施密特觸發(fā)器的原理及應(yīng)用研究

1、目 錄 摘 要1 關(guān)鍵詞1 Abstract1 Key words.11. 引言21.1 觸發(fā)器的發(fā)展史21.2 施密特觸發(fā)器32. 施密特觸發(fā)器32.1電路組成42.2工作原理42.3回差特性53. 5 5 5 定時器53.1 5 5 5定時器簡介53.2 5 5 5 定時器的內(nèi)部電路圖6 3.3 5 5 5 定時器的工作原理73.4 5 5 5 定時器組成的施密特觸發(fā)器74施密特觸發(fā)器的應(yīng)用94.1波形轉(zhuǎn)換94.2波形的整形與抗干擾94.3 幅度鑒別114.4 由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的三相移相觸發(fā)器11 （1）調(diào)功主電路部分11（2）觸發(fā)電路構(gòu)成及原理125 .總結(jié)17參考文獻(xiàn)17致 謝：18

2、施密特觸發(fā)器的原理及應(yīng)用研究（湖南人文科技學(xué)院 湖南 岳陽）摘要 施密特觸發(fā)器是一種用途十分廣泛的脈沖單元電路。利用它所具有的電位觸發(fā)特性，可以進(jìn)行脈沖整形，把邊沿不夠規(guī)則的脈沖整形為邊沿陡峭的矩形脈沖；通過它可以進(jìn)行波形變換，把正弦波變換成矩形波；另一個重要用途就是進(jìn)行信號幅度鑒別，只要信號幅度達(dá)到某一設(shè)定值，觸發(fā)器就翻轉(zhuǎn)，所以常稱它為鑒幅器。用施密特觸發(fā)器還能組成多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。本文首先介紹了觸發(fā)器的發(fā)展歷程，然后對施密特觸發(fā)器的基本原理及其構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，555定時器組成的施密特觸發(fā)器是其最好的應(yīng)用，所以對555定時器的基本原理及其電路圖進(jìn)行了分析，最后分析施密特觸發(fā)器實(shí)

3、際應(yīng)用的原理及其電路圖。 關(guān)鍵詞：觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器 555定時器Schmitt toggle principle and application researchXXX(Hunan Institute of Humanities Science and Technology，Loudi，Hunan)Abstract: Schmitt toggle is a proeuct with extensive pulse unit circuit 。Use which has the potential trigger characteristics ，Can undertake pulse sh

4、aping, The edge of pulse shaping enough rules for edge steep rectangular pulse，Through it can undertake waveform transform, The sine wave transform into rectangle wave；Another important use is carries on signal amplitude identification, As long as the signal amplitude up to a certain value, Flip-flo

5、p is flip, so often called it amplitude discrimination device 。Schmitt toggle still can use composed many harmonic oscillator and single state trigger. This paper firstly introduces the development course, then trigger of Schmitt toggle the basic principle and its components in detail, composed of S

6、chmitt toggle 555 timing is its best application of, so for the basic principle and 555 timing circuit diagram is analyzed, the final analysis Schmitt toggle circuit diagram, the principles and its practical application. Key words: flip-flop Schmitt toggle 555 timing 1引言 11 觸發(fā)器的發(fā)展歷程近40年來，觸發(fā)器也在不斷的演進(jìn)，

7、其歷程可分為四個階段：分立器件構(gòu)成的初始期，多片集成的成熟期，數(shù)字化的提高性能期，未來的單片智能期。1)分立器件構(gòu)成的初始期【2】1957年發(fā)明晶閘管，并于上世紀(jì)60年代后期至70年代初期批量生產(chǎn)和使用。這一時期，晶閘管主要用來取代汞弧整流器，實(shí)現(xiàn)從交流到直流的轉(zhuǎn)化電力電子行業(yè)稱之為順變器階段。在該階段內(nèi)，晶閘管應(yīng)用的主要領(lǐng)域是電解、電鍍和直流調(diào)速等，其觸發(fā)器可以說全為分立器件，可分為阻容移相橋、單結(jié)晶體管、正弦波同步、鋸齒波同步等幾種觸發(fā)器等。由于分立器件的分散性及所用元件的數(shù)量較多，因而決定了一個晶閘管的觸發(fā)器就是一塊控制板。所以這一時期生產(chǎn)的晶閘管電力電子成套裝置幾乎全為多塊控制板式的插

8、件箱。單相全控橋晶閘管整流系統(tǒng)，就需4塊觸發(fā)器板、一塊正電源板、一塊負(fù)電源板、一塊保護(hù)板、一塊調(diào)節(jié)板，共8塊控制板。用量較大的晶閘管三相全控整流系統(tǒng)，在這時為6塊觸發(fā)器板：一塊調(diào)節(jié)板，一塊保護(hù)板，一塊給定板，兩塊電源板，一塊放大板共12塊控制板，組成插件箱結(jié)構(gòu)。由于分立器件分散性大，其參數(shù)易受環(huán)境溫度等變化的影響而漂移，決定了這一階段晶閘管的觸發(fā)器的可靠性相對較差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配線較復(fù)雜，使用起來不很方便。2)成熟應(yīng)用的集成期為了彌補(bǔ)分立器件構(gòu)成的晶閘管觸發(fā)器之上述缺點(diǎn)，上世紀(jì)70年代后期至今，世界上電力電子技術(shù)發(fā)達(dá)的國家不斷推出了模擬集成觸發(fā)器，使晶閘管的觸發(fā)器從多塊板變?yōu)橐粔K控制板，使用極為

9、方便，成為電力電子成套裝置所用觸發(fā)器的主流。3)具有極高精度的數(shù)字化提高性能期微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使電力電子行業(yè)可以方便地應(yīng)用微單片機(jī)技術(shù)來制作觸發(fā)器，從而使晶閘管觸發(fā)器的控制精度和相位控制更加精確，使用更加方便。同時，數(shù)字觸發(fā)器因不存在模擬觸發(fā)器的分散性等缺陷，故使觸發(fā)器技術(shù)又向前推進(jìn)了一步。12 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器早在1938 年就由Otto Schmitt 提出。因?yàn)槭┟芴赜|發(fā)器具有磁滯特性, 即使輸入信號中含有大量的噪聲, 施密特觸發(fā)器可產(chǎn)生良好的脈沖信號, 所以被廣泛用于降低系統(tǒng)或裝置對噪聲和干擾信號的靈敏度, 實(shí)現(xiàn)波形變換或整形及電壓鑒幅電路; 或者與電阻電容連接, 形成振

10、蕩, 作為各種定時器和振蕩器。施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器是一種用途十分廣泛的脈沖單元電路。施密特觸發(fā)器又稱施密特反相器,是脈沖波形中經(jīng)常使用的一種電路.它在性能上有兩個重要的特點(diǎn)：第一、輸入信號從低電平上升的過程中,電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平,與輸入信號從高電平下降的過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同.第二、電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時,通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡.利用這兩個特點(diǎn)不僅能降邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波,而且可以將疊加在矩形脈沖高.低電平上的噪聲有效地清除施密特觸發(fā)器是一種脈沖整形電路，它的電壓傳輸特性是一條具有滯回特性的曲線，即觸發(fā)器輸出由低

11、電平變?yōu)楦唠娖胶陀筛唠娖阶優(yōu)榈碗娖剿鶎?yīng)的閾值電壓是不同的。施密特觸發(fā)器可對輸入波形進(jìn)行變換和整形。回差電壓UT和閾值電壓UT1和UT2是其主要參數(shù)。利用它所具有的電位觸發(fā)特性，可以進(jìn)行脈沖整形，把邊沿不夠規(guī)則的脈沖整形為邊沿陡峭的矩形脈沖；通過它可以進(jìn)行波形變換，把正弦波變換成矩形波；另一個重要用途就是進(jìn)行信號幅度鑒別，只要信號幅度達(dá)到某一設(shè)定值，觸發(fā)器就翻轉(zhuǎn)，所以常稱它為鑒幅器。用施密特觸發(fā)器還能組成多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。2 施密特觸發(fā)器如果電路中輸入信號的波形邊沿很差，用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就無法進(jìn)行整形了，而施密特觸發(fā)器能把緩慢變化的波形變換成數(shù)字電路所需要的矩形波。施密特發(fā)器具有兩個穩(wěn)定

12、狀態(tài)，但是它和前面介紹的觸發(fā)器不同，施密特觸發(fā)器對兩個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和維持都依賴于外加觸發(fā)信號。21電路組成圖1-1（a） 是用與非門組成的施密特觸發(fā)器電路，它由三個與非門G1 、G2 、G3 和一個二極管D 組成。其中，門G1 、G2 組成基本RS 觸發(fā)器，二極管D 為電平平移二極管。22 工作原理為利于我們分析，假設(shè)輸入信號為如圖1-1（b）所示的三角波。（1） 第一穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入信號ui為低電平時，門G3關(guān)閉，輸出R為高電平。ui雖然經(jīng)二極管D到門G2的輸入端S,但S仍然是低電平,對于基本RS觸發(fā)器有Q1,Q0,電路處于穩(wěn)態(tài)。（2）第二穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入信號漸漸上升,使S 端達(dá)到門G2的開門電平(設(shè)與非

13、門的開門電平為1.4 V)時,門G2仍不能開啟,這是因?yàn)殚TG2的另一個輸入端Q仍為低電平只有當(dāng)ui繼續(xù)上升到UT （稱為上升觸發(fā)電平）時,門G開啟,于是輸出R為低電平，這時電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使Q 0、Q 1,電路進(jìn)入另一個穩(wěn)態(tài).ui繼續(xù)上升,電路保持第二穩(wěn)態(tài)不變。（3）返回第一穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入信號下降，未達(dá)到UT （稱為下降觸發(fā)電平）之前，觸發(fā)器仍處于第二穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)下降到UT 時,S端的電平開始低于門G的關(guān)門電平,使門 G關(guān)閉，其輸出端Q 為高電平;在門G關(guān)閉之前，ui值已將門G關(guān)閉,其輸出R變?yōu)楦唠娖?。這是因?yàn)閡i 比S 低了一個二極管壓降（0.7 V）,所以在S 的電平下降到門G 的關(guān)門電平之前，

14、ui 的電平已低于門G 的關(guān)門電平，由于此時門G 的兩個輸入端都為高電平，使Q 為低電平，因此電路又回到原來的狀態(tài)，即第一穩(wěn)態(tài)，Q 1 、Q 0 。其工作波形如圖1-1（b） 所示。很顯然，該電路有兩個穩(wěn)態(tài)，而觸發(fā)器狀態(tài)的變化和維持是依賴于外加的輸入信號，并且從圖中可以看出，該電路把三角波變成了矩形波。23 回差特性從上面的分析可以看出，在ui 上升的過程中，只有當(dāng)ui 上升到UT 時，觸發(fā)器就能從第一穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到第二穩(wěn)態(tài)；在ui 下降的過程中，僅當(dāng)ui 下降到UT 時，電路才會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，返回第一穩(wěn)態(tài)。由于這兩次的觸發(fā)電平存在著差值，所以我們把這種使電路從一種穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為另一種穩(wěn)態(tài)所輸入電平不同的

15、現(xiàn)象稱為回差現(xiàn)象。上升觸發(fā)電平UT 和下降觸發(fā)電平UT 的差值，稱為回差電壓，即 U UT UT 我們把施密特這種固有的特點(diǎn)稱為回差特性也叫做滯回特性其回差特性的曲線如圖1-2所示 圖 1-2 回差特性曲3 555定時器31 555定時器簡介555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平

16、兼容。555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。 32 555定時器內(nèi)部電路圖555定時器內(nèi)部電路圖1-3所示 圖1-3 555定時器內(nèi)部電路圖各引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS接地，一般情況下接地；2腳：TR低觸發(fā)端；3腳：輸出端us；4腳：RD是直接清零端，當(dāng)RD端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR，TH處于何種電平。時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平；5腳：CO為控制電壓端，若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器

17、的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01uF電容接地，以防引入干擾；6腳：TH高觸發(fā)端；7腳：放電端，該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容放電；8腳：外接電源VCC，TTL電路VCC的范圍是4.5-16V，CMOS電路VCC的范圍是3-18V；33 555定時器的工作原理比較器C1的相同輸入端V+為閾值入端，當(dāng)V+時，C1輸入1，RS觸發(fā)器被復(fù)位，Q=0，放電管T導(dǎo)通，555定時器輸出u0為0，當(dāng)V+時，C1輸出為0，RS觸發(fā)器的輸出取決于C2的輸出和原有狀態(tài)。比較器C2的反相端V-為觸發(fā)器輸入端，當(dāng)V-時，C2輸出為0，RS觸發(fā)器輸出維持不變。禁止閾值輸入端電壓V+與觸發(fā)器輸入

18、電壓V-同時出現(xiàn)。此外，當(dāng)復(fù)位端為低電平時，T2導(dǎo)通，RS觸發(fā)器被復(fù)位，Q為0，與C1,C2的輸入無關(guān)，如果在電壓控制端外接一個電壓，則C1和C2的參考電壓值發(fā)生改變，時而使電路的閾值電平，觸發(fā)電平隨之改變，影響電路的定時參數(shù)。34 用555定時器組成的施密特觸發(fā)器將 555定時器的閾值輸入端和觸發(fā)端相接，即構(gòu)成施密特觸發(fā)器，電路和簡化電路分別如圖1-4（a），（b）所示。 如果V1由0V開始逐漸增加，當(dāng)V1時，根據(jù)555定時器功能表可知，輸出V0為高電平；V1繼續(xù)增加，如果V1，V0就由高電平跳變?yōu)榈碗娖?；之后V1再增加，仍是V1，電路輸出端保持低電平不變。 如果V1由大于的電壓值逐漸下降，

19、只要V1，電路輸出狀態(tài)不變，仍為低電平；只有當(dāng)V1 VEA2。此時應(yīng)當(dāng)注意, 因主回路晶閘管只能在自然換相點(diǎn)以后導(dǎo)通, 則需調(diào)整鋸齒波產(chǎn)生電路的R18, 使其產(chǎn)生的鋸齒波的斜率滿足下降沿最早形成在自然換相點(diǎn)處, 且能保證調(diào)節(jié)圖3 中R18的過程中, 使脈沖前沿在控制角為0 1500范圍內(nèi)平滑移動。 脈寬及脈沖列形成電路圖1-14中的矩形波先經(jīng)過反向器, 將脈沖前沿由下降沿變?yōu)樯仙? 再通過微分電路后, 產(chǎn)生尖脈沖, 然后再經(jīng)施密特觸發(fā)器CC4093 輸出, 產(chǎn)生矩形脈沖, 此時通過調(diào)整微分電路的參數(shù), 可使CC4093 輸出脈沖寬度保持在200 -250之間; 并且考慮到功放輸出端的脈沖變壓

20、器初級線圈中總處于高電平時其效率比較低, 且存在直流磁勢的特性, 借助施密特觸發(fā)器能構(gòu)成多諧振蕩電路的特點(diǎn)來把尖脈沖整形后產(chǎn)生的矩形脈沖轉(zhuǎn)變成脈沖列, 其波形如圖1-16所示。當(dāng)加入多諧振蕩部分后, 且CC4093 的兩輸入端和輸出端為邏輯與非的關(guān)系, 則當(dāng)尖脈沖尚未來臨時,UO 輸出高電平; 當(dāng)尖脈沖來臨時, 且脈沖幅值大于VT+ 時, 觸發(fā)器兩端均為高電平, 則UO 輸出低電平, 此時電容C14放電, 當(dāng)電容電壓下降到VT- 時, 則UO 輸出又立即升為高電平; 這樣周而復(fù)始形成振蕩。當(dāng)尖脈沖幅值下降到VT- 并且將近消失時, cc4093 輸出則又為高電平。圖 1-16 脈沖列的形成 雙

21、窄脈沖形成電路將前面提到的六路觸發(fā)脈沖形成電路的輸出信號按照圖1-17左圖的方式連接，由U- A，U+ C，U- B，U+ A，U- C，U+ B形成的脈沖列分別對應(yīng)Ui1， Ui2，Ui3，Ui4，Ui5，Ui6且脈沖相位依次滯后600，再將信號Ui1引入到Ui6所在施密特觸發(fā)器的另一輸入端，信號Ui2引入到Uil所在觸發(fā)器的另一輸入端，依此類推，最后Ui6入到Ui5所在觸發(fā)器的另一輸入端，這樣就形成了雙窄脈沖?，F(xiàn)將Ui1, Ui2和Uo1的波形關(guān)系畫出，如圖1-17右圖所示，因?yàn)槭┟芴赜|發(fā)器的閾值特性，所以脈沖信號經(jīng)觸發(fā)器后被反向；其余各路信號的輸入輸出波形同理。圖1-17 雙窄脈沖產(chǎn)生電

22、路及波形圖 功放部分根據(jù)施密特觸發(fā)器的輸出特性, 我們可以適當(dāng)選擇功放輸入端的電阻值, 使三級管在輸入為高電平時達(dá)到深度飽和, 這樣在脈沖變壓器的作用下即可形成強(qiáng)觸發(fā)脈沖, 并且脈沖變壓器也可起到使主回路和觸發(fā)電路相隔離的作用, 避免主回路的電壓值過大而損壞觸發(fā)電路, 功放部分電路圖如圖1-18所示。圖1-18 功放電路圖5 總結(jié)由于施密特觸發(fā)器的電路簡單,成本低,操作靈活方便及電路穩(wěn)定性高,所有施密特觸發(fā)器廣泛用于波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、定時電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便。 參考文獻(xiàn)：1： 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)_數(shù)字部分（第五版）M.武漢：高等教育出版社，2002：55-2482： 黃曉春。555定時器原理及其應(yīng)用。電子制作.2006 10：58-593: 童詩白，華成英。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第3版）M. 北京: 高等教育出版社2001.1：125-1294: 童詩白、何金茂