眞趣盎然集

  Schmitt Trigger Inverter Astable Multivibrator |  Derivation of Output Oscillation Frequency 如圖一所示，為一 施密特觸發反相閘 (Schmitt Triger Inverter Gate)  與一個電阻加上一個電容所組成的 無穩態多諧振盪器 。該電路一接上直流電源後，就能持續振盪並輸出矩形波。以下我們將說明其動作原理，並推導其輸出振盪頻率。 圖一   施密特觸發反相閘組成的無穩態多諧振盪器 動作原理 當施密特觸發反相閘的輸入端電壓小於其 下臨界電壓 (Lower Threshold Voltage) $V_L$ 時，該閘會輸出高電位 $V_{OH}$；反之，當其 輸入端電壓大於其 上臨界電壓 (Upper Threshold Voltage) $V_U$ 時，則會輸出低電位 $V_{OL}$。而當輸入電壓介於 $V_L$  與 $V_U$  之間時，則輸出狀態維持不變。常見的 施密特觸發反相閘 IC 有 74LS14 以及 CD40106。 當電源打開瞬間，電容 $C$ 可視為短路，因電容的負端接地，所以該瞬間 施密特觸發反相閘的輸入電壓約為 $0\;V$ ，明顯小於 $V_L$，故閘輸出 $V_{OH}$。而很快地當電源穩定，電容不再有短路現象後，電容 $C$ 將開始被充電，如圖二所示。接著當電容電壓 $v_C$ 因充電增加至大於 閘的 $V_U$ 瞬間，閘的輸出會由高電位 $V_{OH}$ 轉態成低電位 $V_{OL}$。 圖二   電容充電 當上述的 $v_C \gt V_U$，且 $v_o=V_{OL}$ 的狀態發生時 ( 注意 $V_U \gt V_{OL}$)，電容反過來開始放電，如圖三所示。當電容電壓因放電下降至小於 $V_L$ 瞬間，閘的輸出會由低態 $V_{OL}$ 轉態成高態 $V_{OH}$。接著，電容又開始被充電，如此周而復始，因而 密特觸發反相閘 持續輸出矩形波。此無穩態多諧振盪器的波形圖，如圖四所示。 圖三   電容放電 圖四   $v_c$  與  $v_o$ 波形圖 輸出頻率推導 電容充電時間 $t_1$ 如...

Working Principle and Frequency Derivation of a CMOS Astable Multivibrator 如圖一所示，為 CMOS 反閘的無穩態多諧振盪器。其中的 CMOS 反閘 (NOT GATE)，常可用 CMOS 反或閘 (NOR GATE) 代用，如圖二所示。 圖一     CMOS 反閘無穩態多諧振盪器 圖二      CMOS 反或閘無穩態多諧振盪器 電路原理 假設 $V_{SS} = 0 V$，如圖三所示，當電源打開瞬間，CMOS 反相器 1 的輸入為邏輯 "0" $($電位 $\simeq V_{SS} = 0 V$ $)$，其輸出則為邏輯 "1" $($電位 $\simeq V_{DD}$$)$，CMOS 反相器 2 的輸出就會是邏輯 "0"。此時，電容 C 開始充電。 圖三       CMOS 反閘無穩態多諧振盪器-電容充電 充電過程中，電容 C 負極的電位維持為 $0V$ 而其正極的電位會因充電而上升，一旦其值充至大於 CMOS 邏輯閘的 臨限觸發電壓 $V_t$  $(\simeq \frac{V_{DD}}{2})$ 瞬間，電容 C 兩極的電位差 $V_C = V_t$ ，CMOS 反相器 1 輸出轉態為邏輯 "0"，且 CMOS 反相器 2 輸出轉態為邏輯 "1" $($電位 $\simeq V_{DD}$$)$。在此瞬間電容 C 正極的電位本來應該變成 $V_t+V_{DD}$，負極則為 $V_{DD}$ $($ 電容器正負極的電位差 $V_C$ 值在該瞬間一樣維持為 $ V_t$$)$。但是由於 CMOS 邏輯閘輸入端有二極體組成的 靜電保護電路 ，如圖五所示，該保護電路會將此時電容 C 的正極的電位限制在約 $V_{DD}$，且電容會開始放電，如圖四所示。 圖四        CMOS 反閘無穩態多諧振盪器-電容放電 圖五     CMOS 邏輯閘的二極體輸入保護電路，會將輸入電壓限制在 $V_{SS} - 0.7 V$ 至 $V_{DD}+0.7V$ 之間 ...

A Simple  Pedestrian Crossing Safety Circuit 如圖一所示為一簡易行人穿越道號誌控制電路，此電路是由 D 型正反器、IC 555 無穩態多諧振盪器 RC 電路以及反或閘 (NOR Gate) 所組成。其功能與電路原理分別說明如下： 功能 平時路口閃黃燈，但當行人要安全地穿越車道，行人可按下「通行」按鈕，讓路口原本閃爍的黃燈熄滅，且另外的紅燈變亮，讓看到紅燈亮的車輛停下來等待行人通過。當行人穿越車道後，按下「回復」按鈕，則紅燈變熄滅，黃燈恢復閃爍。 圖一     行人穿越道號誌控制電路 動作原理 當電源打開瞬間，本身為 NOR Gate 的 IC 4001 的第 5 腳，會出現邏輯 "1" 的訊號 ($0.1\mu F$ 的電容在該瞬間為短路狀態 )，因而 IC 4001 的第 4 腳會輸出邏輯 "0" 給 IC 4001 的第 1 與第 2 腳，IC 4001 的第 3 腳會因此而輸出邏輯 "1" 給 D 型正反器 IC 4013 第 4 腳 (CLR) 。在 IC 4013 第 6 腳 (PR) 恆接地的情況下，導致 IC 4013 第 1 腳 (Q A ) 會輸出邏輯 "0" 的訊號給 IC 4001 的第 12 腳。且電源打開後，計時 IC 555 組成的無穩態多諧振盪器也會開始輸出矩形波至 IC 4001 的第 13 腳〔其原理參見 IC 555 無穩態多諧振盪器的原理與振盪頻率推導 〕。因此，IC 4001 的第 11 腳，在電源打開後會輸出 IC 555 無穩態多諧振盪器輸出矩形波的反相，來讓黃色的 LED 閃爍。 當電源打開一段極短時間穩定後，IC 4001 的第 5 腳會出現邏輯 "0"，第 6 腳一樣同為邏輯 "0"，IC 4001 的第 4 腳因而輸出邏輯 "1" 給 IC 4001 的第 1 與第 2 腳，導致 IC 4001 的第 3 腳輸出邏輯 "0" 給 IC 4013 第 4 腳。此時，IC 4013 的 CLR = "0" 且 PR = "0"，Q A 維持原態輸出邏輯 "0...