Триггер шмидта. Триггер Шмитта: принцип работы, схемы и применение в электронике

Что такое триггер Шмитта и как он работает. Какие бывают схемы триггера Шмитта. Где применяется триггер Шмитта в электронике. Каковы преимущества использования триггера Шмитта.

Принцип работы триггера Шмитта

Триггер Шмитта — это электронное устройство с гистерезисом, имеющее два порога переключения. Его основные особенности:

• Наличие двух различных пороговых уровней для нарастающего и спадающего фронтов входного сигнала
• Быстрое переключение выходного сигнала между двумя устойчивыми состояниями
• Использование положительной обратной связи для создания гистерезиса

Принцип работы триггера Шмитта заключается в следующем:

1. При увеличении входного сигнала выше верхнего порога триггер переключается в состояние «1»
2. При уменьшении входного сигнала ниже нижнего порога триггер переключается в состояние «0»
3. В диапазоне между порогами состояние выхода не меняется

Это позволяет эффективно подавлять шумы и помехи во входном сигнале.

Основные схемы реализации триггера Шмитта

Существует несколько вариантов схемотехнической реализации триггера Шмитта:

Триггер Шмитта на транзисторах

Простейшая схема триггера Шмитта на двух биполярных транзисторах:

• T1 и T2 — биполярные транзисторы
• R1-R5 — резисторы для задания режима работы
• Входной сигнал подается на базу T1
• Выходной сигнал снимается с коллектора T2
• R3 обеспечивает положительную обратную связь

Триггер Шмитта на операционном усилителе

Схема триггера Шмитта на операционном усилителе:

• DA1 — операционный усилитель
• R1, R2 — резисторы обратной связи
• Входной сигнал подается на неинвертирующий вход
• Выходной сигнал снимается с выхода ОУ
• R1 и R2 задают пороги переключения

Триггер Шмитта на логических элементах

Триггер Шмитта можно реализовать на цифровых логических элементах:

• DD1.1, DD1.2 — логические элементы И-НЕ или ИЛИ-НЕ
• R1, R2 — резисторы обратной связи
• Входной сигнал подается на DD1.1
• Выход снимается с DD1.2
• R1 и R2 создают гистерезис

Применение триггера Шмитта в электронике

Основные области применения триггера Шмитта:

1. Подавление шумов и помех во входных сигналах
2. Формирование прямоугольных импульсов из синусоидальных и треугольных сигналов
3. Устранение дребезга контактов в кнопках и переключателях
4. Восстановление цифровых сигналов, искаженных помехами
5. Преобразование медленно меняющихся аналоговых сигналов в цифровые

Триггер Шмитта позволяет повысить помехоустойчивость электронных схем и улучшить качество обработки сигналов.

Преимущества использования триггера Шмитта

Основные достоинства триггера Шмитта:

• Высокая помехозащищенность благодаря гистерезису
• Четкое переключение даже при медленно меняющихся входных сигналах
• Возможность регулировки порогов переключения
• Простота реализации на различной элементной базе
• Широкий диапазон применения в аналоговых и цифровых схемах

Эти преимущества делают триггер Шмитта незаменимым элементом во многих электронных устройствах.

Как рассчитать пороги переключения триггера Шмитта

Расчет порогов переключения триггера Шмитта зависит от конкретной схемы реализации. Для триггера на операционном усилителе можно использовать следующие формулы:

• Верхний порог: U1 = Vcc * (R1 + R2) / R2
• Нижний порог: U0 = Vcc * R1 / (R1 + R2)

Где:

• Vcc — напряжение питания
• R1, R2 — резисторы обратной связи

Ширина петли гистерезиса определяется как разность между верхним и нижним порогами:

ΔU = U1 — U0

Изменяя номиналы резисторов R1 и R2, можно регулировать пороги срабатывания триггера Шмитта.

Триггер Шмитта в интегральном исполнении

Многие производители выпускают интегральные микросхемы триггеров Шмитта. Наиболее распространенные серии:

• 74HC14 — шесть инвертирующих триггеров Шмитта
• 74HC132 — четыре 2-входовых элемента И-НЕ с триггером Шмитта
• 40106 — шесть инвертирующих триггеров Шмитта КМОП
• LM339 — четыре независимых компаратора с триггером Шмитта

Использование готовых интегральных триггеров Шмитта упрощает разработку электронных устройств и повышает их надежность.

Моделирование работы триггера Шмитта

Для анализа работы триггера Шмитта удобно использовать компьютерное моделирование. Популярные программы для моделирования электронных схем:

• LTspice — бесплатный SPICE-симулятор от Linear Technology
• Multisim — профессиональный симулятор от National Instruments
• Proteus — система схемотехнического моделирования

Моделирование позволяет исследовать характеристики триггера Шмитта при различных параметрах схемы и входных сигналах.

Что такое триггер Шмидта. Схемы триггера Шмитта

Что такое триггер Шмитта

Слово trigger, в переводе на русский, значит, спусковой крючок. Функциональность устройства заключается в быстром переходе из одного устойчивого состояния в другое под внешним воздействием.

Большинство подобных устройств имеют заданное одинаковое значение для нарастающего сигнала. Для быстрорастущих сигналов – это не проблема. Но для сигналов, которые имеют очень медленное нарастание (шумовые, например) – колебания назад и вперед из положения off в on и обратно могут вывести из строя прибор. Триггеры Шмитта применимы для медленно изменяющихся сигналов или шума.

Это решение для случаев, когда сигнал на входе колеблется вокруг заданной точки. Схема для получения петли гистерезиса – это значит, что есть два набора точек, одни на низкой стороне, другие на высокой. Допустим, что на стороне низкого заданное значение составляет 2,0 В, а на стороне высокого – 1,5 В. Как только нарастающий входной сигнал (шум) попадает в точку 2.

0 В, триггер переключит выход на 1. И сигнал на выходе останется на 1 до тех пор, пока входной сигнал не упадёт обратно до 1,5 В. В зоне от 1,5 и 2.0 В сигнал не переключается.

Самым простым примером применения триггера Шмитта является однополюсный двухпозиционный тумблер.

Перемещением рычага вправо соединяются выступы в центре. Цифровые схемы работают на 1 и 0 (вкл. и выкл.) Серединных значений при этом нет.

Схемы триггеров Шмитта

Существует много схем триггеров Шмитта, в которых необходимо включение элементов, имеющих фиксированные пороги на входе. Можно применять дискретные транзисторы, а также операционный усилитель (ОУ) с дополнительными компонентами, способствующими созданию петли гистерезиса.

На схеме изображено как устройство формирует импульс правильной конфигурации, при произвольном входном сигнале. Подобная схема применяется для преобразования медленно изменяющихся сигналов в импульсы с чётко очерченными краями. Это выполняется и на нескольких устройствах, и на одном ОУ.

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Для несимметричного триггера Шмитта характерно несколько устойчивых состояний, когда переход из одного в другое происходит лишь при пороговых уровнях. Поэтому для такого триггера Шмитта характерна гистерезисная передаточная характеристика. В нижеприведённой схеме использованы биполярные транзисторы.

На данном чертеже показано, что триггер Шмитта включает в себя транзисторы VT1 и VT2, гальванически связанные между собой посредством резистора R5. Все элементы имеют общую питающую шину. R1 и R2 обеспечивают рабочий режим транзистора VT1. Организован делитель напряжения (два резистора). Конденсатор C1 служит для ускоренного переключения. Временные диаграммы входных и выходных напряжений устройства показаны на рисунке.

При подаче питания к устройству, он переходит в исходное состояние, когда транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. В таком состоянии на выход устройства поступает некоторое напряжение Uэ, зависящее от элементов обвязки VT2. Имеются два порога срабатывания в триггере Шмитта (эта разность между напряжениями называется шириной петли гистерезиса).

Триггер Шмитта на логике

Это устройство особенное, потому что имеет по одному аналоговому входу и цифровому выходу. Самая простая схема триггера Шмитта основана на цифровых логических элементах, то есть последовательно включенных двух инверторах. Посредством резистивной обратной связи цифровой сигнал на выходе меняет входное напряжение переключения. Скорости нарастания сигнала на выходе и входе не зависят друг от друга, являясь для данной схемы постоянной величиной (зависящей от быстродействия логических вентилей). Схема триггера Шмитта, построенная на двух инверторах, изображена ниже.

Добавлена обратная связь, обеспеченная двумя резисторами, способствует быстрому изменению напряжения на выходе схемы при пересечении сигналом порогового напряжения. Соотношение между резисторами влияет на глубину этой связи. Тот факт, что часть сигнала с выхода схемы поступает на вход, приводит к тому, что вместо одного порога у схемы получается два. Один из них назван порогом срабатывания схемы (когда на выходе устройства формируется уровень «1»). Второй порог назван порогом отпускания (когда на выходе схемы формируется уровень «0»). Наличие двух порогов дало триггеру Шмитта второе название — схема с гистерезисом. Положительная обратная связь используется для того, чтобы установить лимит для достижения точки насыщения на выходе и, таким образом, можно изменить синусоидальное напряжение в цифровое.

Как определить низкие и высокие пороговые уровни на входе схемы? Логика определения этих пороговых уровней следующая. Необходимо выбрать верхний порог, который ниже минимального высокого уровня сигнала. Другими словами, это тот уровень, когда входной сигнал будет превышать каждый импульс на выходе. Аналогичным образом выбирается нижний порог, который соответственно выше низкого уровня сигнала. Разница между верхним и нижним уровнем является гистерезис. Чем больше гистерезис, тем больше будет восприимчивость схемы к шуму. Также необходимо учесть влияние времени.

На изображении хорошо видны два порога там, где на вход устройства подаётся синусоидальное напряжение.

Генератор на триггере Шмитта

Для построения генераторов применяются инверторы. Посему для обеспечения устойчивых сигнальных волн нужно вывести элемент на участок между «0» и «1». Далее, требуется обеспечить положительную обратную связь посредством конденсаторов.

Ниже изображена схема простейшего генератора импульсов.

Инвертор генерирует сигнал, который заряжает и разряжает конденсатор. Это работает, потому что на выходе инверторов «0» или «1» (низкие или высокие пороговые значения). Представим, что мы смотрим на цепи в какой-то случайный момент времени. По своей природе, триггера Шмитта на выходе инвертора или 0 В или 5 В (или переход между ними, который мы можем игнорировать). Если на выходе 0 В, а на выходе конденсатора выше, чем на выходе инвертора, конденсатор будет разряжаться через резистор до падения порогового напряжения триггера Шмитта. Конденсатор разряжается до тех пор, пока на входе инвертора сигнал достаточно низкий. При пересечении порогового значения, цикл начнётся заново.

Ключ, который делает эту работу на «гистерезис» в триггер Шмитта. В основном это означает, что точка поездки инвертора зависит оттого, что мы идем от высокого напряжения или низкого напряжения.

Заключение

Достоинство схем заключается в том, что входное напряжение меняется незначительно, когда выходное изменяется резко к высокому или низкому пороговому значению. Процесс проводится благодаря устройству обратной связи и делителя напряжения.

В чём польза триггера Шмитта? Они весьма востребованы тогда, где на входе присутствуют шумы. Применяется для преобразования входного сигнала в прямоугольные, пренебрегая высокочастотными помехами. Такая входная цепь осуществляет гистерезис, эффективно фильтрующий различные типы шумов. Использование устройства будет гарантировать, что на входе цифрового устройства всегда будет либо «один» или «ноль» и ничего между ними.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Триггер Шмитта

26 декабря 2021 — Admin

Главная / Теория

Триггер Шмитта — один из представителей большого семейства схем, объединённых названием триггер. Слово «триггер» переводится как «спусковой крючок», и обозначает устройство, способное находится в двух устойчивых состояниях, и менять эти состояния под действием внешних сигналов.

Триггер Шмитта назван в честь изобретателя, Отто Герберта Шмитта, который  сконструировал это устройство на электровакуумных триодах в 1934 году. С тех пор придумано множество вариантов реализации данной схемы, а сама она широко применяется во всевозможных электронных устройствах.

Краткое содержание статьи:

• Принцип работы триггера Шмитта. Пороги переключения и гистерезис
• Схема на транзисторах
• Реализация на операционном усилителе
• Реализация на логических элементах
• Прецизионный триггер Шмитта без ПОС
• Пример применения: устранение дребезга контактов

Принцип работы

У классического триггера Шмитта один вход и один выход. И, как и положено триггеру, два состояния: на выходе 0 (низкий потенциал) или 1 (высокий потенциал).

На вход может поступать аналоговый сигнал сложной формы. При достижении определённого порога на входе триггер переключается из одного состояния в другое.

Но главная его особенность — наличие гистерезиса, то есть порог переключения зависит от текущего состояния самого триггера.

Допустим, наш триггер изначально в состоянии 0, и мы начинаем плавно поднимать напряжение на входе. При достижении порога U₁ триггер переключится в состояние 1. И теперь, чтобы вернуть его в состояние 0, уже недостаточно опустить входное напряжение ниже U₁, переключение произойдёт только при значительно меньшем напряжении U₀. Для большей наглядности посмотрите вот эти графики:

График входного и выходного сигналов триггера Шмитта

Ну, а если нарисовать график зависимости выходного сигнала от входного, то получится как раз такая симпатичная петелька гистерезиса ⎎. Если вы увидите такое обозначение на схеме, скорее всего, где-то там скрывается триггер Шмитта.

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Давайте перейдём к практике и соберём вот такую простенькую схему, чтобы поэкспериментировать с триггером Шмитта (картинки можно кликать для увеличения).

Схема триггера Шмитта на транзисторах

R_вх здесь у нас имитирует входной сигнал: вращая ручку резистора, можно подавать на вход разные напряжения. Ну а чтобы наглядно увидеть работу триггера, в коллекторную цепь второго транзистора включён светодиод, который горит, если транзистор открыт.

В исходном состоянии (на входе нет сигнала) транзистор Т₁ закрыт. При этом на базе Т₂ оказывается почти половина напряжения питания — через делитель R₂-R₄-R₅. T₂ открыт, светодиод горит, а на выходе низкий потенциал.

Триггер в состоянии «ноль»

Если мы начнём поднимать напряжение на входе, в какой-то момент оно окажется достаточным, чтобы открылся T₁. Тем самым он фактически зашунтирует R₄-R₅, потенциал на базе T₂ резко упадёт и он закроется. Светодиод погаснет, а на коллекторе появится высокий уровень (1).

Триггер в состоянии «единица»

Откуда же в этой схеме берётся гистерезис? Всё дело в резисторе R₃, который осуществляет положительную обратную связь. Какой бы из транзисторов ни был открыт, его ток течёт через R₃. Но, для этой схемы очень важно, что коллекторная нагрузка Т₂ меньше нагрузки T₁. То есть суммарное сопротивление R₆ и светодиода меньше, чем R₂. А, значит, когда открыт Т₂, через R₃ течёт больший ток, чем когда открыт T₁. Соответственно, и падение напряжение на R₃ больше, когда триггер в состоянии 0.

Это напряжение приложено плюсом к эмиттеру T₁, оно мешает ему открываться, т. к. уменьшает разницу потенциалов между базой и эмиттером. Вот и получается, что для перекидывания триггера из 0 в 1 нужно приложить большее напряжение к базе T₁. А обратное переключение происходит при более низком входном напряжении, т. к. в этот момент плюс на эмиттере поменьше. Фактические напряжения, которые я измерил в работающей схеме, отмечены на рисунках выше. Пороги переключения U₀ и U₁ у меня получились, соответственно, 1.78 и 1.94 В.

Схема собрана на макетной плате

Ну и конечно, параметры триггера (пороги срабатывания) можно менять, подбирая номиналы резисторов.

Улучшения схемы

Иногда в подобных схемах ставят ещё конденсатор параллельно R4. Это так называемый ускоряющий конденсатор.

Вариант схемы с ускоряющим конденсатором

Когда триггер в стабильном состоянии, на конденсаторе постоянное напряжение и он не оказывает влияние на токи. Но, в момент переключения, когда происходит резкий скачок напряжений, в первый момент конденсатор имеет близкое к нулевому сопротивление и тем самым обеспечивает резкое изменение тока базы Т₂, который затем плавно «устаканивается» до стабильного значения. Тем самым ускоряется переключение транзистора Т₂. Это может иметь значение, если планируется работа схемы на высоких частотах, где время переходных процессов в транзисторе может начать играть заметную роль.

Также можно встретить дополнительный буферный транзистор между T₂ и T₁, включённый по схеме эмиттерного повторителя. Он нужен, чтобы снизить влияние T₁ и T₂ друг на друга, а также получить большую чувствительность схемы.

Добавляем в схему буферный каскад

Реализация триггера Шмитта на операционном усилителе

Два примера схемы на операционном усилителе:

Триггер Шмитта на операционном усилителе: с двухполярным питанием (слева) и однополярным (справа)

На рисунке приведены два варианта: с двухполярным и с однополярным источником питания. В первом случае порог срабатывания одинаковый по модулю, но с разным знаком. Во втором случае пороги зависят от соотношения резисторов. Но, в обеих схемах часть выходного сигнала попадает на вход через резистор положительной обратной связи R_ос, тем самым смещая порог срабатывания.

Обратите внимание, что однополярный вариант схемы получился инвертирующим: когда на входе высокий сигнал, на выходе низкий, и наоборот. Дело в том, что мы подаём входной сигнал на инвертирующий вход, поэтому «шиворот на выворот».

Кстати, в данную схему можно добавить ограничитель выходного напряжения. Это стабилитрон, через который осуществляется отрицательная обратная связь. Включается он таким вот образом:

Триггер Шмитта с ограничителем выходного напряжения

Это решение полезно, если необходимо согласовать высокие напряжения предыдущего каскада и низкие следующиего. Например, на входе может быть до 15 вольт от автомобильной электроники, а на выходе ТТЛ микросхема, притающаяся от 5 Вольт.

Триггер Шмитта на логических элементах

Далее приведена схема на логических элементах, принцип работы тот же самый: положительная обратная связь с выхода на вход, так что потенциал на выходе влияет на порог для входа.

Схема триггера Шмитта на логических элементах

Прецизионный триггер с задаваемыми порогами

Чуть более сложная схема, позволяющая регулировать верхний и нижний порог независимо, и даже при необходимости менять их прямо во время работы устройства. Что характерно, здесь нет положительной обратной связи.

Триггер Шмитта без ПОС

На схеме мы видим два отдельных компаратора, которые управляют работой асинхронного RS-триггера. Для работы схемы необходимо на входы U₀ и U₁ подать соответствующие пороговые напряжения.

Тогда весь диапазон входного сигнала можно поделить на три части.

• Когда U_вх < U₀, компаратор К2 выдаёт 1, которая попадает на R-вход триггера и переключает его в нулевое состояние.
• Когда U₀ < U_вх < U₁, на выходе обоих компараторов нули, и триггер хранит предыдущее состояние, каким бы оно ни было.
• Наконец, когда U_вх > U₁, единица появляется на выходе только первого компаратора, и перекидывает RS-триггер в состояние «1».

Применение триггера Шмитта

Триггер Шмитта используется там, где нужно хаотично меняющийся аналоговый сигнал преобразовать в приемлемые для машинной логики нули и единицы. Например, восстановить искаженный шумами цифровой сигнал.

Классический пример — устранение дребезга контактов. Рассмотрим его подробнее, как весьма часто встречающийся в электронной практике.

Когда нажимается обычная кнопка, в сам момент переключения контакт может много раз за доли секунды возникать и снова разрываться, пока состояние выключателя не стабилизируется. Происходит это в силу чисто механических причин и может привести к непредсказуемым результатам: схема, которая «считывает» сигнал с кнопки, воспримет это как множество быстрых включений/выключений.

Иногда дребезг контактов устраняют программно. Но, если это невозможно, на помощь может прийти вот такая простенькая схемка.

Схема устранения дребезга контактов с помощью триггера Шмитта

Конденсатор сгладит пульсации, а триггер Шмитта превратит всё в аккуратный прямоугольный импульс с крутым фронтом.

Поделиться в соцсетях:

Что такое триггер Шмитта | Как это работает? Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменную статью ниже.

Обзор

Триггер Шмитта представляет собой тип логического входа, который обеспечивает гистерезис или два разных уровня порогового напряжения для нарастающего и спадающего фронта. Это полезно, потому что позволяет избежать ошибок, когда у нас есть шумные входные сигналы, из которых мы хотим получить прямоугольные сигналы.

Так, например, если у нас есть такой зашумленный входной сигнал, который должен иметь 2 импульса, устройство, имеющее только одну уставку или пороговое значение, может получить неверный ввод и может зарегистрировать более двух импульсов, как показано на этой иллюстрации. И если мы используем триггер Шмитта для одного и того же входного сигнала, мы получим правильный ввод двух импульсов из-за двух разных порогов. Такова основная функция триггера Шмитта — преобразовывать зашумленные прямоугольные сигналы, синусоидальные волны или входные сигналы с медленными фронтами в чистые прямоугольные сигналы.

Типы триггеров Шмитта

Существует множество логических ИС со встроенными триггерами Шмитта на своих входах, но также они могут быть построены с использованием транзисторов или проще с использованием операционного усилителя или компаратора, просто добавив к нему несколько резисторов и положительный отзыв.

Операционный усилитель на основе триггера Шмитта

Здесь у нас есть операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к земле или нулевому напряжению, а неинвертирующий вход подключен к входу напряжения, В _В . Так что на самом деле это компаратор, который сравнивает неинвертирующий вход с инвертирующим входом или, в данном случае, входное напряжение V _IN с 0 В. Таким образом, когда значение V _IN ниже 0 вольт, выход компаратора будет быть отрицательным V _CC , и если входное напряжение выше 0 вольт, выход будет положительным V _CC .

Теперь, если мы добавим положительную обратную связь, подключив выходное напряжение к неинвертирующему входу с резистором между ними и другим резистором между V _IN и неинвертирующий вход мы получим триггер Шмитта. Теперь выход переключится с V _CC – на V _CC +, когда напряжение в узле A превысит 0 вольт.

Это означает, что теперь, регулируя значения резисторов, мы можем установить, при каком значении входа V _IN произойдет переключение, используя следующие уравнения. Мы получаем эти уравнения со следующими соотношениями. Ток «i» по этой линии равен V _IN – V _A разделить на R ₁ а также V _A – V _OUT разделить на R ₂ . Итак, если мы заменим V _A на ноль, так как нам нужно это значение для переключения, мы получим это окончательное уравнение. Например, если на выходе -12 вольт, а на входе V _IN отрицательный и повышается, переключение с -12 В на +12 В произойдет при 6 вольтах в соответствии с уравнением и значениями резисторов и наоборот, когда на входе V _IN высокий уровень и при его снижении переключение с +12 В на – 12 В произойдет при -6 вольт.

Несимметричный триггер Шмитта

Чтобы получить два разных несимметричных порога, мы можем использовать эту схему инвертирующего триггера Шмитта с одним питанием. Здесь напряжение V _REF совпадает с напряжением V _CC операционного усилителя. Теперь, поскольку вход V _IN подключен к инвертирующему входу ОУ, когда его значения достигнут верхнего порога, выход отключится до 0 вольт, а затем, когда его значения упадут до нижнего порога, выход переключится на 5 вольт.

Вот пример того, как мы можем рассчитать пороги. V _REF и V _CC будут на 5 вольт, а три резистора будут на те же 10 кОм. Итак, что нам нужно рассчитать сейчас, так это напряжение в узле А. В первом случае, когда на выходе 0 В, наша схема будет выглядеть так: простой делитель напряжения и значение V _A будет равно 1,66 В. Это означает, что вход V _IN должен опуститься ниже этого значения. чтобы выход включался на 5 вольт. Теперь при этих 5 вольтах на выходе схема будет выглядеть так. Значение V _A будет 3,33 В. Это означает, что вход V _IN должен подняться выше этого значения, чтобы выход отключился до 0 вольт.

Триггер Шмитта на основе транзисторов

Мы также можем построить триггер Шмитта, используя транзисторы. Вы можете узнать, как работает транзисторный триггер Шмитта, в моем следующем уроке. Нажмите здесь, чтобы посетить его.

Связанное руководство: 555 Timer IC – Принцип работы, блок-схема, принципиальная схема Рубрики Электротехника

Что такое триггер Шмитта, принцип его работы и области применения

Что такое триггер Шмитта?

A Триггер Шмитта — схема компаратора (не исключительно), в которой используется положительная обратная связь (небольшие изменения на входе приводят к большим изменениям на выходе в той же фазе) для реализации гистерезиса (причудливое слово для обозначения действия с задержкой) и используется для удаления шума из аналогового сигнала при преобразовании его в цифровой.

ИНВЕРТИРУЮЩИЕ И НЕИНВЕРТИРУЮЩИЕ ТРИГГЕРЫ ШМИТТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ LM193 (родственник LM393)

 

Он был изобретен еще в 1937 году Отто Х. Шмиттом (чье наследие несколько занижено), который назвал его «термоэмиссионным триггером».

 

Почему триггеры Шмитта?

Компараторы по своей природе очень быстродействующие, так как в них отсутствует компенсирующий конденсатор, присутствующий в их собратьях на операционных усилителях. Компараторы не ограничены скоростью нарастания выходного сигнала, а время перехода составляет порядка наносекунд. Компараторы также имеют особенно чувствительные входы из-за их очень высокого коэффициента усиления — даже крошечные изменения на входе могут вызвать мгновенное изменение состояния на выходе.

Эта проблема усугубляется, когда дифференциальные входные сигналы достигают мертвой зоны, то есть минимального входного дифференциального напряжения, необходимого для поддержания стабильного выходного сигнала. В пределах этого узкого диапазона компаратор понятия не имеет, что делать со своим выходным сигналом, что приводит к тому, что называется моторной лодкой, когда выходной сигнал колеблется. Эта проблема также возникает с сигналами, которые имеют медленное время перехода — входной сигнал проводит достаточно времени в мертвой зоне (со ссылкой на опорное напряжение, конечно), чтобы создать несколько выходных переходов, как показано на рисунке ниже.

НЕСКОЛЬКО ПЕРЕХОДОВ НА ВЫХОДЕ БЕЗ ГИСТЕРЕЗИСА (СИНИЙ ВХОД, ЖЕЛТЫЙ ВЫХОД)

 

Если вы обратите внимание, входной сигнал меняется в зависимости от выходного колебания, и на шине питания много шума (как видно на выходе через подтягивающий резистор) , что является результатом плохой развязки!

Если бы к выходу была подключена какая-либо логика (что в большинстве случаев верно), она обнаружит множественные переходы и вызовет хаос — триггеры будут переключаться несколько раз, что может привести к сбросу чего-то важного.

Это можно исправить с помощью гистерезиса – в данном случае с добавлением одного резистора между инвертирующей клеммой (которая в данном случае является опорной) и выходом. Разница отмечена, опять же из рисунка.

ЧИСТЫЙ ПЕРЕХОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИСТЕРИЗИСА

 

Опять же, обратите внимание на нестабильное опорное напряжение.

 

Как работает триггер Шмитта?

A Триггер Шмитта использует положительную обратную связь — он берет образец вывода и подает его обратно на вход, чтобы, так сказать, «усилить» вывод — что является полной противоположностью отрицательной обратной связи, которая пытается свести на нет любые изменения вывода.

Это усиливающее свойство полезно — оно заставляет компаратор решать, какое состояние выхода он хочет, и заставляет его оставаться в этом состоянии, даже в пределах того, что обычно является мертвой зоной.

Рассмотрим эту простую схему:

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ КОМПАРАТОР С ГИСТЕРЕЗИСОМ

 

Предположим, что входное напряжение ниже, чем опорное напряжение на неинвертирующем выводе, поэтому выходное напряжение высокое.

В* — опорное входное напряжение, которое создает фиксированное смещение на неинвертирующем входе. Поскольку выходной сигнал через подтягивающий резистор имеет высокий уровень, это создает путь тока через резистор обратной связи, немного увеличивая опорное напряжение.

Когда входное напряжение превышает опорное напряжение, выходное напряжение становится низким. Обычно это не должно каким-либо образом влиять на опорное напряжение, но, поскольку имеется резистор обратной связи, опорное напряжение падает немного ниже номинального значения, поскольку обратная связь и нижний опорный резистор теперь параллельны относительно земли (поскольку низкий выходной замыкает этот вывод резистора на землю). Поскольку опорное напряжение снижено, маловероятно, что небольшое изменение входного сигнала вызовет множественные переходы — другими словами, больше не будет мертвой зоны.

Чтобы выход стал высоким, теперь вход должен пересечь новый нижний порог. После пересечения выход становится высоким, и схема «сбрасывается» до исходной конфигурации. Вход должен пересечь порог только один раз, что приведет к одному чистому переходу. Схема теперь имеет два эффективных порога или состояния — она бистабильна.

Это можно обобщить в виде графика:

КРИВАЯ ГИСТЕРЕЗИСА

 

Это можно понимать в обычном смысле – ось x является входом, а ось y – выходом. Проследив линию от x до y, мы обнаружим, что после пересечения нижнего порога гистерезис становится высоким, и наоборот.

Работа неинвертирующего компаратора аналогична — выход снова изменяет конфигурацию цепи резисторов, чтобы изменить порог для предотвращения нежелательных колебаний или шума.

 

Применение триггеров Шмитта

Триггеры Шмитта широко используются в качестве логических входов. Опять же, нехорошо иметь один логический порог, в случае шумных или медленных сигналов может возникнуть несколько выходных переходов. Читая техническое описание любого логического чипа, вы обнаружите, что указаны два порога — один для нарастающего фронта и один для спадающего фронта — это свидетельствует о входном воздействии Шмитта.

Иногда логические элементы изображаются с небольшим символом «молния» внутри них, это стилизованная кривая гистерезиса, указывающая на то, что устройство имеет триггерные входы Шмитта.

 

1. Простые осцилляторы

Наличие двух пороговых значений дает триггерам Шмитта 555-подобную способность действовать как предсказуемые осцилляторы.

ПРОСТОЙ ТРИГГЕРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ШМИТТА

 

Предположим, что первоначально конденсатор не заряжен.

Вентилятор определяет это как низкий уровень на входе и устанавливает высокий уровень на выходе, так как это инвертирующий вентиль. Конденсатор начинает заряжаться через резистор R. Как только достигается верхний порог, затвор переключается на низкий уровень, разряжая конденсатор до низкого порога, обеспечивая предсказуемую выходную частоту.

Выражение для частоты можно получить с помощью небольшого математического жонглирования:

Где R и C — сопротивление и емкость, V _T + — верхний порог, V _T — нижний порог и V _DD — напряжение питания. Обратите внимание на символ «приблизительно равно».

 

2. Устранение дребезга переключателей

Механические переключатели в качестве логических входов — не лучшая идея. Контакты переключателя имеют тенденцию быть несколько пружинистыми, вызывая много нежелательного дрожания, что опять же может вызвать множественные переходы и сбои в дальнейшей линии.

Использование триггера Шмитта с простой RC-цепью может помочь смягчить эти проблемы.

SCHMITT TRIGGER SWITCH DEBOUNCER

 

При нажатии переключателя конденсатор разряжается и на мгновение на выходе становится высокий уровень, пока конденсатор снова не зарядится, создавая чистый импульс на выходе.

 

Где найти триггеры Шмитта?

Триггеры Шмитта более известны в мире логики как буферы или инверторы, но имейте в виду, что не все логические элементы являются триггерами Шмитта. Как и вся логика, они доступны в форме DIP или SMD с несколькими вентилями в одном корпусе.