我们先来设计一下延时开关。
延时开关是利用电容充电时电容两端电压逐渐升高的特性实现的。
看看RC电路:
接通电源后,电容开始充电。刚开始充电电流最大,电容可以看成一个小电阻。根据欧姆定律,C两端的电压很小。
当C带电时,C相当于一个电阻无穷大的开路。根据分压定理,C两端的电压等于电源电压。
R和C越大,充电时间越长,R和C越小,充电时间越短。
可以通过在RC电路中连接继电器来形成延迟开关。
设R=10欧姆,J1的控制端电阻为R1,R1=10欧姆,电源电压为2伏,J1的控制端工作电压为1伏,即当控制端电压为1伏时,J1导通。
开关K闭合后,RC电路接通电源,C开始充电。在C的充电过程中,C可视为与J1的控制端并联的电阻。如果并联电阻是R2,可以知道R2R1=R,
也就是说,J1的控制端两端的电压小于1V,J1处于断开状态。
当C充满电时,C为开路,电阻无穷大。这时,电路就变成了R和R1的串联电路。R1两端电压为1伏,达到J1控制端的工作电压,J1导通。
当J1打开时,延迟开关打开。从K闭合到J1导通,会经历C的充电时间,也就是延时时间。
当R和R1的电阻值确定时,C越大,充电时间越长,C越小,充电时间越短。
R、R1和C也可以一起包含在参数计算中,计算出满足要求的充电时间的R、R1和C。也就是说,不仅可以通过调节C的大小来获得所需的充电时间,还可以通过调节R和R1的阻值来调节充电时间。
实际上,R1和C在这里是并联的,对充电时间的影响可能有点复杂。
但实际上并不需要精确的计算。根据经验和一些调试,可以获得合适的R、R1和C,以满足所需的充电时间。
用三极管电路表示延时开关;
电路中延迟开关的示意图:
输入端接电源正极后,经过一段延时后,输出端输出1,为高电位,也可以说是正极电压。
注意输入端必须一直接在电源正极,延时开关才能正常工作。
再看脉冲延时开关,《设计 逻辑电路 的 开关元件》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/13412340.html介绍双稳态开关,
双稳态开关示意图:
因为通常只有一个输出可用,所以只画出了out 1。
延时脉冲开关电路图:
当在输入端输入1脉冲时,double 1的out 1变为1,触发delay 1,delay 1开始充电。延时时间过后,延时1输出1,输出端输出1,double 2的out 1变为1,触发延时2,延时2开始充电。延时时间过后,delay 2输出1,double 1和double 2的out 1都变成0,这个工作过程结束。
在这个工作过程中,输入端输入1的脉冲后,输出端经过1的延时后输出1,再经过2的延时后输出0,双1和双2的out 1变成0,经过1和2的一定延时后放电,然后关断。断开后,整个电路恢复到初始状态。
在这个工作过程中,输出端输出一个1脉冲,脉冲宽度是延时2的充电时间,即延时2的延时时间。
其实这个设计是有问题的。双2出1=1支持延迟2输出1。如果双2出1=0,延时2输出0,而延时2输出1使双2出1变为0,双2出1变为0,形成循环依赖,可能导致不稳定问题。
一般来说,这是一种直接的反馈,可能会导致不稳定或者意想不到的结果。
但这似乎与实际元器件和电路的质量性能有关。对于理想的元器件和电路来说,这样的设计似乎没什么问题。
理想元件和电路对信号的响应是瞬间的,可以说是“极短的时间”,每个元件都能保证响应的完成,并且保证按顺序完成,所以没有问题。
其实delay 2输出1是为了让double 2 out 1变成0,需要保证一小段时间。在此期间,即使双2出1变为0,延时2仍然可以输出1,保证双2出1变为0。这段时间后,延迟2输出0。
如果存在这个问题,如何改进设计?供大家思考,我懒得画了,哈。
我们先假设这个问题不存在,然后再分析。
给电容充放电是一件很麻烦的事情。以延迟1为例。如果电容器充满电,延迟1将被连接。当双1输出0时,相当于延时1断开电源,电容放电,并且必须在下次充电前,也就是下次触发延时开关前完成放电。
最快的情况下,这个操作之后执行下一个操作,下一个操作完成后返回调用这个操作,类似于程序中的loop和goto。
这就要求这个操作的放电时间要短于下一个操作的充电时间——下一个操作输出1的时间(1脉冲的脉宽),越小越好。
如果这个操作需要很长时间,说明这个操作的充电时间很长。如果下一次操作花费的时间很短,说明下一次操作的充电时间很短,这就要求本次操作的放电时间更短。
因此,这需要较长的充电时间和较短的放电时间,这在技术上是困难的。
因为需要权衡充电电阻和放电电阻,所以从上面的电路图可以看出,充电电阻为R,放电电阻为继电器控制端的线圈电阻。
对于NPN三极管电路,放电电阻是基极电阻的基极和发射极之间的电阻。
基极电阻是连接到基极的电阻,发射极电阻是连接到发射极的电阻,
基极和发射极之间的电阻=晶体管内部基极区的电阻、发射极区的电阻以及基极区和发射极区之间的PN结的电阻。
当然,实际上一部分放电电流流经充电电阻R,到集电极,到发射极,通过发射极电阻到电容的负端。
因此,需要平衡地设计这些电阻,发射极电阻也与输出电压有关,输出电压与连接到发射极的外部电路的电阻(阻抗)有关。这是“输出阻抗”问题吗?
在电容器放电的初始阶段,延迟1可能仍然开启。这个时间要不要计入延时开关的导通时间,也就是输出1脉冲的脉宽?
延时1的输出端一方面是延时脉冲开关的输出端,另一方面与双2的in 1相连。当out 1为0时,in 1会输出一定的低电压,与外部电路耦合。延时1和输出端之间要加继电器还是三极管开关解耦?
或者在延时1和双2之间加一个继电器或三极管开关进行解耦?
或者将输出端设置在双2的out 1,用双2的out 1作为延时脉冲开关的输出端,但延时2的输入端会与外电路耦合,延时2放电时,放电电流会流向外电路。
这似乎导致了“输入阻抗”和“输出阻抗”的问题。两个元件要配合使用,输入阻抗和输出阻抗要匹配,或者满足对方给定的规格,很可能就是输入阻抗和输出阻抗的问题。
规格是指阻抗的范围。两个元件应连接在一起,其输出阻抗应在另一侧给定的输入阻抗范围内。并且,对方的输入阻抗要在自己给定的输出阻抗范围内。
耦合是普遍存在的,但是可以通过制定统一的输入和输出接口来管理和调整。
输入输出接口可以减少耦合,统一输入输出接口可以统一计算输入输出的耦合,可以计算很多元件连在一起时的耦合积累,可以计算并联的最大耦合和串联的最大耦合,并控制在一个比较小的范围内。在这个范围内,耦合对电路的影响很小,电路可以正常工作。
通过电路参数的设计和晶体管技术质量的提高,在元件数量较多的情况下,耦合的累积量仍然较小,不会超过一定的范围,就像数学上的极限一样。
这是一种理想的情况。
晶体管的技术质量,如开关特性,在导通时非常小,在关断时非常大。开关的对比度越大,电路的误差耦合越小,电路越稳定,电路的规模可以越大。电路规模是指元件的数量。例如大规模集成电路、超大规模集成电路。
误差耦合就是上面提到的不必要但存在的耦合,会造成电路的误差。如果误差在一定范围内,电路可以正常工作并表达预期的逻辑。如果累计误差超过一定范围,电路就会出错,表现出错误的逻辑,比如导通关断,关断导通,或者,不能导通就不关断。
数字电路的误差耦合可以分为两类:
1基本开关电路的错误耦合
2特定电路的错误耦合
先说基本开关电路的误差耦合。理论上,继电器是理想的开关元件,所以不存在误差耦合。由于继电器的控制端和输入输出端是两条独立的线路,继电器没有基本开关电路的错误耦合。
三极管的基极、发射极、集电极共用一条线,相当于控制端和输入输出端共用一条线。因此,三极管开关电路具有基本开关电路的误差耦合。
当特定电路的误差耦合,例如上述双稳态电路的in1,直接与延迟脉冲开关的输出端连接时,可以通过延迟脉冲开关的输出端向外部电路输出低电压。例如,当上述延迟2的输入端连接到延迟脉冲开关的输出端时,放电电流可以通过延迟脉冲开关的输出端输出到外部电路。
假设本次操作的延迟脉冲开关的延迟时间与下一次操作的延迟时间相同,并且下一次操作完成后返回到本次操作,那么,简单而理想地,这两次操作的延迟脉冲开关交替输出的脉冲可以用方波表示:
简单而理想,延时1的充电时间可以看成一个方波周期,放电时间应该在0.5个周期以内,越小越好。如上所述,在技术上,可能很难使放电时间比充电时间短得多。这里因为充电时间=1半周=1半周=1半周最大放电时间,所以可以使0半周比1半周长,所以充电时间还是比放电时间长。但放电时间的范围变大,或者说0半周比1半周长,最大放电时间越接近充电时间,技术上更容易实现。
对于延迟2,充电时间为1.5个周期,放电时间为该周期的0.5个周期。所以延时2的允许放电时间远大于充电时间,技术上很容易实现。
注意,允许放电时间比充电时间长得多,最大允许放电时间可以长达这个周期和下一个周期的0.5周,但不代表就应该这么长。其实应该比这个小,越小越好。
上面提到的问题,早期的计算机工程师应该都遇到过,或者经历过。
我们再来看看一次性开关。这里我们将使用开关元件,以及开关元件的原理图:
当控制端为1时,输入端和输出端打开,当控制端为0时,输入端和输出端关闭。
开关元件可以是继电器、三极管开关电路等。
三极管开关电路图:
一次性开关电路图:
当控制端输入脉冲1时,双1的out 1变为1,从而开关1接通。此后,输入端通过开关1输入1,使得double 2的out 1变为1,从而开关2被接通。
之后,当输入端的1结束时,变为0,0使非门输出1,通过开关2输出到双1的in 2,使双1 out 1变为0,开关1关断。
当开关1断开时,输入端无论输入什么都会为零,这就是一次性开关的作用:当控制端输入一个脉冲时,一次性开关开始工作,输入端和输出端导通;当输入端输入一个脉冲时,输出端将输出一个脉冲;脉冲结束后,一次性开关会停止工作,无论输入什么,输入端都是零。
还有,当控制端输入1时,双1 out 1会输出1到双2 in 2,使得双2 out 1变成0,开关2关断。这样就切断了非门和双1 in 2之间的通路,否则非门输出的1会阻止双1 out 1变成1。最后一次使用后,双2出1一直是1,开关2一直开着。
还需要指出的是,双稳态开关在第一次使用前要设置好初始状态,因为双稳态电路在通电后的状态是随机的。如果要求初始状态为out 1=1,可以通过使in 1=1来设置这个初始状态。hfy
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