫使 VT2 导通,双稳态触发器切换到另一个稳定状态。同样,当在右侧触发端施加脉冲时,它将使导通晶体管 VT2 截止,VT1 导通,双稳态触发器再次翻转。下图显示了单端触发的波形。
计数触发电路如图所示,与单端触发电路不同的是,计数触发电路只有一个触发输入端,并且微分电阻 R7 和 R8 不接地,而是改接到本侧晶体管集电极上。
<img image_type="1" img_height="480" img_width="512" mime_type="image/jpeg" src="借助数字电路中的门电,我们能够轻松构建双稳态触发器,无需附加元件或调试,电路简便且可靠。
采用两个非门交叉耦合,可制作出 RS 型双稳态触发器。如下图所示。它具有两个触发输入:R 为复位输入,S 为置位输入,有效电平为 1;以及两个输出:Q 为原码输出。
当 R=1,S=0 时,触发器复位,Q=0;当 S=1,R=0 时,触发器置位,Q=1;当 S=0,R=0 时,触发器输出保持不变;当 S=1,R=1 时,下一状态不确定,应避免触发器出现此状态。下图为其真值表。
采用两个与非门交叉耦合,也能形成 RS 型双稳态触发器,如下图所示。它具有两个触发输入:/R 为复位输入,/S 为置位输入,有效电平为 0;以及两个输出:Q 为原码输出,/Q 为反码输出。
当 /R=0,/S=1 时,触发器复位,Q=0,/Q=1;当 /R=1,/S=0 时,触发器置位,Q=1,/Q=0;当 /R=1,/S=1 时,触发器输出保持不变;当 /R=0,/S=0 时,下一状态不确定,应避免触发器出现此状态。下图为其真值表。
将 D 触发器的反码输出 /Q 连接到自身的数据输入 D,便构建了计数触发式双稳态触发器,如下图所示。触发脉冲从 CP 端输入,上升沿触发。输出信号通常从原码输出 Q 输出,也可从反码输出 /Q 输出。
下图所示为该双稳态触发器电路的工作波形。每个触发脉冲的上升沿都使双稳态触发器翻转一次,因此输出脉冲数为输入触发脉冲数的一半。该双稳态触发器常用于二进制计数单元电路。
采用 555 时基电路构成的双稳态触发器如下图所示,/S 为置位输入,有效电平为 0,R 为复位输入,有效电平为 1。输出信号从 555 时基电路的 3 脚输出,C1,R1 构成 /S 端触发信号微分电路,C2,R2 构成 R 端触发信号微分电路。
该电路的工作过程如下:当 Uo=0 时,在 /S 端加上一个 0 电平触发脉冲,通过 C1,R1 微分后产生一个负脉冲到 555 时基电路的 2 脚,使触发器翻转,Uo=1。此后,在 R 端加上一个 1 电平