施密特构成的单稳态触发电路（基于施密特触发器的方波电路）

今天我们来一起学习施密特触发器芯片以及如何使用它制作一个方波产生电路。

在 运放教程2-正反馈电路 中我们学习了运放反相施密特触发器电路。市面上有一种专门的反相施密特触发器芯片，它将运放同相引脚上用于配置阈值电压的电阻集成到了芯片内部，使用更加简单。同专用比较器芯片一样，施密特触发器芯片也将通用运放芯片内部的补偿电容去掉了，这样可以得到更快的输出响应速度。

74HC14 芯片

SN74HC14N 是一款六路反相施密特触发器（Hex Inverters with Schmitt-Trigger Inputs）:

六路反相施密特触发器

芯片型号中的 HC 是 High Speed CMOS 的缩写，表示高速 CMOS 器件。数据手册中的 Hex 是六的意思，不是十六或十六进制。

反相（Inverter）是指输入低电平输出高电平；输入高电平输出低电平。因为其本身是一个集成了运放反相施密特触发器电路的芯片，不理解的话可以再次学习 运放教程2-正反馈电路。

74HC14 的功能引脚图：

SN74HC14N 引脚图

A 表示输入，Y 表示输出，一共有六路输入输出。

我们使用下面的电路来测量这款施密特触发器使用 5 伏电源时的上下限阈值电压：

阈值查找电路

我们我们将可调电阻接在施密特触发器的输入引脚上，慢慢调节输入引脚上的电压，使其电压从 0 伏慢慢升高到电源电压，然后再慢慢下降到 0 伏：

查找上下阈值

黄色波形接到触发器输出引脚，青色波形接输入引脚。可以看到，一开始输入为 0 伏，即低电平时，输出为 5.12 伏，即高电平。

在输入电压从 0 伏逐渐上升的过程中，当电压达到 2.80 伏时，输出由高电平切换为低电平，也就是说上限阈值电压为 2.80 伏 左右。

然后我们将电压一路调高至电源电压，输出无变化，一直是低电平。

在输入电压从电源电压逐渐减小的过程中，当电压降低到上阈值电压 2.80 伏 时，输出无变化，还是低电平。我们继续调低输入电压，当电压降低到 1.97 伏 时，输出才由低电平切换为高电平，也就是说下限阈值电压为 1.97 伏左右。此后，将输入电压一路调低至 0 伏，输出无变化。

上限阈值电压：2.80 伏；

下限阈值电压：1.97 伏。

我们测出的阈值电压接近数据手册中给出的值：

数据手册中给出的上下限阈值

红框中圈出的值是在电源电压为 4.5 伏时测得的，而我们使用电源电压为 5 伏，所以两个值都偏大一些。

基于施密特触发器的方波产生电路

可以使用施密特触发器很容易地配置出一个方波产生电路，电路图如下：

基于反相施密特触发器的方波产生电路

R 的值这里我们使用 6.8kΩ, 电容 C 的值 47nF。

下面是在面包板上组装好的电路：

方波产生电路

注意我把没用到的输入引脚都拉低了。

下面是上面电路图的波形图：

波形图

示波器探头 CH1 接输出引脚 2， 波形黄色；探头 CH2 接输入引脚 1， 波形青色。频率为 4.418 kHz.。 CH2 的最大值为 2.84 伏，最小值为 1.92 伏，对应施密特触发器的两个触发发阈值，和前面测量的差不多。至于为什么会对应两个阈值，可以看下面的分析。

下面是刚上电时的波形图：

刚上电时的波形图

下面我们来分析一下波形是怎么起振的？

1.刚上电时，施密特触发器输入引脚为低电平，作为一个反相器，施密特触发器输出引脚输出高电平。当输出引脚为高电平时，施密特触发器的触发电压为上限阈值电压 2.8 伏。

2.输出引脚上的高电平通过电阻 R 给电容充电，电容上的电压慢慢上升，当其电压达到下限阈值 1.9 伏时，输出无变化：

输入电压由0上升到下限阈值电压时输出无变化

3.电容上的电压继续上升，当到达上限阈值电压 2.8 伏时，输出由高电平变为低电平。当输出引脚为低电平时，施密特触发器的触发电压为下限阈值电压 1.97 伏：

当输入电压上升到上限阈值电压时，输出变为低电平

4.输出变为低电平后，电容开始通过电阻放电，电容电压开始慢慢下降，当其电压降低到下限阈值电压 1.97 伏时，输出变为高电平，又重新开始给电容充电，如此周而复始，形成振荡：

电压降低到下限阈值电压时，输出变为高电平

频率计算

下面是输出频率的计算公式：

输出频率计算公式

输出频率约等于常数 X 除以 RC 的乘积。 X 通常介于 1 和 2 之间。X 取决于芯片型号、电源电压等。

比如我上面使用 6.8kΩ 的电阻和 47nF 的电容，输出频率为4.418kHz, 计算出 X 的值为 4.418kHz * 6.8kΩ * 47nF = 1.412。

总结

今天我们一起学习了反相施密特触发器芯片的基本使用，学习了一个基于反相施密特触发器的方波产生电路。

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