按键控制延时灯应用的数字电路分析

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LED1、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。