用门电路构成的施密特触发器
数字电子技术基础第五版第十章
1. 原理分析
* 稳V 态 I 0 ,V O 下 1 ,( V O 1 V O ： )V H A , V O ； H *V I后V ， O0,进入暂 V O 1 稳 0,C 开 态始 ，放电 *当放 VA 至 VTH 后V ， O1,返回稳态； V I后 C 重 ， 新 充 至 V OH
暂稳态时, Vo1,V ,Co1开始0充电
C 充电V至 I2VTH 时,VI2又引起正反馈
VI2 VO VO1
这期间vd维持低电平
电路迅速返V回 O稳 0,VO 态 1VDD,C放电至没有电压 稳， 态恢 。复
稳态 V I 0 ,V 下 d 0 ,V I ： 2 V D,V D O 0 ,(V O 1 V D)D C ,上无电 暂稳态时, Vo1,V ,Co1开始0充电
2. 性能参数计算 输出脉宽：
放电 回路
tw (R R o)C ln V V ( ( ) ) V V ( (0 t) ) (R R o)C ln V V O T H H
输出脉宽
输出脉 V O 0 时 冲间 宽 V A 从 ） 度 V O放 H 等 （ V 电 T于 的 H至 时间。
二、微分型单稳态触发器
则有： vAVTH R1R2R2VT
V TR 1R 2R2V TH(1R R 1 2)V TH
vA VT R2 R1 R2
VT+称为输入信号vI的正向阈值电压
3.当 v 从I 高电平 V逐D D渐下降时,有
VTH=
vI
vA
v o1
vo
设此时
VI =VT-
当 v 下I 降到使 vA 时V,电th 路的状态将迅速转换为
性能参数： 暂稳态输出的宽度
施密特触发器与反相器的区别
③、暂稳态维持时间的长短仅仅取决于单稳触发器 电路本身的参数，与触发脉冲无关。
现代电子技术实验
单稳态触发器广泛应用于脉冲整形、延时 和定时的电路中 :
整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度 都相等的波形）
CD4098实现脉冲延时的原理图
现代电子技术实验
TWI=CX1*RX1 TW2=CX2*RX2
决定从触发信号(Ui)有效 到 灯亮的时间 决定灯亮的时间
电路第一个单稳态设 成上升沿触发，第二个单稳 态设成下降沿触发。
实验目的 实验原理 实验内容 注意事项
三、实验内容
现代电子技术实验
1、利用所给器件，实现图3.34所示CMOS门电
现代电子技术实验
3、用与非门构成图3.40所示的微分型单稳态触发 器，输入Vin接20kHz TTL信号，改变RW2，用双踪示波 器观测Vin和Vi，Va，Vb，Vc，Vout的波形变化情况（定 量记录Vin、Vc、Vout波形，标出周期、幅度及脉宽）。
施密特触发器具有幅值比较功能并且输出波 形边沿陡峭，所以常用于脉冲幅度鉴别、脉冲整形 和脉冲变换等。施密特触发器不同于其它的各类触 发器，它具有以下特点：
① 施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变 化的信号仍然适用，当输入信号达到某一定电压值 时，输出电压会发生突变。
② 输入信号增加和减小时，电路有不同的阈 值电压，它具有如下页右图所示的传输特性。
现代电子技术实验
实验目的 实验原理 实验内容 注意事项
一、实验目的
1．掌握使用集成门电路构成施密 特触发器和单稳态触发器的基本方法。
数电知识点汇总
数电知识点汇总一、数制与编码。
1. 数制。
- 二进制：由0和1组成，逢2进1。
在数字电路中，因为晶体管的导通和截止、电平的高和低等都可以很方便地用0和1表示，所以二进制是数字电路的基础数制。
例如，(1011)₂ = 1×2³+0×2² + 1×2¹+1×2⁰ = 8 + 0+2 + 1=(11)₁₀。
- 十进制：人们日常生活中最常用的数制，由0 - 9组成，逢10进1。
- 十六进制：由0 - 9、A - F组成，逢16进1。
十六进制常用于表示二进制数的简化形式，因为4位二进制数可以用1位十六进制数表示。
例如，(1101 1010)₂=(DA)₁₆。
- 数制转换。
- 二进制转十进制：按位权展开相加。
- 十进制转二进制：整数部分采用除2取余法，小数部分采用乘2取整法。
- 二进制与十六进制转换：4位二进制数对应1位十六进制数。
将二进制数从右向左每4位一组，不足4位的在左边补0，然后将每组二进制数转换为对应的十六进制数；反之，将十六进制数的每一位转换为4位二进制数。
2. 编码。
- BCD码（Binary - Coded Decimal）：用4位二进制数来表示1位十进制数。
常见的有8421 BCD码，例如十进制数9的8421 BCD码为(1001)。
- 格雷码（Gray Code）：相邻的两个代码之间只有一位不同。
在数字系统中，当数据按照格雷码的顺序变化时，可以减少电路中的瞬态干扰。
例如，3位格雷码的顺序为000、001、011、010、110、111、101、100。
二、逻辑代数基础。
1. 基本逻辑运算。
- 与运算（AND）：逻辑表达式为Y = A·B（也可写成Y = AB），当A和B都为1时，Y才为1，否则Y为0。
在电路中可以用串联开关来类比与运算。
- 或运算（OR）：逻辑表达式为Y = A + B，当A和B中至少有一个为1时，Y为1，只有A和B都为0时，Y为0。
数字电路练习题及答案--施密特触发器
2、施密特触发器在性能上有哪两个重要特点？（1）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过程中对应的输入转换电平不同。
（2）在电路状态转换时，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。
3、施密特触发器有哪些用途？（1）可以将边沿变化缓慢的信号波形整型为边沿陡峭的矩形波。
（2）可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。
二、计算题：1、如图所示为一个用CMOS 门电路构成的施密特触发器，已知电源电压为10V ，Ω=k R 101；Ω=k R 202；求其正向阈值电压、负向阈值电压及回差电压。
（本题6分）解：（1）正向阈值电压为：（2分） （2）负向阈值电压为：（2分） （3）回差电压为：（2分） 解：（1）正向阈值电压为：V V R R V TH T 5.7210)20101()1(21=+=+=+（2分） （2）负向阈值电压为：V V R R V TH T 5.2210)20101()1(21=-=-=-（2分） （3）回差电压为：V V V V V V T T T 55.25.7=-=-=∆-+（2分）2、在图示的施密特触发器电路中，若G1和G2为74LS 系列与非门和反相器，它们的域值电压V V TH 1.1 ，，,二极管的导通压降,试计算电路的正向阈值电压、负向阈值电压和回差电压。
三、做图题：1、已知输入信号波形如图所示，试画出其输出波形。
四、综合题：1、在下图所示的施密特触发器电路中，已知1G 和2G 为CMOS 反相器，V V k R k R D D 15;30;1021=Ω=Ω=。
（1）、试计算电路的正向阈值电压+T V 负向阈值电压-T V 和回差电压T V ∆。
（5分） （2）、若施密特触发器的输入电压波形如图所示，试画出其输出电压波形。
（5分）解：（1）、正向阈值电压为：（2分）负向阈值电压为：（2分） 回差电压为：（1分）（2）、画出输出电压波形。
波形产生整形电路
施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适 合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。
1.施密特触发器的触发特性
逻辑符号
施密特发器有反相传输和同相传输两种电路。
uo
施密特触发器 的电压传输特性
0
下限阈值电压
UT－
UT+
ui
上限阈值电压
回差，是指当输入电压Ui由低变高时的阀值电压UT+和输 入电压由高变低时的阀值电压UT-是不相同的，我们定义 ⊿UT称为回差。
1
Uo
工作过程分析：
1.当刚加电源时，由于电容C还没有来得
及充上电荷，所以UC＝0，Uo＝UOH＝UDD。 2.UOH通过R向C充电，当充电充到UC＝UT＋ 时，电路输出发生转换，UO由UOH变成UOL ＝0V。 3.电容上的电压UC＝UT＋，又要通过R向 UOL放电，当电容上的电压放到UT-时， 电路的输出状态又发生转换。
常见的时钟秒信号源晶体振荡器
G1 1 10M G2 1 Uo
石英晶体符号 石英晶体的固有谐振频率
680P
32768HZ
30P
石英振荡器的频率取决于石英 晶体的固有谐振频率，而与外 接的电阻、电容无关，因此它 的频率稳定。
5. 压控振荡器
压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)简称VOC 振荡器的频率受一个输 入电压的控制 广泛用于自动检测、自动控制及通信电路中
电路工作波形：
Ui URi 1 2U DD
UR
Q Q
tw
只有负脉冲才能触发单稳态触发器进入暂稳态 暂稳态时间 tw 可用 RC 电路的暂稳态过程三要素公式 求出tw≈0.7RC。
施密特触发器的原理及特性
施密特触发器的原理及特性我们知道，门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。
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和负向阈值电压。
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（）。
普通门电路的电压传输特性曲线是单调的，施密特触发器的电压传输特性曲线则是滞回的[图6.2.2(a)(b)]。
图6.2.1 用CMOS反相器构成的施密特触发器图6.2.2 图6.2.1电路的电压传输特性（a）同相输出（b）反相输出用普通的门电路可以构成施密特触发器[图6.2.1]。
因为CMOS门的输入电阻很高，所以的输入端可以近似的看成开路。
把叠加原理应用到和构成的串联电路上，我们可以推导出这个电路的正向阈值电压和负向阈值电压。
当时，。
当从0逐渐上升到时，从0上升到，电路的状态将发生变化。
我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。
因为此时电路状态尚未发生变化，所以仍然为0，，于是，。
与此类似，当时，。
当从逐渐下降到时，从下降到，电路的状态将发生变化。
我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。
因为此时电路状态尚未发生变化，所以仍然为，，于是，。
通过调节或，可以调节正向阈值电压和反向阈值电压。
不过，这个电路有一个约束条件，就是。
如果，那么，我们有及，这说明，即使上升到或下降到0，电路的状态也不会发生变化，电路处于“自锁状态”，不能正常工作。
图6.2.4 带与非功能的TTL集成施密特触发器集成施密特触发器比普通门电路稍微复杂一些。
我们知道，普通门电路由输入级、中间级和输出级组成。
如果在输入级和中间级之间插入一个施密特电路就可以构成施密特触发器[图6.2.4]。
施密特触发器
滞后特性
滞后电压传输特性，即输入电压的上升过程和下降过
程的阈值电平不同。这是施密特触发器固有的特性。
uo ui 0 UT－ UT+ (a) 传输特性 ui (b) 逻辑符号 uo
Hale Waihona Puke 9.3 施密特触发器uo ui 0 UT－ UT+ (a) 传输特性 ui (b) 逻辑符号
上限阈值电压
3、幅度鉴别
因为施密特触发器输出状态取决于输入信号的状态， 所以可以用它来作为幅度鉴别电路。
4、多谐振荡器 利用施密特触发器可以构成多谐振荡器。
本节小结
施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适 合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有 滞回特性，所以抗干扰能力也很强。 施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由门 电路及555定时器构成。 施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。
uo
下限阈值电压
回差电压（滞后电压）：ΔUT＝ UT＋－UT－
9.3.1 门电路组成的施密特触发器
施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于 数字电路需要的矩形脉冲的电路。
9.3.1 门电路组成的施密特触发器
设Vth=VDD/2，R1<R2
0
1
0
9.3.1 门电路组成的施密特触发器
设Vth=VDD/2，R1<R2
{End}
1A 1B 1Y 2Y 2B 2A VSS (b) 4093 的引脚排列图
9.3.2 集成施密特触发器
VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6 Y 14 13 12 11 10 9 7414 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 8 VCC 3A 3B 3Y 4A 4 B 4Y 14 13 12 11 10 9 74132 4 5 6 7 8
施密特触发器
施密特触发器实验 3.9 施密特触发器及其应⽤⼀、实验⽬的1．掌握施密特触发器的特点。
2．学会测试集成施密特触发器的阈值电压。
3．了解施密特触发器的应⽤。
⼆、实验原理1．施密特触发器施密特触发器⼜称施密特反相器，是脉冲波形变换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过程中对应的输⼊转换电平不同。
第⼆，在电路状态转换时，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将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。
施密特触发器可以由门电路构成，也可做成单⽚集成电路产品，且后者最为图3.9.1 CMOS施密特触发器逻辑符号及施密特电路的电压传输特性曲线226227常⽤。
图3.9.1是CMOS 集成施密特触发器CD40106逻辑符号与电压传输特性曲线。
2．施密特触发器的应⽤⑴⽤于波形变换利⽤施密特触发器状态转换过程中的正反馈作⽤，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
图3.9.2的例⼦中，输⼊信号是由直流分量和正弦分量叠加⽽成的，只要以信号的幅度⼤于V T+即可在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形脉冲信号。
图3.9.2 ⽤施密特触发器实现波形变换⑵⽤于脉冲的整形在数字系统，常常需要将窄脉冲进⾏展宽，图3.9.3是⽤CD40106来展宽脉冲宽度的电路及输⼊、输出波形，它是利⽤R 、C 充电延时的作⽤来展宽输出脉冲的，改变R 、C 的⼤⼩，即可调节脉宽展宽的程度。
V I V t （ms ）t （ms ）228图图 3.9.3 施密特触发器实现窄脉冲展宽电路及其波形⑶⽤于单稳态触发器单稳态触发器的⼯作特性具有如下的显著特点：第⼀，它有稳态和暂稳态两个不同的⼯作状态；第⼆，在外界触发脉冲作⽤下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持⼀段时间以后，再⾃动返回稳态；第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本⾝的参数，与触发脉冲的宽度和幅度⽆关。
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施密特触发与非门的逻辑符号
2018/10/27 13
施密特触发器的应用
1. 波形变换 将变化缓慢的波形变换成矩形波（如将三角波 或正弦波变换成同周期的矩形波）。
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为了提高电路的性能，电路在施密特触发器 的基础上，增加了整形级和输出级。 施密特触发反相器 整形级可以使输出波形的边沿更加陡峭， (a) 原理框图 (b) 电压传输特性 (c) 逻辑符号 2018/10/27 12 输出级可以提高电路的负载能力。
2. 施密特触发与非门电路
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当uI=0V时， G1截止、G2导通，输出为UOL， 即uO=0V。只要满足uI1＜UTH，电路就会处于这种 状态（第一稳态）。 当uI上升，使得uI1 =UTH时，电路会产生如下正 反馈过程：
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电路会迅速转换为 G 1 导通、 G 2 截止，输出为 UOH，即uO=VDD的状态（第二稳态）。此时的uI值 称为施密特触发器的上限触发转换电平 U T+ 。显然， uI继续上升，电路的状态不会改变。
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如果uI下降，uI1也会下降。当uI1下降到UTH时， 电路又会产生以下的正反馈过程：
电路会迅速转换为G1截止、G2导通、输出为 UOL的第一稳态。此时的uI值称为施密特触发器的下 限触发转换电平UT－。uI再下降，电路将保持状态 不变。
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（2）工作波形与电压传输特性 施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。 下限触发转 换电平UT－ 上限触发转 换电平UT+
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5.1.1 用门电路构成的施密特触发器
1. 电路组成 两个CMOS反相器，两个分压电阻。
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用集成门电路构成的施密特触发器 （a） 电路 （b）逻辑符号
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2. 工作原理
（1）工作过程 设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入 信号uI为三角波。
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3. 重要参数 改变 R 和R2的大小可以改变回差ΔUT 2018/10/27 1
施密特触发器的工作波形及电压传输特性 （a）工作波形 （b）电压传输特性 回差ΔU = U －U （通常 U ＞U ）
T T+ T－ T+ T－
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5.1.2 集成施密特触发器及其应用
集成施密特触发器的UT+和UT－的具体数值可从 集成电路手册中查到。 如CT74132的UT+＝1.7 V、UT－＝0.9 V，所以， ΔUT＝UT+—UT－＝1.7 V—0.9 V＝0.8 V。 1. 施密特反相器 TTL的74LS14和CMOS的CC40106均为六施密 特触发的反相器。 下面以CC40106为例说明其功能。
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波形变换
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2. 脉冲整形
在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波 形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器 边沿 波形 整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。 振荡 畸变
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脉冲整形
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精品课件！
精品课件！
3．脉冲鉴幅 将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发 器的输入端，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输 出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲 鉴幅能力。
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5.1号波形变换为边沿 陡峭的矩形波。 特点： ⑴电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持 和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平 触发。 ⑵电压传输特性特殊，电路有两个转换电平 （上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT－）。 ⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡 峭的矩形脉冲。
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以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换 电路：（功能、特点及其主要应用简介） 1. 施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换 成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲； 2. 单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合 要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲； 3. 多谐振荡器：产生矩形脉冲； 4. 555定时器。
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脉冲鉴幅
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复习
触发器有什么特点？ 请画出与非门实现的基本RS触发器的电路图。 请列出基本RS触发器的功能表。 什么叫现态？次态？
基本RS触发器的触发方式？
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第5章 脉冲波形的产生与变换
脉冲信号：指突然变化的电压或电流。 脉冲电路的研究重点：波形分析。 数字电路的研究重点：逻辑功能。 获得脉冲波形的方法主要有两种： 1．利用脉冲振荡电路产生； 2．是通过整形电路对已有的波形进行整形、变 换，使之符合系统的要求。