施密特觸發(fā)器概述

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

對于標準施密特觸發(fā)器，當輸入電壓高于正向閾值電壓，輸出為高；當輸入電壓低于負向閾值電壓，輸出為低；當輸入在正負向閾值電壓之間，輸出不改變，也就是說輸出由高電準位翻轉(zhuǎn)為低電準位，或是由低電準位翻轉(zhuǎn)為高電準位時所對應的閾值電壓是不同的。只有當輸入電壓發(fā)生足夠的變化時，輸出才會變化，因此將這種元件命名為觸發(fā)器。這種雙閾值動作被稱為遲滯現(xiàn)象，表明施密特觸發(fā)器有記憶性。從本質(zhì)上來說，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，其應用包括在開回路配置中用于抗擾，以及在閉回路正回授/負回授配置中用于實現(xiàn)多諧振蕩器。

門電路有一個閾值電壓，當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)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負向閾值電壓。正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓。

它是一種閾值開關(guān)電路，具有突變輸入——輸出特性的門電路。這種電路被設計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)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于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。

當輸入電壓由低向高增加，到達V 時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達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，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，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。當傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變緩；當傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當其他脈沖信號通過導線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，信號上將出現(xiàn)附加的噪聲。無論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過用施密特反相觸發(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-設置得合適，均能收到滿意的整形效果。

隧道二極管

施密特觸發(fā)器可以利用簡單的隧道二極管（英語：tunnel diode）實現(xiàn)，這種二極管的伏安特性在第一象限中是一條“N”形曲線。振蕩輸入會使二極管的伏安特性從“N”形曲線的上升分支移動到另一分支，然后在輸入值超越上升和下降翻轉(zhuǎn)閾值時回到起點。不過，這類施密特觸發(fā)器的性能可以利用基于晶體管的元件來提升，因為基于晶體管的元件可以通過非常直接的利用正反饋來提升翻轉(zhuǎn)性能。

比較器

施密特觸發(fā)器常用接入正反饋的比較器來實現(xiàn)。對于這一電路，翻轉(zhuǎn)發(fā)生在接近地的位置，遲滯量由R1與R2的阻值控制。

比較器提取了兩個輸入之差的符號。當同相（ ）輸入的電壓高于反相（-）輸入的電壓時，比較器輸出翻轉(zhuǎn)到高工作電壓 Vs；當同相（ ）輸入的電壓低于反相（-）輸入的電壓時，比較器輸出翻轉(zhuǎn)到低工作電壓-Vs。這里的反相（-）輸入是接地的，因此這里的比較器實現(xiàn)了函數(shù)符號，具有二態(tài)輸出的特性，只有高和低兩種狀態(tài)，當同相（ ）端連續(xù)輸入時總有相同的符號。

由于電阻網(wǎng)絡將施密特觸發(fā)器的輸入端（即比較器的同相（ ）端）和比較器的輸出端連接起來，施密特觸發(fā)器的表現(xiàn)類似比較器，能在不同的時刻翻轉(zhuǎn)電平，這取決于比較器的輸出是高還是低。若輸入是絕對值很大的負輸入，輸出將為低電平；若輸入是絕對值很大的正輸入，輸出將為高電平，這就實現(xiàn)了同相施密特觸發(fā)器的功能。不過對于取值處于兩個閾值之間的輸入，輸出狀態(tài)同時取決于輸入和輸出。例如，如果施密特觸發(fā)器的當前狀態(tài)是高電平，輸出會處于正電源 Vs上。這時V 就會成為Vin和 Vs間的分壓器。在這種情況下，只有當V =0（接地）時，比較器才會翻轉(zhuǎn)到低電平。由電流守恒，可知此時滿足下列關(guān)系：

因此必須降低到低于-R1Vs/R2時，輸出才會翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。一旦比較器的輸出翻轉(zhuǎn)到?Vs，翻轉(zhuǎn)回高電平的閾值就變成了 R1Vs/R2。這樣，電路就形成了一段圍繞原點的翻轉(zhuǎn)電壓帶，而觸發(fā)電平是±R1Vs/R2。只有當輸入電壓上升到電壓帶的上限，輸出才會翻轉(zhuǎn)到高電平；只有當輸入電壓下降到電壓帶的下限，輸出才會翻轉(zhuǎn)回低電平。若R1為0，R2為無窮大（即開路）。電壓帶的寬度會壓縮到0，此時電路就變成一個標準比較器 。輸出特性如右圖所示。閾值T由R1Vs/R2給出，輸出M的最大值是電源軌。 實際配置的非反相施密特觸發(fā)電路如下圖1所示。

輸出特性曲線與上述基本配置的輸出曲線形狀相同，閾值大小也與上述配置滿足相同的關(guān)系。不同點在于上例的輸出電壓取決于供電電源，而這一電路的輸出電壓由兩個齊納二極管確定。在這一配置中，輸出電平可以通過選擇適宜的齊納二極管來改變，而輸出電平對于電源波動具有抵抗力，也就是說輸出電平提高了比較器的電源電壓抑制比（PSRR）。電阻R3用于限制通過二極管的電流，電阻R4將比較器的輸入漏電流引起的輸入失調(diào)電壓降低到最小。

兩個晶體管

在使用正反饋配置實現(xiàn)的施密特觸發(fā)器中，比較器自身可以實現(xiàn)的大部分復雜功能都沒有使用。因此，電路可以用兩個交叉耦合的晶體管來實現(xiàn)（即晶體管可以用另外一種方式來實現(xiàn)輸入級）。基于2個晶體管的施密特觸發(fā)電路如下圖2所示。通路RC1 R1 R2設定了晶體管T2的基極電壓，不過，這一分壓通路會受到晶體管T1的影響，如果T1開路，通路將會提供更高的電壓。因此，在兩個狀態(tài)間翻轉(zhuǎn)的閾值電壓取決于觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)。

對于如上所示的NPN晶體管，當輸入電壓遠遠低于共射極電壓時，T1不會導通。晶體管T2的基極電壓由上述分壓電路決定。由于接入負反饋，共射極上所加的電壓必須幾乎與分壓電路上所確定的電壓幾乎一樣高，這樣就能使T2導通，并且觸發(fā)器的輸出是低電平狀態(tài)。當輸入電壓（T1基極電壓）上升到比電阻RE上的電壓（射極電壓）稍高時，T1將會導通。當T1開始導通時，T2不再導通，因為此時分壓通路提供的電壓低于T2基極電壓，而射極電壓不會降低，因為T1此時消耗通過RE的電流。此時T2不導通，觸發(fā)器過渡到高電平狀態(tài)。

此時觸發(fā)器處于高電平狀態(tài)，若輸入電壓降低得足夠多，則通過T1的電流會降低，這會降低T2的共射極電壓并提高其基極電壓。當T2開始導通時，RE上的電壓上升，然后會降低T1的基極－射極電位，T1不再導通。

在高電平狀態(tài)時，輸出電壓接近V ；但在低電平狀態(tài)時，輸出電壓仍會遠遠高于V?。因此在這種情況下，輸出電壓不夠低，無法達到邏輯低電平，這就需要在觸發(fā)器電路上附加放大器。

上述電路可以被簡化：R1可以用短路連接代替，這樣T2基極就直接連接到T1集電極，R2可以去掉并以開路代替。電路運行的關(guān)鍵是當T1接通（電流輸入基極的結(jié)果）時，通過RE的電流比T1截止時小，因為T1導通時會使T2截止，而當T2導通時，相比T1會為RE提供更大的通過電流。當流入RE的電流減小時，其上的電壓會降低，因此一旦電流開始流入T1，輸入電壓一定會降低以使T1回到截止狀態(tài)，這是因為此時T1的射極電壓已降低。這一施密特觸發(fā)緩沖器也可以變成一個施密特觸發(fā)反相器，而且在此過程中還能省去一個電阻，方法是將RK2以短接代替，并將Vout連接到T2射極而不是集電極。不過在這種情況下，RE的阻值應該更大，因為此時RE要充當輸出端的下拉電阻，作用是當輸出應該為低電平時，其會降低輸出端的電壓。若RE的阻值較小，其上只能產(chǎn)生一個較小的電壓，在輸出應該為數(shù)字低電平時，這一電壓實際上會提高輸出電壓。

1. 波形變換

可將三角波、正弦波、周期性波等變成矩形波。

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)則的脈沖信號施加到施密特觸發(fā)器的輸入端時，能選擇幅度大于預設值的脈沖信號進行輸出。

4、構(gòu)成多諧振蕩器

幅值不同的信號在通過加上一個合適電容的施密特觸發(fā)器后會產(chǎn)生矩形脈沖，矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。

74LS18雙四輸入與非門（施密特觸發(fā)）

74LS14六反相器（施密特觸發(fā)）

74132、74LS132、74S132、74F132、74HC132 2輸入四與非施密特觸發(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）

用555定時器可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器

CD4093由四個2輸入施密特觸發(fā)器組成

與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相比，施密特觸發(fā)器的最大特點是不僅具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)A 和B，而且使其從穩(wěn)定狀態(tài)A轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定狀態(tài)B和使其從穩(wěn)定狀態(tài)B轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定狀態(tài)A時需要的觸發(fā)電平不一樣。

施密物觸發(fā)器可由分立元件構(gòu)成，也可用門電路、運算放大器或電壓比較器構(gòu)成。不同性能的專用集成施密特觸發(fā)器也很多。

在基本RS觸發(fā)器的基礎上，增加一個非門G₁和一個二極管VD組成的施密特觸發(fā)器。

01

觸發(fā)器實現(xiàn)波形整形及脈沖延時的研究-施密特觸發(fā)器

掌握使用集成門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器的基本方法。了解集成施密特觸發(fā)器的使用。掌握施密特觸發(fā)器在波形整形電路中的作用。

課時

學時分配： 2學時

02

觸發(fā)器實現(xiàn)波形整形及脈沖延時的研究-單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

掌握使用集成門電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基本方法。了解集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的使用。掌握微分輸入電路和微分定時電路的應用，掌握單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電路中的延時與定時作用。

課時

學時分配： 2學時

03

555集成定時器的應用-多諧振蕩器

掌握555定時器使用方法及工作原理；熟悉多諧振蕩器的工作特點和典型應用；掌握555定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路的方法；掌握定時元件R、C與脈沖周期與寬度的關(guān)系。了解電子賀卡圣誕樹的設計。

課時

學時分配： 2學時

04

555集成定時器的應用-單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與施密特觸發(fā)器

掌握555定時器使用方法及工作原理；熟悉施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點和典型應用；掌握555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器的原理以及參數(shù)測試方法。

課時

學時分配： 2學時

05

數(shù)據(jù)選擇和譯碼顯示

掌握雙4選1數(shù)據(jù)選擇器的功能和應用方法。掌握二進制譯碼器的輸入輸出特點以及應用、掌握七段顯示譯碼器及數(shù)碼管的功能和使用方法。掌握二進制計數(shù)器的輸出波形時序測試方法以及應用。了解利用數(shù)據(jù)選擇器和譯碼器等進行數(shù)據(jù)動態(tài)顯示的原理以及電路設計方法。掌握設計基于數(shù)選電路的簡易交通燈電路。

課時

學時分配： 2學時

06

電子秒表-異步計數(shù)器

掌握異步2-5-10進制計數(shù)器的應用，掌握異步2-6分頻計數(shù)器的應用，掌握靜態(tài)顯示譯碼電路的應用。

課時

學時分配： 2學時

07

電子秒表-電子秒表電路設計

掌握時鐘產(chǎn)生電路設計、掌握啟動和停止電路設計。掌握電子秒表電路的設計原理，掌握各部分電路的測試方法。

課時

學時分配： 2學時

08

數(shù)字電路綜合實驗總結(jié)

掌握數(shù)字電路實驗的方法與技能，了解數(shù)字電路的綜合應用方法。

課時

學時分配： 2學時

09

數(shù)字電路綜合實驗考核

掌握數(shù)字電路實驗的方法與技能，掌握常用組合與時序邏輯電路的綜合應用方法。

課時

學時分配： 2學時

顯然，利用施密特觸發(fā)器的這些特性，還可以 將升降變化緩慢的波形轉(zhuǎn)化成上升沿、下降沿都很 陡峭的矩形波。另外，利用施密特觸發(fā)器具有上門 限電壓U_K的特性，可以使低于U_K的無用電壓對 電路不起作用，從而起到抗干擾的作用。由于施密 特觸發(fā)器的這些特點，在數(shù)字電路中尤其在脈沖產(chǎn)生和整形電路中得到了廣泛應用。

實際使用中的集成施密特觸發(fā)器由多個門電 路組成，例如，74LS13（74HC13）、74LS14 （74HC14）、74LS18（74HC18）、74LS24、CD4093、CD40106等。

以四輸入雙與非施 密特觸發(fā)器74LS13為例。

該集成電路的邏輯功能是：只有當A、B、C、D四個輸入端電平都大于上門限電壓U_K時，Y 才輸出低電平，屬“與非”邏輯關(guān)系;若其中一個輸入端電平降到下門限電壓U_T，Y 便輸出高電平。