单稳态触发器：原理、应用与电路设计

在数字电路和电子系统中，触发器（Flip-Flop）是一种基本存储单元，用于存储二进制状态（0或1）。其中，单稳态触发器（Monostable Multivibrator）是一种特殊的触发器，它只有一个稳定状态，并在外部触发信号的作用下进入一个临时的暂态，经过一定时间后自动返回稳定状态。

单稳态触发器的基本概念

1 什么是单稳态触发器？

单稳态触发器，又称单稳态多谐振荡器，是一种具有以下特点的电路：

• 一个稳定状态（稳态）：在无外部触发信号时，电路保持某一固定输出状态（如高电平或低电平）。
• 一个暂态（准稳态）：当受到外部触发信号时，电路会短暂进入另一个状态，并在固定时间后自动返回稳态。

2 单稳态触发器的核心参数

• 触发方式：可以是上升沿触发、下降沿触发或电平触发。
• 暂态持续时间（脉冲宽度）：由外部RC（电阻-电容）时间常数决定，通常计算公式为：T=k⋅R⋅CT=k⋅R⋅C其中，kk 取决于具体电路设计（如555定时器电路中 k≈1.1k≈1.1）。
• 恢复时间：电路从暂态返回稳态后，需要一定时间才能再次响应新的触发信号。

单稳态触发器的工作原理

1 基本工作过程

单稳态触发器的工作过程可以分为三个阶段：

1. 稳态：电路初始状态为稳定输出（如低电平）。
2. 触发阶段：外部输入一个有效触发信号（如上升沿或下降沿），电路进入暂态（如高电平）。
3. 暂态阶段：电路保持暂态一段时间（由RC时间常数决定），然后自动返回稳态。

2 典型电路实现方式

单稳态触发器可以通过多种方式实现，常见的电路包括：

• 555定时器构成的单稳态电路
• 晶体管+RC电路
• 数字逻辑门（如74LS121、CD4047等）

下面以555定时器单稳态电路为例，详细分析其工作原理。

基于555定时器的单稳态触发器

1 555定时器简介

555定时器是一种经典的集成电路，广泛应用于脉冲生成、定时控制等场景。它由比较器、RS触发器、放电晶体管等组成，能够实现单稳态、双稳态和无稳态（振荡器）三种工作模式。

2 555单稳态电路结构

555构成单稳态触发器时，其基本连接方式如下：

• 触发端（TRIG，引脚2）：接外部触发信号（低电平有效）。
• 阈值端（THRES，引脚6）：与放电端（DIS，引脚7）相连，并通过电容接地。
• 放电端（DIS，引脚7）：通过电阻 RR 接电源 VCCVCC​。
• 输出端（OUT，引脚3）：输出单稳态脉冲信号。

3 工作过程分析

1. 稳态（无触发时）：
   • 输出 OUTOUT 为低电平（0）。
   • 放电晶体管导通，电容 CC 被短路，无法充电。
2. 触发阶段（输入下降沿）：
   • 当触发端（TRIG）接收到一个低电平脉冲（< 13VCC31​VCC​），内部比较器翻转，RS触发器置位，输出 OUTOUT 变为高电平（1）。
   • 放电晶体管截止，电容 CC 开始通过电阻 RR 充电。
3. 暂态阶段（电容充电）：
   • 电容电压 VCVC​ 按指数规律上升，当 VCVC​ 达到 23VCC32​VCC​ 时，阈值端（THRES）触发比较器翻转，RS触发器复位，输出 OUTOUT 返回低电平（0）。
   • 放电晶体管导通，电容 CC 迅速放电，电路恢复稳态。
4. 输出脉冲宽度计算：
   暂态持续时间（脉冲宽度）由 RR 和 CC 决定：T=1.1⋅R⋅CT=1.1⋅R⋅C例如，若 R=10kΩR=10kΩ，C=100μFC=100μF，则 T=1.1×104×10−4=1.1T=1.1×104×10−4=1.1 秒。

单稳态触发器的典型应用

1 脉冲整形

在数字通信中，输入信号可能带有噪声或抖动，单稳态触发器可以将其转换为干净的标准脉冲信号。

2 按键去抖动

机械开关（如按键）在按下或释放时会产生抖动（多个快速变化的电平），单稳态触发器可以滤除抖动，输出稳定的单次触发信号。

3 定时控制

单稳态触发器可用于延时开关、定时报警器等场景。例如：

• 按下按钮后，LED灯亮起并保持5秒后自动关闭。
• 工业设备在触发后执行固定时长的操作。

4 频率分频

通过调整单稳态触发器的暂态时间，可以实现对输入信号的频率分频，生成更低频率的脉冲信号。

其他单稳态触发器实现方式

1 晶体管单稳态电路

由两个晶体管、电阻和电容组成，利用晶体管的开关特性和RC充放电实现单稳态功能。

2 数字逻辑IC单稳态触发器

如74LS121（TTL）或CD4047（CMOS），这些芯片内置单稳态逻辑，只需外接RC元件即可工作。

单稳态触发器是一种重要的数字电路模块，具有一个稳态和一个暂态的特性，广泛应用于脉冲整形、定时控制、去抖动等场景。555定时器是常见的实现方式，其暂态时间由RC参数决定。此外，晶体管和专用逻辑IC也可用于构建单稳态电路。

理解单稳态触发器的工作原理和设计方法，有助于工程师在电子系统设计中灵活运用，实现精确的定时和信号处理功能。