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施密特触发器的应用与原理

时间:2024-08-30 百科知识 版权反馈
【摘要】:图2.1.1正脉冲的波形四、实验原理1.施密特触发器施密特触发器具有幅值比较功能并且输出波形边沿陡峭,所以常用于脉冲幅度鉴别、脉冲整形和脉冲变换等。图2.1.2施密特触发器传输特性普通的门电路只有一个阈值电压,当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。表2.1.1为CD40106阈值数值。

施密特触发器的应用与原理

2.1.1 基础实验

一、实验目的

1.掌握使用集成门电路构成施密特触发器和单稳态触发器的基本方法。

2.掌握集成施密特触发器在波形整形电路中的作用。

3.掌握集成单稳触发器在脉冲延时电路中的作用。

二、实验仪器与器材

1.双踪示波器一台

2.信号源一台

3.数字万用表

4.“整形与延时”实验底板一块

三、预习要求

1.预习关于施密特触发器和单稳态触发器的基本知识。

2.预习微分电路的构成原理。

2.预习在交流信号上叠加直流信号的方法。

3.预习用示波器双踪观测波形的方法。

4.回答预习思考题:

(1)什么是门电路的阈值电压?施密特触发器具有几个阈值电压?

(2)什么是施密特触发器电路的整形作用?施密特触发器电路的工作条件是什么?

(3)单稳态触发器的作用是什么?

(4)用示波器测试如图2.1.1所示波形Q1,若想准确地读出窄脉冲的宽度,应如何设置示波器的水平扫描时基挡位?

图2.1.1 正脉冲的波形

四、实验原理

1.施密特触发器

施密特触发器具有幅值比较功能并且输出波形边沿陡峭,所以常用于脉冲幅度鉴别、脉冲整形和脉冲变换等。施密特触发器不同于前述的各类触发器,它具有以下特点:

(1)施密特触发器属于电平触发,对于缓慢变化的信号仍然适用,当输入信号达到某一定电压值时,输出电压会发生突变。

(2)输入信号增加和减少时,电路有不同的阈值电压,它具有如图2.1.2所示的传输特性。

图2.1.2 施密特触发器传输特性

普通的门电路只有一个阈值电压,当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路,与普通的门电路不同,施密特触发器有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压,在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。

施密特电路的特性可以阻止输入电压出现微小变化而引起的输出电压的改变。

利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号,称为波形变换应用,如图2.1.3(a)所示。

图2.1.3 施密特触发器传输特性

在数字系统中,矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变,出现上升沿和下降沿不理想的情况,可用施密特触发器获得较理想的矩形脉冲,常称为脉冲整形,如图2.1.3(b)所示。

幅度不同、不规则的脉冲信号时加到施密特触发器的输入端时,能选择幅度大于欲设值的脉冲信号进行输出,此特性可作为脉冲鉴幅应用,如图2.1.3(c)所示。

① CMOS门电路组成的施密特触发器

图2.1.4电路中,CMOS反相器可用CD4069,其引脚图如图2.1.5所示。

图2.1.4 CMOS反相器组成的施密特触发器

图2.1.5 CD4069引脚图

CMOS反相器的阈值电压VTH≈VDD/2,RW1<R4,如输入信号Vin为三角波,电路的参数如下:施密特触发器在输入信号正向增加时的阈值电压,称为正向阈值电压,用VT+表示。

施密特触发器在输入信号减小时的阈值电压,称为负向阈值电压,用VT-表示。

得回差电压为      ΔVT=VT+−VT−≈2(RW1/R4)VTH

实验中:          VT+为2.5~4.775V

VT−为0.267~2.5V

上式表明,回差电压的大小可以通过改变RW1、R4的比值来调节。电路工作波形及传输特性如图2.1.6所示。

图2.1.6 施密特触发器的输入输出波形

②集成施密特触发器

具有施密特整形功能的集成芯片有施密特非门(如HC/HCT14、CD40106、LS14等)、施密特与非门(如HC/HCT132、CC4093、LS13、LS132等)和触发器(如SN74276)等。

下面介绍CD40106。图2.1.7为CD40106的引脚图及功能框图。表2.1.1为CD40106阈值数值。图2.1.8为CD40106的测试电路图。

图2.1.7 CD40106的引脚图及功能框

表2.1.1 CD40106阈值数值

图2.1.8 CD40106 测试电路

电源VDD=5V时,VT+为2.2~3.6V,典型值为2.9V;VT−为0.9~2.8V,典型值为1.9V。本实验中:V′=(10k/16.8k) ×5V≈3 V。

输入信号叠加在3V直流电平上后变为Vi’作为施密特触发器电路的真正输入信号,如图2.1.9所示。

图2.1.9 施密特触发器电路输入信号波形图(www.xing528.com)

2.单稳态触发器

单稳态触发器是广泛应用于脉冲整形、延时和定时的常用电路。单稳态触发器只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是0,要么是1。单稳态触发器的工作特点是:

(1)在没有受到外界触发脉冲作用的情况下,单稳态触发器保持在稳态。

(2)在受到外界触发脉冲作用的情况下,单稳态触发器翻转,进入“暂稳态”。假设稳态为0,则暂稳态为1。

(3)经过一段时间,单稳态触发器会自动从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数。

①用与非门组成的单稳态触发器。利用与非门做开关,依靠定时元件RC的充放电来控制与非门的开启和关闭。单稳态电路有微分型和积分型两大类,这两大类触发器对触发脉冲的极性与宽度有不同的要求。

a.微分型单稳态触发器,如图2.1.10所示。负脉冲触发,R5和C2构成输入微分电路;R6、Rw2、C3构成微分定时电路。

输出Vout脉宽tw≈(0.7~1.3)RC3。其工作波形图如图2.1.11所示。图2.1.11中与非门可用74XX00。引脚图如图2.1.12所示。

图2.1.10 微分型单稳态触发器

图2.1.11 微分型单稳态触发器波形图

图2.1.12 74XX00引脚图

微分型单稳态触发器(图2.1.10)包含阻容元件构成的微分电路。R=R6+RW2=(100~600)Ω;C3=4 700P;tw=(0.7~1.3)R⋅C3 =(0.32~3.6)×10−6s。

电容C2电阻R5构成一个时间常数很小的微分电路,它能将较宽的矩形触发脉冲Vin变成较窄的尖触发脉冲Vi′,注意C2和电阻的R5元件取值与输入信号频率及占空比有关,对某一特定频率为f的信号,C2和电阻的R5乘积远小于其脉宽的1/10时,微分效果明显;C2和电阻的R5乘积与信号脉宽可比拟时,则构成阻容耦合电路,无微分作用了。

b.积分型单稳触发器,电路如图2.1.13所示。采用正脉冲触发。其工作波形图如图2.1.14所示。tw=1.1RC4;R=R7+RW3=(100~600)Ω;C4=4700P。

图2.1.13 积分型单稳态触发器

图2.1.14 积分型单稳态触发器工作波形图

②集成单稳态触发器。集成单稳态触发器有两种类型:可重触发的和不可重触发的。不可重复触发的单稳态触发器,在进入暂稳态期间,如有触发脉冲作用,电路的工作过程不受影响,只有当电路的这一次暂态结束后,输入触发脉冲才会影响电路状态。可重复触发的单稳态触发器,在进入暂稳态期间,如有触发脉冲作用,电路会被重新触发,是暂稳态继续延迟一个暂态时间。

这里介绍的集成单稳触发器CD4098是可重复触发的。使用时也可根据器件手册将其设置成为不可重复触发的工作模式。CD4098构成脉冲延时电路;单稳态触发器的延时作用常被应用于时序控制。表2.1.2为CD4098双单稳触发器的逻辑功能。

表2.1.2 CD4098双单稳态触发器逻辑功能

续表

CD4098 双单稳态触发器的引脚图见图2.1.15所示。

图2.1.15 CD4098双单稳态触发器引脚图

五、实验任务及要求

实验任务:

1.测试由CMOS门电路组成的如图2.1.4的施密特触发器电路。输入端Vin接2kHz、VPP=10V(带载实测)的三角波信号,改变RW1的值,用双踪示波器观测两组Vin和Vout的波形变化情况,分别画出两组输入、输出波形并标出VT+及VT−。讨论并说明RW1的改变与输出变化的关系。

2.测试用CD40106实现的如图2.1.8所示集成施密特触发器整形电路。输入端Vin接2kHz的正弦波,按表2.1.3中所给不同幅度的输入情况,观测输出信号Vout,将所测输出信号的幅度填入表2.1.3中,并画出输入Vin为6V时的iV′和输出Vout的波形图,实测此时电路的VT+以及VT-,与理论值相比较。讨论并说明输入信号幅度的改变对输出波形的影响。

表2.1.3 集成施密特触发器实验电路测试表

3.测试用与非门构成的如图2.1.10所示的微分型单稳态触发器电路。

(1)输入Vin接TTL信号,当输入信号频率分别为100kHz和5kHz时,观察输入微分电路的输出Vi′和输入的关系,得出结论;

(2)当输入Vin接5kHz TTL信号,用双踪示波器观测并测试Vin和Vi′,Va,Vb,Vc,Vout的波形;

(3)通过改变RW2,测试此电路输出Vout中暂稳态的最大及最小定时时间twmin和twmax

4.测试用与非门构成的如图2.1.13所示的积分型单稳态触发器电路。

(1)输入Vin接20kHz TTL信号,改变RW3,用双踪示波器观测Vin和Va,Vb,Vc,Vout的波形变化情况。

(2)通过改变RW3,测试此电路输出Vout中暂稳态的最大及最小定时时间twmin和twmax

六、实验中的常见故障及解决办法

现象1:无法测试施密特电路的阈值电压。

解决办法:用双踪示波器观测施密特触发器阈值电压时,使两个波形的地线重合并利用示波器显示器上的栅格,可以便于观测数据。

现象2:不理解电路板上各芯片的供电电压是5V。

解决办法:电路板的供电电压是10V,经过7805三端稳压器稳压为5V后,作为电路板上各个集成芯片的供电电源电压。

现象3:图2.1.8所示电路无输出。

解决方法:图2.1.8所示电路的输入信号要合适,太小无输出,太大输出波形将会失真。

现象4:微分型单稳态触发器电路输入微分电路的输出不是对输入信号的微分。

解决办法:请检查输入信号是否为TTL信号,并且注意输入信号频率与输入微分电路参数的关系。

七、实验报告中的数据要求

1.用示波器双踪测试输入输出波形,并画出波形图时应标明参数。

2.根据实验结果分析各个电路的工作原理。

3.讨论延时灯实验的改进方法。

4.总结各个测试结果的结论,分析并总结实验中易发生的错误

八、思考题

1.图2.1.4所示电路中的施密特触发器的阈值可调吗?请写出VT+以及VT−的变化范围。

2.图2.1.8所示电路中输入信号的幅度若小于0.1V,则一定无输出,为什么?

3.为什么图2.1.10所示微分型单稳态触发器的Vi′端波形会有尖峰?

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