施密特触发器及其应用

  这次无线电小组的活动，同学们第一次使用CMOS施密特触发器集成电路CD4093（图1）成功地组装了“光弱声光报讯器”。老师解答了同学们提出的问题，并组织大家进行了分析和讨论。

    同学：从“光弱声光报讯器”的电路图（图2）上看，施密特触发器没有时钟脉冲输入端，它是不是属于时序逻辑电路呢？

    老师：问题提得好。施密特触发器不属于时序逻辑电路。它的独有特点是采用电位触发，可以用波形图来说明（图3），在输入信号U_i为低电平时，输出端U_o稳定在高电平；当U_i逐渐升高，达到施密特触发器的接通电位V_T+时，触发器翻转，U_o由高电平跳变到低电平；若U_i继续升高，U_o将稳定在低电平不变；U_i从最高点逐渐低，又到达接通电位V_T+时，输出端仍保持低电平；直到U_i下降到施密特触发器的断开电位V_T-时，U_o才会由低电平跳变到高电平。接通电位V_T+与断开电位V_T-的差值ΔV_T=V_T+-V_T-，叫做施密特触发器的回差电压。

    同学：请问您，施密特触发器主要应用在哪些方面呢？

    老师：施密特触发器是一种用途十分广泛的脉冲单元电路。利用它所具有的电位触发特性，可以进行脉冲整形，把边沿不够规则的脉冲整形为边沿陡峭的矩形脉冲（图4）；通过它可以进行波形变换，把正弦波变换成矩形波（图5）；另一个重要用途就是进行信号幅度鉴别（参见图3），只要信号幅度达到某一设定值，触发器就翻转，所以常称它为鉴幅器。用施密特触发器还能组成多谐振荡器和单稳态触发器呢。

    同学：您能简单介绍施密特触发器电路的组成和工作原理吗？

    老师：施密特触发器电路很简单，用两个CMOS非门就可以组成一个施密特触发器（图6）。非门Ⅰ的输出端作为非门Ⅱ的输入端，非门Ⅱ的输出又通过电阻R2接在非门Ⅰ的输入端，形成一个正反馈的闭合环路。当输入信号U_i=0时，门Ⅰ截止，U_o^——为高电平，门Ⅱ导通，输出U_o=0。随着U_i逐渐升高，根据电阻分压原理U_i^‘=U_iR2/ （R1+R2），U_i^’也随之升高，只要U_i^‘小于非门的开门电平U_k，电路仍保持在U_o=0的稳定状态。当输入信号U_i上升到使U_i^’等于或大于门Ⅰ的开门电平U_k时，则门Ⅰ导通，门Ⅱ截止，输出U_o跳变为高电平。由此可以得出施密特触发器的接通电位为V_T+=（R1+R2）/R2 U_k

    当U_i由最大值逐渐下降时，只要满足U_i^‘>U_k，电路就保持输出高电平的稳定状态。当U_i继续下降，使U_i^’等于或小于U_k时，门Ⅰ截止、门Ⅱ导通，电路又翻回U_o=0的初始稳态。回差电压ΔV_T的大小取决于R1与R2的比值，改变R1和R2就可以调整回差电压。

    同学：在“光弱声光报讯器”的电路图上，施密特触发器电路符号的输出端有一个小圆圈代表什么呢？

    老师：刚刚给大家介绍的由两个非门组成的施密特触发器，在稳定状态时，输出与输入是同相关系，所以电路符号上没有小圆圈。可是CMOS施密特触发器集成电路的内部接有一个反相器，所以，在稳定状态时，U_o与U_i是反相关系。有一种单端输入CMOS施密特触发器集成电路CD40106，它的内部包含6个同样的触发器（图7）。

    同学：您可以给我们介绍一种CD40106的应用电路吗？

    老师：好。结合今天的制作，我先介绍由它组成的多谐振荡器（图8）吧。这个电路很简单，它只外接了一个电阻R和一个电容C，接通电源的瞬间，电容C相当于短路，即U_i=0，这时输出端U_o为高电平，U_o经电阻R给电容C充电，当电容C上的电压上升到V_T+时，触发器翻转，U_o跳变为低电平，这时，电容C又通过电阻R放电，当电容C上的电压下降到V_T-时，电路又翻转，Uo又跳变到低电平。如此周而复始，输出的是连续的方波脉冲。改变R的阻值或C的电容量，就可以改变振荡频率。

    同学：您刚才介绍的多谐振荡器输出的是方波脉冲，也就是在输出波形中高电平和低电平的持续时间相同。我想请问您，如果要使高电平和低电平持续的时间不一样，用什么办法呢？

    老师：你提的问题很实际。如果需要使输出波形中高电平和低电平持续的时间不同，就必须使充电回路中R与C的乘积（称为RC电路的时间常数）和放电回路中R与C的乘积不同。我再给大家介绍一个多谐振荡器电路（图9），由于充电电流与放电电流的方向相反，所以利用两只二极管VD1、VD2的单方向导电特性，分别形成充电回路和放电回路，两个回路中共用一个电容C，只需选择不同阻值的电阻R1和R2，就能使输出矩形脉冲中的高电平持续时间t1和低电平持续时间t 2不同。

    同学：今天我们使用的施密特触发器CD4093，每个触发器怎么有两个输入端呢？

    老师：只有一个输入端的施密特触发器，在组成多谐振荡器时，接通电源后就会振荡不停，要想使它停振，就必须切断电源。CD4093是一种有两个输入端的施密特触发器，它增加了一个选通输入端，用它组成多谐振荡器（图10）时，就可以方便地控制它振荡或停振。当选通控制端为低电平“0”时，输出将保持高电平不变，多谐振荡器不能起振；只有在选通输入端为高电平“1”时，多谐振荡器才能产生振荡，在实际电路中的应用就灵活多了。

    同学：我明白了，在“光弱声光报讯器”电路中，D1与D3都是典型的可控多谐振荡器，那么D2和D4是什么电路呢？

    老师：D2和D4两个施密特触发器，把两个输入端连在一起组成了反相器电路，起着脉冲倒相作用。好了，关于施密特触发器我们已经讨论得很详细了，现在我想请一位同学分析一下“光弱声光报讯器”电路是怎么工作的，哪位同学来说说？

    同学：我来试试。光电二极管VD1用来把外来光线强弱的变化转换成电信号。在光线比较强时，VD1的反向电阻变得很小，它与R1分压后，A点（D1的选通控制端）为低电平，所以施密特触发器D1不会产生振荡，B点为高电平，经过D2反相，C点为低电平，三极管VT1截止，发光二极管VD2不发光。与此同时，D3的选通控制端为低电平，D3也不能起振，D点为高电平，再经D4反相，使三极管VT2截止，所以讯响器HA也不发声。如果室内光线减弱，光电二极管VD1的反向电阻变大，使A点变成高电平，多谐振荡器D1起振，输出连续的方波脉冲，使B点在高电平和低电平之间交替转换。值得注意的是，B点为低电平期间，C点为高电平，一方面使VT1导通，点燃发光二极管VD2；另一方面使D3的选通控制端为高电平，D3起振，输出连续的方波脉冲；在D点处于低电平期间，VT2导通，推动讯响器HA发声。这样就实现了光弱声光报讯的电路功能。

    老师：你的分析基本正确，我再补充说明一点，先画出电路中各点的波形图（图11），可以看到，多谐振荡器D1在A端保持高电平期间是连续振荡的，它输出的是低电平为1秒、高电平为1秒的方波脉冲。只有在D1输出为低电平时VD2才被点燃，D1输出为高电平时VD2即熄灭，所以VD2是闪烁发光的，闪烁频率为0.5Hz；与此同时，多谐振荡器D3也是在D1输出低电平期间才会起振，输出频率为3Hz的方波。显然，D3与D1不同，它是间歇振荡的，振荡的间隔时间为1秒；所以，讯响器也是间歇性断续发声的。