施密特觸發(fā)器電路及工作原理詳解

什么叫觸發(fā)器

施密特觸發(fā)電路（ 簡(jiǎn)稱）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

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:
ν_O= ±Vsat 。輸出電壓經(jīng)由R1 、R2 分壓后反饋到非反相輸入端：ν₊= βν_O，
其中反饋因數(shù)=

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

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

V_TH 與V_TL 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

輸入、輸出波形及轉(zhuǎn)換特性曲線如圖3(b)所示。
當(dāng)輸入信號(hào)上升到大于上臨界電壓V_TH 時(shí)，輸出信號(hào)由正狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?br> 負(fù)狀態(tài)即： ν_I ＞V_TH→ν_o = - Vsat 

當(dāng)輸入信號(hào)下降到小于下臨界電壓V_TL 時(shí)，輸出信號(hào)由負(fù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?br> 正狀態(tài)即： ν_I ＜V_TL→ν_o = + 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。

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)ν_o 為負(fù)飽和狀態(tài)時(shí)，可得上臨界電壓

當(dāng)ν_o為正飽和狀態(tài)時(shí)，可得下臨界電壓，

V_TH與V_TL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

輸入、輸出波形與轉(zhuǎn)換特性曲線如圖5所示。
當(dāng)輸入信號(hào)下降到小于下臨界電壓V_TL 時(shí)，輸出信號(hào)由正狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?br> 負(fù)狀態(tài)：ν_o < V_{TL →}ν_o = - 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)?br> 正狀態(tài)： ν_o ＞ V_{TL →}ν_o = + 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，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?；厥讦?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+時(shí)，
V+=V_R+(R2/R1+R2)(Vmax-V_R)
當(dāng)Vi=V+時(shí)，輸出轉(zhuǎn)為Vmin。
當(dāng)Vi>V+
V+=V_R-(R2/R1+R2)(Vmin+V_R)
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)相所需電壓來得大(V1>V2)。