硬件 - 施密特比较器


【全文大纲】 : https://blog.youkuaiyun.com/Engineer_LU/article/details/135149485


1 . 概要

1 . 比较器主要作用是比较输入的两个信号,而有时候两个信号的值都差不多大的时候一点抖动,输出就抖动,那么我们想要输出稳定不抖动,就可以用正反馈两个极值钳住从而使得输出稳固,这个概念就是施密特比较器


2 . 施密特比较器电路

1 .下图中负端输入设置的正弦波5V输入
2 .蓝色波形为负端输入信号
3 .黄色波形为比较器输出信号
4 .紫色波形为两极值电压

在这里插入图片描述


3 . 施密特比较器计算

  1. 极值公式 :
    极值 = R 1 R 1 + R 2 ∗ V o u t + R 2 R 1 + R 2 ∗ V i n + 极值 = \frac {R1}{R1+R2} * V_{out} + \frac {R2}{R1+R2} * V_{in+} 极值=R1+R2R1Vout+R1+R2R2Vin+

  2. 输入条件 :
    1 . V i n + : 1 V V_{in+} : 1V Vin+:1V
    2 . V i n − : 0 − 5 V V_{in-} : 0-5V Vin:05V
    3 . 比较器范围 : 0 / 5 V 比较器范围 : 0/5V 比较器范围:0/5V

  3. 两极值计算
    1 .当输入 V i n + > V i n − V_{in+} > V_{in-} Vin+>Vin 时 ,比较器 V o u t V_{out} Vout输出5V,此时根据极值公式计算得出极值为3.0V
    2 .当输入 V i n + < V i n − V_{in+} < V_{in-} Vin+<Vin 时 ,比较器 V o u t V_{out} Vout输出0V,此时根据极值公式计算得出极值为0.5V
    3 .那么在3.0到0.5V之间的区域为无效比较区域,因此可以避开抖动,当负端输入大于3V时才能输出低电平,当负端输入小于0.5V时才能输出高电平

4 . 小结

1 .上图中负端输入设置的正弦波5V输入
2 .当正弦波上升输入3.0V以上时输出0V,没有抖动
3 .当正弦波下降输入0.5V以下时输出5V,同样没有抖动
4 .那么就解决了当输入两个信号值几乎相等时输出抖动的问题
5 .这样就可以通过改变R1,R2,V2的值来调整两个极值区间的有效比较
6 .若输入电压是1V,想在1V附近做施密特比较器做法,则把R2设为R1的N倍以上,那就可以实现仅在1V附近解决抖动问题
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### Multisim 中施密特触发器比较器的使用方法与原理 #### 什么是施密特触发器? 施密特触发器是一种具有滞回特性的比较器电路,其核心特点是存在两个不同的阈值电压:高阈值 \( V_{TH} \) 和低阈值 \( V_{TL} \)[^1]。当输入信号超过 \( V_{TH} \),输出状态翻转;而当输入信号低于 \( V_{TL} \),输出再次翻转。这种特性使得施密特触发器能够有效滤除噪声并实现稳定的开关功能。 #### 施密特触发器的工作原理 施密特触发器的核心在于利用正反馈机制来设定高低阈值电压。对于基于运算放大器的施密特触发器设计,可以通过外部电阻网络调整这些阈值。具体而言: - 当输入电压高于 \( V_{TH} \),输出切换到低电平。 - 当输入电压降至低于 \( V_{TL} \),输出恢复至高电平[^2]。 #### 在 Multisim 中构建施密特触发器 以下是通过 Multisim 实现施密特触发器的具体过程: ##### 构建基本电路 可以采用 LM393 或其他专用比较器芯片作为基础元件。连接方式如下: - 输入端接被测信号源; - 反馈电阻和偏置电阻构成分压网络以设置阈值电压; - 输出端用于观察逻辑状态变化。 ##### 参数配置与仿真分析 在 Multisim 软件环境中完成上述硬件连线之后,可进一步执行以下操作: - **静态测试**:运用虚拟仪表(如数字万用表)检测各节点直流工作点情况,验证理论计算所得阈值是否准确无误。 - **动态响应评估**:借助函数发生器提供周期性波动激励信号给定范围内的幅值及频率参数,同时配合双踪示波器同步记录输入/输出波形特征,直观展示迟滞效应的存在及其影响程度。 ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 定义变量 Vin = np.linspace(-5, 5, 1000) Vth_high = 2 # 高阈值 (假设值) Vth_low = -2 # 低阈值 (假设值) def schmitt_output(vin, vth_high, vth_low): """模拟施密特触发器行为""" output = [] state = False # 初始状态设为False(低电平) for voltage in vin: if not state and voltage >= vth_high: state = True elif state and voltage <= vth_low: state = False output.append(state * 5) # 假设高电平为5V return np.array(output) Vout = schmitt_output(Vin, Vth_high, Vth_low) plt.figure(figsize=(8, 6)) plt.plot(Vin, Vout, label="Output Voltage", color='blue') plt.axhline(y=5, linestyle="--", color="gray", linewidth=0.8) plt.axhline(y=0, linestyle="--", color="black", linewidth=0.8) plt.title("Schmitt Trigger Output Response") plt.xlabel("Input Voltage (V)") plt.ylabel("Output Voltage (V)") plt.grid(True) plt.legend() plt.show() ``` 此代码片段展示了如何编程绘制理想化的施密特触发器传输特性曲线图。 #### 结论 通过对施密特触发器的理解以及实际动手实践,不仅加深了对其内部运作机理的认识,还掌握了利用电子设计自动化工具进行高效仿真的技能^。
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