可自動(dòng)調(diào)整閾值的施密特觸發(fā)器

基于交叉耦合式熱陰極電子管的這種電路是由美國(guó)科學(xué)家施密特（O.H.Schmitt）發(fā)明的。從那以后，施密特觸發(fā)器就成為許多信號(hào)處理電路中的一個(gè)重要構(gòu)建模塊。回差—高電壓和低電壓閾值之差—是施密特觸發(fā)器工作時(shí)的固有特性。當(dāng)輸入信號(hào)越過這兩個(gè)閾值時(shí)，電路可以抑制輸入信號(hào)中包含的噪聲，并產(chǎn)生頻率與輸入信號(hào)相同的矩形輸出信號(hào)。

不管你用晶體管、運(yùn)放還是比較器實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)器，你都需要確定要求的回差和兩個(gè)閾值電壓是多少。如果你知道輸入信號(hào)的幅度以及可能包含的噪聲大小，那么這個(gè)問題很容易回答。然而，如果這些參數(shù)是可變的，或者很大程度上并不明確，那么設(shè)置閾值來產(chǎn)生可靠的觸發(fā)就極具技巧性：太大的回差可能無法使輸入信號(hào)越過其中一個(gè)或兩個(gè)閾值；太小的回差電壓在輸入信號(hào)有大量噪聲的情況下又可能導(dǎo)致錯(cuò)誤觸發(fā)。

圖1所示的設(shè)計(jì)實(shí)例可以解決這些問題。圖中所示的實(shí)現(xiàn)電路可以根據(jù)輸入信號(hào)的幅度自動(dòng)調(diào)整觸發(fā)閾值。比較器IC1A和模擬開關(guān)IC2B及電容C1組成正向峰值檢測(cè)器。當(dāng)輸入信號(hào)上升并超過比較器反相輸入端的C1中存儲(chǔ)的電壓時(shí)，比較器輸出將變高電平，繼而使IC2B切換到原理圖中所示的位置。檢測(cè)器現(xiàn)在采樣輸入信號(hào)，并充滿C1中所存儲(chǔ)的電荷。當(dāng)輸入信號(hào)下降至低于C1上的電壓時(shí)，開關(guān)將改變狀態(tài)，C1中存儲(chǔ)的電壓VU就成為了對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)正向峰值的直流電平。

圖1：自適應(yīng)施密特觸發(fā)器。

比較器IC1B、模擬開關(guān)IC2C和電容C2組成了負(fù)向峰值檢測(cè)器。它的工作原理和上述正向峰值檢測(cè)器相同，只是采樣的是信號(hào)的負(fù)向峰值，因此C2中存儲(chǔ)的電壓VL就是對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)負(fù)向峰值的直流電平。

R1、R2和R3組成的電阻網(wǎng)絡(luò)為采樣電容中存儲(chǔ)的電荷提供放電路徑，并為最后的比較器IC4A分別設(shè)置上限閾值電壓VTU和下限閾值電壓VTL.電阻值的選擇原則是，使VTU稍小于VU，VTL稍大于VL.如果設(shè)置R1=R3，那么按百分比計(jì)算的電壓差等于：

電壓差＝[R1/（2R1+R2）]×100%

如果采用圖中所示的元件值，那么VTU比VU小5%，VTL比VL大5%.這樣，閾值就能不斷地調(diào)整，以跟蹤輸入信號(hào)幅度和直流電平。比如，疊加在2V直流電平上、峰峰值為1V的信號(hào)（也就是VU=2.5V，VL=1.5V）所產(chǎn)生的閾值將是VTU=2.45V和VTL=1.55V.可以看出，由VH=VTU-VTL給定的回差電壓VH（本例為0.9V）總是稍低于輸入信號(hào)幅度的峰峰值。

閾值電壓經(jīng)IC3A和IC3B緩沖后饋入模擬開關(guān)IC2A.為了理解電路的最后部分是如何工作的，可以假設(shè)IC2A處于圖中所示狀態(tài)，因此閾值電壓VTU饋入比較器的反相輸入端，比較器同相輸入端的輸入信號(hào)從負(fù)峰值開始上升。數(shù)字輸出信號(hào)VOUT目前處于低電平。在輸入信號(hào)剛越過VTU的時(shí)刻，比較器輸出立即變高，致使IC2A改變狀態(tài)，將VTL饋入比較器的反相輸入端。這種正反饋—典型的施密特觸發(fā)器行為—確保了數(shù)字輸出信號(hào)的快速完全切換。緩沖器IC3A和IC3B是很有必要的（特別是在高頻時(shí)），可以在IC2A改變狀態(tài)時(shí)防止IC4A反相輸入端的雜散電容造成VTU和VTL的畸變。

圖2和圖3的示波器波形展示了使用比較器IC1和IC4=TLC3702以及運(yùn)放IC3=TLC2272搭建的測(cè)試電路的性能。這些相當(dāng)極端的例子反映了電路處理差別極大的輸入信號(hào)的能力。

圖2：含有調(diào)制“噪聲”的500Hz信號(hào)。

圖3：低幅度輸入信號(hào)。

在圖2中，源信號(hào)是一個(gè)被峰峰值為2.88V的100kHz正弦波所調(diào)制的、峰峰值為1.56V的500Hz正弦波信號(hào)，最終是疊加在2.5V直流電平之上、峰峰值約為4.4V的合成信號(hào)。盡管“噪聲”幅度幾乎是源信號(hào)幅度的兩倍，但電路輸出仍能以源信號(hào)頻率利索地開關(guān)，并且完全不受高頻調(diào)制的影響。圖3展示了電路對(duì)很小輸入信號(hào)的響應(yīng)性能。這里的源信號(hào)是一個(gè)疊加于400mV直流電平上、峰峰值約為30mV的100kHz正弦波。輸入信號(hào)中開關(guān)毛刺的存在（由于不太完美的面包板版圖引起的）會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)有一些抖動(dòng)。注意：圖2中的輸入信號(hào)比圖3中的信號(hào)大100倍以上。事實(shí)上，若輸入信號(hào)保持在比較器和緩沖器的共模范圍內(nèi)（本例約為0至4V），電路可以處理幅度變化達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)的不同信號(hào)幅度。交流耦合只是當(dāng)信號(hào)直流電平超出輸入共模范圍時(shí)才需要。

你應(yīng)該選擇C1和C2來適應(yīng)預(yù)期的頻率范圍。100nF左右的值適合大約300Hz以上或左右的頻率。當(dāng)小于這個(gè)頻率時(shí)，應(yīng)增加采樣電容，以防止在VU和VL上出現(xiàn)過多的衰減紋波。TLC3702比較器可以很好地工作到100kHz左右，但超過這個(gè)水平時(shí)，你可能就需要選用速度更快的器件。上述電路并不是適合所有的觸發(fā)應(yīng)用，但對(duì)于傳統(tǒng)施密特觸發(fā)器的固定閾值不適合的應(yīng)用來說是很有用的。