Что такое триггер Шмидта

Определение триггера Шмитта

Триггер Шмитта (ТС) имеет два устойчивых состояния. На выходе может быть высокое (высокое состояние) или низкое (низкое состояние) напряжение. Переход из одного состояния в другое осуществляется при изменении входного напряжения.

Существует два типа триггеров Шмитта. Первый тип неинвертирующий, переходит в высокое состояние при увеличении напряжения, в низкое состояние при его снижении. Второй тип — инвертирующий, переходит в высокое состояние при падении напряжения, в низкое состояние при его повышении.

Неинвертирующий триггер Шмитта становится высоким, если входное напряжение становится выше, чем Uon, и становится низким, если входное напряжение становится ниже, чем Uoff. Кроме того, Uon больше Uoff на величину электрического гистерезиса триггера Шмитта.

Инвертирующий триггер Шмитта становится высоким, если входное напряжение становится ниже, чем Uon, и становится низким, если входное напряжение становится выше, чем Uoff. Также Uon меньше Uoff на величину электрического гистерезиса триггера Шмитта.

Если входное напряжение находится между Uon и Uoff, триггер Шмитта сохраняет свое состояние.

Электрическая цепь с описанными характеристиками, с точки зрения схемотехника, независимо от внутреннего устройства, является триггером Шмитта.

История

Функциональный триггер можно сделать из обычного реле с электромеханическим приводом. Правильно установив контакты схемы управления, обеспечивают включение токовой группы после определенного сочетания входных сигналов. Сброс осуществляется отдельным ключом.

Электронные аналоги собирались в начале прошлого века из ламповых блоков. Нынешние схемы были впервые опубликованы русскими и британскими исследователями в 1918-20 гг. Позже стали использовать полупроводниковые транзисторы. Сегодня соответствующие устройства изготавливаются с использованием микроэлектронных технологий.

Классификация

Конденсаторная энергия

Изделия данной категории делятся на две основные группы по принципу управляющих сигналов. В первом генерируется заданная последовательность выходных сигналов, если установлено состояние «1». После перехода в «0» генерация прекращается. Другой способен соответствующим образом переключать выходное напряжение. Как правило, «1» примерно соответствует уровню питания.

Триггеры также характеризуются следующими параметрами:

• синхронизация рабочих циклов;
• статические (динамические) методы контроля;
• сложность логических схем;
• один-два шага.

Триггеры на логических элементах и на операционном усилителе

Для реализации статических триггеров хорошо подходит схема двухкаскадного усилителя. Связь между ними организуется напрямую или с помощью ограничительных резисторов в соответствующих цепях.

Триггер (Trigger) Шмитта

Продукты в этой категории могут быть изготовлены с использованием различных баз данных. В этом разделе обсуждается триггер Шмитта на транзисторах. Он управляется изменением аналогового сигнала. В зависимости от уровня напряжения состояние памяти переключается в соответствующее положение «0» или «1».

Устройство триггера

Триггер по схеме очень похож на простейшее электронное устройство — мультивибратор. Но в отличие от него, у него есть две стабильные позиции. Эти состояния задаются изменениями входного сигнала, когда он достигает определенного значения.

Переход из одной позиции в другую называется переводом. В результате на выходе логического элемента возникает скачок напряжения, форма которого зависит от скорости процессов, протекающих в радиоустройствах.

Наиболее часто используемый триггер, работает на транзисторах. Это связано со способностью последнего функционировать в ключевом режиме. Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами. Эти электроды называются:

• эмиттер;
• база;
• собирает.

В грубом приближении транзистор — это два диода, соединенных электрическим соединением. Он состоит из двух p-n переходов. Биполярный элемент получил свое название из-за того, что в нем используются одновременно два типа носителей заряда.

В триггерных схемах транзистор работает в ключевом режиме, суть которого заключается в управлении током коллектора путем изменения значения на базе. При этом ток коллектора превышает по своей величине ток базы.

При таком включении важны только токи, а напряжения особой роли не играют. Поэтому при возникновении определенного тока на базе транзистор открывается и посылает через себя сигнал.

Сигнал на коллекторе полупроводникового прибора будет противоположным входному знаку, то есть инвертированным. Так когда на выходе базы есть разность потенциалов, на выходе коллектора она будет равна нулю, и наоборот.

Эта способность транзисторов используется в триггерах, схема которых построена на двух ключах с перекрестной обратной связью. При использовании транзисторных ключей с одинаковой обвязкой триггер считается симметричным, в другом случае несимметричным.

Принцип работы

Классический триггер Шмитта имеет один вход и один выход. И как положено триггеру, есть два состояния: на выходе 0 (низкий потенциал) или 1 (высокий потенциал).

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

Но главной особенностью является наличие гистерезиса, то есть порог переключения зависит от текущего состояния самого триггера.

Допустим, изначально наш триггер находится в состоянии 0, и мы начинаем плавно увеличивать напряжение на входе. При достижении порога U1 триггер переключится в состояние 1.

И теперь, чтобы вернуть его в состояние 0, уже недостаточно снизить входное напряжение ниже U1, переключение произойдет только при значительно меньшем напряжении U0. Для большей ясности взгляните на эти графики:

Постройте входные и выходные сигналы триггера Шмитта

Ну а если построить график зависимости выходного сигнала от входного, то получится вот такая аккуратная петля гистерезиса ⎎. Если вы видите такое обозначение на схеме, скорее всего, где-то прячется триггер Шмитта.

Место триггеров в цифровой схемотехнике

В отличие от комбинационных логических схем, которые изменяют состояние на основе фактических сигналов, подаваемых на их входы в определенный момент времени, последовательные логические схемы имеют встроенную в них форму встроенной «памяти», позволяющую им учитывать как предыдущее, так и фактическое состояние своих входов и выходов. Общая блок-схема последовательного устройства показана ниже.

Триггер РС как цифровой регулятор включает собственно память и схему комбинационного управления на типовых логических элементах, реализующую алгоритм его логического ввода. Если рассматривать эту схему применительно к простейшим триггерным схемам, то они не имеют конструктивно выделенной памяти в виде какой-то специализированной микросхемы или схемного узла.

Память триггера существует на функциональном уровне, как бы встроенная в алгоритм работы его схемы комбинационного управления.

Проявлением этой «памяти» является так называемая бистабильность триггера, выходы которого могут находиться в одном из двух основных состояний: логической единице (далее — 1) или логическом нуле (далее — 0). Триггер запоминает установленные значения выходов («запирает» их) и сохраняет до следующего изменения входных сигналов.

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Давайте начнем практиковаться и соберем вот такую ​​простую схему для эксперимента с триггером Шмитта (изображения можно щелкнуть для увеличения).

Rin здесь имитирует входной сигнал: вращением ручки на резисторе можно подавать на вход разные напряжения. Ну и чтобы наглядно увидеть работу триггера, в коллекторную цепь второго транзистора включен светодиод, который загорается, если транзистор открыт.

В исходном состоянии (сигнал на входе отсутствует) транзистор Т1 закрыт. При этом почти половина питающего напряжения приходится на базу Т2 — через делитель R2-R4-R5. T2 открыт, светодиод горит, и выход имеет низкий потенциал.

Если мы начнем поднимать напряжение на входе, в какой-то момент его будет достаточно, чтобы открыть Т1. Таким образом, он фактически зашунтирует R4-R5, потенциал на дне Т2 резко упадет и он замкнется. Светодиод погаснет, и на коллекторе появится высокий уровень (1).

Откуда в этой схеме гистерезис? Все дело в резисторе R3, обеспечивающем положительную обратную связь. Какой бы транзистор ни был открыт, его ток протекает через R3. Но для этой схемы очень важно, чтобы коллекторная нагрузка Т2 была меньше нагрузки Т1.

То есть суммарное сопротивление R6 и светодиода меньше, чем R2. А это означает, что когда T2 открыт, через R3 протекает больший ток, чем когда T1 открыт. Следовательно, падение напряжения на R3 больше, когда триггер находится в состоянии 0.

Это напряжение приложено положительно к эмиттеру Т1, оно препятствует его открытию, так как уменьшает разность потенциалов между базой и эмиттером. Вот и получается, что для переключения триггера с 0 на 1 нужно подать большее напряжение на базу Т1.

А обратное переключение происходит при меньшем входном напряжении, так как плюс на эмиттере в этот момент меньше. Фактические напряжения, которые я измерил в рабочей цепи, отмечены на рисунках выше. Пороги переключения U0 и U1 оказались равными 1,78 и 1,94 В соответственно.

И, конечно же, параметры срабатывания (пороги) можно изменить, выбрав значения сопротивления.

Улучшения схемы

Иногда в таких схемах параллельно R4 ставят еще и конденсатор. Это так называемый ускоряющий конденсатор.

Когда триггер находится в устойчивом состоянии, конденсатор имеет постоянное напряжение и не влияет на токи. Но в момент переключения, когда происходит резкий скачок напряжения, конденсатор вначале имеет близкое к нулю сопротивление и тем самым дает резкое изменение базового тока Т2, который затем плавно «устанавливается» на устойчивое значение.

Это ускоряет переключение транзистора Т2. Это может быть важно, если вы планируете управлять схемой на высоких частотах, где время переходных процессов в транзисторе может начать играть значительную роль.

Также можно найти дополнительный буферный транзистор между Т2 и Т1, включенный по схеме эмиттерного повторителя. Необходимо уменьшить влияние Т1 и Т2 друг на друга, а также добиться большей чувствительности схемы.

Читайте также: Твердотельное реле: устройство, принцип работы, виды, схемы подключения

Описание работы схемы

Триггер Шмитта представляет собой компаратор с ПОС. В этой схеме часть электрического выходного сигнала операционного усилителя поступает на прямой вход и задает уровень, на который будет переключаться схема.

Операционный усилитель подключен к двухполярному источнику питания 5 вольт. На инверсный вход DA1 поступает синусоидальный сигнал, равный амплитуде 2 В. Сопротивления R1 и R2 имеют значения 25 кОм и 10 кОм.

Напряжение на прямой выход DA1 поступает с делителя напряжения, построенного на резисторах R1 и R2, который подключен к выходу ОУ. Расчетная формула для определения напряжения насыщения:

1. Uвх1 = + U * R2 / (R1 + R2) = 3,5 * 10 / 35 = 1 В
2. Uвх1=-U*R2/(R1+R2)=-3,5*10/35=-1 В

Когда на выходе ОУ есть напряжение с положительным потенциалом насыщения, напряжение на прямом входе равно 1 вольту. Предположим, что электрический входной сигнал постепенно увеличивается от нуля. Пока потенциал входного сигнала не превышает напряжения на прямом входе, схема находится в стабильном состоянии.

Как только электрический входной сигнал превысит значение 1 вольт, напряжение на входе операционного усилителя изменит полярность на отрицательное напряжение насыщения. Это изменит напряжение на прямом входе ОУ, и оно будет равно -1 вольту.

Электрический входной сигнал будет постепенно увеличиваться до максимума, а затем начнет уменьшаться. После того, как амплитуда сигнала на входе станет меньше 1 вольта, на выходе ОУ также будет отрицательный потенциал насыщения. Как только входной сигнал пройдет -1В, выходное напряжение изменится и будет равно положительному потенциалу насыщения.

Применение триггера Шмитта

Триггеры Шмитта используются там, где необходимо исключить «дребезг», в самом широком смысле этого слова. Например, если у вас есть механический переключатель, в тот момент, когда вы включаете или выключаете переключатель, в цепи возникают короткие замыкания и разрывы, пока соединение не будет окончательно завершено.

Этот отскок длится микро или даже наносекунды, но некоторые схемы (особенно цифровые) могут быть чувствительны к нему. Триггер Шмитта позволяет справиться с таким отскоком.

Другим примером может быть включение/выключение некоторых приборов на основе данных датчиков. Допустим, вам нужно включить обогреватель, когда температура понизится, и выключить, когда температура нормализуется.

Использование простого компаратора (устройства, выдающего выходное напряжение в зависимости от соотношения двух входов) приводит к своего рода дребезгу, если температура близка к точке перехода. Отопление и другие приборы не любят, когда их часто включают и выключают. Итак, вам нужен триггер Шмитта.

Компараторы в чистом виде вообще очень редко применяются в схемах из-за переходных процессов при напряжении, близком к напряжению переключения. Для устранения этих процессов вводится малая положительная обратная связь, превращающая компаратор в триггер Шмитта с малым гистерезисом.

Триггер Шмитта на операционном усилителе

Для построения триггера Шмитта используется компаратор на обычном операционном усилителе (ОУ) или специальная микросхема-компаратор, что встречается чаще.

Следует отметить, что при использовании ОУ в триггере Шмитта, если входной сигнал медленно нарастает или имеет шумы, существует вероятность многократного переключения выхода из-за неполного выключения выходного транзистора ОУ. -амп. Это связано с таким параметром ОУ, как входное напряжение.

Действие этого резистора (R3) заключается в смещении порога переключения в зависимости от состояния выхода компаратора или операционного усилителя.

Когда на выходе компаратора высокий уровень, это напряжение возвращается на неинвертирующий вход операционного усилителя. В результате порог переключения становится выше. При снижении выходного напряжения снижается и порог переключения. Это дает схеме так называемый гистерезис.

использование положительной обратной связи создает более высокий коэффициент усиления и, следовательно, переключение происходит быстрее. Это особенно полезно, когда входной сигнал изменяется медленно. Для увеличения быстродействия триггера Шмитта параллельно резистору ПОС включен так называемый быстродействующий конденсатор емкостью 10…100 пФ.

Подобрать резисторы, необходимые для работы триггера Шмитта, довольно просто. Уровень напряжения, необходимый для перехода триггера в противоположное ему состояние, задается делителем напряжения из резисторов R1 и R2. Это первое, что нужно сделать. Тогда резистор обратной связи R3 уже подобран.

Особенности построения Триггера Шмитта на ОУ

При использовании операционного усилителя в качестве компаратора будьте осторожны. Операционный усилитель предназначен для работы в цепях с отрицательной обратной связью. В результате производители операционных усилителей не гарантируют, что операционные усилители также будут надежно работать при разомкнутых цепях или положительной обратной связи, как в случае с триггером Шмитта.

Реализация триггера Шмитта на операционном усилителе

Два примера схемы операционного усилителя:

Триггер Шмитта на операционном усилителе: биполярный (слева) и униполярный (справа)

На рисунке показаны два варианта: с двухполярным и с однополярным питанием. В первом случае порог срабатывания такой же по модулю, но с другим знаком. Во втором случае пороги зависят от соотношения противников. Но в обеих схемах часть выходного сигнала поступает на вход через резистор положительной обратной связи Roc, тем самым сдвигая порог.

Обратите внимание, что униполярный вариант схемы получился инвертирующим: когда на входе высокий уровень, на выходе низкий, и наоборот. Дело в том, что мы используем входной сигнал инвертирующего входа, отсюда и «шиворот-навыворот”.

Кстати, в эту схему можно добавить ограничитель выходного напряжения. Это стабилитрон, через который осуществляется отрицательная обратная связь. Включается так:

Это решение полезно, если необходимо согласовать высокие напряжения предыдущей ступени и низкие напряжения следующей. Например, на входе может быть до 15 вольт от автомобильной электроники, а на выходе микросхема ТТЛ, которая оттягивается от 5 вольт.

Преимущества применения триггерных схем логики

Узнав, что означает триггер, полученные знания легко использовать для решения практических задач. Использование логических элементов:

• автоматизировать работу систем освещения;
• обеспечить безопасное подключение станков и других тяжелых грузов;
• предотвращение опасных режимов с помощью сигналов от внешних датчиков.

Для создания качественного устройства на основе триггеров рекомендуется использовать информацию, представленную в комплексе. Следует учитывать фактические условия эксплуатации, чтобы выбрать соответствующие функциональные компоненты конструкции.