设计 逻辑电路 的 开关元件 （2）

这篇文章  是 《设计 逻辑电路 的 开关元件》  https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/13412340.html   的 续篇  。

 

先来 设计 延时开关  。

 

延时开关 是 利用 电容器 充电 时，  电容器 两端 的 电压 逐渐 上升 的  特点 来 实现 的 。

 

看一下  RC 电路 ：

                         

 

 

 

接通电源 后，   电容器 开始 充电，  开始时，  充电电流 最大，   电容器 可以看作是一个 较小 的 电阻，  根据 欧姆定律 分压定理，   C 两端 的 电压 较小，

当 C 充电 完成 后，  C 相当于 一个 断路， 电阻无穷大，   根据 分压定理，   C 两端 的 电压 等于 电源电压  。

 

R 越大 、C 越大，  充电时间 越长，   R 越小 、C 越小，   充电时间 越短 。

 

 

在 RC 电路 里 接入 一个  继电器 ，     就可以 组成 延时开关  。

                      

 

 

设  R = 10 欧，    J1 的 控制端 电阻 为  R1，   R1 = 10 欧，   电源电压 为 2 伏，    J1 控制端 的 工作电压 是 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，   C 充电过程 中，  C 可以看作是 一个  电阻 和  J1 控制端 并联，  设 并联电阻 为  R2，   可知 R2 < R1 = R ，

即  J1 控制端 两端 的 电压 小于  1 伏，   J1 处于 断开状态  。

 

当 C 充电 充满 时，   C 为 断路，  电阻无穷大，   此时 ， 电路 就变成了   R 、R1 的 串联电路，   R1 两端 的 电压为 1 伏，  达到 J1 控制端 工作电压，  J1 导通  。

 

J1 导通 就是 延时开关 导通 。      从 K 闭合 到  J1 导通，  中间 会 经历 C 的 充电时间，   这就是 延迟时间  。

 

当  R 和 R1  的 阻值 确定 时，   C 越大，  充电时间 越长，  C 越小，  充电时间 越短 。

 

也可以 把 R 、R1 和 C 一起 纳入 参数 计算，   计算出 符合 要求 的 充电时间 的  R 、R1 、C  。  就是说，  不单 可以 调节 C 的 大小 来 获得 要求 的 充电时间，  也可以 调整  R 、R1 的 阻值 来 调节 充电时间  。

 

实际上，   这里  R1 和 C 并联，  对 充电时间 的 影响 可能有点 复杂  。

 

但 实际上，   也不需要 精确计算，  根据 经验 和 一些 调试，  可以获得 适当 的  R 、R1 、C ，   满足 要求 的 充电时间  。

 

用 三极管电路 表示 延时开关 ：

                         

 

 

 在 电路 中，  延时开关 的 示意图 ：

                             

 

输入端 接通 电源正极 后，   延迟一段时间 后，   输出端 输出 1，   也就是 高电位，  也可以说是 正极电压  。

注意，  输入端 接通 电源正极 后 要 一直 接通 电源正极，   延时开关 才能 正常工作  。

 

 

再来看  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   里 介绍 了  双稳态开关， 

双稳态开关 的 示意图 ：

                                     

 

 

因为  一般 只用得到 一个  输出端，  所以 只 画出  out 1   。

 

延时脉冲开关 的 电路图 ：

                    

 

 

输入端 输入 一个 1 脉冲 时，   双 1 的 out 1 变为 1 ，   触发 延 1，  延 1 开始 充电，  到 延迟时间 后，  延 1 输出 1，  输出端 输出 1，  双 2 的 out 1 变为 1， 触发 延 2，   延 2 开始 充电，  到 延迟时间 后，  延 2 输出 1，   双 1 、双2 的 out 1 都 变为 0，   本次工作过程 结束 。

在 本次工作过程 中，    输入端 输入 1 脉冲 后，  经过 延 1 的 延迟时间，  输出端 输出 1，  从此时 又 经过 延 2 的 延迟时间，   输出端 输出 0，  双 1 、双 2 的 out 1  变为 0，  延 1 、延 2 放电，  放电 到 一定程度 后 断开，  断开后 仍然 放 没放完 的 电，  放电完成 后   整个电路 恢复 为 初始状态 。

在 本次工作过程 中，  输出端 输出了 一个 1 脉冲，  脉冲宽度 是 延 2 的 充电时间，  也就是 延 2 的 延迟时间  。

 

其实 这个 设计 是 存在问题 的，   延 2 输出 1 是 双 2 out 1 = 1 支持 的，   若 双 2 out 1 = 0，  则 延 2 输出 0，  而 延 2 输出 1 使 双 2 out 1 变为 0，  双 2 out 1 变为 0 则 延 2 输出 0，   这就 形成了一个 循环依赖，  这可能会导致 不稳定 的 问题 。

总的来说，   这是一种 直接反馈，   这种 直接反馈 可能 导致 不稳定 ，  或者说  预期外 的 结果  。

但 这 似乎 又和 实际 的 元件 和 电路 的 品质表现 有关，   对于 理想 的 元件 和 电路，   这样 的 设计 似乎 没问题  。

 

理想 的 元件 和 电路，   对 信号 的 响应 是 即时 的，   大概 可以说是 只需要 “很短的时间”，   且 各 元件 对 响应 保证 完成 和 保证 按 顺序完成，   这样就不存在问题  。

 

实际中，   延 2 输出 1，  使得  双 2 out 1 变为 0，  需要 确保一小段时间， 在这段时间内，  即使 双 2 out 1 变为 0，  但 延 2 仍然可以 输出 1，  确保 双 2 out 1 变为 0，   这段时间后，   延 2 才 输出 0  。

 

如果 这个 问题 存在，  要怎么 改进设计 ？      留给大家思考，   我懒得画了，  哈 。

 

我们 假设 这个 问题 不存在，  接着分析  。

 

 

电容器 的 充电放电 是一个 挺麻烦 的 事情，   以 延 1 为例，   电容器 充电 充满，  则 延 1 接通 。  双 1 输出 0 时，  相当于 延 1 和 电源断开，  电容器 放电，  而 放电 必须 在 下一次 充电 之前 完成 ，  也就是 必须 在 延时开关 下一次 被 触发 前 完成  。

 

最快的情况，   本次操作 后 执行 下一次 操作， 下一次操作 完成后 又 返回 调用 本次操作，  这类似于 程序 里 的 循环 和 goto  。

 

这就要求 本次操作 的 放电时间 要 小于 下一次操作 的 充电时间  -   对 下一次操作 输出 1 的 时间 （1 脉冲 的 脉冲宽度） ，     且 越小越好  。

 

如果 本次操作 的 时间很长，   就 意味 着 本次操作 的 充电时间 很长，   如果 下一次操作 的 时间很短，  就 意味着 下一次 操作 的 充电时间 很短，  这要求 本次 操作 的 放电时间 更短，

于是，   这就要求  本次操作  的 充电时间 很长 而 放电时间 很短，   这在 技术 上 做到 比较 有 难度  。

因为 这要 权衡 充电电阻 和 放电电阻，  从 上文 电路图 可以看到，  充电电阻 是 R，   放电电阻 是 继电器控制端 线圈电阻  。

对于  NPN 型 三极管电路，   放电电阻 是  基极电阻  +  基极 和 发射极 之间 的 电阻  +  发射极电阻  。

 

基极电阻 是 连在 基极 上 的 电阻，   发射极电阻 是 连在 发射极 上 的 电阻，

基极 和 发射极 之间 的 电阻   =   三极管内部  基区电阻 + 发射区电阻 + 基区 和 发射区 之间 PN 结 的 电阻

 

当然， 事实上，  还有一部分 放电电流 是 通过 充电电阻 R，  流到 集电极，   又流到 发射极，  又通过 发射极电阻  来到 电容器 负端 。

 

所以，  要 权衡设计 这些电阻，   而 发射极电阻 还关系 到 输出电压，   这跟 连在 发射极 上 的 外部电路 的 电阻（阻抗） 又有关系 。  这是不是  “输出阻抗”  问题 ？

 

电容器放电 刚开始 的 一段时间 内，   延 1 可能 仍然 是 导通 的，   这段 时间 要不要 算到 延时开关 的 导通时间 里，  也就是 输出 的 1 脉冲 的 脉冲宽度 里 ？

 

而  延 1 的 输出端 一方面 作为 延时脉冲开关 的 输出端， 一边 和 双 2 的 in 1 相连，  双 2 的 in 1 在 out 1 为 0 时，  in 1 会输出 一定 的 低电压，  这会 通过 输出端  和 外部电路 产生 耦合，  要不要 在 延 1 和 输出端 之间 加一个 继电器 或者 三极管开关 解耦 ？

 

又或是 在  延 1 和 双 2 之间 加 一个 继电器 或者 三极管开关 解耦  ？

 

或者 把 输出端 设 在 双 2 的 out 1，  以 双 2 的 out 1   作为 延时脉冲开关 的 输出端，  但 这样  延 2 的 输入端 会 和 外部电路 产生 耦合，  延 2 放电 的 时候， 放电电流 会 流向 外部电路  。

 

这似乎 引出 了 “输入阻抗” 和 “输出阻抗” 的 问题，   两个 元件 要 连在一起用，  输入阻抗 和 输出阻抗 要 匹配， 或者说 符合 彼此 给出 的 规格 ，  大概 就是 输入阻抗 和 输出阻抗 问题 吧 。

规格 是指 阻抗 的 范围 ，    两个元件 要 连在一起用，  自己 的 输出端阻抗 要在 对方 给出 的 输入阻抗 范围 内 。  以及，  对方 的 输入端阻抗 要 在 自己 给出 的 输出阻抗 范围 内  。

 

耦合 是 普遍存在 的，   但， 通过 制定 统一 的 输入输出 接口，  可以进行 管理 和 调节 。   

输入输出 接口 可以 减小 耦合，  统一 输入输出接口 可以 对 输入输出 的 耦合 统一 计算，  可以计算 很多 元件 连在 一起用 时 的 耦合 积累，   可以计算得到 并联 的 最大情况 的 耦合 和 串联 的 最大情况 的 耦合 ，   并 将 它们 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 不大，   电路 可以 正常工作  。

 

通过 对 电路参数 的 设计，  以及 晶体管 的 技术品质 的 提升，  可以 在 元件 数量很多 时，  耦合 的 累积量 仍然 很小，  不会 超过某个 范围，   就像 数学上 的 极限  。

 

这是 一种 比较 理想 的 情况  。

 

晶体管 的 技术品质，   比如 开关特性，  开时，  电阻很小，   关时， 电阻很大，   开关 的 反差 越大，  则 电路 的 误差耦合 越小，   电路越稳定， 电路 的 规模 可以 做的 越大 。   电路规模  指  元件数量 。     比如 大规模集成电路，  超大规模集成电路  。

 

误差耦合 就是 上面 说的 不需要 但是 又存在 的 耦合 ，  这些 耦合 会 造成 电路 的 误差 ，  误差 在 一定范围内，  电路 可以 正常运行，  表达 预期 的 逻辑，   误差 积累 超过 一定范围，   电路 会 出错，  表达出 错误逻辑，     比如 开 变成 关， 关 变成 开，  或者，  该开不开， 该关不关  。

 

数字电路 的 误差耦合  可以 分为 2 大类 ：

1    基本开关电路 的 误差耦合

2    特定电路 的 误差耦合

 

先说说  基本开关电路 的 误差耦合，    理论上，  继电器，  是 一个 理想 的 开关元件，    可以说 不存在 误差耦合 。  因为 继电器 的  控制端 和 输入输出端 是 独立 的  2 条 线路 ，    所以， 继电器 没有 基本开关电路 的 误差耦合  。

三极管 的 基极 、发射极 、集电极  共用 一条 线路，  相当于  控制端 和 输入输出端 共用 一条 线路，   所以， 三极管开关电路 存在 基本开关电路 的 误差耦合 。

 

特定电路 的 误差耦合  比如  上文说到的 双稳态电路 的 in1 和 延时脉冲开关 的 输出端 直接连接 时， 可能 通过 延时脉冲开关 的 输出端 向 外部电路 输出 低电压 。   又比如 上文说到的 延 2 的 输入端 和 延时脉冲开关 的 输出端 相连 时，   可能 通过 延时脉冲开关 的 输出端 向 外部电路 输出 放电电流  。

 

 

 

假设  本次操作 和 下一次操作 的 延时脉冲开关 的 延迟时间 一样，    下一次操作  完成后 又返回执行 本次操作，   那么，  简单的， 理想的，  这两个操作 的 延时脉冲开关 交替 输出 的 脉冲 可以用 一个 方波 来 表示 ：

 

                             

 

 

简单的， 理想的，  延 1 的 充电时间 可以认为 是 方波 的 一个周期，   放电时间 应在 0 半周 以内， 且 越小越好  。  上文说了，  技术上， 要让 放电时间 远小于 充电时间 实现起来 可能 比较 困难，     在这里，  因为 充电时间 = 一个周期 = 1 半周 + 0 半周 = 1 半周 + 最大放电时间，   可以 让  0 半周 比 1 半周 长 比较多，  这样，   充电时间 仍然 大于 放电时间，  但是 放电时间 的 范围 变大 了，   或者说，   0 半周 比 1 半周 越长，   最大放电时间 越接近 充电时间，   技术上 比较容易 实现  。

                           

 

 

对于 延 2，   充电时间 是 1 半周，  放电时间 是  这个周期 的 0 半周 + 下个周期 ，   所以，  延 2 允许 的 放电时间 远大于 充电时间，   这个 技术 上 容易实现  。

注意，  是 允许 的 放电时间 远大于 充电时间，    允许 的 放电时间 最大 可以达到 这个周期 的 0 半周 + 下个周期 这么长，  但不是说 要 做到 这么长， 事实上， 应该 比 这个 小，    越小越好  。

 

                               

 

 

 

上面说的 这些 问题，    早期 的 电子计算机 工程师 应该都 碰到过，  或者说，  经历过  。

 

再来 看   一次性开关，    这里会用到 开关元件，  开关元件 的 示意图 ：

                             

 

 

控制端 是 1 时，   输入端输出端 导通，   控制端 是 0 时，  输入端输出端 断开  。

开关元件 可以是一个 继电器，  也可以是 三极管开关电路，  等等  。

 

三极管开关 电路图 ：

                                 

 

 

 

一次性开关 电路图 ： 

                          

 

控制端 输入 1 脉冲，  双 1  的 out 1 变成 1，  使 开关 1 导通，   之后，  输入端 输入 1 就可以 通过 开关 1，   使 双 2 的 out 1 变成 1，   使 开关 2 导通，

之后，   当 输入端 的 1 结束后，  就变成了 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 变成 0，  开关 1 断开  。

开关 1 断开 后， 输入端 无论 输入什么，  输出端 都是 0，  这就是 一次性开关 的 效果 ：   当 控制端 输入 1 脉冲 后，  一次性开关 开始工作，  输入端 和 输出端 导通，  当 输入端 输入 1 脉冲 时， 输出端 输出 1 脉冲，   1 脉冲 结束 后，  一次性开关 停止工作，   输入端 无论输入什么，  输出端 都是 0  。

还有，   当 控制端 输入 1 时，   双 1 out 1 会 输出 1 到 双 2 的 in 2，  使 双 2 out 1 变成 0，  开关 2 断开 。   这样 就 切断了  非门 和  双 1 in 2 的 通路，  不然，  非门 输出 的 1 会 阻止  双 1 out 1 变成 1 。   在 上一次 使用后，   双 2 out 1 一直 是 1，  开关 2 一直 导通  。

 

还要说明一点，   双稳态开关 在 第一次 使用 前 要 设置 初始状态，  因为， 接通电源 后，  双稳态电路 的 状态 是 随机 的  。  如果 要求 初始状态 是 out 1 = 1，  可以 让 in 1 = 1 来 设置 这个 初始状态 。