先來(lái) 設(shè)計(jì) 延時(shí)開(kāi)關(guān) 。

延時(shí)開(kāi)關(guān) 是 利用 電容器 充電 時(shí)， 電容器 兩端 的 電壓 逐漸 上升 的 特點(diǎn) 來(lái) 實(shí)現(xiàn) 的 。

看一下 RC 電路 ：

接通電源 后， 電容器 開(kāi)始 充電， 開(kāi)始時(shí)， 充電電流 最大， 電容器 可以看作是一個(gè) 較小 的 電阻， 根據(jù) 歐姆定律 分壓定理， C 兩端 的 電壓 較小，

當(dāng) C 充電 完成 后， C 相當(dāng)于 一個(gè) 斷路， 電阻無(wú)窮大， 根據(jù) 分壓定理， C 兩端 的 電壓 等于 電源電壓 。

R 越大 、C 越大， 充電時(shí)間 越長(zhǎng)， R 越小 、C 越小， 充電時(shí)間 越短 。

在 RC 電路 里 接入 一個(gè) 繼電器 ， 就可以 組成 延時(shí)開(kāi)關(guān) 。

設(shè) R = 10 歐， J1 的 控制端 電阻 為 R1， R1 = 10 歐， 電源電壓 為 2 伏， J1 控制端 的 工作電壓 是 1 伏， 即 當(dāng) 控制端 電壓 為 1 伏 時(shí)， J1 導(dǎo)通 。

開(kāi)關(guān) K 閉合 后， RC 電路 接通電源， C 開(kāi)始充電， C 充電過(guò)程 中， C 可以看作是 一個(gè) 電阻 和 J1 控制端 并聯(lián)， 設(shè) 并聯(lián)電阻 為 R2， 可知 R2 < R1 = R ，

即 J1 控制端 兩端 的 電壓 小于 1 伏， J1 處于 斷開(kāi)狀態(tài) 。

當(dāng) C 充電 充滿 時(shí)， C 為 斷路， 電阻無(wú)窮大， 此時(shí) ， 電路 就變成了 R 、R1 的 串聯(lián)電路， R1 兩端 的 電壓為 1 伏， 達(dá)到 J1 控制端 工作電壓， J1 導(dǎo)通 。

J1 導(dǎo)通 就是 延時(shí)開(kāi)關(guān) 導(dǎo)通 。 從 K 閉合 到 J1 導(dǎo)通， 中間 會(huì) 經(jīng)歷 C 的 充電時(shí)間， 這就是 延遲時(shí)間 。

當(dāng) R 和 R1 的 阻值 確定 時(shí)， C 越大， 充電時(shí)間 越長(zhǎng)， C 越小， 充電時(shí)間 越短 。

也可以 把 R 、R1 和 C 一起 納入 參數(shù) 計(jì)算， 計(jì)算出 符合 要求 的 充電時(shí)間 的 R 、R1 、C 。 就是說(shuō)， 不單 可以 調(diào)節(jié) C 的 大小 來(lái) 獲得 要求 的 充電時(shí)間， 也可以 調(diào)整 R 、R1 的 阻值 來(lái) 調(diào)節(jié) 充電時(shí)間 。

實(shí)際上， 這里 R1 和 C 并聯(lián)， 對(duì) 充電時(shí)間 的 影響 可能有點(diǎn) 復(fù)雜 。

但 實(shí)際上， 也不需要 精確計(jì)算， 根據(jù) 經(jīng)驗(yàn) 和 一些 調(diào)試， 可以獲得 適當(dāng) 的 R 、R1 、C ， 滿足 要求 的 充電時(shí)間 。

用 三極管電路 表示 延時(shí)開(kāi)關(guān) ：

在 電路 中， 延時(shí)開(kāi)關(guān) 的 示意圖 ：

輸入端 接通 電源正極 后， 延遲一段時(shí)間 后， 輸出端 輸出 1， 也就是 高電位， 也可以說(shuō)是 正極電壓 。

注意， 輸入端 接通 電源正極 后要 一直 接通 電源正極， 延時(shí)開(kāi)關(guān) 才能 正常工作 。

再來(lái)看 脈沖延時(shí)開(kāi)關(guān)， 《設(shè)計(jì) 邏輯電路 的 開(kāi)關(guān)元件》https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/13412340.html 里 介紹 了 雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)，

雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān) 的 示意圖 ：

因?yàn)?一般 只用得到 一個(gè) 輸出端， 所以 只 畫出 out 1 。

延時(shí)脈沖開(kāi)關(guān) 的 電路圖 ：

輸入端 輸入 一個(gè) 1 脈沖 時(shí)， 雙 1 的 out 1 變?yōu)?1 ， 觸發(fā) 延 1， 延 1 開(kāi)始 充電， 到 延遲時(shí)間 后， 延 1 輸出 1， 輸出端 輸出 1， 雙 2 的 out 1 變?yōu)?1， 觸發(fā) 延 2， 延 2 開(kāi)始 充電， 到 延遲時(shí)間 后， 延 2 輸出 1， 雙 1 、雙2 的 out 1 都 變?yōu)?0， 本次工作過(guò)程 結(jié)束 。

在 本次工作過(guò)程 中， 輸入端 輸入 1 脈沖 后， 經(jīng)過(guò) 延 1 的 延遲時(shí)間， 輸出端 輸出 1， 從此時(shí) 又 經(jīng)過(guò) 延 2 的 延遲時(shí)間， 輸出端 輸出 0， 雙 1 、雙 2 的 out 1 變?yōu)?0， 延 1 、延 2 放電， 放電 到 一定程度 后 斷開(kāi)， 斷開(kāi)后 仍然 放 沒(méi)放完 的 電， 放電完成 后 整個(gè)電路 恢復(fù) 為 初始狀態(tài) 。

在 本次工作過(guò)程 中， 輸出端 輸出了 一個(gè) 1 脈沖， 脈沖寬度 是 延 2 的 充電時(shí)間， 也就是 延 2 的 延遲時(shí)間 。

其實(shí) 這個(gè) 設(shè)計(jì) 是 存在問(wèn)題 的， 延 2 輸出 1 是 雙 2 out 1 = 1 支持 的， 若 雙 2 out 1 = 0， 則 延 2 輸出 0， 而 延 2 輸出 1 使 雙 2 out 1 變?yōu)?0， 雙 2 out 1 變?yōu)?0 則 延 2 輸出 0， 這就 形成了一個(gè) 循環(huán)依賴， 這可能會(huì)導(dǎo)致 不穩(wěn)定 的 問(wèn)題 。

總的來(lái)說(shuō)， 這是一種 直接反饋， 這種 直接反饋 可能 導(dǎo)致 不穩(wěn)定 ， 或者說(shuō) 預(yù)期外 的 結(jié)果 。

但 這 似乎 又和 實(shí)際 的 元件 和 電路 的 品質(zhì)表現(xiàn) 有關(guān)， 對(duì)于 理想 的 元件 和 電路， 這樣 的 設(shè)計(jì) 似乎 沒(méi)問(wèn)題 。

理想 的 元件 和 電路， 對(duì) 信號(hào) 的 響應(yīng) 是 即時(shí) 的， 大概 可以說(shuō)是 只需要 “很短的時(shí)間”， 且 各 元件 對(duì) 響應(yīng) 保證 完成 和 保證 按 順序完成， 這樣就不存在問(wèn)題 。

實(shí)際中， 延 2 輸出 1， 使得 雙 2 out 1 變?yōu)?0， 需要 確保一小段時(shí)間， 在這段時(shí)間內(nèi)， 即使 雙 2 out 1 變?yōu)?0， 但 延 2 仍然可以 輸出 1， 確保 雙 2 out 1 變?yōu)?0， 這段時(shí)間后， 延 2 才 輸出 0 。

如果 這個(gè) 問(wèn)題 存在， 要怎么 改進(jìn)設(shè)計(jì) ？ 留給大家思考， 我懶得畫了， 哈 。

我們 假設(shè) 這個(gè) 問(wèn)題 不存在， 接著分析 。

電容器 的 充電放電 是一個(gè) 挺麻煩 的 事情， 以 延 1 為例， 電容器 充電 充滿， 則 延 1 接通 。 雙 1 輸出 0 時(shí)， 相當(dāng)于 延 1 和 電源斷開(kāi)， 電容器 放電， 而 放電 必須 在 下一次 充電 之前 完成 ， 也就是 必須 在 延時(shí)開(kāi)關(guān) 下一次 被 觸發(fā) 前 完成 。

最快的情況， 本次操作 后 執(zhí)行 下一次 操作， 下一次操作 完成后 又 返回 調(diào)用 本次操作， 這類似于 程序 里 的 循環(huán) 和 goto 。

這就要求 本次操作 的 放電時(shí)間 要 小于 下一次操作 的 充電時(shí)間 - 對(duì) 下一次操作 輸出 1 的 時(shí)間 （1 脈沖 的 脈沖寬度） ， 且 越小越好 。

如果 本次操作 的 時(shí)間很長(zhǎng)， 就 意味 著 本次操作 的 充電時(shí)間 很長(zhǎng)， 如果 下一次操作 的 時(shí)間很短， 就 意味著 下一次 操作 的 充電時(shí)間 很短， 這要求 本次 操作 的 放電時(shí)間 更短，

于是， 這就要求 本次操作 的 充電時(shí)間 很長(zhǎng) 而 放電時(shí)間 很短， 這在 技術(shù) 上 做到 比較 有 難度 。

因?yàn)?這要 權(quán)衡 充電電阻 和 放電電阻， 從 上文 電路圖 可以看到， 充電電阻 是 R， 放電電阻 是 繼電器控制端 線圈電阻 。

對(duì)于 NPN 型 三極管電路， 放電電阻 是 基極電阻 + 基極 和 發(fā)射極 之間 的 電阻 + 發(fā)射極電阻 。

基極電阻 是 連在 基極 上 的 電阻， 發(fā)射極電阻 是 連在 發(fā)射極 上 的 電阻，

基極 和 發(fā)射極 之間 的 電阻 = 三極管內(nèi)部 基區(qū)電阻 + 發(fā)射區(qū)電阻 + 基區(qū) 和 發(fā)射區(qū) 之間 PN 結(jié) 的 電阻

當(dāng)然， 事實(shí)上， 還有一部分 放電電流 是 通過(guò) 充電電阻 R， 流到 集電極， 又流到 發(fā)射極， 又通過(guò) 發(fā)射極電阻 來(lái)到 電容器 負(fù)端 。

所以， 要 權(quán)衡設(shè)計(jì) 這些電阻， 而 發(fā)射極電阻 還關(guān)系 到 輸出電壓， 這跟 連在 發(fā)射極 上 的 外部電路 的 電阻（阻抗） 又有關(guān)系 。 這是不是 “輸出阻抗” 問(wèn)題 ？

電容器放電 剛開(kāi)始 的 一段時(shí)間 內(nèi)， 延 1 可能 仍然 是 導(dǎo)通 的， 這段 時(shí)間 要不要 算到 延時(shí)開(kāi)關(guān) 的 導(dǎo)通時(shí)間 里， 也就是 輸出 的 1 脈沖 的 脈沖寬度 里 ？

而 延 1 的 輸出端 一方面 作為 延時(shí)脈沖開(kāi)關(guān)的 輸出端， 一邊 和 雙 2 的 in 1 相連， 雙 2 的 in 1 在 out 1 為 0 時(shí)， in 1 會(huì)輸出 一定 的 低電壓， 這會(huì) 通過(guò) 輸出端 和 外部電路 產(chǎn)生 耦合， 要不要 在 延 1 和 輸出端 之間 加一個(gè) 繼電器 或者 三極管開(kāi)關(guān) 解耦 ？

又或是 在 延 1 和 雙 2 之間 加 一個(gè)繼電器 或者 三極管開(kāi)關(guān) 解耦 ？

或者 把 輸出端 設(shè) 在 雙 2 的 out 1， 以 雙 2 的 out 1 作為 延時(shí)脈沖開(kāi)關(guān) 的 輸出端， 但 這樣 延 2 的 輸入端 會(huì) 和 外部電路 產(chǎn)生 耦合， 延 2 放電 的 時(shí)候， 放電電流 會(huì) 流向 外部電路 。

這似乎 引出 了 “輸入阻抗” 和 “輸出阻抗” 的 問(wèn)題， 兩個(gè) 元件 要 連在一起用， 輸入阻抗 和 輸出阻抗 要 匹配， 或者說(shuō) 符合 彼此 給出 的 規(guī)格 ， 大概 就是 輸入阻抗 和 輸出阻抗 問(wèn)題 吧 。

規(guī)格 是指 阻抗 的 范圍 ， 兩個(gè)元件 要 連在一起用， 自己 的 輸出端阻抗 要在 對(duì)方 給出 的 輸入阻抗 范圍 內(nèi) 。 以及， 對(duì)方 的 輸入端阻抗 要 在 自己 給出 的 輸出阻抗 范圍 內(nèi) 。

耦合 是 普遍存在 的， 但， 通過(guò) 制定 統(tǒng)一 的 輸入輸出 接口， 可以進(jìn)行 管理 和 調(diào)節(jié) 。

輸入輸出 接口 可以 減小 耦合， 統(tǒng)一 輸入輸出接口 可以 對(duì) 輸入輸出 的 耦合 統(tǒng)一 計(jì)算， 可以計(jì)算 很多 元件 連在 一起用 時(shí) 的 耦合 積累， 可以計(jì)算得到 并聯(lián) 的 最大情況 的 耦合 和 串聯(lián) 的 最大情況 的 耦合 ， 并 將 它們 控制在 一個(gè) 比較小 的 范圍內(nèi)， 在 這個(gè) 范圍 內(nèi)， 耦合 對(duì) 電路 的 影響 不大， 電路 可以 正常工作 。

通過(guò) 對(duì) 電路參數(shù) 的 設(shè)計(jì)， 以及 晶體管 的 技術(shù)品質(zhì) 的 提升， 可以 在 元件 數(shù)量很多 時(shí)， 耦合 的 累積量 仍然 很小， 不會(huì) 超過(guò)某個(gè) 范圍， 就像 數(shù)學(xué)上 的 極限 。

這是 一種 比較 理想 的 情況 。

晶體管 的 技術(shù)品質(zhì)， 比如 開(kāi)關(guān)特性， 開(kāi)時(shí)， 電阻很小， 關(guān)時(shí)， 電阻很大， 開(kāi)關(guān) 的 反差 越大， 則 電路 的 誤差耦合 越小， 電路越穩(wěn)定， 電路 的 規(guī)模 可以 做的 越大 。 電路規(guī)模 指 元件數(shù)量 。 比如 大規(guī)模集成電路， 超大規(guī)模集成電路 。

誤差耦合 就是 上面 說(shuō)的 不需要 但是 又存在 的 耦合 ， 這些 耦合 會(huì) 造成 電路 的 誤差 ， 誤差 在 一定范圍內(nèi)， 電路 可以 正常運(yùn)行， 表達(dá) 預(yù)期 的 邏輯， 誤差 積累 超過(guò) 一定范圍， 電路 會(huì) 出錯(cuò)， 表達(dá)出 錯(cuò)誤邏輯， 比如 開(kāi) 變成 關(guān)， 關(guān) 變成 開(kāi)， 或者， 該開(kāi)不開(kāi)， 該關(guān)不關(guān) 。

數(shù)字電路 的 誤差耦合 可以 分為 2 大類 ：

1 基本開(kāi)關(guān)電路 的 誤差耦合

2 特定電路 的 誤差耦合

先說(shuō)說(shuō) 基本開(kāi)關(guān)電路 的 誤差耦合， 理論上， 繼電器， 是 一個(gè) 理想 的 開(kāi)關(guān)元件， 可以說(shuō) 不存在 誤差耦合 。 因?yàn)?繼電器 的 控制端 和 輸入輸出端 是 獨(dú)立 的 2 條 線路 ， 所以， 繼電器 沒(méi)有基本開(kāi)關(guān)電路 的 誤差耦合 。

三極管 的 基極 、發(fā)射極 、集電極 共用 一條 線路， 相當(dāng)于 控制端 和 輸入輸出端 共用 一條 線路， 所以， 三極管開(kāi)關(guān)電路 存在基本開(kāi)關(guān)電路 的 誤差耦合 。

特定電路 的 誤差耦合 比如 上文說(shuō)到的 雙穩(wěn)態(tài)電路 的 in1 和 延時(shí)脈沖開(kāi)關(guān) 的 輸出端 直接連接 時(shí)， 可能 通過(guò) 延時(shí)脈沖開(kāi)關(guān) 的輸出端 向 外部電路 輸出 低電壓 。 又比如 上文說(shuō)到的 延 2 的 輸入端 和延時(shí)脈沖開(kāi)關(guān) 的 輸出端 相連 時(shí)， 可能 通過(guò) 延時(shí)脈沖開(kāi)關(guān) 的輸出端 向 外部電路 輸出 放電電流 。

假設(shè) 本次操作 和 下一次操作 的 延時(shí)脈沖開(kāi)關(guān) 的 延遲時(shí)間 一樣， 下一次操作 完成后 又返回執(zhí)行 本次操作， 那么， 簡(jiǎn)單的， 理想的， 這兩個(gè)操作 的 延時(shí)脈沖開(kāi)關(guān) 交替 輸出 的 脈沖 可以用 一個(gè) 方波 來(lái) 表示 ：

簡(jiǎn)單的， 理想的， 延 1 的 充電時(shí)間 可以認(rèn)為 是 方波 的 一個(gè)周期， 放電時(shí)間 應(yīng)在 0 半周 以內(nèi)， 且 越小越好 。 上文說(shuō)了， 技術(shù)上， 要讓 放電時(shí)間 遠(yuǎn)小于 充電時(shí)間 實(shí)現(xiàn)起來(lái) 可能 比較 困難， 在這里， 因?yàn)?充電時(shí)間 = 一個(gè)周期 = 1 半周 + 0 半周 = 1 半周 + 最大放電時(shí)間， 可以 讓 0 半周 比 1 半周 長(zhǎng) 比較多， 這樣， 充電時(shí)間 仍然 大于 放電時(shí)間， 但是 放電時(shí)間 的 范圍 變大 了， 或者說(shuō)， 0 半周 比 1 半周 越長(zhǎng)， 最大放電時(shí)間 越接近 充電時(shí)間， 技術(shù)上 比較容易 實(shí)現(xiàn) 。

對(duì)于 延 2， 充電時(shí)間 是 1 半周， 放電時(shí)間 是 這個(gè)周期 的 0 半周 + 下個(gè)周期 ， 所以， 延 2 允許 的 放電時(shí)間 遠(yuǎn)大于 充電時(shí)間， 這個(gè) 技術(shù) 上 容易實(shí)現(xiàn) 。

注意， 是允許 的 放電時(shí)間 遠(yuǎn)大于 充電時(shí)間， 允許 的 放電時(shí)間 最大 可以達(dá)到這個(gè)周期 的 0 半周 + 下個(gè)周期 這么長(zhǎng)， 但不是說(shuō) 要 做到 這么長(zhǎng)， 事實(shí)上， 應(yīng)該 比 這個(gè) 小， 越小越好 。

上面說(shuō)的 這些 問(wèn)題， 早期 的 電子計(jì)算機(jī) 工程師 應(yīng)該都 碰到過(guò)， 或者說(shuō)， 經(jīng)歷過(guò) 。

再來(lái) 看 一次性開(kāi)關(guān)， 這里會(huì)用到 開(kāi)關(guān)元件， 開(kāi)關(guān)元件 的 示意圖 ：

控制端 是 1 時(shí)， 輸入端輸出端 導(dǎo)通， 控制端 是 0 時(shí)， 輸入端輸出端 斷開(kāi) 。

開(kāi)關(guān)元件 可以是一個(gè) 繼電器， 也可以是 三極管開(kāi)關(guān)電路， 等等 。

三極管開(kāi)關(guān) 電路圖 ：

一次性開(kāi)關(guān) 電路圖 ：

控制端 輸入 1 脈沖， 雙 1 的 out 1 變成 1， 使 開(kāi)關(guān) 1 導(dǎo)通， 之后， 輸入端 輸入 1 就可以 通過(guò) 開(kāi)關(guān) 1， 使 雙 2 的 out 1 變成 1， 使 開(kāi)關(guān) 2 導(dǎo)通，

之后， 當(dāng) 輸入端 的 1 結(jié)束后， 就變成了 0， 0 使 非門 輸出 1， 通過(guò) 開(kāi)關(guān) 2 輸出 到 雙 1 的 in 2， 使 雙 1 out 1 變成 0， 開(kāi)關(guān) 1 斷開(kāi) 。

開(kāi)關(guān) 1 斷開(kāi) 后， 輸入端 無(wú)論 輸入什么， 輸出端 都是 0， 這就是 一次性開(kāi)關(guān) 的 效果 ： 當(dāng) 控制端 輸入 1 脈沖 后， 一次性開(kāi)關(guān) 開(kāi)始工作， 輸入端 和 輸出端 導(dǎo)通， 當(dāng) 輸入端 輸入 1 脈沖 時(shí)， 輸出端 輸出 1 脈沖， 1 脈沖 結(jié)束 后， 一次性開(kāi)關(guān) 停止工作， 輸入端 無(wú)論輸入什么， 輸出端 都是 0 。

還有， 當(dāng) 控制端 輸入 1 時(shí)， 雙 1 out 1 會(huì) 輸出 1 到 雙 2 的 in 2， 使 雙 2 out 1 變成 0， 開(kāi)關(guān) 2 斷開(kāi) 。 這樣 就 切斷了 非門 和 雙 1 in 2 的 通路， 不然， 非門 輸出 的 1 會(huì) 阻止 雙 1 out 1 變成 1 。 在 上一次 使用后， 雙 2 out 1 一直 是 1， 開(kāi)關(guān) 2 一直 導(dǎo)通 。

還要說(shuō)明一點(diǎn)， 雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān) 在 第一次 使用 前 要 設(shè)置 初始狀態(tài)， 因?yàn)椋?接通電源 后， 雙穩(wěn)態(tài)電路 的 狀態(tài) 是 隨機(jī) 的 。 如果 要求 初始狀態(tài) 是 out 1 = 1， 可以 讓 in 1 = 1 來(lái) 設(shè)置 這個(gè) 初始狀態(tài) 。
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