問(wèn)題
下面是一個(gè)輸入信號(hào)接在反相輸入引腳,參考電壓為 1 伏的運(yùn)放比較器電路:
下面是上面電路的波形圖:
可以看到,當(dāng)輸入信號(hào)大于 1 伏時(shí),輸出為低電平;當(dāng)輸入信號(hào)小于 1 伏時(shí),輸出為高電平。
我們給信號(hào)加點(diǎn)干擾,看看會(huì)怎么樣:
可以看到,隨著輸入信號(hào)噪音的逐漸增加,輸出信號(hào)最終出現(xiàn)了雜波:
我們?nèi)绾谓鉀Q上面的問(wèn)題,以實(shí)現(xiàn)即使輸入信號(hào)有一定的干擾,也不會(huì)導(dǎo)致輸出出現(xiàn)跳變?
施密特觸發(fā)器電路
我們可以使用一種叫做施密特觸發(fā)器(Schmitt Trigger)的運(yùn)放電路來(lái)解決上面的問(wèn)題:
下面是輸入與輸出的關(guān)系動(dòng)畫(huà):
上圖中,移動(dòng)的黑點(diǎn)表示輸入信號(hào),移動(dòng)的綠點(diǎn)表示輸出信號(hào),紅點(diǎn)表示 LTP, 藍(lán)點(diǎn)表示 UTP, 注意觸發(fā)點(diǎn)在 Vin 超過(guò)了 UTP 后發(fā)生了跳變。
施密特觸發(fā)器電路中用電阻 R2 將輸出和運(yùn)放同相輸入引腳連接了起來(lái),這會(huì)將輸出信號(hào)反饋到運(yùn)放的輸入引腳。在這里輸出被反饋到同相引腳,屬于正反饋,如果將輸出反饋到反相引腳,則是負(fù)反饋。運(yùn)放施密特觸發(fā)器電路屬于一種正反饋電路。
由于輸出電壓 Vout 將會(huì)在正飽和電壓 +Sat(接近正電源電壓Vcc)和 負(fù)飽和電壓(接近負(fù)電源點(diǎn)Vee)之間來(lái)回切換,并且 Vout 通過(guò)由 R1 和 R2 構(gòu)成的電阻分壓器反饋到參考電壓。 所以參考電壓將會(huì)在兩個(gè)不同的值之間來(lái)回切換,所以最終會(huì)有兩個(gè)觸發(fā)點(diǎn),而不是只有一個(gè)觸發(fā)點(diǎn)。當(dāng)只有一個(gè)觸發(fā)點(diǎn)時(shí),如果輸入信號(hào)上有噪音,會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)在觸發(fā)點(diǎn)附近來(lái)回跳變,這會(huì)引起輸出信號(hào)來(lái)回跳變。
假設(shè)開(kāi)始時(shí) Vin 為零伏,然后它逐漸增加接近上觸發(fā)點(diǎn)。一旦 Vin 超過(guò)這個(gè)上觸發(fā)點(diǎn),Vout 將會(huì)立即從高電平變?yōu)榈碗娖?,這也同時(shí)改變了參考電壓,使參考電壓變?yōu)樨?fù)值,即下觸發(fā)點(diǎn)(LTP)。此時(shí)如果輸入信號(hào)在上限觸發(fā)電壓(UTP)附近來(lái)回跳變,只要這個(gè)跳變不超過(guò)下觸發(fā)點(diǎn)(LTP), 那么輸出信號(hào) Vout 不會(huì)改變,一直是低電平:
參考電壓變?yōu)橄孪抻|發(fā)電壓(LTP)后,要想讓輸出電壓 Vout 重新變?yōu)楦唠娖?,輸入信?hào) Vin 得一路下降到低于 LTP 才行:
上圖中,移動(dòng)的黑點(diǎn)表示輸入信號(hào),移動(dòng)的紅點(diǎn)或藍(lán)點(diǎn)表示輸出信號(hào)。
一旦 Vin 下降到 LTP 以下,那么輸出電壓會(huì)變成高電平,同時(shí),參考電壓也會(huì)變成上限觸發(fā)電壓 UTP。
總結(jié):
當(dāng)觸發(fā)電壓為 UTP 時(shí),在輸入信號(hào)逐漸變大的過(guò)程中,一旦其值超過(guò) UTP, 則觸發(fā)電壓會(huì)變?yōu)?LTP,此時(shí)輸入信號(hào)如果在 UTP 附近跳動(dòng),只要不低于 LTP, 不會(huì)引起輸出變動(dòng);
當(dāng)觸發(fā)電壓為 LTP 時(shí),在輸入信號(hào)逐漸變小的過(guò)程中,一旦其值低于 LTP, 則觸發(fā)電壓會(huì)變?yōu)?UTP, 此時(shí)輸入信號(hào)如果在 LTP 附近跳動(dòng),只要不超過(guò) UTP, 不會(huì)引起輸出變動(dòng)。
舉個(gè)例子
上圖電路中,運(yùn)放電源為正負(fù) 12 伏。由一個(gè) 1kΩ 電阻和 11kΩ 電阻組成分壓電路。上限觸發(fā)電壓為 1 伏,下限觸發(fā)電壓為 -1 伏。
坐標(biāo)系中藍(lán)線表示輸入信號(hào)。其值從低于 -1 伏開(kāi)始逐漸增加,此時(shí)輸出為高電平,觸發(fā)電平為 UTP(1伏)。當(dāng)輸入信號(hào)逐漸增加并且超過(guò) LTP 時(shí),輸出無(wú)變化。再增加,一旦其值超過(guò) UTP 時(shí),輸出電平會(huì)迅速?gòu)母唠娖阶優(yōu)榈碗娖剑瑫r(shí),參考電壓由較大的 UTP 變?yōu)檩^小的 LTP, 此后,即使輸入信號(hào)有很強(qiáng)的噪音,導(dǎo)致其值在 UTP 附近上下抖動(dòng),但由于此時(shí)參考電壓已經(jīng)變?yōu)榱溯^小的 LTP, 輸出電平不會(huì)變動(dòng)。
非對(duì)稱閾值
上面的電路中,兩個(gè)觸發(fā)電平是在 0 伏附近的。如果想讓兩個(gè)觸發(fā)電平不在零伏附近,需要用3個(gè)電阻, 電路圖如下:
當(dāng)輸出為高電平時(shí),R1和R3并聯(lián),其等效電路圖如下:
當(dāng)輸出為低電平時(shí),R2和R3并聯(lián),其等效電路圖如下:
觸發(fā)電平計(jì)算公式如下:
網(wǎng)上有一個(gè)****反相施密特觸發(fā)器計(jì)算器 ,可以根據(jù)輸入的上下限觸發(fā)電壓計(jì)算電路中需要的電阻值
這里,假設(shè)我們想讓上限電壓為 1.1 伏,下限觸發(fā)電壓為 0.9 伏,參考電壓就用正電源電壓 9 伏,輸入后計(jì)算結(jié)果如下:
它計(jì)算出的電阻為:
R1 = 16kΩ
R2 = 2kΩ
R3 = 160kΩ
調(diào)試后,我使用下面的參數(shù):
R1=20k
R2=2.7k
R3=180k
在電路板上組裝后,測(cè)得波形如下:
可以看到 UTP = 1.07伏,LTP = 0.69 V。帶有如此大噪音的輸入信號(hào)并沒(méi)有引起輸出意外跳變,問(wèn)題得到解決。
總結(jié)
今天我們一起了學(xué)習(xí)了****正反饋運(yùn)放電路,即 反相施密特觸發(fā)器電路。知道了該電路可以產(chǎn)生兩個(gè)觸發(fā)電壓,進(jìn)而解決輸入信號(hào)的噪音引起的輸出意外跳變的問(wèn)題。
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