微信號(hào)通過(guò)施密特觸發(fā)器生成矩形波方案的探討

崔建國(guó)，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

利用施密特觸發(fā)器將某一信號(hào)變換為矩形波，已廣為應(yīng)用。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓U+和負(fù)向閾值電壓U-。在輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓。這種電壓傳輸特性曲線稱為施密特觸發(fā)器的“磁滯回線”，如圖1所示，為反相施密特觸發(fā)器。

圖1 施密特觸發(fā)器的“磁滯回線”

當(dāng)然，施密特觸發(fā)器輸出端信號(hào)的占空比和頻率均取決于輸入信號(hào)的波形。但實(shí)際上，輸入信號(hào)的波形并不重要，欲使施密特觸發(fā)器正常工作的基本要求是輸入信號(hào)必須超過(guò)、或至少達(dá)到施密特觸發(fā)器的門限值(或閾值)，即上升過(guò)程中的輸入電壓必須大于U+電壓、下降過(guò)程中的輸入電壓必須小于U-電壓，施密特觸發(fā)器輸出電壓才可以反轉(zhuǎn)[1]。

基于以上原理，若希望將微小信號(hào)通過(guò)斯密特觸發(fā)器生成矩形波，一般采用的方法不外乎兩種,其一是采用升壓變壓器交流耦合的方式，其二是采用前置放大器電路的方式，兩種方式的思路相近，都是首先將微弱信號(hào)放大到符合斯密特觸發(fā)器要求的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，施密特觸發(fā)器的輸出電壓便可以反轉(zhuǎn)，但兩種方法的缺點(diǎn)也是致命的，下面會(huì)詳細(xì)介紹。

設(shè)計(jì)一種關(guān)于施密特觸發(fā)器的微弱信號(hào)如何生成矩形波的控制器，采用這種控制器的施密特觸發(fā)器，對(duì)于輸入信號(hào)沒有以上的所謂門限值限制，該觸發(fā)器的理想輸入信號(hào)正是普通施密特觸發(fā)器無(wú)法產(chǎn)生輸出波形的微弱信號(hào)。本電路對(duì)各種輸入信號(hào)能保持相同的靈敏度，而與輸入信號(hào)波形和幅度無(wú)關(guān)。

1 關(guān)于施密特觸發(fā)器的微弱信號(hào)生成矩形波控制器電路原理

上文已知施密特觸發(fā)器要求輸入信號(hào)必須超過(guò)、或至少達(dá)到所謂的門限值才可以將輸出信號(hào)反轉(zhuǎn)，一些微弱信號(hào)是不可能反轉(zhuǎn)輸出信號(hào)的，如圖2中的A所示的信號(hào)作為輸入便可以在觸發(fā)器產(chǎn)生輸出矩形波，而B信號(hào)若加至觸發(fā)器則沒有波形輸出。

圖2 施密特觸發(fā)器對(duì)微弱信號(hào)的過(guò)濾

1.1 施密特觸發(fā)器微弱信號(hào)生成矩形波的可行方案

為了能夠處理幅度較小的微弱輸入信號(hào)，使其能夠通過(guò)斯密特觸發(fā)器生成矩形波，可以參考以下幾種方案。

1.1.1 采用升壓變壓器交流耦合的方式

對(duì)于幅度較小的微弱輸入信號(hào)，可以采用升壓變壓器交流耦合的方式來(lái)將微弱信號(hào)放大，從而使輸入信號(hào)超過(guò)所需要的門限值，如圖3所示。

圖3 升壓變壓器交流耦合實(shí)現(xiàn)微信號(hào)生成矩形波

圖3中，電容C1為小信號(hào)輸入耦合電容，電容C2為變壓器初次級(jí)共地電容，IC1為斯密特觸發(fā)器，變壓器T初次級(jí)匝數(shù)比N2/N1=12，大約可以將0.5 V的交流信號(hào)升壓到5 V左右，從而使有效信號(hào)幅度超過(guò)施密特觸發(fā)器所需要的門限值，理論上施密特觸發(fā)器可以輸出一個(gè)矩形波，但變壓器初次級(jí)直流電阻都極小，這勢(shì)必會(huì)影響電路的整體參數(shù)，比如電路的輸入電阻、輸出電阻等[2]。

1.1.2 采用前置放大器電路的方式

當(dāng)然，也可以采用前置放大器電路的方式，同樣將微弱信號(hào)放大達(dá)到斯密特觸發(fā)器所需門限值，從而實(shí)現(xiàn)微弱小信號(hào)可以通過(guò)斯密特觸發(fā)器生成矩形波，如圖4。

圖4 共射極放大器

圖4所示放大電路為最基本的共射極放大電路，其靜態(tài)工作點(diǎn)電壓要求是基極正偏，集電極反偏，Ui為需要處理的微弱小信號(hào)，Vcc為直流工作電壓。最終結(jié)果是當(dāng)三極管Q的B極輸入小信號(hào)時(shí)，C極電壓將圍繞靜態(tài)電壓Vcc波動(dòng)，這時(shí)的Uo信號(hào)幅度已經(jīng)超過(guò)施密特觸發(fā)器所需要的門限值，是符合斯密特觸發(fā)器輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將Uo信號(hào)如圖3一樣接入斯密特觸發(fā)器IC1：CD40106的輸入端，IC1可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的矩形波信號(hào)。

上述兩種方法固然可以實(shí)現(xiàn)將微弱信號(hào)輸出矩形波的設(shè)想，但加大了電路的設(shè)計(jì)難度，更嚴(yán)重的缺點(diǎn)是急劇降低了運(yùn)算放大器電路的輸入電阻，現(xiàn)在的運(yùn)算放大器的輸入阻抗都很高，所以運(yùn)放輸入端信號(hào)電平選擇余地比較大，但是若采用升壓變壓器耦合電路的方式卻會(huì)將相關(guān)電路的輸入電阻降低到數(shù)十歐姆，這會(huì)嚴(yán)重影響前級(jí)電路輸出電阻參數(shù)的選擇余地，總體會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的靈敏度[3]。

共射極放大器能獲得較高的電壓放大倍數(shù)，但其輸入電阻較小，輸出電阻較大，如同上面采用升壓變壓器耦合電路的方式一樣，同樣會(huì)影響前級(jí)電路輸出電阻參數(shù)的選擇余地，降低整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度。

射極輸出器(共集電極放大器)具有較高的輸入電阻和較小的輸出電阻，是一種理想的輸出級(jí)電路和輸入級(jí)電路，但其電壓放大倍數(shù)大約為1，不符合本設(shè)計(jì)的最基本要求。

1.1.3 利用載波原理將微信號(hào)生成矩形波

若采用圖5的設(shè)計(jì)電路，不會(huì)改變?cè)\(yùn)算放大器的輸入、輸出特性，卻可以解決以上提出的關(guān)于小信號(hào)通過(guò)施密特觸發(fā)器輸出矩形波的問(wèn)題，這種電路對(duì)任何輸入信號(hào)都能保持相同的靈敏度，而與輸入信號(hào)波形、幅值無(wú)關(guān)。

圖5 利用載波原理將微信號(hào)生成矩形波電氣原理圖

該電路所用觸發(fā)器N1型號(hào)為CD40106，CD40106由六個(gè)斯密特觸發(fā)器電路組成。每個(gè)電路均為在兩輸入端具有斯密特觸發(fā)器功能的反相器。觸發(fā)器在輸入信號(hào)的上升沿和下降沿，所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)不同閾值點(diǎn)輸出“0”邏輯或“1”邏輯。上升電壓V+和下降電壓V-之差定義為滯后電壓。

電路設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，很好理解，包括微弱信號(hào)耦合電路、反饋電路、直流偏置電路、載波電路組成。前級(jí)傳感器輸出的微弱信號(hào)通過(guò)耦合電容C1饋送到施密特觸發(fā)器輸入端，在觸發(fā)器輸出端，信號(hào)電平被R2/C2平均，并反饋到輸入端。15 V直流供電電壓通過(guò)電位器P1以及電容器C2給觸發(fā)器輸入端施加一個(gè)直流偏置電壓“UZ”，該直流偏壓通過(guò)電阻R1被“修整”(疊加)到通過(guò)電容C1輸入的交流信號(hào)的幅度上，疊加后混合信號(hào)的電平，即在原來(lái)微弱信號(hào)基礎(chǔ)上提升了直流偏壓幅度，其實(shí)通信領(lǐng)域的所謂載波信號(hào)就是根據(jù)這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)的[4]。

運(yùn)算放大器的輸入阻抗都很高，該觸發(fā)器典型的輸入偏置電流僅2 pA，這樣輸入端的外接電阻的阻值就可以很大，例如1 μV的擾動(dòng)電壓對(duì)應(yīng)：

本設(shè)計(jì)選取輸入端外接電阻R1阻值為1 MΩ。

最終的結(jié)果就是，任何幅度大于施密特觸發(fā)器門限值(磁滯值)的信號(hào)之差值將在其輸出端產(chǎn)生一矩形波，如圖6所示，圖中UZ即為直流偏置電壓，正是這一偏置電壓，使輸入小信號(hào)的電壓幅值超過(guò)觸發(fā)器的閾值電壓。

圖6 利用載波原理將微小信號(hào)生成矩形波

可以這么理解，電路中通過(guò)給施密特觸發(fā)器輸入端施加一合適的偏置電壓，可以調(diào)節(jié)輸入信號(hào)與兩個(gè)門限值U+以及U-的關(guān)系，偏置電壓的大小由電位器P1調(diào)節(jié)，故施密特觸發(fā)器可以輸出矩形波的靈敏度由電位器P1調(diào)節(jié)。

1.2 利用載波原理將微信號(hào)生成鋸齒波設(shè)計(jì)的不足

該設(shè)計(jì)電路也有令人不滿意的地方，當(dāng)輸入端沒有信號(hào)時(shí)，電路就工作成為一個(gè)自激振蕩器。當(dāng)有信號(hào)時(shí)，為了防止產(chǎn)生這種現(xiàn)象，R2和C2的振蕩頻率必須至少低于本電路所使用頻率的10倍(本電路頻率為100 Hz)。這樣該電路可作為示波器理想的自動(dòng)觸發(fā)器。

設(shè)計(jì)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它不適用于占空比極窄的輸入信號(hào)，由于這類信號(hào)的低幅度差，會(huì)使輸出脈沖鏈發(fā)生斷裂。

2 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)不采用升壓變壓器交流耦合的方式以及前置放大器電路的方式，而采用對(duì)微弱交流信號(hào)提供一個(gè)較大幅度直流偏置的方法，完美實(shí)現(xiàn)了小信號(hào)可以通過(guò)施密特觸發(fā)器形成矩形波的設(shè)想，且完全沒有改變?cè)\(yùn)算放大器的任何輸入、輸出特性，縱然有不少缺點(diǎn)，但通過(guò)修改電路參數(shù)可以盡力避免這些缺點(diǎn)。且經(jīng)過(guò)仿真電路仿真測(cè)試，電路結(jié)構(gòu)完美、元件參數(shù)準(zhǔn)確。

[1] 李中年.控制電器及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 李仁.電器控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3] 韓廣興.電子元器件與實(shí)用電路基礎(chǔ)[M](修訂版).北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4] 劉暢生.傳感器簡(jiǎn)明手冊(cè)及應(yīng)用電路[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.