原标题：施密特触发器调整自己的阈值

　　1938 年，《科学仪器杂志》 发表了比较器电路的详细信息，该电路将缓慢变化的输入信号转换为输出电压的突然变化。该电路基于交叉耦合热电子阀，由美国科学家 OH Schmitt 开发。从那时起，施密特触发器 已成为许多信号处理电路中的主要组成部分。迟滞——电压阈值上限和下限之间的差异——是施密特触发器操作中固有的。如果输入信号超过两个阈值，电路将抑制输入信号中包含的噪声，并产生与输入频率相同的矩形输出信号。

　　无论您是使用晶体管、运算放大器还是比较器来实现施密特触发器，您都需要确定需要多少迟滞以及阈值电压是多少

　　应该。如果您知道输入信号的幅度以及它可能包含多少噪声，这通常是一个简单的过程。但是，如果这些参数是可变的或很大程度上未知，那么设置阈值以产生可靠的触发可能会很棘手：过多的滞后会阻止输入信号超过一个或两个阈值;如果输入信号含有大量噪声，迟滞太小会导致误触发。

　　图 1所示的设计理念 通过实现自动调整触发阈值以适应输入信号幅度的电路解决了这些问题。比较器 IC1A 与模拟开关 IC2B 和电容器 C1 一起构成一个正峰值检测器。当输入信号上升到存储在比较器反相输入端 C1 上的电压之上时，比较器输出变高，导致 IC2B 切换到原理图所示的位置。检测器现在对输入信号进行采样并补充存储在 C1 上的电荷。当输入信号低于C1上的电压时，开关改变状态，使得C1上存储的电压V U 为对应于输入信号上峰值的直流电平。

　　图1 自适应施密特触发器

　　比较器 IC1B、模拟开关 IC2C 和电容器 C2 组成负峰值检测器。这以与上述正峰值检测器相同的方式操作，但取而代之的是对信号的负峰值进行采样，使得存储在C2上的电压V L 是对应于输入信号的较低谷值的DC电平。

　　由 R1、R2 和 R3 组成的电阻网络为存储在采样电容器上的电荷提供放电路径，并 分别为最终比较器 IC4A设置上限和下限阈值电压 V TU 和 V TL 。选择电阻值使得 V TU 略小于 V U，而 V TL 略大于 V L。如果我们将 R1 设置为等于 R3，则以百分比表示的电压差由下式给出：

　　电压差 = [R 1 /(2R 1 + R 2 )] × 100%

　　对于图中所示的值，V TU 比 V U小 5% ，而 V TL 比 V L大 5% 。通过这种方式，阈值不断调整以跟踪输入信号幅度和直流电平。例如，在 2V 直流电平上的 1V 峰峰值信号(即 V U = 2.5V 和 V L = 1.5V)将产生 V TU = 2.45V 和 V TL = 1.55V 的阈值。可以看出，由 V H = V TU – V TL 给出的滞后电压 V H (在本例中为 0.9V)总是略小于输入信号的峰峰值幅度。阈值电压在被馈送到模拟开关 IC2A 之前由 IC3A 和 IC3B 缓冲。要了解电路的最后部分是如何工作的，假设 IC2A 处于图中所示的状态，使得阈值电压 V TU 被馈送到比较器的反相输入端，并且比较器同相输入端的输入信号正在上升从负峰值上升。数字输出信号V OUT当前处于其低电平。在输入信号刚刚穿过 V TU的那一刻，比较器输出立即变为高电平，导致 IC2A 改变状态并馈入 V TL 到比较器的反相输入。这种正反馈——典型的施密特触发器行为——确保了数字输出信号的快速、干净的切换。 当 IC2A 改变状态时，缓冲器 IC3A 和 IC3B 是必要的(特别是在高频时)，以防止 IC4A 反相输入周围的杂散电容将畸变引入 V TU 和 V TL 。图 2和图3中的示波器 显示了使用比较器 IC1 和 IC4 = TLC3702 以及运算放大器 IC3 = TLC2272 构建的测试电路的性能。这些相当极端的例子说明了电路处理大不相同的输入信号的能力。

　　图 2 带有调制“噪声”的 500Hz 信号

　　在图 2中，源信号是 1.56V PP 的 500Hz 正弦波，由 2.88V PP 的 100kHz 正弦波调制，在 2.5V 的直流电平上产生约 4.4V PP 的复合信号。尽管“噪声”幅度几乎是源幅度的两倍，但电路输出在源频率处干净利落地切换，并且完全不受 HF 调制的影响。

　　图 3 低幅度输入

　　图 3 显示了电路对非常小的输入信号的响应。这里，源信号是一个 100kHz 正弦波，在 400mV 的直流电平上大约 30mV PP。输入信号中存在开关尖峰(由于面包板布局不够完美)会导致输出信号出现一些抖动。请注意，图 2 中的输入信号比 图3中的大一百多倍。事实上，只要输入信号保持在比较器和缓冲器的共模范围内(在这种情况下，约为 0 至 4V)，该电路就可以处理变化多达两个数量级的不同信号幅度。只有当信号的直流电平超出输入共模范围时才需要交流耦合。

　　您应该选择 C1 和 C2 以适应预期的频率范围。大约 100nF 的值适用于高于 300Hz 左右的频率。低于此水平，应增加采样电容以防止在 V U 和 V L上出现过多的衰减纹波。TLC3702 比较器在高达 100kHz 的情况下工作良好，但超出此水平，您可能需要更快的设备。

　　请注意，当正峰值检测器对输入信号进行采样时，电容器 C1 从输入中获取大量电荷;从输入流出的相关电流仅受 IC2B 的导通电阻限制。在 C2 和 IC2C 的负峰上发生相同的过程。如果输入源阻抗很大，这些电流脉冲会在输入信号中产生尖峰，从而导致触发不稳定。因此，可能需要缓冲输入信号以避免这些问题。

　　该电路并不是所有触发应用的灵丹妙药，但在传统施密特触发器的固定阈值不适用的情况下，它应该证明是有用的。如果不是因为我的鲁莽，以及它可能引起的混乱，我建议称它为史密斯触发器。