施密特触发器电路及工作原理详解

1. 什么叫触发器

施密特触发电路（ 简称）是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。**不同于比较器，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。**如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。
施密特触发器

一般比较器只有一个作比较的临界电压，若输入端有噪声来回多次穿越临界电压时，输出端即受到干扰，其正负状态产生不正常转换，如图1所示。

图1 (a)反相比较器 (b)输入输出波形

施密特触发器如图2 所示，其输出电压经由R1 、R2 分压后送回到运算放大器的非反相输入端形成正反馈。因为正反馈会产生滞后（Hysteresis）现象，所以只要噪声的大小在两个临界电压（上临界电压及下临界电压）形成的滞后电压范围内，即可避免噪声误触发电路，如表1 所示

图2 (a)反相斯密特触发器 (b)输入输出波形

表1施密特触发器的滞后特性

2.反相施密特触发器

电路如图2 所示，运算放大器的输出电压在正、负饱和之间转换:
Vo= ±Vsat 。输出电压经由R1 、R2 分压后反馈到非反相输入端：V+= βVo，
其中反馈因数= β=R1/(R1+R2)

当Vo为正饱和状态（+Vsat）时，由正反馈得上临界电压：

当Vo为负饱和状态（-Vsat）时，由正反馈得下临界电压：

VTH 与VTL 之间的电压差为滞后电压：

图3 (a)输入、输出波形 (b)转换特性曲线

输入、输出波形及转换特性曲线如图3(b)所示。
当输入信号上升到大于上临界电压VTH 时，输出信号由正状态转变为
负状态即： νI ＞VTH→νo = - Vsat

当输入信号下降到小于下临界电压VTL 时，输出信号由负状态转变为
正状态即： νI ＜VTL→νo = + Vsat

输出信号在正、负两状态之间转变，输出波形为方波。

3.非反相施密特电路

图4 非反相史密特触发器

非反相施密特电路的输入信号与反馈信号均接至非反相输入端，如图4所示。
由叠加定理可得非反相端电压：

反相输入端接地： V- = 0，当V+ = V- = 0 时的输入电压即为临界电压。

将V+ = 0 代入上式得:

整理后得临界电压:

当Vo 为负饱和状态时，可得上临界电压

当νo为正饱和状态时，可得下临界电压，

VTH与VTL之间的电压差为滞后电压：


图5 (a)计算机仿真图 （b）转换特性曲线

输入、输出波形与转换特性曲线如图5所示。
当输入信号下降到小于下临界电压VTL 时，输出信号由正状态转变为
负状态：Vo < VTL →Vo = - Vsat

当输入信号上升到大于上临界电压VTH 时，输出信号由负状态转变为
正状态： Vo ＞ VTL →Vo = + Vsat

输出信号在正、负两状态之间转变，输出波形为方波。

4.史密特触发器电路原理实验

如图6，当Vi 大于VR 时运算放大器的输出会得到一个正向电压输出；若VR 大于Vi 时则会得到一个负电压。电压的大小则由两个齐紊二极管来限压。理想的运算放大器其输出上升时间为0，而在实际的电路上是上可能得到这么理想的曲线，一般从负压上升到正压需要一小段的上升时间。换言之，运算放大器并上能立刻反应Vi 及VR 所形成的电压差。
如果参考电压VR 固定，那么当Vi 慢慢增加时，仅在Vi-VR>=V1 时。运算放大器的输出达到Vmax；而当Vi 渐渐减小时却必须于Vi-VR<=V1 伏特时，输出才为Vmin。也即，欲达Vmax 及Vmin 输出电压的条件上一样，两者Vi-VR值相差V1，这种情形称为迟滞(hysteresis)现象。史密特触发器便是利用这种现象而做成的电路。反相的史密特触发器，输出电压经由分压电路回授至运算放大器，参考电压则加在R1 及R2 的末端。回授β 值为R2/(R1+R2)，此电路为正回授，如果输出增加了V，则有回授βV 到运算放大器。

当Vi<V+时，
V+=VR+(R2/R1+R2)(Vmax-VR)
当Vi=V+时，输出转为Vmin。
当Vi>V+
V+=VR-(R2/R1+R2)(Vmin+VR)

若此时V+渐渐小至V2，则输出又转为Vmax。由于迟滞现象，使得触发输出电压转相的电压有所上同，输入电压增加产生输出转相时所的电压，要比输入电压降低时所产生的输出转相所需电压来得大(V1>V2)