【導(dǎo)讀】在實際的數(shù)字系統(tǒng)中往往包含大量的存儲單元，而且經(jīng)常要求他們在同一時刻同步動作，為達(dá)到這個目的，在每個存儲單元電路上引入一個時鐘脈沖（CLK）作為控制信號，只有當(dāng)CLK到來時電路才被“觸發(fā)”而動作，并根據(jù)輸入信號改變輸出狀態(tài)。把這種在時鐘信號觸發(fā)時才能動作的存儲單元電路稱為觸發(fā)器，以區(qū)別沒有時鐘信號控制的鎖存器。今天我們要介紹的就是一款可自動調(diào)整閾值的觸發(fā)器——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)器就成為許多信號處理電路中的一個重要構(gòu)建模塊。回差—高電壓和低電壓閾值之差—是施密特觸發(fā)器工作時的固有特性。當(dāng)輸入信號越過這兩個閾值時，電路可以抑制輸入信號中包含的噪聲，并產(chǎn)生頻率與輸入信號相同的矩形輸出信號。
不管你用晶體管、運放還是比較器實現(xiàn)施密特觸發(fā)器，你都需要確定要求的回差和兩個閾值電壓是多少。如果你知道輸入信號的幅度以及可能包含的噪聲大小，那么這個問題很容易回答。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越過其中一個或兩個閾值；太小的回差電壓在輸入信號有大量噪聲的情況下又可能導(dǎo)致錯誤觸發(fā)。
圖1所示的設(shè)計實例可以解決這些問題。圖中所示的實現(xiàn)電路可以根據(jù)輸入信號的幅度自動調(diào)整觸發(fā)閾值。比較器IC1A和模擬開關(guān)IC2B及電容C1組成正向峰值檢測器。當(dāng)輸入信號上升并超過比較器反相輸入端的C1中存儲的電壓時，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。檢測器現(xiàn)在采樣輸入信號，并充滿C1中所存儲的電荷。當(dāng)輸入信號下降至低于C1上的電壓時，開關(guān)將改變狀態(tài)，C1中存儲的電壓VU就成為了對應(yīng)于輸入信號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)向峰值檢測器。它的工作原理和上述正向峰值檢測器相同，只是采樣的是信號的負(fù)向峰值，因此C2中存儲的電壓VL就是對應(yīng)于輸入信號負(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(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從負(fù)峰值開始上升。數(shù)字輸出信號VOUT目前處于低電平。在輸入信號剛越過VTU的時刻，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)，可以在IC2A改變狀態(tài)時防止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以及運放IC3=TLC2272搭建的測試電路的性能。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的能力。
圖2：含有調(diào)制“噪聲”的500Hz信號。
圖3：低幅度輸入信號。
在圖2中，源信號是一個被峰峰值為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，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。盡管“噪聲”幅度幾乎是源信號幅度的兩倍，但電路輸出仍能以源信號頻率利索地開關(guān)，并且完全不受高頻調(diào)制的影響。圖3展示了電路對很小輸入信號的響應(yīng)性能。這里的源信號是一個疊加于400mV直流電平上、峰峰值約為30mV的100kHz正弦波。輸入信號中開關(guān)毛刺的存在(由于不太完美的面包板版圖引起的)會導(dǎo)致輸出信號有一些抖動。注意：圖2中的輸入信號比圖3中的信號大100倍以上。事實上，若輸入信號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)兩個數(shù)量級的不同信號幅度。交流耦合只是當(dāng)信號直流電平超出輸入共模范圍時才需要。
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)小于這個頻率時，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，但超過這個水平時，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。
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