如何阅读数据表：多谐振荡器（第 1 部分）

如果我们使用的是由模拟方式确定时序的多谐振荡器，我们将需要考虑组件容差。

在最近关于“寄存器与锁存器与触发器”主题的专栏中，我们尊敬的编辑 Max Maxfield 提到了多谐振荡器（非稳态、单稳态和双稳态），这引发了评论部分的一些讨论。在这次讨论中，一位 EEWeb 社区成员指出，如果重新触发太接近超时，一些可重新触发的多谐振荡器会出现故障。

这很有趣，我想。我已经有一段时间没有使用这些设备了，所以我决定查看一些数据表，看看这种行为是否反映在设备文档中。

首先，让我们看一个不可重新触发的单稳态多谐振荡器。TI 有一个名为CD74HC221的产品，它可以作为一个很好的示例（与往常一样，我鼓励您在屏幕上打开我们在这些文章中引用的任何数据表或将其打印出来，以便您更轻松地跟进）。

数据表的第一页告诉我们，这是一款“带复位功能的双单稳态多谐振荡器”。该描述解释了时序由外部电阻器和电容器控制，并且一旦触发，输出时序独立于进一步的触发输入，尽管它可以通过复位控制提前终止。

第 1 页的真值表告诉我们，Q 输出通常为低电平，但在输入 A 的下降沿或输入 B 的上升沿会产生一个高脉冲（假设另一个输入处于正确状态）。我看了看第 3 页的逻辑图。看起来这部分包含几个 D 型触发器和几个锁存器。还有几个运算放大器，以及少量晶体管和逻辑门。不过，这个图有点难以理解，所以让我们花点时间看看这部分应该做什么。

单稳态多谐振荡器的目的是允许输入上的短脉冲用于在输出上产生更长的脉冲。下面的时序图显示了它是如何工作的：

请注意，此时序图未按比例绘制。为了显示 !A 和 B 上的脉冲，它们必须相对于 RxCx 上的信号被夸大。查看信号 RxCx，我们可以看到它不是数字信号。触发输入使电容器 C X瞬间放电。释放时，C X通过电阻器 R X充电。只要 RxCx 低于阈值（此处显示为 Vth），Q 就会为高。因为这是一个不可重新触发的多谐振荡器，所以当 Q 为高电平时，逻辑会阻止 RxCx 被拉低（如红色箭头所示）。

因为脉冲长度取决于 C X充电的速度，所以它取决于所使用的电阻器 (R X ) 和电容器 (C X ) 的值。在数据表的第 1 页上，我们找到了用于计算脉冲宽度的以下公式：

t W = 0.7* R X * C X在 VCC = 4.5 V

因此，我们可以根据现有电路中已有的 R X和 C X的值来计算脉冲宽度。或者，我们可以通过为 R X和 C X选择适当的值来创建给定长度的脉冲宽度。

因为找到奇数值的电阻比找到电容器更容易，所以我们将从选择一个方便值的电容器开始，然后我们将计算一个相应的电阻来给我们所需的脉冲宽度。在选择 R X和 C X时，我们需要检查值的限制。我可以在数据表中找到的唯一限制是 R X应大于 500 Ω。

在查看数据表时，我在第 9 页找到了一些有用的图表。这些图表给出了多个 R X值相对于 C X的输出脉冲宽度，它们为选择组件值提供了一个有用的起点。

例如，假设我们想要一个 1 ms 的输出脉冲宽度，并且我们将在 5 V 下运行。从图 8 中读取，我们看到 10 3 µs (1 ms)稍微穿过 10K R X线超过 10 5 pF（0.1 µF 或 100 nF）。这意味着，如果我选择为 C X使用 0.1 µF 电容器，我应该得到一个介于 10 kΩ 和 50 kΩ 之间的 R X值。让我们使用公式来确定值。求解 R X的公式，我们得到：

R X = t W / (0.7 * C X ) = 1 ms / (0.7 * 0.1 µF) = 14.29 kΩ

在我们方便的 1% 电阻表中查找最接近的标准电阻值，我们看到 14.3 kΩ 是一个标准值。这意味着我们的脉冲宽度应该非常接近 1 ms。

然而，到目前为止，我们还没有考虑另一个因素。我们需要考虑到这部分并不是完全数字化的。事实上，时间是模拟的。因为我们有模拟时序，所以我们需要考虑组件容差。我之前提到过我们将使用 1% 的电阻，但是电容呢？不幸的是，1% 的电容器很难找到并且非常昂贵。另一方面，10% 的电容器比较常见且价格低廉。

这意味着我们的 1 毫秒脉冲会更长或更短，具体取决于电阻器和电容器的确切值。让我们看看我们的组件公差会产生多大的差异。

一般来说，当我们有一个具有公差的组件时，这意味着任何给定零件的实际值 A 将在一个相对于由下式给出的标称值 N 的范围内：

N * (1 – tol%) ≤ A ≤ N * (1 + tol%)

使用这个公式，我们的 14.3kΩ、1% 电阻器将介于 14.157kΩ 和 14.443kΩ 之间，而我们的 0.1-µF、10% 电容器将介于 0.09µF 和 0.11µF 之间。现在，当我们孤立地讨论这些组件时，这些听起来都不算太糟糕，但是让我们看看当我们将它们组合在一起时会发生什么：

t W (min) = 0.7 * 14.157 * 0.09 = 0.89 ms

t W（最大值）= 0.7 * 14.443 * 0.11 = 1.11 毫秒

正如我们所看到的，通过将 10% 的电容器与 1% 的电阻器组合在一起，我们最终可能会在脉冲长度上产生 11% 的变化。这只是考虑到容差。如果我们希望该电路在较宽的温度范围内工作，我们需要考虑这些部件的温度变化。

再次查看脉冲宽度与电容的关系图，看起来这部分可能会有一些变化，具体取决于我们工作的电压。我没有在数据表中看到这进一步量化或解释，但根据您需要的准确度，您可能必须考虑到这一点。

这让我们回到这是否真的重要。这取决于您说想要 1 毫秒脉冲时的意思。您只是想要一个接近 1 ms 的脉冲、一个至少为 1 ms 的脉冲，还是一个尽可能接近 1 ms 的脉冲？

如果您只想关闭，那么该电路应该足够好。如果您需要至少 1 毫秒，那么将 R X的值增加11% 左右应该可以工作。另一方面，如果你想尽可能接近，你需要一个非常昂贵的电容器，一个电位器来改变 R X的值，或者一个更复杂的完全数字电路。

现在，在我被公差分心之前，我在哪里？让我们继续阅读数据手册，看看还有什么有趣的地方。

DC 电气规格与我们在之前的专栏中看到的其他 74HC 系列设备的规格相似，因此让我们继续看下一张表，该表标题为“开关功能的先决条件”。在此表中，我们得知输入有一个最小脉冲宽度以及复位后的恢复时间。同样在此表中，我们提供了不同 R X和 C X值的输出脉冲宽度。

开关规格表包含我们预期的传播延迟和转换时间，此外还有“同一封装中电路之间的脉冲宽度匹配 C X = 1,000 pF，R X = 10 kΩ”参数：

据此，同一封装中的两个单稳态器件之间的脉冲宽度可能相差 2%。尽管没有明确说明，但我将假设这是具有相同的 R X和 C X值。我还注意到这是 25°C 时的典型值，因此之前 11% 的容差值现在至少达到了 13%。

继续，我们有测试电路和波形，然后在第 9 页，我们找到了典型的性能曲线。我们已经看过脉冲宽度与 C X的关系图；现在，让我们看看这个页面上的另外两个图表：

脉冲宽度与温度的关系图告诉我们，我们可以预期脉冲宽度会随着部件变热而增加。在 25°C 时曲线有相当平坦的部分，但如果您希望电路在工业或军用温度范围内运行，则需要考虑这种额外的变化。

K 因子与电源电压的关系图有点令人费解。首先，他们所说的这个“K 因素”是什么？这是一个很好的问题，因为数据手册中没有解释。我猜K是神秘的“0.7”值，我们将R X和C X乘以得到输出脉冲宽度。如果这是真的，这意味着脉冲宽度随着电源电压的降低而增加。我要问的其他问题是：为什么有四行，我使用哪一行？不幸的是，我目前没有任何关于这个问题的答案，我非常欢迎您的建议。

在我的下一篇专栏中，我们将介绍可重新触发的多谐振荡器。同时，我欢迎您提出意见、问题和建议。

审核编辑 黄昊宇