知识点:方波发生电路

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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