師雪雪　劉天時(shí)　付春

摘要：為了節(jié)省傳統(tǒng)的傳感器應(yīng)用電路中使用專用觸發(fā)器芯片而需要的獨(dú)立電源，減少基于雙運(yùn)放的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的冗余設(shè)計(jì)，該文基于運(yùn)放正反饋原理與RS觸發(fā)器的交叉耦合原理的相似性，設(shè)計(jì)了一種基于單運(yùn)放的通用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，進(jìn)一步利用等分分布特性進(jìn)行電路相關(guān)參數(shù)可靠性設(shè)計(jì)。該文以LM324為例進(jìn)行說明，該雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器適應(yīng)于整個(gè)供電電源范圍，減少了獨(dú)立電源的配備以及運(yùn)放一半引腳的使用，降低了功耗，可任意組合高電平或低電平進(jìn)行觸發(fā)與復(fù)位，減少了中間的電平轉(zhuǎn)換過程，對(duì)傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；傳感器；運(yùn)算放大器；正反饋

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）15-0169-04

Abstract： To save an independent power supply used by appropriative flip-flop or avoid redundant part design generated by a double op-amp bistable in traditional sensor application circuit， this paper designed a universal bistable flip-flop basic unit based on single op-amp according to the similarity between Op-amp positive feedback and RS flip-flop cross coupling. Further， to make the circuit reliable， it designed the related parameters by the character of uniform distribution. It adapted to the whole power supply range of LM324 for example， cut the independent power supply equipped with， saved half pin use of op-amp. Then， it reduced the power dissipation. Because it could be combined with any of high or low voltage to set and reset， it decreased the level conversion. It will provide certain reference value for the sensor application circuit.

Key words： Bistable Flip-Flop； Sensors； Operational Amplifier； Positive Feedback

在模擬信號(hào)的產(chǎn)生以及處理電路中，運(yùn)放得到了廣泛應(yīng)用，通過改變運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)或與外電路連接方式并設(shè)置器件參數(shù)，可降低系統(tǒng)功耗，提高電路性能。文[1]使用共模反饋電路避免了高環(huán)路增益引起的運(yùn)放自激振蕩，節(jié)約了晶體管。文[2]對(duì)互補(bǔ)輸入端插入一個(gè)雪崩二極管，設(shè)計(jì)的高轉(zhuǎn)換效率運(yùn)放實(shí)現(xiàn)了LCD的不同灰度轉(zhuǎn)換。文[3]通過電平移位，增加了電壓適用范圍。

觸發(fā)器具有記憶功能，引起了當(dāng)代的信息技術(shù)革命[4]。同樣，在觸發(fā)器被廣泛地應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式做出改進(jìn)。文[8]采用三相全控橋設(shè)計(jì)數(shù)字觸發(fā)器，達(dá)到了可靠性等方面優(yōu)勢(shì)。文[9]改變基因參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)性D觸發(fā)器。文[10]通過減少器件數(shù)目，降低系統(tǒng)功耗。

基于運(yùn)放的優(yōu)良性能以及觸發(fā)器的記憶功能在傳感器應(yīng)用電路中的使用，為了使傳感器應(yīng)用電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和性能可靠，通過對(duì)運(yùn)放結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的設(shè)計(jì)，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于單運(yùn)放的通用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的傳感器電路中。

1 雙運(yùn)放雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.1 符號(hào)說明

為了敘述方便，下面對(duì)文中自定義的參數(shù)與符號(hào)進(jìn)行說明：

1） V+set ：高電平觸發(fā)電壓。

2） V+reset ：高電平復(fù)位電壓。

3） V-set ：低電平觸發(fā)電壓。

4） V-reset ：低電平復(fù)位電壓。

5） Vhigh ：滿足V+set觸發(fā)或V+reset復(fù)位的高電平信號(hào)的最小值。

6） Vlow ：滿足V-set觸發(fā)或V-reset復(fù)位的低電平信號(hào)的最大值。

7） D-s ：防止高電平干擾低電平觸發(fā)的輸入端二極管。

8） D-r ：防止高電平干擾低電平復(fù)位的輸入端二極管。

9） D+s ：防止低電平干擾高電平觸發(fā)的輸入端二極管。

10） D+r ：防止低電平干擾高電平復(fù)位的輸入端二極管。

1.2 雙運(yùn)放雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

RS觸發(fā)器是組成其他觸發(fā)器的基本單元，由兩個(gè)與非門交叉耦合組成。基于該思想，圖1是常用的基于雙運(yùn)放的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使用雙運(yùn)放交叉耦合，實(shí)現(xiàn)高電平觸發(fā)、低電平復(fù)位方式。

2 單運(yùn)放雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

2.1 電路設(shè)計(jì)

基于觸發(fā)器的交叉耦合原理以及運(yùn)放的正反饋原理，圖2分別是四種不同觸發(fā)與復(fù)位方式的單運(yùn)放雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其中，圖2-b是典型的施密特觸發(fā)器。

在圖2中，R0防止D-s拉低Vref；D0防止D+r抬高Vref。圖2-c和圖2-d與圖2-a和圖2-b的本質(zhì)不同在于前者是高電平觸發(fā)，后者是低電平觸發(fā)。低電平觸發(fā)時(shí)觸發(fā)電壓為V-set，由于2端電壓必須低于3端電壓，需要引入電阻R3提供比較電壓。

綜合圖2的四種方式的電路設(shè)計(jì)，圖3給出了包含這四種觸發(fā)與復(fù)位方式的通用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器基本單元。應(yīng)用中當(dāng)選取適當(dāng)?shù)挠|發(fā)方式V-set或V+set和復(fù)位方式V-reset或V+reset，可忽略的二極管或電阻的使用。

2.2 參數(shù)計(jì)算

通過以上分析可以看出，所涉及的電壓參數(shù)的大小按由大到小順序見表1。

（1） 電壓參數(shù)計(jì)算

從表2可知，隨著電源電壓的增大，Vdif逐漸增大。當(dāng)電源電壓為3V時(shí)，Vdif為最小值0.175V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過運(yùn)放作為比較器時(shí)的最小壓差要求，完成可靠電平翻轉(zhuǎn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 功能分析

該雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用到某包裝機(jī)廠的包裝機(jī)控制電路中。采用復(fù)位傳感器和預(yù)開啟傳感器以及啟動(dòng)開關(guān)完成電路驅(qū)動(dòng)，其中，傳感器選擇低電平有效的霍爾管（3144）或常開型干簧管（MKA10110）兩者中的一種。電路功能需求如下：

（1） 上電時(shí)，完成上電復(fù)位；

（2） 固定在箱蓋一側(cè)的磁鐵激發(fā)預(yù)開啟傳感器，完成預(yù)開啟；

（3） 通過啟動(dòng)開關(guān)完成電路開啟；

（4） 考慮到安全因素，要求前兩步工作必須按順序執(zhí)行，且間隔1～2秒；

（5） 當(dāng)電路開啟后，并且機(jī)械輪子正好轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，固定在機(jī)械輪子一側(cè)的磁鐵激發(fā)復(fù)位傳感器，完成電路復(fù)位準(zhǔn)備；

（6） 當(dāng)完成電路復(fù)位準(zhǔn)備后，磁鐵離開的瞬間完成電路復(fù)位。

3.2 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求可以得到圖5所示的過程控制圖，需要兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可以使用專用觸發(fā)器芯片，也可以使用雙運(yùn)放或者單運(yùn)放雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，三者是等效的。由于功能要求（2）和（3）、傳感器低電平有效以及控制順序，預(yù)開啟雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的是低電平觸發(fā)、高電平復(fù)位，開啟雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的是高電平觸發(fā)、高電平復(fù)位。

若使用專用的觸發(fā)器芯片，則需要設(shè)計(jì)使用3.3～5V的獨(dú)立電源；若使用雙運(yùn)放雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，顯然只是利用了運(yùn)放的輸入和輸出，沒有充分利用運(yùn)放；而使用單運(yùn)放并利用運(yùn)放的閉環(huán)反饋原理設(shè)計(jì)的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，與專用的觸發(fā)器芯片相比減少了專門的獨(dú)立電源的設(shè)計(jì)，與雙運(yùn)放雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相比減少了一倍數(shù)量的運(yùn)放的使用，而且均可以降低電路的功率消耗。

若兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器均使用如圖2所示的4種單運(yùn)放雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的一種，例如使用典型的施密特觸發(fā)器如圖2-b所示，實(shí)現(xiàn)的是高電平觸發(fā)、低電平復(fù)位，要實(shí)現(xiàn)該傳感器應(yīng)用電路，需要增加3次電平轉(zhuǎn)換過程，而通過選用設(shè)計(jì)的基于單運(yùn)放的通用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，只需要選擇合適的輸入引腳和外圍器件，可減少電平轉(zhuǎn)換過程。

由以上分析，預(yù)開啟和開啟雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器均選用如圖3所示的基于單運(yùn)放的通用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，按公式（1）（2）（4）和（5），電路相關(guān)參數(shù)為：VCC=12V；Vdif=2.625V；V+out=10.5V，V3high=7.875V，Vref-VD=5.25V，V3low=2.625V，V-out=0V；Vhigh=8.575V，Vlow=1.925V。

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

最終的傳感器應(yīng)用電路原理圖如圖6所示。將電路分為3個(gè)模塊：傳感器模塊、主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊。其中，H1為復(fù)位傳感器，H2為預(yù)開啟傳感器，U3以及外圍電路構(gòu)成預(yù)開啟雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，U4以及外圍電路構(gòu)成開啟雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，LED1、LED2、LED3分別作為電源指示燈、電路預(yù)開啟指示燈、電路開啟指示燈。

主控模塊分4部分：復(fù)位電路，完成上電復(fù)位以及電機(jī)復(fù)位功能；參考電壓電路，提供參考電壓Vref以及疊加的復(fù)位信號(hào)V+reset；預(yù)開啟電路，完成電路準(zhǔn)備開啟任務(wù)；開啟電路，在電路預(yù)開啟以及啟動(dòng)開關(guān)閉合后，完成電路開啟。

根據(jù)實(shí)際情況，在參考電壓端和輸入端均未使用二極管，即VD=0V。另外，為了節(jié)約器件，使用發(fā)光二極管替代相應(yīng)的分壓電阻，發(fā)光二極管的正向?qū)妷杭s為2V。考慮到器件參數(shù)的選擇，為使電路的性能達(dá)到最優(yōu)，其實(shí)際相關(guān)參數(shù)電壓的調(diào)試結(jié)果為：VCC=12V；Vhigh=V3high=8.5V，Vref=6V，V3low=Vlow=3V，與理論值非常接近，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)用性。

當(dāng)上電時(shí)，由于電容C1兩端的電壓不能躍變，剛上電時(shí)C1下端為Vcc，輸入U(xiǎn)1-3端，通過運(yùn)放U2向U3-2和U4-2端輸入V+reset，完成上電復(fù)位；當(dāng)預(yù)開啟傳感器被激發(fā)后，向U3-2端輸入V-set，LED2亮，完成電路預(yù)開啟；電路預(yù)開啟后，由于C3的儲(chǔ)能作用，SW間隔1秒左右后閉合，C3瞬間高電平有效，向U4-3端提供瞬時(shí)有效的V+set，LED3亮，完成電路開啟，繼電器J閉合，進(jìn)而完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)；電機(jī)啟動(dòng)并當(dāng)機(jī)械輪子轉(zhuǎn)到一圈時(shí)，激發(fā)復(fù)位傳感器輸出低電平，磁鐵離開時(shí)，復(fù)位傳感器向U1-3端輸入高電平，通過C1、U1和U2向U3-2和U4-2端輸出V+reset，最終完成電機(jī)復(fù)位，LED2和LED3均滅。

4 結(jié)論

本文基于單運(yùn)放設(shè)計(jì)了通用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，適用電壓范圍寬，減少了冗余設(shè)計(jì)，降低了電路功耗，并且最大限度地?cái)U(kuò)大了觸發(fā)與復(fù)位狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的電壓范圍，實(shí)現(xiàn)了可靠性設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該通用的單運(yùn)放雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使得傳感器應(yīng)用電路得到了很好的應(yīng)用。

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