施密特觸發器電路及工作原理詳解

2021-05-13 13:36:25 字數 2064 閱讀 8105

什麼叫觸發器

施密特觸發電路( 簡稱)是一種波形整形電路,當任何波形的訊號進入電路時,輸出在正、負飽和之間跳動,產生方波或脈波輸出。不同於比較器,施密特觸發電路有兩個臨界電壓且形成乙個滯後區,可以防止在滯後範圍內之雜訊干擾電路的正常工作。如遙控接收線路,感測器輸入電路都會用到它整形。

施密特觸發器

一般比較器只有乙個作比較的臨界電壓,若輸入端有雜訊來回多次穿越臨界電壓時,輸出端即受到干擾,其正負狀態產生不正常轉換,如圖1所示。

圖1 (a)反相比較器 (b)輸入輸出波形

施密特觸發器如圖2 所示,其輸出電壓經由r1 、r2 分壓後送回到運算放大器的非反相輸入端形成正反饋。因為正反饋會產生滯後(hysteresis)現象,所以只要雜訊的大小在兩個臨界電壓(上臨界電壓及下臨界電壓)形成的滯後電壓範圍內,即可避免雜訊誤觸發電路,如表1 所示

圖2 (a)反相斯密特觸發器(b)輸入輸出波形

表1施密特觸發器的滯後特性

反相施密特觸發器

電路如圖2 所示,運算放大器的輸出電壓在正、負飽和之間轉換:

νo= ±vsat 。輸出電壓經由r1 、r2 分壓後反饋到非反相輸入端:ν+= βνo,

其中反饋因數=

當νo為正飽和狀態(+vsat )時,由正反饋得上臨界電壓

當νo 為負飽和狀態(- vsat )時,由正反饋得下臨界電壓

vth 與vtl 之間的電壓差為滯後電壓:2r1

圖3 (a)輸入、輸出波形(b)轉換特性曲線

輸入、輸出波形及轉換特性曲線如圖3(b)所示。

當輸入訊號上公升到大於上臨界電壓vth 時,輸出訊號由正狀態轉變為

負狀態即: νi >vth→νo = - vsat

當輸入訊號下降到小於下臨界電壓vtl 時,輸出訊號由負狀態轉變為

正狀態即: νi <vtl→νo = + vsat

輸出訊號在正、負兩狀態之間轉變,輸出波形為方波。

非反相施密特電路

圖4 非反相史密特觸發器

非反相施密特電路的輸入訊號與反饋訊號均接至非反相輸入端,如圖4所示。

由重疊定理可得非反相端電壓

反相輸入端接地: ν- = 0,當0 時的輸入電壓即為臨界電壓。

將ν+ = 0 代入上式得

整理後得臨界電壓

當νo 為負飽和狀態時,可得上臨界電壓

當νo為正飽和狀態時,可得下臨界電壓,

vth與vtl之間的電壓差為滯後電壓:

圖5 (a)計算機**圖(b)轉換特性曲線

輸入、輸出波形與轉換特性曲線如圖5所示。

當輸入訊號下降到小於下臨界電壓vtl 時,輸出訊號由正狀態轉變為

負狀態:νo < vtl →νo = - vsat

當輸入訊號上公升到大於上臨界電壓vth 時,輸出訊號由負狀態轉變為

正狀態: νo > vtl →νo =+ vsat

輸出訊號在正、負兩狀態之間轉變,輸出波形為方波。

史密特觸發器電路原理實驗

如圖6,當vi 大於vr 時運算放大器的輸出會得到乙個正向電壓輸出;若vr 大於vi 時則會得到乙個負電壓。電壓的大小則由兩個齊紊二極體來限壓。理想的運算放大器其輸出上公升時間為0,而在實際的電路上是上可能得到這麼理想的曲線,一般從負壓上公升到正壓需要一小段的上公升時間。

換言之,運算放大器並上能立刻反應vi 及vr 所形成的電壓差。

如果參考電壓vr 固定,那麼當vi 慢慢增加時,僅在vi-vr>=v1 時。運算放大器的輸出達到vmax;而當vi 漸漸減小時卻必須於vi-vr<=v1 伏特時,輸出才為vmin。也即,欲達vmax 及vmin 輸出電壓的條件上一樣,兩者vi-vr值相差v1,這種情形稱為遲滯(hysteresis)現象。

史密特觸發器便是利用這種現象而做成的電路。反相的史密特觸發器,輸出電壓經由分壓電路回授至運算放大器,參考電壓則加在r1 及r2 的末端。回授β 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 到運算放大器。

當viv+

v+=vr-(r2/r1+r2)(vmin+vr)

若此時v+漸漸小至v2,則輸出又轉為vmax。由於遲滯現象,使得觸發輸出電壓轉相的電壓有所上同,輸入電壓增加產生輸出轉相時所的電壓,要比輸入電壓降低時所產生的輸出轉相所需電壓來得大(v1>v2)。

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