什么是施密特觸發(fā)器？一文帶你詳細(xì)分析

在電子學(xué)中，施密特觸發(fā)器(英語(yǔ)：Schmitt trigger)是包含正反饋的比較器電路。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)施密特觸發(fā)器，當(dāng)輸入電壓高于正向閾值電壓，輸出為高;當(dāng)輸入電壓低于負(fù)向閾值電壓，輸出為低;當(dāng)輸入在正負(fù)向閾值電壓之間，輸出不改變，也就是說(shuō)輸出由高電準(zhǔn)位翻轉(zhuǎn)為低電準(zhǔn)位，或是由低電準(zhǔn)位翻轉(zhuǎn)為高電準(zhǔn)位時(shí)所對(duì)應(yīng)的閾值電壓是不同的。只有當(dāng)輸入電壓發(fā)生足夠的變化時(shí)，輸出才會(huì)變化，因此將這種元件命名為觸發(fā)器。這種雙閾值動(dòng)作被稱(chēng)為遲滯現(xiàn)象，表明施密特觸發(fā)器有記憶性。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，施密特觸發(fā)器是一種雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。

施密特觸發(fā)器可作為波形整形電路，能將模擬信號(hào)波形整形為數(shù)字電路能夠處理的方波波形，而且由于施密特觸發(fā)器具有滯回特性，所以可用于抗干擾，其應(yīng)用包括在開(kāi)回路配置中用于抗擾，以及在閉回路正回授/負(fù)回授配置中用于實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器。

施密特觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號(hào)電位維持;對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓。

重要特性：施密特觸發(fā)器具有如下特性：輸入電壓有兩個(gè)閥值VL、VH，VL施密特觸發(fā)器通常用作緩沖器消除輸入端的干擾。

施密特波形圖

施密特觸發(fā)器也有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號(hào)電位維持;對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓。

門(mén)電路有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時(shí)電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門(mén)電路，與普通的門(mén)電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱(chēng)為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱(chēng)為正向閾值電壓，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱(chēng)為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱(chēng)為回差電壓。

它是一種閾值開(kāi)關(guān)電路，具有突變輸入——輸出特性的門(mén)電路。這種電路被設(shè)計(jì)成阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化(低于某一閾值)而引起的輸出電壓的改變。

利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔?，可以把邊沿變化緩慢的周期性信?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)。輸入的信號(hào)只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號(hào)。

當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達(dá)V+時(shí)，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達(dá)V-，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對(duì)于要求一定延遲啟動(dòng)的電路，它是特別適用的.

從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當(dāng)傳輸線(xiàn)上的電容較大時(shí)，波形的上升沿將明顯變壞;當(dāng)傳輸線(xiàn)較長(zhǎng)，而且接受端的阻抗與傳輸線(xiàn)的阻抗不匹配時(shí)，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象;當(dāng)其他脈沖信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)間的分布電容或公共電源線(xiàn)疊加到矩形脈沖信號(hào)時(shí)，信號(hào)上將出現(xiàn)附加的噪聲。無(wú)論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過(guò)用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的vt+和vt-設(shè)置得合適，均能受到滿(mǎn)意的整形效果。

施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

1. 波形變換

可將三角波、正弦波等變成矩形波。

2. 脈沖波的整形

數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，出現(xiàn)上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖。

3. 脈沖鑒幅

幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號(hào)時(shí)加到施密特觸發(fā)器的輸入端時(shí)，能選擇幅度大于欲設(shè)值的脈沖信號(hào)進(jìn)行輸出。

施密特觸發(fā)器常用芯片:

74LS18雙四輸入與非門(mén)(施密特觸發(fā))

74LS19六反相器(施密特觸發(fā))

74132、74LS132、74S132、74F132、74HC132四2輸入與非施密特觸發(fā)器觸發(fā)器

74221、74LS221、74 HC221、74 C221雙單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(有施密特觸發(fā)器)

觸發(fā)器定義

施密特觸發(fā)電路( 簡(jiǎn)稱(chēng))是一種波形整形電路，當(dāng)任何波形的信號(hào)進(jìn)入電路時(shí)，輸出在正、負(fù)飽和之間跳動(dòng)，產(chǎn)生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個(gè)臨界電壓且形成一個(gè)滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內(nèi)之噪聲干擾電路的正常工作。如遙控接收線(xiàn)路，傳感器輸入電路都會(huì)用到它整形。

施密特觸發(fā)器

一般比較器只有一個(gè)作比較的臨界電壓，若輸入端有噪聲來(lái)回多次穿越臨界電壓時(shí)，輸出端即受到干擾，其正負(fù)狀態(tài)產(chǎn)生不正常轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

圖1 (a)反相比較器 (b)輸入輸出波形

施密特觸發(fā)器如圖2 所示，其輸出電壓經(jīng)由R1 、R2 分壓后送回到運(yùn)算放大器的非反相輸入端形成正反饋。因?yàn)檎答仌?huì)產(chǎn)生滯后(Hysteresis)現(xiàn)象，所以只要噪聲的大小在兩個(gè)臨界電壓(上臨界電壓及下臨界電壓)形成的滯后電壓范圍內(nèi)，即可避免噪聲誤觸發(fā)電路，如表1 所示

圖2 (a)反相斯密特觸發(fā)器 (b)輸入輸出波形

表1施密特觸發(fā)器的滯后特性

上臨界電壓VTH下臨界電壓VTL滯后寬度(電壓)VHVTL<噪聲

輸入端信號(hào)νI 上升到比VTH 大時(shí)，觸發(fā)電路使νO 轉(zhuǎn)態(tài)輸入端信號(hào)νI 下降到比VTL 小時(shí)，觸發(fā)電路使νO 轉(zhuǎn)態(tài)上、下臨界電壓差VH =VTH -VTL噪聲在容許的滯 后寬度范圍內(nèi)，νO 維持穩(wěn)定狀態(tài)

反相施密特觸發(fā)器

電路如圖2 所示，運(yùn)算放大器的輸出電壓在正、負(fù)飽和之間轉(zhuǎn)換:

νO= ±Vsat 。輸出電壓經(jīng)由R1 、R2 分壓后反饋到非反相輸入端：ν+= βνO，

其中反饋因數(shù)=

當(dāng)νO為正飽和狀態(tài)(+Vsat )時(shí)，由正反饋得上臨界電壓

當(dāng)νO 為負(fù)飽和狀態(tài)(- Vsat )時(shí)，由正反饋得下臨界電壓

VTH 與VTL 之間的電壓差為滯后電壓：

2R1

圖3 (a)輸入、輸出波形 (b)轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)

輸入、輸出波形及轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)如圖3(b)所示。

當(dāng)輸入信號(hào)上升到大于上臨界電壓VTH 時(shí)，輸出信號(hào)由正狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

負(fù)狀態(tài)即： νI >VTH→νo = - Vsat

當(dāng)輸入信號(hào)下降到小于下臨界電壓VTL 時(shí)，輸出信號(hào)由負(fù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

正狀態(tài)即： νI

輸出信號(hào)在正、負(fù)兩狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變，輸出波形為方波。

非反相施密特電路

圖4 非反相史密特觸發(fā)器

非反相施密特電路的輸入信號(hào)與反饋信號(hào)均接至非反相輸入端，如圖4所示。

由重迭定理可得非反相端電壓

反相輸入端接地： ν- = 0，當(dāng)ν+ = ν- = 0 時(shí)的輸入電壓即為臨界電壓。

將ν+ = 0 代入上式得

整理后得臨界電壓

當(dāng)νo 為負(fù)飽和狀態(tài)時(shí)，可得上臨界電壓

當(dāng)νo為正飽和狀態(tài)時(shí)，可得下臨界電壓，

VTH與VTL之間的電壓差為滯后電壓：

圖5 (a)計(jì)算機(jī)仿真圖 (b)轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)

輸入、輸出波形與轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)如圖5所示。

當(dāng)輸入信號(hào)下降到小于下臨界電壓VTL 時(shí)，輸出信號(hào)由正狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

負(fù)狀態(tài)：νo < VTL →νo = - Vsat

當(dāng)輸入信號(hào)上升到大于上臨界電壓VTH 時(shí)，輸出信號(hào)由負(fù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

正狀態(tài)： νo > VTL →νo = + Vsat

輸出信號(hào)在正、負(fù)兩狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變，輸出波形為方波。

史密特觸發(fā)器電路原理實(shí)驗(yàn)：

如圖6，當(dāng)Vi 大于VR 時(shí)運(yùn)算放大器的輸出會(huì)得到一個(gè)正向電壓輸出;若VR 大于

Vi 時(shí)則會(huì)得到一個(gè)負(fù)電壓。電壓的大小則由兩個(gè)齊紊二極管來(lái)限壓。理想的運(yùn)

算放大器其輸出上升時(shí)間為0，而在實(shí)際的電路上是上可能得到這么理想的曲

線(xiàn)，一般從負(fù)壓上升到正壓需要一小段的上升時(shí)間。換言之，運(yùn)算放大器并上能

立刻反應(yīng)Vi 及VR 所形成的電壓差。

如果參考電壓VR 固定，那么當(dāng)Vi 慢慢增加時(shí)，僅在Vi-VR≧ V1 時(shí)。運(yùn)算

放大器的輸出達(dá)到Vmax;而當(dāng)Vi 漸漸減小時(shí)卻必須于Vi-VR≦ V1 伏特時(shí)，輸

出才為Vmin。也即，欲達(dá)Vmax 及Vmin 輸出電壓的條件上一樣，兩者Vi-VR

值相差V1，這種情形稱(chēng)為遲滯(hysteresis)現(xiàn)象。史密特觸發(fā)器便是利用這種現(xiàn)象

而做成的電路。

反相的史密特觸發(fā)器，輸出電壓經(jīng)由分壓電路回授至運(yùn)算放大器，參考電壓

則加在R1 及R2 的末端?；厥?beta; 值為R2/(R1+R2)，此電路為正回授，如果輸出

增加了V，則有回授βV 到運(yùn)算放大器。

當(dāng)Vi

V+=VR+(R2/R1+R2)(Vmax-VR)

當(dāng)Vi=V+時(shí)，輸出轉(zhuǎn)為Vmin。

當(dāng)Vi>V+

V+=VR-(R2/R1+R2)(Vmin+VR)

若此時(shí)V+漸漸小至V2，則輸出又轉(zhuǎn)為Vmax。由于遲滯現(xiàn)象，使得觸發(fā)輸出電

壓轉(zhuǎn)相的電壓有所上同，輸入電壓增加產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)相時(shí)所的電壓，要比輸入電壓

降低時(shí)所產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)相所需電壓來(lái)得大(V1>V2)。