一、引言

555定時(shí)器是一款應(yīng)用廣泛的集成電路，可以用于多種模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)。其中，利用555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器是一種具有滯回特性的開(kāi)關(guān)電路，廣泛用于信號(hào)整形、消抖和振蕩電路中。本文將詳細(xì)介紹555施密特觸發(fā)器的工作原理、電壓傳輸特性曲線(xiàn)及其應(yīng)用。

二、施密特觸發(fā)器的基本概念

施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）是一種具有正反饋特性的比較器，其輸出狀態(tài)取決于輸入電壓與兩個(gè)閾值電壓之間的關(guān)系。該電路能夠有效防止輸入信號(hào)的微小擾動(dòng)對(duì)輸出信號(hào)造成影響，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)整形功能。施密特觸發(fā)器的核心特性是滯回效應(yīng)，即輸入信號(hào)的上升沿和下降沿對(duì)應(yīng)的閾值不同，從而形成遲滯現(xiàn)象。

三、555施密特觸發(fā)器的工作原理

1. 555定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

555定時(shí)器由兩個(gè)比較器、一個(gè)RS觸發(fā)器、一個(gè)放電晶體管和一個(gè)電壓分壓網(wǎng)絡(luò)組成。其中，內(nèi)部的三個(gè)電阻（典型值為5kΩ）形成一個(gè)電壓分壓器，將電源電壓$V_{CC}$VCC分為三個(gè)電平：

• $V_{CC}/3$VCC/3（低閾值電壓）

• $2V_{CC}/3$2VCC/3（高閾值電壓）

2. 555構(gòu)成施密特觸發(fā)器

為了將555定時(shí)器配置為施密特觸發(fā)器，我們通常只使用其觸發(fā)端（Pin 2）和閾值端（Pin 6）作為輸入端，放電端（Pin 7）懸空。電路的基本工作原理如下：

• 當(dāng)輸入電壓$V_{in}$Vin低于$V_{CC}/3$VCC/3時(shí)，低電平觸發(fā)使得內(nèi)部RS觸發(fā)器復(fù)位，555輸出高電平（接近$V_{CC}$VCC）。

• 當(dāng)輸入電壓$V_{in}$Vin高于$2V_{CC}/3$2VCC/3時(shí)，高電平觸發(fā)使得RS觸發(fā)器置位，555輸出低電平（接近0V）。

• 在$V_{CC}/3$VCC/3與$2V_{CC}/3$2VCC/3之間的電壓區(qū)間內(nèi)，電路保持原狀態(tài)不變，形成滯回特性。

3. 滯回現(xiàn)象的作用

施密特觸發(fā)器的滯回特性可以有效防止噪聲或微小波動(dòng)對(duì)電路的影響。例如，在處理按鍵開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)，可以消除抖動(dòng)現(xiàn)象，使得輸出信號(hào)更穩(wěn)定。在波形整形電路中，施密特觸發(fā)器可以將不規(guī)則的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

四、555施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性曲線(xiàn)

1. 電壓傳輸特性曲線(xiàn)的定義

電壓傳輸特性曲線(xiàn)（Voltage Transfer Characteristic, VTC）是描述輸入電壓與輸出電壓之間關(guān)系的曲線(xiàn)。對(duì)于555施密特觸發(fā)器而言，其傳輸特性曲線(xiàn)表現(xiàn)出滯回效應(yīng)，即當(dāng)輸入電壓上升和下降時(shí)，輸出電壓的變化路徑不同。

2. 特性曲線(xiàn)的分析

當(dāng)輸入電壓$V_{in}$Vin逐漸上升時(shí)，施密特觸發(fā)器的狀態(tài)如下：

• 在$V_{in} < V_{CC}/3$Vin<VCC/3時(shí)，輸出為高電平。

• 當(dāng)$V_{in}$Vin上升到$2V_{CC}/3$2VCC/3時(shí)，觸發(fā)高閾值，使輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。

當(dāng)輸入電壓$V_{in}$Vin逐漸下降時(shí)，施密特觸發(fā)器的狀態(tài)如下：

• 在$V_{in} > 2V_{CC}/3$Vin>2VCC/3時(shí)，輸出保持低電平。

• 當(dāng)$V_{in}$Vin降至$V_{CC}/3$VCC/3以下時(shí)，觸發(fā)低閾值，使輸出翻轉(zhuǎn)為高電平。

從曲線(xiàn)來(lái)看，輸出電壓在不同的輸入路徑上發(fā)生跳變，形成滯回環(huán)。這個(gè)特性使得電路對(duì)小幅度的輸入擾動(dòng)不敏感，提高了信號(hào)的穩(wěn)定性。

五、555施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

1. 信號(hào)整形

在許多電子系統(tǒng)中，輸入信號(hào)可能會(huì)受到噪聲干擾而產(chǎn)生毛刺。施密特觸發(fā)器能夠消除這些毛刺，將不規(guī)則信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。例如，在脈沖信號(hào)檢測(cè)電路中，施密特觸發(fā)器可以用于穩(wěn)定信號(hào)。

2. 按鍵消抖

機(jī)械按鍵在按下和釋放時(shí)會(huì)產(chǎn)生短暫的抖動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)誤觸發(fā)。使用555施密特觸發(fā)器可以有效濾除抖動(dòng)，使按鍵輸出信號(hào)更加穩(wěn)定。

3. 波形發(fā)生器

555施密特觸發(fā)器可用于構(gòu)造方波或三角波發(fā)生器。例如，在振蕩電路中，通過(guò)合適的外部電阻電容配置，可以讓555定時(shí)器以施密特觸發(fā)器模式產(chǎn)生振蕩信號(hào)，用于時(shí)鐘電路或音頻信號(hào)發(fā)生器。

4. 低頻信號(hào)轉(zhuǎn)換

某些低頻模擬信號(hào)可能無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字電路，施密特觸發(fā)器可以將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適的數(shù)字信號(hào)。例如，在光電傳感器應(yīng)用中，施密特觸發(fā)器可以用于處理光強(qiáng)變化信號(hào)，并生成清晰的數(shù)字脈沖。

六、實(shí)驗(yàn)與測(cè)量

1. 實(shí)驗(yàn)器材

• 555定時(shí)器IC

• 電阻（10kΩ、100kΩ）

• 電容（0.01μF）

• 直流電源（5V）

• 示波器

• 信號(hào)發(fā)生器

2. 電路搭建

實(shí)驗(yàn)電路按照施密特觸發(fā)器的典型連接方式搭建，輸入端連接信號(hào)發(fā)生器，輸出端連接示波器。

3. 測(cè)試步驟

1. 調(diào)整輸入信號(hào)的幅值和頻率，觀(guān)察輸出信號(hào)的波形變化。

2. 記錄輸入電壓上升和下降時(shí)的輸出電壓變化，繪制電壓傳輸特性曲線(xiàn)。

3. 對(duì)比不同閾值設(shè)定情況下的滯回特性，并分析其影響。

七、結(jié)論

555施密特觸發(fā)器是一種高效、穩(wěn)定的信號(hào)處理電路，廣泛應(yīng)用于信號(hào)整形、消抖和振蕩電路中。其滯回特性使得電路對(duì)噪聲和干擾不敏感，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)電壓傳輸特性曲線(xiàn)的分析，可以清晰理解施密特觸發(fā)器的工作機(jī)制，并在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中合理應(yīng)用。

施密特觸發(fā)器在電子工程、自動(dòng)控制、通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和可靠的特性使其成為電路設(shè)計(jì)中的重要組成部分。掌握其工作原理和電壓傳輸特性，將有助于工程師更高效地設(shè)計(jì)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的電子電路。