微信号通过施密特触发器生成矩形波方案的探讨

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

利用施密特触发器将某一信号变换为矩形波，已广为应用。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U+和负向阈值电压U-。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。这种电压传输特性曲线称为施密特触发器的“磁滞回线”，如图1所示，为反相施密特触发器。

图1 施密特触发器的“磁滞回线”

当然，施密特触发器输出端信号的占空比和频率均取决于输入信号的波形。但实际上，输入信号的波形并不重要，欲使施密特触发器正常工作的基本要求是输入信号必须超过、或至少达到施密特触发器的门限值(或阈值)，即上升过程中的输入电压必须大于U+电压、下降过程中的输入电压必须小于U-电压，施密特触发器输出电压才可以反转[1]。

基于以上原理，若希望将微小信号通过斯密特触发器生成矩形波，一般采用的方法不外乎两种,其一是采用升压变压器交流耦合的方式，其二是采用前置放大器电路的方式，两种方式的思路相近，都是首先将微弱信号放大到符合斯密特触发器要求的标准信号，施密特触发器的输出电压便可以反转，但两种方法的缺点也是致命的，下面会详细介绍。

设计一种关于施密特触发器的微弱信号如何生成矩形波的控制器，采用这种控制器的施密特触发器，对于输入信号没有以上的所谓门限值限制，该触发器的理想输入信号正是普通施密特触发器无法产生输出波形的微弱信号。本电路对各种输入信号能保持相同的灵敏度，而与输入信号波形和幅度无关。

1 关于施密特触发器的微弱信号生成矩形波控制器电路原理

上文已知施密特触发器要求输入信号必须超过、或至少达到所谓的门限值才可以将输出信号反转，一些微弱信号是不可能反转输出信号的，如图2中的A所示的信号作为输入便可以在触发器产生输出矩形波，而B信号若加至触发器则没有波形输出。

图2 施密特触发器对微弱信号的过滤

1.1 施密特触发器微弱信号生成矩形波的可行方案

为了能够处理幅度较小的微弱输入信号，使其能够通过斯密特触发器生成矩形波，可以参考以下几种方案。

1.1.1 采用升压变压器交流耦合的方式

对于幅度较小的微弱输入信号，可以采用升压变压器交流耦合的方式来将微弱信号放大，从而使输入信号超过所需要的门限值，如图3所示。

图3 升压变压器交流耦合实现微信号生成矩形波

图3中，电容C1为小信号输入耦合电容，电容C2为变压器初次级共地电容，IC1为斯密特触发器，变压器T初次级匝数比N2/N1=12，大约可以将0.5 V的交流信号升压到5 V左右，从而使有效信号幅度超过施密特触发器所需要的门限值，理论上施密特触发器可以输出一个矩形波，但变压器初次级直流电阻都极小，这势必会影响电路的整体参数，比如电路的输入电阻、输出电阻等[2]。

1.1.2 采用前置放大器电路的方式

当然，也可以采用前置放大器电路的方式，同样将微弱信号放大达到斯密特触发器所需门限值，从而实现微弱小信号可以通过斯密特触发器生成矩形波，如图4。

图4 共射极放大器

图4所示放大电路为最基本的共射极放大电路，其静态工作点电压要求是基极正偏，集电极反偏，Ui为需要处理的微弱小信号，Vcc为直流工作电压。最终结果是当三极管Q的B极输入小信号时，C极电压将围绕静态电压Vcc波动，这时的Uo信号幅度已经超过施密特触发器所需要的门限值，是符合斯密特触发器输入要求的标准信号，将Uo信号如图3一样接入斯密特触发器IC1：CD40106的输入端，IC1可以输出标准的矩形波信号。

上述两种方法固然可以实现将微弱信号输出矩形波的设想，但加大了电路的设计难度，更严重的缺点是急剧降低了运算放大器电路的输入电阻，现在的运算放大器的输入阻抗都很高，所以运放输入端信号电平选择余地比较大，但是若采用升压变压器耦合电路的方式却会将相关电路的输入电阻降低到数十欧姆，这会严重影响前级电路输出电阻参数的选择余地，总体会严重降低系统的灵敏度[3]。

共射极放大器能获得较高的电压放大倍数，但其输入电阻较小，输出电阻较大，如同上面采用升压变压器耦合电路的方式一样，同样会影响前级电路输出电阻参数的选择余地，降低整个系统的灵敏度。

射极输出器(共集电极放大器)具有较高的输入电阻和较小的输出电阻，是一种理想的输出级电路和输入级电路，但其电压放大倍数大约为1，不符合本设计的最基本要求。

1.1.3 利用载波原理将微信号生成矩形波

若采用图5的设计电路，不会改变原运算放大器的输入、输出特性，却可以解决以上提出的关于小信号通过施密特触发器输出矩形波的问题，这种电路对任何输入信号都能保持相同的灵敏度，而与输入信号波形、幅值无关。

图5 利用载波原理将微信号生成矩形波电气原理图

该电路所用触发器N1型号为CD40106，CD40106由六个斯密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有斯密特触发器功能的反相器。触发器在输入信号的上升沿和下降沿，所对应的两个不同阈值点输出“0”逻辑或“1”逻辑。上升电压V+和下降电压V-之差定义为滞后电压。

电路设计很简单，很好理解，包括微弱信号耦合电路、反馈电路、直流偏置电路、载波电路组成。前级传感器输出的微弱信号通过耦合电容C1馈送到施密特触发器输入端，在触发器输出端，信号电平被R2/C2平均，并反馈到输入端。15 V直流供电电压通过电位器P1以及电容器C2给触发器输入端施加一个直流偏置电压“UZ”，该直流偏压通过电阻R1被“修整”(叠加)到通过电容C1输入的交流信号的幅度上，叠加后混合信号的电平，即在原来微弱信号基础上提升了直流偏压幅度，其实通信领域的所谓载波信号就是根据这个原理实现的[4]。

运算放大器的输入阻抗都很高，该触发器典型的输入偏置电流仅2 pA，这样输入端的外接电阻的阻值就可以很大，例如1 μV的扰动电压对应：

本设计选取输入端外接电阻R1阻值为1 MΩ。

最终的结果就是，任何幅度大于施密特触发器门限值(磁滞值)的信号之差值将在其输出端产生一矩形波，如图6所示，图中UZ即为直流偏置电压，正是这一偏置电压，使输入小信号的电压幅值超过触发器的阈值电压。

图6 利用载波原理将微小信号生成矩形波

可以这么理解，电路中通过给施密特触发器输入端施加一合适的偏置电压，可以调节输入信号与两个门限值U+以及U-的关系，偏置电压的大小由电位器P1调节，故施密特触发器可以输出矩形波的灵敏度由电位器P1调节。

1.2 利用载波原理将微信号生成锯齿波设计的不足

该设计电路也有令人不满意的地方，当输入端没有信号时，电路就工作成为一个自激振荡器。当有信号时，为了防止产生这种现象，R2和C2的振荡频率必须至少低于本电路所使用频率的10倍(本电路频率为100 Hz)。这样该电路可作为示波器理想的自动触发器。

设计的另一个缺点是，它不适用于占空比极窄的输入信号，由于这类信号的低幅度差，会使输出脉冲链发生断裂。

2 结语

该设计不采用升压变压器交流耦合的方式以及前置放大器电路的方式，而采用对微弱交流信号提供一个较大幅度直流偏置的方法，完美实现了小信号可以通过施密特触发器形成矩形波的设想，且完全没有改变原运算放大器的任何输入、输出特性，纵然有不少缺点，但通过修改电路参数可以尽力避免这些缺点。且经过仿真电路仿真测试，电路结构完美、元件参数准确。

[1] 李中年.控制电器及应用[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2] 李仁.电器控制[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3] 韩广兴.电子元器件与实用电路基础[M](修订版).北京：电子工业出版社，2005.

[4] 刘畅生.传感器简明手册及应用电路[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2006.