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        微信號(hào)通過(guò)施密特觸發(fā)器生成矩形波方案的探討

        2018-07-02 07:30:26崔建國(guó)寧永香
        山西電子技術(shù) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        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(méi)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(méi)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(méi)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(méi)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.

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