数字电路-17
集成施密特触发器应用实验
一． 实验目的
1. 了解用示波器测试集成数字器件电压传输特性的方法。

2. 掌握集成施密特触发器的几种典型应用。

二． 实验原理
施密特触发器主要用于将随时间变化缓慢的非周期信号或周期性的非矩形波信号变换成上升时间和下降时间均很小的矩形波信号。

当输入u i 小于负向阀值电平U T-时，反相施密特触发器输出为“1”,当u i 大于正向阀值电平U T+时，施密特触发器输出为“0”。

U i 介于两者之间时，施密特触发器的状态保持不变。

所以，触发器的电压传输关系具有滞回特性，两个阀值电平之差称回差ΔU T 。

在电子系统中,施密特触发器具有广泛的应用。

根据施密特触发器的滞回特性,可以将输入的三角波,正弦波和其他不规则的周期性电压信号转变成矩形信号输出。

当电信号在传输过程中受到干扰而发生畸变时，可利用施密特触发器的回差特性对信号进行整形。

当输入信号为一组幅度不等的脉冲时，可利用施密特触发器对输入信号的幅度进行鉴别，只有幅度达到施密特触发器阀值电平的信号，才能引起输出变化。

1. 用施密特触发器构成多谐振荡器
图17-1是用反相施密特触发器构成的多谐振荡电路。

当输出u O 为高电平时，输入u c ≤U T+，施密特触发器的输出通过电阻R 向电容C 充电，u c 上升。

至Uc 等于U T+，输出u O 变为低电平U OL 。

然后电容通过电阻R 、施密特触发器输出端放电，u c 下降。

在
+-<<T o T U u U 期间，输出保持低电平不变。

至u c 等于U T-,输出u O 变为高电平。

所以u c 的电位在U T-和U T+之间变化,根据三要素法可以分析u O 的振荡周期T 为
oL
T oL
T T oH T oH PL PH U U U U RC U U U U RC T T T --+--=+=-+
+-ln ln
2. 用施密特触发器构成单稳态触发器
图17-2是用反相施密特触发器构成的微分型单稳态触发器。

阻、容元件RC 组成微分电路，输入信号u i 的周期t pi 远小于RC 电路的时间常数τ,施密特触发器对微分电路的输出信号u c 进行整形,形成宽度一定的脉冲信号u O 。

电路的工作原理：
当微分电路稳定时，电容开路，电阻R 无电流通过，V u c 0≈，u O 为高电平。

u i 上升（从0→U DD ）时，由于电容电压不能突变，u c 电位上跃为U DD ，u c 大于U T+，施密特触发器输出u O 为“0”,然后电容充电，u c 下降至U T-，u O 为高电平。

u c 继续下降至0V,电路恢复为稳态。

当u i 下降沿（从U DD 下降至0V ）时,u c 电位从0V 下降至 －U DD ，然后电容放电，u c
上升至0V 。

由于u c 始终小于U T+，施密特触发器输出u O 维持高电平。

所以，在输入u i 上升沿触发后，输出u O 产生一个宽度固定为t w 的负脉冲。

由三要素法，得：
pi T DD
w t U U RC t <<=-
ln
输出脉冲宽度t w 与微分电路的参数R 和C 及施密特触发器的阀值有关，与输入信号宽度t pi 无关，具有单稳态触发器的控制特性。

对于TTL 型的施密特触发器，可以接入二极管D 吸收u c 的负脉冲尖峰以保护器件，而CMOS 型施密特触发器内部具有输入保护嵌位二极管，u c 不会产生过大的负脉冲。

图17-3是集成六施密特反相触发器的引脚排列图，40106是CMOS 器件的型号，74LS14是TTL 器件的型号。

由于TTL 电路的输入结构，用74LS14构成的多谐振荡器和单稳态触发器电路，对电阻R 的阻值有所限制。

如果阻值太大，输入低电平电流i iL 在电阻R 上的压降将使施密特触发器的输入电压u c 不可能低于U T-，甚至大于U T+，致使电路功能无法实现。

三． 实验参考电路
1. 由施密特触发器构成的多谐振荡器电路原理如图17-1所示。

2. 由施密特触发器构成的单稳态触发器电路原理如图17-2所示。

图17-1 多谐振荡器电路原理图 图17-2 单稳态触发器电路原理图
图17-3 40106引脚图
四． 实验预习要求
1. 复习教材中有关施密特触发器及其应用电路的工作原理。

2. 分析图17－1和图17－2电路各信号波形。

3. 考虑如何使函数发生器输出如图17-4波形的信号，需要调节哪些旋钮？
五． 实验内容及步骤
1. 施密特触发器特性测试。

（1） 调节函数发生器输出峰值为5V ，频率为1kHz ，波形如图17-4所示的直流脉动三角波信号。

选择40106的一个施密特触发器，输入三角波信号。

图17-4 直流脉动三角波信号
（2） 用示波器X 通道观察施密特触发器的输入u i ，Y 通道观察输出u O ，记录输入、输出信号波形。

测量输出高电平U oH 、低电平U oL ，对照输入、输出波形，测量施密特触发器的正向阀值电平U T+和负向阀值电平U T-。

U oH =________（V ），U oL =_________（V ），U T+ =________（V ），U T- =_________（V ）。

（3） 调节函数发生器的波形对称度旋钮，改变三角波为锯齿波信号。

（4） 示波器选择X-Y 显示方式。

如果CRT 上无显示轨迹，调节电平LEVEL 旋钮使之显现。

（5） 调节X 和Y 位移旋钮POSITION ，选择CRT 的合适点为显示坐标的参考原点，调节显示灵敏度使显示轨迹便于观察。

记录施密特触发器的电压传输特性曲线，再次测试施密特触发器正向阀值U T+、负向阀值U T-、输出高电平U oH 和输出低电平U oL 。

U oH =________（V ），U oL =_________（V ），U T+ =________（V ），U T- =_________（V ）。

2. CMOS 施密特触发器构成的多谐振荡器
（1） 根据器件引脚图17-3选择40106的一个施密特触发器连接图17-1电路，电阻R=1k Ω，电容C=0.01μF 。

用示波器测试u O 和u c 的信号波形，并记录表17-1中各相应
表17-1
（2） 将电阻R 改为10k Ω，测量表17-1中各相应数据。

3. CMOS 施密特触发器构成的单稳态触发器 （1） 选择40106的一个施密特触发器按图17-2连接电路（二极管不接）。

U i 输入1kHz 的TTL 信号。

用示波器观察并记录单稳电路的各信号波形。

先观察u i 和u c ，然后观察u c 和u O 。

测试t w 记录于表17-2中。

（2） 将电阻R 改为10k Ω，测量t w 。

4. TTL 施密特触发器构成的单稳态触发器
（1） 选择TTL 施密特触发器74LS14连接图17-2的单稳电路，电阻R =1k Ω，输入u i 为200Hz 的TTL 信号。

用示波器观察并记录单稳电路的各信号波形。

测试t w =_______。

（2）接入二极管,观察u
c
波形的变化。

（3）将电阻R改为10kΩ，记录u
i ，u
c
和u
O
的波形。

测量u
c
波形在输入u
i
为低电平期
间的各电位值。

u
c =_______（V），u
O
=_______（V）。

5.TTL施密特触发器构成的多谐振荡器
（1）按图17-1改接电路，电阻R =1kΩ，电容C =0.01μF。

用示波器测试u
O 与u
C
的
信号波形，并记录各数据于表17-3。

表17-3
六．实验设备和器材
名称数量型号
1.双踪示波器1台学校自备
2.函数信号发生器1台学校自备
3.直流电源1台5V
4.适配器1只SD128B
5.14芯IC插座1只SD143
6.电阻模块1只SD150
7.电位器模块1只
8.二极管模块1只
9.集成芯片若干74LS14 40106
10.连接导线若干P2
11.实验用6孔插件方板297mm×300mm
七．实验预习要求
1.根据实验内容3，分析图17-2单稳触发电路的电阻上拉接电源或下拉接地时，输入信号的触发沿和输出信号有效电平分别是什么？输出脉冲宽度是否相同？为什么？
2.根据TTL逻辑门的输入特性，试解释实验内容5中电阻为10kΩ时u
c 和u
O
波形产生
现象的原因。

八．实验预习要求
1.计算74LS14和40106的回差电压ΔU
T。

2.根据实验测试的74LS14和40106 的阀值电平U
T-，U
T+
计算图17-1电路的振荡频率f
以及图17-2电路输出信号的脉冲宽度t
w
，并与实验值比较。

3.分析图17-2单稳电路中的电阻上拉后，u
O
输出脉冲宽度的理论计算值，并与实验值比较。

4.回答思考题。