毕业设计论文施密特触发器的原理及应用研究.doc

目 录 摘 要1 关键词1 Abstract1 Key words.11. 引言21.1 触发器的发展史21.2 施密特触发器32. 施密特触发器32.1电路组成42.2工作原理42.3回差特性53. 5 5 5 定时器53.1 5 5 5定时器简介53.2 5 5 5 定时器的内部电路图6 3.3 5 5 5 定时器的工作原理73.4 5 5 5 定时器组成的施密特触发器74施密特触发器的应用94.1波形转换94.2波形的整形与抗干扰94.3 幅度鉴别114.4 由施密特触发器构成的三相移相触发器11 （1）调功主电路部分11（2）触发电路构成及原理125 .总结17参考文献17致 谢：18施密特触发器的原理及应用研究（湖南人文科技学院 湖南 岳阳）摘要 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；通过它可以进行波形变换，把正弦波变换成矩形波；另一个重要用途就是进行信号幅度鉴别，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。本文首先介绍了触发器的发展历程，然后对施密特触发器的基本原理及其构成进行了详细的阐述，555定时器组成的施密特触发器是其最好的应用，所以对555定时器的基本原理及其电路图进行了分析，最后分析施密特触发器实际应用的原理及其电路图。 关键词：触发器 施密特触发器 555定时器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 shaping, 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-flop 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 Schmitt 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 触发器的发展历程近40年来，触发器也在不断的演进，其历程可分为四个阶段：分立器件构成的初始期，多片集成的成熟期，数字化的提高性能期，未来的单片智能期。1)分立器件构成的初始期【2】1957年发明晶闸管，并于上世纪60年代后期至70年代初期批量生产和使用。这一时期，晶闸管主要用来取代汞弧整流器，实现从交流到直流的转化电力电子行业称之为顺变器阶段。在该阶段内，晶闸管应用的主要领域是电解、电镀和直流调速等，其触发器可以说全为分立器件，可分为阻容移相桥、单结晶体管、正弦波同步、锯齿波同步等几种触发器等。由于分立器件的分散性及所用元件的数量较多，因而决定了一个晶闸管的触发器就是一块控制板。所以这一时期生产的晶闸管电力电子成套装置几乎全为多块控制板式的插件箱。单相全控桥晶闸管整流系统，就需4块触发器板、一块正电源板、一块负电源板、一块保护板、一块调节板，共8块控制板。用量较大的晶闸管三相全控整流系统，在这时为6块触发器板：一块调节板，一块保护板，一块给定板，两块电源板，一块放大板共12块控制板，组成插件箱结构。由于分立器件分散性大，其参数易受环境温度等变化的影响而漂移，决定了这一阶段晶闸管的触发器的可靠性相对较差，系统结构及配线较复杂，使用起来不很方便。2)成熟应用的集成期为了弥补分立器件构成的晶闸管触发器之上述缺点，上世纪70年代后期至今，世界上电力电子技术发达的国家不断推出了模拟集成触发器，使晶闸管的触发器从多块板变为一块控制板，使用极为方便，成为电力电子成套装置所用触发器的主流。3)具有极高精度的数字化提高性能期微型计算机技术的发展，使电力电子行业可以方便地应用微单片机技术来制作触发器，从而使晶闸管触发器的控制精度和相位控制更加精确，使用更加方便。同时，数字触发器因不存在模拟触发器的分散性等缺陷，故使触发器技术又向前推进了一步。12 施密特触发器施密特触发器早在1938 年就由Otto Schmitt 提出。因为施密特触发器具有磁滞特性, 即使输入信号中含有大量的噪声, 施密特触发器可产生良好的脉冲信号, 所以被广泛用于降低系统或装置对噪声和干扰信号的灵敏度, 实现波形变换或整形及电压鉴幅电路; 或者与电阻电容连接, 形成振荡, 作为各种定时器和振荡器。施密特触发器属于电平触发器，施密特触发器是一种用途十分广泛的脉冲单元电路。施密特触发器又称施密特反相器,是脉冲波形中经常使用的一种电路.它在性能上有两个重要的特点：第一、输入信号从低电平上升的过程中,电路状态转换时对应的输入电平,与输入信号从高电平下降的过程中对应的输入转换电平不同.第二、电路状态转换时,通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡.利用这两个特点不仅能降边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波,而且可以将叠加在矩形脉冲高.低电平上的噪声有效地清除施密特触发器是一种脉冲整形电路，它的电压传输特性是一条具有滞回特性的曲线，即触发器输出由低电平变为高电平和由高电平变为低电平所对应的阈值电压是不同的。施密特触发器可对输入波形进行变换和整形。回差电压UT和阈值电压UT1和UT2是其主要参数。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；通过它可以进行波形变换，把正弦波变换成矩形波；另一个重要用途就是进行信号幅度鉴别，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。2 施密特触发器如果电路中输入信号的波形边沿很差，用单稳态触发器就无法进行整形了，而施密特触发器能把缓慢变化的波形变换成数字电路所需要的矩形波。施密特发器具有两个稳定状态，但是它和前面介绍的触发器不同，施密特触发器对两个状态的转换和维持都依赖于外加触发信号。21电路组成图1-1（a） 是用与非门组成的施密特触发器电路，它由三个与非门G1 、G2 、G3 和一个二极管D 组成。其中，门G1 、G2 组成基本RS 触发器，二极管D 为电平平移二极管。22 工作原理为利于我们分析，假设输入信号为如图1-1（b）所示的三角波。（1） 第一稳态当输入信号ui为低电平时，门G3关闭，输出R为高电平。ui虽然经二极管D到门G2的输入端S,但S仍然是低电平,对于基本RS触发器有Q1,Q0,电路处于稳态。（2）第二稳态当输入信号渐渐上升,使S 端达到门G2的开门电平(设与非门的开门电平为1.4 V)时,门G2仍不能开启,这是因为门G2的另一个输入端Q仍为低电平只有当ui继续上升到UT （称为上升触发电平）时,门G开启,于是输出R为低电平，这时电路发生翻转，使Q 0、Q 1,电路进入另一个稳态.ui继续上升,电路保持第二稳态不变。（3）返回第一稳态当输入信号下降，未达到UT （称为下降触发电平）之前，触发器仍处于第二稳定状态。当下降到UT 时,S端的电平开始低于门G的关门电平,使门 G关闭，其输出端Q 为高电平;在门G关闭之前，ui值已将门G关闭,其输出R变为高电平。这是因为ui 比S 低了一个二极管压降（0.7 V）,所以在S 的电平下降到门G 的关门电平之前，ui 的电平已低于门G 的关门电平，由于此时门G 的两个输入端都为高电平，使Q 为低电平，因此电路又回到原来的状态，即第一稳态，Q 1 、Q 0 。其工作波形如图1-1（b） 所示。很显然，该电路有两个稳态，而触发器状态的变化和维持是依赖于外加的输入信号，并且从图中可以看出，该电路把三角波变成了矩形波。23 回差特性从上面的分析可以看出，在ui 上升的过程中，只有当ui 上升到UT 时，触发器就能从第一稳态翻转到第二稳态；在ui 下降的过程中，仅当ui 下降到UT 时，电路才会发生翻转，返回第一稳态。由于这两次的触发电平存在着差值，所以我们把这种使电路从一种稳态翻转为另一种稳态所输入电平不同的现象称为回差现象。上升触发电平UT 和下降触发电平UT 的差值，称为回差电压，即 U UT UT 我们把施密特这种固有的特点称为回差特性也叫做滞回特性其回差特性的曲线如图1-2所示 图 1-2 回差特性曲3 555定时器31 555定时器简介555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。 32 555定时器内部电路图555定时器内部电路图1-3所示 图1-3 555定时器内部电路图各引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS接地，一般情况下接地；2脚：TR低触发端；3脚：输出端us；4脚：RD是直接清零端，当RD端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR，TH处于何种电平。时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平；5脚：CO为控制电压端，若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01uF电容接地，以防引入干扰；6脚：TH高触发端；7脚：放电端，该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容放电；8脚：外接电源VCC，TTL电路VCC的范围是4.5-16V，CMOS电路VCC的范围是3-18V；33 555定时器的工作原理比较器C1的相同输入端V+为阈值入端，当V+>时，C1输入1，RS触发器被复位，Q=0，放电管T导通，555定时器输出u0为0，当V+<时，C1输出为0，RS触发器的输出取决于C2的输出和原有状态。比较器C2的反相端V-为触发器输入端，当V-<时,C2输出为1，RS触发器被置位，Q为1，T被截止，输出端u0为1，当V->时，C2输出为0，RS触发器输出维持不变。禁止阈值输入端电压V+>与触发器输入电压V-<同时出现。此外，当复位端为低电平时，T2导通，RS触发器被复位，Q为0，与C1,C2的输入无关，如果在电压控制端外接一个电压，则C1和C2的参考电压值发生改变，时而使电路的阈值电平，触发电平随之改变，影响电路的定时参数。34 用555定时器组成的施密特触发器将 555定时器的阈值输入端和触发端相接，即构成施密特触发器，电路和简化电路分别如图1-4（a），（b）所示。 如果V1由0V开始逐渐增加，当V1<时，根据555定时器功能表可知，输出V0为高电平；V1继续增加，如果<V1<，输出V0维持高电平不变；V1再增加，一旦V1>，V0就由高电平跳变为低电平；之后V1再增加，仍是V1>，电路输出端保持低电平不变。 如果V1由大于的电压值逐渐下降，只要<V1<，电路输出状态不变，仍为低电平；只有当V1<.时，电路才再次跳转，V0就由低电平跳变为高电平。 如果输入V1的波形是三角波，电路的工作波形和电压传输特性曲线为下图所示 图1-5所示施密特触发器的正，负向阈值电压分别为和。不难理解，如果将施密特触发器控制电压（5脚）端接VIC，通过改变VIC可以调节电路的回差电压的大小。4 施密特触发器的应用施密特触发器的应用非常的广泛，下面介绍几个典型的应用。41 波形转换例如，在施密特触发器的输入端加入正弦波，根据电路的电压传输特性，可对应画出输出电压的波形，如图1-6 所示。施密特触发器将正弦波变换成同频率的矩形波。改变施密特触发器的VT+和VT-就可调节v0的脉宽。将非矩形波变换为矩形波，也可以采用施密特触发器。 图1-6 用施密特触发器实现波形变换4.2 波形的整形与干扰 如图1-7（a）所示，当传输线上电容较大时，矩形波的上升沿和下降沿都会明显地被延缓。如果传输线较长，且接收端的阻抗与传输线的阻抗也不匹配，则在波形的上升沿和下降沿还会产生阻尼振荡，如图1-7（b）所示。 图1-7 用施密特触发器实现脉冲波形的整形 （a）改善上升沿和下降沿（b）消除振荡影响 对于上述信号传输过程中产生的畸变，可采用施密特触发器对波形进行整形，只要回差电压选择恰当，就可达到理想的整形效果。采用施密特触发器消除干扰，回差电压的大小的选择很重要。例如要消除图1-8（a）所示信号的顶部干扰，回差电压取小了，顶部干扰没有消除输出波形如图1-8（b）所示；调大回差电压才能消除干扰，得到如图1-8（c）所示的理想波形。图1-8 利用回差电压抗干扰（a）具有顶部干扰的输入信号 （b）回差电压取值为VT1时的输出波形（c）回差电压取值为VT2时的输出波形4.3 幅度鉴别 施密特触发器的触发方式属于电平触发，其输出状态与输入信号V1的幅值有关。根据这一工作特点，可以用它作为幅度鉴别电路。例如，输入信号为幅度不等的一串脉冲（见图1-9），要鉴别幅度大于的VTH的脉冲，只要将施密特触发器的正向阈值电压VT+调整到规定的幅度，这样，只有幅度大于VT+的那些脉冲才会使施密特触发器翻转，V0有相应的脉冲输出；而对于幅度小于VT+的脉冲，施密特触发器不翻转，v0就没有相应的脉冲输出。 图1-9 用施密特触发器进行幅度鉴别4.4 由施密特触发器构成的三相移相触发器三相电广泛应用于工厂中, 是电力系统所采用的主要供电方式。三相电源是由三个同频率、等幅值和初相相差1200的正弦电压构成的电压源( 或电动势) 。利用三相电之间电压初相的关系取出同步信号, 产生六路相位相差600的双窄脉冲, 由脉冲的移相功能来控制晶闸管的导通时间, 从而控制输出整流电压的大小来实现调功的目的。（1） 调功主电路部分调功电路一般采用三相桥式全控整流电路, 如图1-10。触发脉冲可以采取两种方法: 一种是宽脉冲触发,另一种是双脉冲触发。双脉冲触发的电路可以减小触发电路的输出功率, 缩小脉冲变压器的铁心体积。用宽脉冲触发, 虽然脉冲数目减小一半, 为了不使脉冲变压器饱和, 其铁芯体积做得更大些, 绕组匝数多些, 因而漏感增大, 导致脉冲的前沿不够陡( 这对晶闸管多串多并是很不的) , 增加去磁绕组可以改善这一情况, 但又会使装置复杂化。所以通常多采用双脉冲触发控制。 此外, 我们可以通过调节触发脉冲与自然换相点的夹角来控制触发脉冲的相位从而调节晶闸管的导通时间以达到直流调压和调功的目的。 图 1-10 三相桥式全控整流电路（2） 触发电路构成及原理根据三相全控整流电路对触发脉冲的需要, 我们可以得出对触发器功能的具体要求, 即产生相位互差600的六路触发脉冲, 且为保证可靠触发晶闸管, 脉冲宽度为200 250, 输出触发脉冲应有足够的功率和合适的幅值, 一般为可触发功率的3 5 倍, 幅值为10 20V, 依次触发六个桥臂的晶闸管。为满足此要求触发电路应有以下部分构成, 其框图如图1-11 所示。 图1-11 触发电路框图根据调功主电路的触发需要, 应产生六路触发脉冲来触发主电路的六个晶闸管, 由于产生触发脉冲的六路触发电路结构相同, 所以只画出其中一路的原理图来进行说明, 原理如图1-12所示。图1-12 触发电路原理图 同步信号( 正弦波) 的产生三相电源连接方式常用的有星形连接( 即Y 形) 和三角形连接( 即 形) ,信号从变压器的次级线圈输出后, 由公式U出= U入􀀂/（R+），经过图3 中第( 1) 部分的滤波电路滤波后U出相位滞后于U入。在本设计中变压器的初级采用 形接法, 初级和次级的接法如图4 所示, 初级和次级电压相位关系如下:分析UA 、UAB、U+ A、U- A 之间的相位关系可知,UAB相位超前UA300, U+ A相位与UAB相同,U- A 相位与UAB相反, 其余各输入端和输出端的相位关系与此类似。因此为了保证触发脉冲的频率与三相电的频率相同, 脉冲与主回路的相位保持同步, 可适当调整整滤波部分的电阻R 和电容C 的值, 使滤波后的波形较平滑且保证相位滞后于输入电压300, 这样才能保证滤波后的输出电压与主回路三相电的相位一致。 图 1-13 变压器 形连接图 锯齿波的形成锯齿波发生器电路如图1-14中第2 部分所示，当输入为正弦电压的正半周时，T2 管饱和导通，T1 管截止，则输出电压约等于零；当输入为正弦信号负半周时，T2 管截止，则电源VCC 给电容C12 充电，当输入为正，T2 再次导通时，电容C12 迅速放电，这样输出端就产生了锯齿波。图1-14 锯齿波产生方波 方波（脉冲前沿）的形成 施密特触发器的阈值特性来产生下降沿,根据施密特触发器的特性，在输入信号从低电平上升到高电平的过程中，VEA+ 锯齿波在t1 时刻的值等于触发器正向阈值电压VT + 时，电路的状态发生变化；在输入信号从高电平下降到低电平的过程中，VEA+ 锯齿波在t2 时刻的值等于触发器负向阈值电压VT- 时，电路的状态又发生变化，方波产生电路如图1-12中第( 3) 部分所示，输入输出波形如图1-14 所示。并且当输入Ui 为锯齿波时，可以通过调节电位器R18来改变直流电压VCC 作用在触发器40106 输入端的电位值VEA，可以很方便地控制触发输出端 图1-15 脉冲前沿移相示意图下降沿的产生时间。VEA的电位越高, 由关系式VEA+ 锯齿波在t1 时刻的值= 触发器正向阈值电压VT+ 时电路状态发生改变可知, 触发器输入端所需要的Ui 就越小, 则脉冲前沿越超前, 反之亦然。其波形图如图1-15 所示, 其中输出UO 实线波形对应输入为Ui+ VEA1, 虚线波形对应输入为Ui+ VEA2, 且VEA1> VEA2。此时应当注意, 因主回路晶闸管只能在自然换相点以后导通, 则需调整锯齿波产生电路的R18, 使其产生的锯齿波的斜率满足下降沿最早形成在自然换相点处, 且能保证调节图3 中R18的过程中, 使脉冲前沿在控制角为0 1500􀀁范围内平滑移动。 脉宽及脉冲列形成电路图1-14中的矩形波先经过反向器, 将脉冲前沿由下降沿变为上升沿, 再通过微分电路后, 产生尖脉冲, 然后再经施密特触发器CC4093 输出, 产生矩形脉冲, 此时通过调整微分电路的参数, 可使CC4093 输出脉冲宽度保持在200 -250之间; 并且考虑到功放输出端的脉冲变压器初级线圈中总处于高电平时其效率比较低, 且存在直流磁势的特性, 借助施密特触发器能构成多谐振荡电路的特点来把尖脉冲整形后产生的矩形脉冲转变成脉冲列, 其波形如图1-16所示。当加入多谐振荡部分后, 且CC4093 的两输入端和输出端为逻辑与非的关系, 则当尖脉冲尚未来临时,UO 输出高电平; 当尖脉冲来临时, 且脉冲幅值大于VT+ 时, 触发器两端均为高电平, 则UO 输出低电平, 此时电容C14放电, 当电容电压下降到VT- 时, 则UO 输出又立即升为高电平; 这样周而复始形成振荡。当尖脉冲幅值下降到VT- 并且将近消失时, cc4093 输出则又为高电平。图 1-16 脉冲列的形成 双窄脉冲形成电路将前面提到的六路触发脉冲形成电路的输出信号按照图1-17左图的方式连接，由U- A，U+ C，U- B，U+ A，U- C，U+ B形成的脉冲列分别对应Ui1， Ui2，Ui3，Ui4，Ui5，Ui6且脉冲相位依次滞后600，再将信号Ui1引入到Ui6所在施密特触发器的另一输入端，信号Ui2引入到Uil所在触发器的另一输入端，依此类推，最后Ui6入到Ui5所在触发器的另一输入端，这样就形成了双窄脉冲。现将Ui1, Ui2和Uo1的波形关系画出，如图1-17右图所示，因为施密特触发器的阈值特性，所以脉冲信号经触发器后被反向；其余各路信号的输入输出波形同理。图1-17 双窄脉冲产生电路及波形图 功放部分根据施密特触发器的输出特性, 我们可以适当选择功放输入端的电阻值, 使三级管在输入为高电平时达到深度饱和, 这样在脉冲变压器的作用下即可形成强触发脉冲, 并且脉冲变压器也可起到使主回路和触发电路相隔离的作用, 避免主回路的电压值过大而损坏触发电路, 功放部分电路图如图1-18所示。图1-18 功放电路图5 总结由于施密特触发器的电路简单,成本低,操作灵活方便及电路稳定性高,所有施密特触发器广泛用于波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。 参考文献：1： 康华光，电子技术基础_数字部分（第五版）M.武汉：高等教育出版社，2002：55-2482： 黄晓春。555定时器原理及其应用。电子制作.2006 10：58-593: 童诗白，华成英。模拟电子技术基础（第3版）M. 北京: 高等教育出版社2001.1：125-1294: 童诗白、何金茂 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