74HC123D 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中文資料

74HC123D是一款高性能、低功耗的雙路可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，隸屬于高速CMOS邏輯系列。它以其精確的脈沖生成能力、靈活的觸發(fā)方式以及廣泛的電源電壓范圍，在數(shù)字電路設(shè)計中占據(jù)著重要地位。這款器件集成了兩個獨立的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，每個振蕩器都可以獨立工作，產(chǎn)生精確的、可控寬度的輸出脈沖，使其成為時間延遲、脈沖整形、頻率分頻和各種控制應(yīng)用中的理想選擇。

74HC123D的工作原理基于外部電阻-電容（RC）網(wǎng)絡(luò)的充放電過程。當(dāng)器件被觸發(fā)時，內(nèi)部電路會立即啟動RC網(wǎng)絡(luò)的充電，并在此期間維持輸出處于高電平（或低電平，取決于配置）。一旦RC網(wǎng)絡(luò)充電達到預(yù)設(shè)閾值，內(nèi)部比較器會翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致輸出恢復(fù)到其穩(wěn)態(tài)。這個過程的時間常數(shù)由外部RC元件的數(shù)值決定，因此用戶可以通過選擇合適的電阻和電容來精確控制輸出脈沖的寬度。其可再觸發(fā)特性意味著在輸出脈沖尚未結(jié)束時，如果再次接收到觸發(fā)信號，脈沖的計時會重新開始，從而延長輸出脈沖的持續(xù)時間。這一特性在需要保持一定時間窗口或者應(yīng)對不確定觸發(fā)間隔的應(yīng)用中顯得尤為重要。

核心特性與優(yōu)勢

74HC123D憑借其一系列卓越的特性，在多種應(yīng)用場景中脫穎而出。首先，它屬于高速CMOS（HC）邏輯系列，這意味著它具有極低的功耗，特別適合電池供電或?qū)拿舾械膽?yīng)用。同時，HC系列器件具有較高的抗噪聲能力，能夠在工業(yè)和汽車等噪聲較大的環(huán)境中穩(wěn)定工作。其寬電源電壓范圍是另一個顯著優(yōu)勢，通常支持2V至6V的電源電壓，使其能夠兼容各種數(shù)字系統(tǒng)。這為設(shè)計者提供了極大的靈活性，無需擔(dān)心電源電壓不匹配的問題。

其次，74HC123D提供雙路獨立單穩(wěn)態(tài)設(shè)計，這使得一個芯片可以同時處理兩個獨立的定時任務(wù)，有效節(jié)省了PCB空間和物料成本。每個單穩(wěn)態(tài)電路都包含一個非門的觸發(fā)輸入（A）和一個觸發(fā)輸入（B），以及一個清零輸入（CLR）。這種多樣的輸入方式使得器件能夠響應(yīng)上升沿、下降沿或電平觸發(fā)，極大地增加了其應(yīng)用靈活性。可再觸發(fā)能力是該器件的核心亮點之一。當(dāng)一個輸出脈沖正在進行時，新的觸發(fā)信號可以重新啟動計時，從而延長輸出脈沖的持續(xù)時間。這在需要脈沖展寬、看門狗定時器或事件間隔監(jiān)測等應(yīng)用中非常有用。

此外，74HC123D的輸出脈沖寬度可以通過外部的電阻和電容進行精確調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍非常寬，從幾十納秒到幾十秒甚至更長。這種靈活性使得它能夠適應(yīng)從高速數(shù)字系統(tǒng)到低速控制系統(tǒng)的各種定時需求。通常，脈沖寬度TW的計算公式為TW=K?REXT?CEXT，其中K是一個與具體器件和溫度有關(guān)的常數(shù)，通常接近0.37。在實際應(yīng)用中，還需要考慮器件內(nèi)部的等效電阻和電容對脈沖寬度的影響。

最后，74HC123D還具備清零（CLR）功能，允許用戶在任何時候強制結(jié)束當(dāng)前的輸出脈沖并使輸出返回穩(wěn)態(tài)。這個功能在需要緊急停止或復(fù)位定時器的應(yīng)用中非常實用。這些全面的特性使得74HC123D成為通用定時和脈沖生成任務(wù)的理想選擇。

工作原理詳解

74HC123D單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的工作核心在于其內(nèi)部的RC定時網(wǎng)絡(luò)和比較器。每個單穩(wěn)態(tài)單元都包含一個內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源、一個高增益比較器、一個觸發(fā)邏輯電路以及一個輸出驅(qū)動器。當(dāng)器件處于穩(wěn)態(tài)時，外部電容$C_{EXT}$通常處于放電狀態(tài)，輸出端維持其穩(wěn)態(tài)（通常是低電平）。

觸發(fā)過程：

1. 觸發(fā)信號：74HC123D支持多種觸發(fā)方式。例如，當(dāng)觸發(fā)輸入A（低電平有效）從高電平變?yōu)榈碗娖剑?strong>觸發(fā)輸入B（高電平有效）為高電平，或者觸發(fā)輸入B從低電平變?yōu)楦唠娖?，?strong>觸發(fā)輸入A為低電平，器件就會被觸發(fā)。觸發(fā)信號會被內(nèi)部觸發(fā)邏輯識別并轉(zhuǎn)換為啟動信號。

2. RC充電啟動：一旦被觸發(fā)，內(nèi)部開關(guān)會立即斷開外部電容$C_{EXT}與地的連接，并開始通過外部電阻R_{EXT}向C_{EXT}$充電。與此同時，輸出端會立即翻轉(zhuǎn)到其活動狀態(tài)（例如，高電平）。

3. 定時周期：電容$C_{EXT}上的電壓會呈指數(shù)上升。這個上升過程的快慢由R_{EXT}和C_{EXT}的乘積決定。內(nèi)部比較器持續(xù)監(jiān)測C_{EXT}$上的電壓，并將其與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進行比較。

4. 脈沖結(jié)束：當(dāng)$C_{EXT}$上的電壓達到內(nèi)部預(yù)設(shè)的閾值電壓（通常是電源電壓的某個固定比例，例如$2/3 V_{CC}$）時，比較器會翻轉(zhuǎn)其狀態(tài)。這個翻轉(zhuǎn)信號會驅(qū)動輸出端恢復(fù)到其穩(wěn)態(tài)（例如，低電平），并同時觸發(fā)內(nèi)部開關(guān)，使$C_{EXT}$迅速放電，為下一次觸發(fā)做好準(zhǔn)備。

5. 可再觸發(fā)特性：如果在輸出脈沖尚未結(jié)束（即$C_{EXT}$上的電壓尚未達到閾值電壓）時，器件再次接收到有效的觸發(fā)信號，內(nèi)部計時器會立即復(fù)位，$C_{EXT}$的充電過程會重新開始。這意味著輸出脈沖的持續(xù)時間會被延長，直到在新的觸發(fā)信號到來之前，$C_{EXT}$上的電壓達到了閾值。

清零（CLR）功能：

**清零輸入（CLR）**是異步的，并且是低電平有效的。當(dāng)CLR引腳被拉低時，無論當(dāng)前脈沖是否完成，輸出都會立即強制返回到其穩(wěn)態(tài)，并且$C_{EXT}$會迅速放電。這是一個優(yōu)先級最高的控制輸入，常用于緊急復(fù)位或同步操作。

脈沖寬度計算：

輸出脈沖寬度TW通?？梢酝ㄟ^以下公式近似計算：

TW≈K?REXT?CEXT

其中：

• TW 是輸出脈沖寬度，單位是秒（s）。

• REXT 是外部定時電阻，單位是歐姆（Ω）。

• CEXT 是外部定時電容，單位是法拉（F）。

• K 是一個常數(shù)，對于74HC123D，其典型值約為0.37。然而，需要注意的是，實際的K值可能會受到電源電壓、溫度、器件個體差異以及所選RC元件的容差等因素的影響。為了獲得更精確的脈沖寬度，建議參考數(shù)據(jù)手冊中提供的圖表或使用迭代實驗的方法進行調(diào)整。

選擇$R_{EXT}和C_{EXT}$時，需要注意以下幾點：

• $R_{EXT}$的范圍：數(shù)據(jù)手冊通常會給出$R_{EXT}的推薦范圍，例如從幾千歐姆到幾兆歐姆。過小的R_{EXT}可能會導(dǎo)致內(nèi)部放電電流過大，損壞器件；過大的R_{EXT}$可能會受到漏電流的影響，導(dǎo)致脈沖寬度不穩(wěn)定。

• $C_{EXT}$的類型：為了獲得穩(wěn)定的脈沖寬度，建議使用高質(zhì)量、低泄漏的電容，例如聚酯電容或陶瓷電容。電解電容由于其較大的容差和較高的泄漏電流，通常不適合用于精確計時。

• 寄生效應(yīng)：在高速應(yīng)用中，PCB板上的寄生電容和電阻也可能對脈沖寬度產(chǎn)生影響，因此在設(shè)計時應(yīng)盡量減小布線長度和交叉耦合。

引腳功能與封裝

74HC123D通常采用**SOIC-16（小外形集成電路）或DIP-16（雙列直插式封裝）**等封裝形式，具體封裝可能因制造商而異。理解其引腳功能對于正確使用該器件至關(guān)重要。

以下是典型的16引腳74HC123D的引腳功能描述：

• 1A, 2A (引腳1, 9): 觸發(fā)輸入A (低電平有效)

• 這些是非門輸入，通常與一個高電平信號配合使用，當(dāng)其從高電平變?yōu)榈碗娖剑ㄏ陆笛兀r觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)器。

• 1B, 2B (引腳2, 10): 觸發(fā)輸入B (高電平有效)

• 這些是門控輸入，當(dāng)其從低電平變?yōu)楦唠娖剑ㄉ仙兀r觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)器，前提是A輸入處于適當(dāng)?shù)碾娖健?/span>

• 1CLR, 2CLR (引腳3, 11): 清零輸入 (低電平有效)

• 這些是異步清零輸入。當(dāng)這些引腳被拉低時，對應(yīng)的單穩(wěn)態(tài)器輸出會立即復(fù)位到穩(wěn)態(tài)，且定時電容放電。

• 1Q, 2Q (引腳4, 12): 非反向輸出

• 當(dāng)單穩(wěn)態(tài)器被觸發(fā)時，這些引腳從穩(wěn)態(tài)（通常為低電平）翻轉(zhuǎn)到高電平，并在定時周期結(jié)束后恢復(fù)到低電平。

• 1$overline{Q},2overline{Q}$ (引腳5, 13): 反向輸出

• 這些引腳與Q輸出相反。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)器被觸發(fā)時，這些引腳從穩(wěn)態(tài)（通常為高電平）翻轉(zhuǎn)到低電平，并在定時周期結(jié)束后恢復(fù)到高電平。

• 1RX/CX, 2RX/CX (引腳6, 14): 外部定時電阻/電容連接點

• 這些引腳是外部定時電阻$R_{EXT}$和電容$C_{EXT}$的連接點。通常，電容的一端連接到這個引腳，另一端連接到地。電阻的一端連接到電源電壓$V_{CC}$，另一端連接到這個引腳。

• GND (引腳8): 地

• 電源地參考點。

• VCC (引腳16): 電源電壓

• 正電源電壓輸入，通常范圍為2V至6V。

工作模式：

74HC123D的觸發(fā)邏輯允許其在多種模式下工作：

• 下降沿觸發(fā)（通過A輸入）：當(dāng)B輸入為高電平，且A輸入從高到低變化時觸發(fā)。

• 上升沿觸發(fā)（通過B輸入）：當(dāng)A輸入為低電平，且B輸入從低到高變化時觸發(fā)。

• 脈沖觸發(fā)：可以通過A和B輸入的組合實現(xiàn)更復(fù)雜的脈沖觸發(fā)。

理解這些引腳的功能和組合方式是成功設(shè)計和調(diào)試電路的關(guān)鍵。

典型應(yīng)用場景

74HC123D因其多功能性和可靠性，被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字和模擬混合電路中。以下是一些典型的應(yīng)用場景：

• 脈沖展寬器：這是74HC123D最常見的應(yīng)用之一。當(dāng)輸入信號的脈沖寬度過窄，無法滿足后續(xù)電路的要求時，74HC123D可以將其展寬為所需的持續(xù)時間。例如，在傳感器接口中，傳感器輸出的瞬時脈沖可能需要展寬以驅(qū)動繼電器或微控制器中斷。

• 時間延遲器：通過設(shè)置合適的RC值，74HC123D可以產(chǎn)生精確的時間延遲。例如，在電源上電時序控制中，可以使用它來延遲某些模塊的啟動，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。在工業(yè)自動化中，可以用于控制設(shè)備的啟動或停止順序。

• 頻率分頻器：雖然不是專門的頻率分頻器，但通過巧妙的連接和再觸發(fā)特性，74HC123D可以實現(xiàn)簡單的頻率分頻功能。例如，可以將其輸出反饋到觸發(fā)輸入，形成一個自激振蕩器，從而產(chǎn)生固定頻率的方波。通過調(diào)整RC值，可以改變振蕩頻率。

• 脈沖恢復(fù)與整形：在噪聲環(huán)境中，數(shù)字信號可能會出現(xiàn)毛刺或失真。74HC123D可以用于清除這些毛刺，并重新整形信號，生成干凈、標(biāo)準(zhǔn)的脈沖。其可再觸發(fā)特性也有助于在信號中斷后快速恢復(fù)正常輸出。

• 看門狗定時器：在微控制器系統(tǒng)中，74HC123D可以作為一個獨立的看門狗定時器。微控制器需要周期性地“喂狗”（通過清零輸入或觸發(fā)輸入）以防止系統(tǒng)復(fù)位。如果微控制器由于某種原因停止響應(yīng)（例如程序崩潰），74HC123D的定時器會超時，并產(chǎn)生一個復(fù)位信號，強制微控制器重啟。

• 按鍵去抖動：機械按鍵在按下和釋放時會產(chǎn)生多余的抖動脈沖。使用74HC123D可以有效地消除這些抖動，確保每次按鍵只產(chǎn)生一個干凈的觸發(fā)信號。通過設(shè)置合適的脈沖寬度，可以忽略抖動期間的多次觸發(fā)。

• 序列控制器：在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，可能需要按照特定的時間序列激活不同的組件。74HC123D可以與其他邏輯門和定時器配合，生成精確的控制脈沖序列。

• 單脈沖發(fā)生器：在需要特定持續(xù)時間的單個脈沖的應(yīng)用中，如相機快門控制、激光脈沖觸發(fā)等，74HC123D可以提供穩(wěn)定可靠的單次脈沖輸出。

這些應(yīng)用僅僅是冰山一角，74HC123D的靈活性使其能夠適應(yīng)更多定制化的定時和脈沖生成需求。在實際設(shè)計中，結(jié)合具體的系統(tǒng)要求，可以發(fā)揮其更大的潛力。

選型與注意事項

在選擇和使用74HC123D時，有幾個關(guān)鍵因素需要考慮，以確保電路的穩(wěn)定性和性能：

1. 電源電壓（VCC）：

• 74HC123D通常支持2V至6V的寬電源電壓范圍。在設(shè)計時，應(yīng)確保所選電源電壓在其工作范圍內(nèi)。

• 不同的電源電壓可能會對內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和定時常數(shù)產(chǎn)生微小影響，因此在精確計時應(yīng)用中，應(yīng)盡量保持電源電壓穩(wěn)定。

2. 外部RC元件的選擇：

• 電阻（R_EXT）：選擇時應(yīng)遵循數(shù)據(jù)手冊推薦的范圍。過小可能導(dǎo)致內(nèi)部電流過大，過大則可能受漏電流影響。通常建議使用金屬膜電阻，以獲得更好的精度和穩(wěn)定性。

• 電容（C_EXT）：這是影響脈沖寬度最關(guān)鍵的元件。

• 類型：強烈推薦使用低泄漏、溫度穩(wěn)定性好的電容，如聚酯（Polyester/Mylar）電容、陶瓷電容（特別是C0G/NP0類型）或薄膜電容。電解電容由于較大的容差、溫度漂移和高泄漏電流，不適合用于精確計時。

• 容值：應(yīng)根據(jù)所需的脈沖寬度和選定的$R_{EXT}$計算得出。

• 容差：電容的容差直接影響脈沖寬度的精度。對于高精度應(yīng)用，應(yīng)選擇容差較小的電容（如±1%或±5%）。

• 寄生效應(yīng)：在PCB布局時，應(yīng)盡量使$R_{EXT}和C_{EXT}$靠近74HC123D的RX/CX引腳，并縮短布線長度，以減少寄生電阻和電容對計時精度的影響。特別是對于短脈沖應(yīng)用，寄生效應(yīng)會更加明顯。

3. 觸發(fā)信號的特性：

• 邊沿速率：輸入觸發(fā)信號的上升/下降沿應(yīng)足夠快，以確保器件能夠可靠地識別。緩慢變化的輸入信號可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的觸發(fā)。

• 噪聲：觸發(fā)輸入端應(yīng)避免噪聲干擾。必要時，可以使用施密特觸發(fā)器輸入或增加去耦電容來增強抗噪聲能力。

• 輸入電平：確保觸發(fā)信號的邏輯高/低電平符合74HC123D的輸入規(guī)范。

4. 輸出負載能力：

• 74HC123D的輸出引腳具有一定的驅(qū)動能力，但應(yīng)避免超出其最大額定電流。如果需要驅(qū)動大電流負載，應(yīng)在輸出端增加緩沖器或驅(qū)動器。

5. 清零功能的使用：

• CLR引腳是異步的，低電平有效。在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)需要合理利用此功能進行復(fù)位或緊急停止。如果不需要清零功能，應(yīng)將其通過上拉電阻連接到VCC，以防止誤觸發(fā)。

6. 溫度對精度的影響：

• RC定時電路的精度會受到溫度變化的影響。如果應(yīng)用環(huán)境存在寬泛的溫度變化，且對計時精度要求很高，可能需要考慮使用溫度補償電阻或電容，或者選用內(nèi)部集成了更穩(wěn)定振蕩器的專用定時芯片。

7. 功耗：

• 作為HC系列器件，74HC123D具有低靜態(tài)功耗。然而，在高頻工作或驅(qū)動較大負載時，動態(tài)功耗會增加。在低功耗應(yīng)用中，應(yīng)考慮其工作頻率和負載。

8. 可再觸發(fā)特性：

• 充分理解74HC123D的可再觸發(fā)特性。這在需要脈沖展寬、看門狗或需要脈沖在持續(xù)期間重新開始計時的應(yīng)用中非常有用。如果不希望重新觸發(fā)，則需要確保在當(dāng)前脈沖結(jié)束之前，不會有新的觸發(fā)信號到來，或者使用其他非再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)器件。

9. 數(shù)據(jù)手冊查閱：

• 最重要的一點：始終參考特定制造商提供的74HC123D的數(shù)據(jù)手冊（Datasheet）。數(shù)據(jù)手冊包含了精確的電氣特性、推薦工作條件、定時常數(shù)K值、脈沖寬度計算圖表、封裝信息以及應(yīng)用注意事項。不同制造商的同型號器件可能會有細微的差異。

通過仔細考慮以上因素，可以最大程度地發(fā)揮74HC123D的性能，確保電路的可靠性和穩(wěn)定性，并滿足應(yīng)用對計時精度的要求。