先來 設計 延時開關 。

延時開關 是 利用 電容器 充電 時， 電容器 兩端 的 電壓 逐漸 上升 的 特點 來 實現 的 。

看一下 RC 電路 ：

接通電源 后， 電容器 開始 充電， 開始時， 充電電流 最大， 電容器 可以看作是一個 較小 的 電阻， 根據 歐姆定律 分壓定理， C 兩端 的 電壓 較小，

當 C 充電 完成 后， C 相當于 一個 斷路， 電阻無窮大， 根據 分壓定理， C 兩端 的 電壓 等于 電源電壓 。

R 越大 、C 越大， 充電時間 越長， R 越小 、C 越小， 充電時間 越短 。

在 RC 電路 里 接入 一個 繼電器 ， 就可以 組成 延時開關 。

設 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 控制端 電壓 為 1 伏 時， J1 導通 。

開關 K 閉合 后， RC 電路 接通電源， C 開始充電， C 充電過程 中， C 可以看作是 一個 電阻 和 J1 控制端 并聯， 設 并聯電阻 為 R2， 可知 R2 < R1 = R ，

即 J1 控制端 兩端 的 電壓 小于 1 伏， J1 處于 斷開狀態 。

當 C 充電 充滿 時， C 為 斷路， 電阻無窮大， 此時 ， 電路 就變成了 R 、R1 的 串聯電路， R1 兩端 的 電壓為 1 伏， 達到 J1 控制端 工作電壓， J1 導通 。

J1 導通 就是 延時開關 導通 。 從 K 閉合 到 J1 導通， 中間 會 經歷 C 的 充電時間， 這就是 延遲時間 。

當 R 和 R1 的 阻值 確定 時， C 越大， 充電時間 越長， C 越小， 充電時間 越短 。

也可以 把 R 、R1 和 C 一起 納入 參數 計算， 計算出 符合 要求 的 充電時間 的 R 、R1 、C 。 就是說， 不單 可以 調節 C 的 大小 來 獲得 要求 的 充電時間， 也可以 調整 R 、R1 的 阻值 來 調節 充電時間 。

實際上， 這里 R1 和 C 并聯， 對 充電時間 的 影響 可能有點 復雜 。

但 實際上， 也不需要 精確計算， 根據 經驗 和 一些 調試， 可以獲得 適當 的 R 、R1 、C ， 滿足 要求 的 充電時間 。

用 三極管電路 表示 延時開關 ：

在 電路 中， 延時開關 的 示意圖 ：

輸入端 接通 電源正極 后， 延遲一段時間 后， 輸出端 輸出 1， 也就是 高電位， 也可以說是 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， 延時開關 才能 正常工作 。

再來看 脈沖延時開關， 《設計 邏輯電路 的 開關元件》https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/13412340.html 里 介紹 了 雙穩態開關，

雙穩態開關 的 示意圖 ：

因為 一般 只用得到 一個 輸出端， 所以 只 畫出 out 1 。

延時脈沖開關 的 電路圖 ：

輸入端 輸入 一個 1 脈沖 時， 雙 1 的 out 1 變為 1 ， 觸發 延 1， 延 1 開始 充電， 到 延遲時間 后， 延 1 輸出 1， 輸出端 輸出 1， 雙 2 的 out 1 變為 1， 觸發 延 2， 延 2 開始 充電， 到 延遲時間 后， 延 2 輸出 1， 雙 1 、雙2 的 out 1 都 變為 0， 本次工作過程 結束 。

在 本次工作過程 中， 輸入端 輸入 1 脈沖 后， 經過 延 1 的 延遲時間， 輸出端 輸出 1， 從此時 又 經過 延 2 的 延遲時間， 輸出端 輸出 0， 雙 1 、雙 2 的 out 1 變為 0， 延 1 、延 2 放電， 放電 到 一定程度 后 斷開， 斷開后 仍然 放 沒放完 的 電， 放電完成 后 整個電路 恢復 為 初始狀態 。

在 本次工作過程 中， 輸出端 輸出了 一個 1 脈沖， 脈沖寬度 是 延 2 的 充電時間， 也就是 延 2 的 延遲時間 。

其實 這個 設計 是 存在問題 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 變為 0， 雙 2 out 1 變為 0 則 延 2 輸出 0， 這就 形成了一個 循環依賴， 這可能會導致 不穩定 的 問題 。

總的來說， 這是一種 直接反饋， 這種 直接反饋 可能 導致 不穩定 ， 或者說 預期外 的 結果 。

但 這 似乎 又和 實際 的 元件 和 電路 的 品質表現 有關， 對于 理想 的 元件 和 電路， 這樣 的 設計 似乎 沒問題 。

理想 的 元件 和 電路， 對 信號 的 響應 是 即時 的， 大概 可以說是 只需要 “很短的時間”， 且 各 元件 對 響應 保證 完成 和 保證 按 順序完成， 這樣就不存在問題 。

實際中， 延 2 輸出 1， 使得 雙 2 out 1 變為 0， 需要 確保一小段時間， 在這段時間內， 即使 雙 2 out 1 變為 0， 但 延 2 仍然可以 輸出 1， 確保 雙 2 out 1 變為 0， 這段時間后， 延 2 才 輸出 0 。

如果 這個 問題 存在， 要怎么 改進設計 ？ 留給大家思考， 我懶得畫了， 哈 。

我們 假設 這個 問題 不存在， 接著分析 。

電容器 的 充電放電 是一個 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， 相當于 延 1 和 電源斷開， 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 延時開關 下一次 被 觸發 前 完成 。

最快的情況， 本次操作 后 執行 下一次 操作， 下一次操作 完成后 又 返回 調用 本次操作， 這類似于 程序 里 的 循環 和 goto 。

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

如果 本次操作 的 時間很長， 就 意味 著 本次操作 的 充電時間 很長， 如果 下一次操作 的 時間很短， 就 意味著 下一次 操作 的 充電時間 很短， 這要求 本次 操作 的 放電時間 更短，

于是， 這就要求 本次操作 的 充電時間 很長 而 放電時間 很短， 這在 技術 上 做到 比較 有 難度 。

因為 這要 權衡 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 。

對于 NPN 型 三極管電路， 放電電阻 是 基極電阻 + 基極 和 發射極 之間 的 電阻 + 發射極電阻 。

基極電阻 是 連在 基極 上 的 電阻， 發射極電阻 是 連在 發射極 上 的 電阻，

基極 和 發射極 之間 的 電阻 = 三極管內部 基區電阻 + 發射區電阻 + 基區 和 發射區 之間 PN 結 的 電阻

當然， 事實上， 還有一部分 放電電流 是 通過 充電電阻 R， 流到 集電極， 又流到 發射極， 又通過 發射極電阻 來到 電容器 負端 。

所以， 要 權衡設計 這些電阻， 而 發射極電阻 還關系 到 輸出電壓， 這跟 連在 發射極 上 的 外部電路 的 電阻（阻抗） 又有關系 。 這是不是 “輸出阻抗” 問題 ？

電容器放電 剛開始 的 一段時間 內， 延 1 可能 仍然 是 導通 的， 這段 時間 要不要 算到 延時開關 的 導通時間 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 延時脈沖開關的 輸出端， 一邊 和 雙 2 的 in 1 相連， 雙 2 的 in 1 在 out 1 為 0 時， in 1 會輸出 一定 的 低電壓， 這會 通過 輸出端 和 外部電路 產生 耦合， 要不要 在 延 1 和 輸出端 之間 加一個 繼電器 或者 三極管開關 解耦 ？

又或是 在 延 1 和 雙 2 之間 加 一個繼電器 或者 三極管開關 解耦 ？

或者 把 輸出端 設 在 雙 2 的 out 1， 以 雙 2 的 out 1 作為 延時脈沖開關 的 輸出端， 但 這樣 延 2 的 輸入端 會 和 外部電路 產生 耦合， 延 2 放電 的 時候， 放電電流 會 流向 外部電路 。

這似乎 引出 了 “輸入阻抗” 和 “輸出阻抗” 的 問題， 兩個 元件 要 連在一起用， 輸入阻抗 和 輸出阻抗 要 匹配， 或者說 符合 彼此 給出 的 規格 ， 大概 就是 輸入阻抗 和 輸出阻抗 問題 吧 。

規格 是指 阻抗 的 范圍 ， 兩個元件 要 連在一起用， 自己 的 輸出端阻抗 要在 對方 給出 的 輸入阻抗 范圍 內 。 以及， 對方 的 輸入端阻抗 要 在 自己 給出 的 輸出阻抗 范圍 內 。

耦合 是 普遍存在 的， 但， 通過 制定 統一 的 輸入輸出 接口， 可以進行 管理 和 調節 。

輸入輸出 接口 可以 減小 耦合， 統一 輸入輸出接口 可以 對 輸入輸出 的 耦合 統一 計算， 可以計算 很多 元件 連在 一起用 時 的 耦合 積累， 可以計算得到 并聯 的 最大情況 的 耦合 和 串聯 的 最大情況 的 耦合 ， 并 將 它們 控制在 一個 比較小 的 范圍內， 在 這個 范圍 內， 耦合 對 電路 的 影響 不大， 電路 可以 正常工作 。

通過 對 電路參數 的 設計， 以及 晶體管 的 技術品質 的 提升， 可以 在 元件 數量很多 時， 耦合 的 累積量 仍然 很小， 不會 超過某個 范圍， 就像 數學上 的 極限 。

這是 一種 比較 理想 的 情況 。

晶體管 的 技術品質， 比如 開關特性， 開時， 電阻很小， 關時， 電阻很大， 開關 的 反差 越大， 則 電路 的 誤差耦合 越小， 電路越穩定， 電路 的 規模 可以 做的 越大 。 電路規模 指 元件數量 。 比如 大規模集成電路， 超大規模集成電路 。

誤差耦合 就是 上面 說的 不需要 但是 又存在 的 耦合 ， 這些 耦合 會 造成 電路 的 誤差 ， 誤差 在 一定范圍內， 電路 可以 正常運行， 表達 預期 的 邏輯， 誤差 積累 超過 一定范圍， 電路 會 出錯， 表達出 錯誤邏輯， 比如 開 變成 關， 關 變成 開， 或者， 該開不開， 該關不關 。

數字電路 的 誤差耦合 可以 分為 2 大類 ：

1 基本開關電路 的 誤差耦合

2 特定電路 的 誤差耦合

先說說 基本開關電路 的 誤差耦合， 理論上， 繼電器， 是 一個 理想 的 開關元件， 可以說 不存在 誤差耦合 。 因為 繼電器 的 控制端 和 輸入輸出端 是 獨立 的 2 條 線路 ， 所以， 繼電器 沒有基本開關電路 的 誤差耦合 。

三極管 的 基極 、發射極 、集電極 共用 一條 線路， 相當于 控制端 和 輸入輸出端 共用 一條 線路， 所以， 三極管開關電路 存在基本開關電路 的 誤差耦合 。

特定電路 的 誤差耦合 比如 上文說到的 雙穩態電路 的 in1 和 延時脈沖開關 的 輸出端 直接連接 時， 可能 通過 延時脈沖開關 的輸出端 向 外部電路 輸出 低電壓 。 又比如 上文說到的 延 2 的 輸入端 和延時脈沖開關 的 輸出端 相連 時， 可能 通過 延時脈沖開關 的輸出端 向 外部電路 輸出 放電電流 。

假設 本次操作 和 下一次操作 的 延時脈沖開關 的 延遲時間 一樣， 下一次操作 完成后 又返回執行 本次操作， 那么， 簡單的， 理想的， 這兩個操作 的 延時脈沖開關 交替 輸出 的 脈沖 可以用 一個 方波 來 表示 ：

簡單的， 理想的， 延 1 的 充電時間 可以認為 是 方波 的 一個周期， 放電時間 應在 0 半周 以內， 且 越小越好 。 上文說了， 技術上， 要讓 放電時間 遠小于 充電時間 實現起來 可能 比較 困難， 在這里， 因為 充電時間 = 一個周期 = 1 半周 + 0 半周 = 1 半周 + 最大放電時間， 可以 讓 0 半周 比 1 半周 長 比較多， 這樣， 充電時間 仍然 大于 放電時間， 但是 放電時間 的 范圍 變大 了， 或者說， 0 半周 比 1 半周 越長， 最大放電時間 越接近 充電時間， 技術上 比較容易 實現 。

對于 延 2， 充電時間 是 1 半周， 放電時間 是 這個周期 的 0 半周 + 下個周期 ， 所以， 延 2 允許 的 放電時間 遠大于 充電時間， 這個 技術 上 容易實現 。

注意， 是允許 的 放電時間 遠大于 充電時間， 允許 的 放電時間 最大 可以達到這個周期 的 0 半周 + 下個周期 這么長， 但不是說 要 做到 這么長， 事實上， 應該 比 這個 小， 越小越好 。

上面說的 這些 問題， 早期 的 電子計算機 工程師 應該都 碰到過， 或者說， 經歷過 。

再來 看 一次性開關， 這里會用到 開關元件， 開關元件 的 示意圖 ：

控制端 是 1 時， 輸入端輸出端 導通， 控制端 是 0 時， 輸入端輸出端 斷開 。

開關元件 可以是一個 繼電器， 也可以是 三極管開關電路， 等等 。

三極管開關 電路圖 ：

一次性開關 電路圖 ：

控制端 輸入 1 脈沖， 雙 1 的 out 1 變成 1， 使 開關 1 導通， 之后， 輸入端 輸入 1 就可以 通過 開關 1， 使 雙 2 的 out 1 變成 1， 使 開關 2 導通，

之后， 當 輸入端 的 1 結束后， 就變成了 0， 0 使 非門 輸出 1， 通過 開關 2 輸出 到 雙 1 的 in 2， 使 雙 1 out 1 變成 0， 開關 1 斷開 。

開關 1 斷開 后， 輸入端 無論 輸入什么， 輸出端 都是 0， 這就是 一次性開關 的 效果 ： 當 控制端 輸入 1 脈沖 后， 一次性開關 開始工作， 輸入端 和 輸出端 導通， 當 輸入端 輸入 1 脈沖 時， 輸出端 輸出 1 脈沖， 1 脈沖 結束 后， 一次性開關 停止工作， 輸入端 無論輸入什么， 輸出端 都是 0 。

還有， 當 控制端 輸入 1 時， 雙 1 out 1 會 輸出 1 到 雙 2 的 in 2， 使 雙 2 out 1 變成 0， 開關 2 斷開 。 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 阻止 雙 1 out 1 變成 1 。 在 上一次 使用后， 雙 2 out 1 一直 是 1， 開關 2 一直 導通 。

還要說明一點， 雙穩態開關 在 第一次 使用 前 要 設置 初始狀態， 因為， 接通電源 后， 雙穩態電路 的 狀態 是 隨機 的 。 如果 要求 初始狀態 是 out 1 = 1， 可以 讓 in 1 = 1 來 設置 這個 初始狀態 。
編輯：hfy