Триггер Шмитта

редактировать

Передаточная функция триггера Шмитта. По горизонтальной и вертикальной оси отложены входное и выходное напряжение соответственно. T и -T - пороги переключения, а M и -M - уровни выходного напряжения.

В electronics, триггер Шмитта является компаратором Схема с гистерезисом реализована путем подачи положительной обратной связи на неинвертирующий вход компаратора или дифференциального усилителя. Это активная схема , которая преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой выходной сигнал. Схема называется «триггером», потому что выход сохраняет свое значение до тех пор, пока вход не изменится достаточно, чтобы вызвать изменение. В неинвертирующей конфигурации, когда входной сигнал выше, чем выбранный порог, выход высокий. Когда входной сигнал ниже другого (нижнего) выбранного порогового значения, выходной сигнал низкий, а когда входной сигнал находится между двумя уровнями, выходное значение сохраняет свое значение. Это двойное пороговое действие называется гистерезисом и подразумевает, что триггер Шмитта обладает памятью и может действовать как бистабильный мультивибратор (защелка или триггер ). Между двумя типами схем существует тесная связь: триггер Шмитта может быть преобразован в защелку, а защелка может быть преобразована в триггер Шмитта.

Триггерные устройства Шмитта обычно используются в приложениях преобразования сигналов для удаления шума из сигналов, используемых в цифровых схемах, в частности механического дребезга контактов в переключателях. Они также используются в конфигурациях с обратной связью с отрицательной обратной связью для реализации генераторов релаксации, используемых в генераторах функций и импульсных источниках питания..

Сравнение действия обычного компаратора (A) и триггера Шмитта (B) на зашумленный аналоговый входной сигнал (U). Зеленые пунктирные линии - пороги переключения схемы. Триггер Шмитта имеет тенденцию удалять шум из сигнала.

Содержание

1 Изобретение
2 Реализация
- 2.1 Основная идея
- 2.2 Транзисторные триггеры Шмитта
  - 2.2.1 Классическая схема с эмиттерной связью
    - 2.2.1.1 Эксплуатация
    - 2.2.1.2 Варианты
  - 2.2.2 Схема, связанная с коллектором и базой
- 2.3 Сравнение схем с эмиттерной и коллекторной связью
- 2.4 Реализации операционных усилителей
  - 2.4. 1 Неинвертирующий триггер Шмитта
  - 2.4.2 Инвертирующий триггер Шмитта
3 Применение
- 3.1 Помехозащищенность
- 3.2 Использование в качестве генератора
4 См. Также
5 Примечания
6 Ссылки
7 Внешние ссылки

Изобретение

Триггер Шмитта был изобретен американским ученым Отто Х. Шмиттом в 1934 году, когда он был аспирантом, что позже описано в его докторской диссертации ( 1937 г.) как «термоэмиссионный триггер». Это был прямой результат исследования Шмитта распространения нейронных импульсов в squid нервах.

Реализация

Основная идея

Блок-схема схемы триггера Шмитта. Это система с положительной обратной связью, в которой выходной сигнал, подаваемый обратно на вход, заставляет усилитель A быстро переключаться из одного состояния насыщения в другое, когда входной сигнал пересекает пороговое значение.. A>1 равно усилитель коэффициент усиления. B< 1 is the feedback передаточная функция

Схемы с гистерезисом основаны на фундаментальной идее положительной обратной связи: любую активную схему можно заставить вести себя как триггер Шмитта, применив положительную обратную связь, так что петля усиление больше единицы. Положительная обратная связь вводится путем добавления части выходного напряжения к входному напряжению. Эти схемы содержат «аттенюатор» (прямоугольник B на рисунке справа) и «лето» (кружок со знаком «+» внутри) в дополнение к усилителю, действующему как компаратор. Есть три конкретных метода реализации этой общей идеи. первые две из них являются двойными версиями (последовательной и параллельной) общей системы положительной обратной связи. В этих конфигурациях выходное напряжение увеличивает эффективную разность входных напряжений компаратора посредством «уменьшения порога» или «увеличения входного напряжения схемы»; порог и свойства памяти объединены в один элемент. В третьем методе пороговое значение и свойства памяти разделены.

Динамический порог (последовательная обратная связь):, когда входное напряжение пересекает пороговое значение в некотором направлении, сама схема изменяет свой собственный порог в противоположном направлении. Для этого он вычитает часть своего выходного напряжения из порогового значения (это равняется добавлению напряжения к входному напряжению). Таким образом, выход влияет на порог и не влияет на входное напряжение. Эти схемы реализованы дифференциальным усилителем с «последовательной положительной обратной связью», где вход подключен к инвертирующему входу, а выход - к неинвертирующему входу. В этой схеме затухание и суммирование разделены: делитель напряжения действует как аттенюатор, а контур действует как простой сумматор последовательного напряжения. Примерами являются классический транзисторный триггер Шмитта с эмиттерной связью, инвертирующий триггер Шмитта на операционном усилителе и т. Д.

Измененное входное напряжение (параллельная обратная связь): когда вход напряжение пересекает порог в каком-то направлении, схема изменяет свое входное напряжение в том же направлении (теперь она добавляет часть своего выходного напряжения непосредственно к входному напряжению). Таким образом, выход увеличивает входное напряжение и не влияет на порог. Эти схемы могут быть реализованы с помощью несимметричного неинвертирующего усилителя с «параллельной положительной обратной связью», в котором входной и выходной источники подключаются через резисторы к входу. Два резистора образуют взвешенный параллельный сумматор, включающий как затухание, так и суммирование. Примерами являются менее знакомые триггеры Шмитта с коллекторной базой, неинвертирующий триггер Шмитта на операционном усилителе и т. Д.

Некоторые схемы и элементы, имеющие отрицательное сопротивление также может действовать аналогичным образом: преобразователи отрицательного импеданса (NIC), неоновые лампы, туннельные диоды (например, диод с N-образная вольт-амперная характеристика в первом квадранте) и т. Д. В последнем случае колебательный вход заставит диод перемещаться от одного восходящего плеча «N» к другому и обратно при пересечении входа повышающийся и понижающийся пороги переключения.

Два разных однонаправленных порога назначаются в этом случае двум отдельным компараторам с разомкнутым контуром (без гистерезиса), управляющим бистабильным мультивибратором (защелкой) или триггером. Триггер переключается на высокий уровень, когда входное напряжение пересекает верхний порог вниз, и на низкий, когда входное напряжение пересекает нижний порог. Опять же, есть положительная обратная связь, но теперь она сосредоточена только в ячейке памяти. Примерами являются таймер 555 и схема защиты от дребезга переключателя.

Показан символ триггера Шмитта с неинвертирующей кривой гистерезиса , встроенной в буфер . Триггеры Шмитта также могут быть показаны с инвертированными кривыми гистерезиса и могут сопровождаться пузырьками. Необходимо ознакомиться с документацией для конкретного используемого триггера Шмитта, чтобы определить, является ли устройство неинвертирующим (т. Е. Когда положительные выходные переходы вызываются положительными входами) или инвертирующими (то есть, где положительные выходные переходы вызваны отрицательными-

Символ для триггеров Шмитта на принципиальных схемах представляет собой треугольник с символом внутри, представляющим идеальную кривую гистерезиса.

Транзисторные триггеры Шмитта

Классическая схема с эмиттерной связью

Триггер Шмитта, реализованный двумя транзисторными каскадами с эмиттерной связью

Исходный триггер Шмитта основан на динамическом пороге идея, реализованная в делителе напряжения с переключаемой верхней ножкой (коллекторные резисторы R C1 и R C2) и устойчивой нижней ножкой (R E). Q1 действует как компаратор с дифференциальным входом (переход база-эмиттер Q1), состоящим из инвертирующего (база Q1) и неинвертирующего (эмиттер Q1) входов. Входное напряжение подается на инвертирующий вход; выходное напряжение делителя напряжения подается на неинвертирующий вход, таким образом определяя его порог. Выход компаратора управляет вторым общим коллекторным каскадом Q2 (эмиттерным повторителем) через делитель напряжения R 1-R2. Транзисторы Q1 и Q2 с эмиттерной связью фактически составляют электронный переключатель двойного направления, который переключает верхние ножки делителя напряжения и изменяет порог в другом (относительно входного напряжения) направлении.

Эту конфигурацию можно рассматривать как дифференциальный усилитель с последовательной положительной обратной связью между его неинвертирующим входом (база Q2) и выходом (коллектор Q1), который вызывает переходный процесс. Также имеется меньшая отрицательная обратная связь, создаваемая эмиттерным резистором R E. Чтобы положительная обратная связь преобладала над отрицательной и чтобы получить гистерезис, соотношение между двумя резисторами коллектора выбрано R C1>RC2. Таким образом, при включении Q1 через R E протекает меньший ток и меньше падение напряжения, чем в случае, когда Q2 включен. В результате схема имеет два разных порога относительно земли (V - на изображении).

Работа

Исходное состояние. Для NPN-транзисторов, показанных справа, представьте, что входное напряжение ниже напряжения общего эмиттера (высокий порог для конкретности), так что переход база-эмиттер Q1 является обратным -смещен и Q1 не проводит. Базовое напряжение Q2 определяется упомянутым делителем, так что Q2 является проводящим, а триггерный выход находится в низком состоянии. Два резистора R C2 и R E образуют еще один делитель напряжения, который определяет верхний порог. Пренебрегая V BE, верхнее пороговое значение примерно равно

VHT = RERE + RC 2 V + {\ displaystyle V _ {\ mathrm {HT}} = {\ frac {R _ {\ mathrm {E} }} {R _ {\ mathrm {E}} + R _ {\ mathrm {C2}}}} {V _ {+}}}

V_\ma thrm{HT} = \frac{R_\mathrm{E}}{R_\mathrm{E} + R_\mathrm{C2}}{V_+}

Выходное напряжение низкое, но находится над землей. Он приблизительно равен верхнему порогу и может быть недостаточно низким, чтобы быть логическим нулем для следующих цифровых схем. Для этого может потребоваться дополнительная схема переключения после схемы запуска.

Пересечение верхнего порога. Когда входное напряжение (базовое напряжение Q1) немного превышает напряжение на эмиттерном резисторе R E (верхний порог), Q1 начинает проводить. Его коллекторное напряжение падает, и Q2 начинает отключаться, потому что делитель напряжения теперь обеспечивает более низкое базовое напряжение Q2. Напряжение общего эмиттера следует за этим изменением и понижается, заставляя Q1 проводить больше. Ток начинает двигаться от правой ноги цепи к левой. Хотя Q1 более проводящий, он пропускает меньше тока через R E (так как R C1>RC2); напряжение эмиттера продолжает падать, а эффективное напряжение база-эмиттер Q1 непрерывно увеличивается. Этот лавинообразный процесс продолжается до тех пор, пока Q1 не станет полностью включенным (насыщенным), а Q2 не выключится. Триггер переходит в состояние высокого уровня, а выходное напряжение (коллектор Q2) близко к V +. Теперь два резистора R C1 и R E образуют делитель напряжения, который определяет нижний порог. Его значение примерно

VLT = RERE + RC 1 V + {\ displaystyle V _ {\ mathrm {LT}} = {\ frac {R _ {\ mathrm {E}}} {R _ {\ mathrm {E}} + R _ {\ mathrm {C1}}}} {V _ {+}}}

V_\mathrm{LT} = \frac{R_\mathrm{E}}{R_\mathrm{E} + R_\mathrm{C1}}{V_+}

Переход вниз нижнего порога. Теперь, когда триггер находится в высоком состоянии, если входное напряжение достаточно падает (ниже нижнего порога), Q1 начинает отсечение. Снижается ток коллектора; в результате общее напряжение эмиттера немного снижается, а напряжение коллектора Q1 значительно возрастает. Делитель напряжения R 1-R2передает это изменение в базовое напряжение Q2, и он начинает проводить. Напряжение на R E повышается, дополнительно уменьшая потенциал Q1 база-эмиттер таким же лавинообразным образом, и Q1 перестает проводить. Q2 полностью включается (насыщается), и выходное напряжение снова становится низким.

Варианты

Символ, изображающий инвертирующий триггер Шмитта, показывающий инвертированную кривую гистерезиса внутри буфера. Другие символы показывают кривую гистерезиса (которая может быть инвертирующей или неинвертирующей), встроенной в буфер, за которой следует пузырь, который аналогичен традиционному символу для цифрового инвертора , который показывает буфер, за которым следует пузырь. В общем, направление триггера Шмитта (инвертирующее или неинвертирующее) не обязательно ясно из символа, потому что используется несколько соглашений, даже с одним и тем же производителем. Есть несколько факторов, ведущих к такой неоднозначности. Эти обстоятельства могут потребовать более тщательного изучения документации для каждого конкретного триггера Шмитта.

Неинвертирующая схема. Классический неинвертирующий триггер Шмитта можно превратить в инвертирующий триггер. путем снятия V с с эмиттеров вместо коллектора Q2. В этой конфигурации выходное напряжение равно динамическому порогу (напряжению общего эмиттера), и оба выходных уровня находятся вдали от шин питания. Другой недостаток заключается в том, что нагрузка изменяет пороги, поэтому она должна быть достаточно высокой. Резистор базы R B является обязательным для предотвращения влияния входного напряжения через переход база-эмиттер Q1 на напряжение эмиттера.

Схема с прямой связью. Для упрощения схемы можно не использовать делитель напряжения R 1–R2, подключая коллектор Q1 непосредственно к базе Q2. Базовый резистор R B также можно не устанавливать, чтобы источник входного напряжения напрямую управлял базой Q1. В этом случае напряжение общего эмиттера и напряжение коллектора Q1 не подходят для выходов. В качестве выхода следует использовать только коллектор Q2, поскольку, когда входное напряжение превышает верхний порог и Q1 насыщается, его переход база-эмиттер смещается в прямом направлении и передает изменения входного напряжения непосредственно на эмиттеры. В результате напряжение общего эмиттера и напряжение коллектора Q1 следуют за входным напряжением. Эта ситуация типична для транзисторных дифференциальных усилителей и затворов ECL.

Схема связи коллектор-база

BJT Бистабильная схема связи коллектор-база может быть преобразована в триггер Шмитта путем подключения дополнительного базового резистора к одной из баз.

Как и любая защелка, Основная бистабильная схема коллектор-база имеет гистерезис. Таким образом, его можно преобразовать в триггер Шмитта, подключив дополнительный базовый резистор R к одному из входов (база Q1 на рисунке). Два резистора R и R 4 образуют параллельное сумматор напряжения (кружок на блок-схеме над), которое суммирует выходное (коллектор Q2) напряжение и входное напряжение и управляет одиночным транзисторный "компаратор" Q1. Когда базовое напряжение пересекает пороговое значение (V BE0 ∞ 0,65 В) в некотором направлении, часть напряжения коллектора Q2 добавляется в том же направлении к входному напряжению. Таким образом, выход изменяет входное напряжение посредством параллельной положительной обратной связи и не влияет на порог (напряжение база-эмиттер).

Сравнение схем с эмиттерной и коллекторной связью

Версия с эмиттерной связью имеет то преимущество, что входной транзистор имеет обратное смещение, когда входное напряжение значительно ниже верхнего порога, поэтому транзистор обязательно отключение. Это было важно, когда для реализации схемы использовались германиевые транзисторы, и это преимущество определило ее популярность. Входной базовый резистор можно не устанавливать, поскольку эмиттерный резистор ограничивает ток, когда входная база-эмиттерный переход смещен в прямом направлении.

Выходной уровень логического нуля триггера Шмитта с эмиттерной связью может быть недостаточно низким и может потребоваться дополнительная схема сдвига выходного сигнала. Триггер Шмитта с коллекторной связью имеет чрезвычайно низкий (почти нулевой) выход при логическом нуле.

Реализации операционных усилителей

Триггеры Шмитта обычно реализуются с использованием операционного усилителя или специального компаратора . Операционный усилитель с разомкнутым контуром и компаратор можно рассматривать как аналого-цифровое устройство, имеющее аналоговые входы и цифровой выход, которое извлекает знак разности напряжений между двумя своими входами. Положительная обратная связь применяется путем добавления части выходного напряжения к входному напряжению последовательно последовательно или параллельно. Из-за чрезвычайно высокого коэффициента усиления операционного усилителя коэффициент усиления также достаточно высок и обеспечивает лавинообразный процесс.

Неинвертирующий триггер Шмитта

Триггер Шмитта, реализованный с помощью неинвертирующего компаратора

В этой схеме два резистора R 1 и R 2 образуют параллельное летнее напряжение. Он добавляет часть выходного напряжения к входному напряжению, тем самым увеличивая его во время и после переключения, которое происходит, когда результирующее напряжение близко к земле. Эта параллельная положительная обратная связь создает необходимый гистерезис , который регулируется соотношением между сопротивлениями R 1 и R 2. Выход сумматора параллельного напряжения является несимметричным (он вырабатывает напряжение относительно земли), поэтому для схемы не требуется усилитель с дифференциальным входом. Так как обычные операционные усилители имеют дифференциальный вход, инвертирующий вход заземлен, чтобы опорная точка нуля вольт.

Выходное напряжение всегда имеет тот же знак, что и входное напряжение операционного усилителя, но не всегда имеет тот же знак, что и входное напряжение схемы (знаки двух входных напряжений могут отличаться). Когда входное напряжение схемы выше верхнего порога или ниже нижнего порога, выходное напряжение имеет тот же знак, что и входное напряжение схемы (схема не инвертирующая). Он действует как компаратор, который переключается в другой точке в зависимости от того, высокий или низкий на выходе компаратора. Когда входное напряжение схемы находится между пороговыми значениями, выходное напряжение не определено и зависит от последнего состояния (схема ведет себя как элементарная защелка ).

Типичная передаточная функция неинвертирующего триггера Шмитта, как в схеме выше.

Например, если триггер Шмитта в настоящее время находится в высоком состоянии, на выходе будет положительный источник питания рельс (+ V S). Выходное напряжение V + резистивного сумматора можно найти, применив теорему суперпозиции :

V + = R 2 R 1 + R 2 ⋅ V in + R 1 R 1 + R 2. ⋅ В s {\ displaystyle V _ {\ mathrm {+}} = {\ frac {R_ {2}} {R_ {1} + R_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}} + {\ frac {R_ {1}} {R_ {1} + R_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {s}}}

V_\mathrm{+} = \frac{R_2}{R_1+R_2} \cdot V_\mathrm{in} + \frac{R_1}{R_1+R_2} \cdot V_\mathrm{s}

Компаратор переключится, когда V + = 0. Тогда $R 2 ⋅ V in = - R 1 ⋅ V s {\ displaystyle {R_ {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}} = - {R_ {1}} \ cdot V _ {\ mathrm { s}}}$ ${R_2}\cdot V_\mathrm{in} = -{R_1}\cdot V_\mathrm{s}$ (такой же результат можно получить, применив текущий принцип сохранения). Итак, $V in {\ displaystyle V _ {\ text {in}}}$ $V_{\text{in}}$ должно быть ниже $- R 1 R 2 V s {\ displaystyle - {\ frac {R_ {1}} {R_ {2}}} {V_ {s}}}$ $-\frac{R_1}{R_2}{V_s}$ , чтобы переключить выход. Как только выход компаратора переключается на -V S, порог становится $+ R 1 R 2 V s {\ displaystyle + {\ frac {R_ {1}} {R_ {2}}} {V_ {s}}}$ $+\frac{R_1}{R_2}{V_s}$ , чтобы снова переключиться на высокий. Таким образом, эта схема создает полосу переключения с центром на нуле с уровнями запуска $± R 1 R 2 V s {\ displaystyle \ pm {\ frac {R_ {1}} {R_ {2}}} {V_ {s} }}$ $\pm\frac{R_1}{R_2}{V_s}$ (его можно сдвинуть влево или вправо, подав напряжение смещения на инвертирующий вход). Входное напряжение должно подниматься выше верхней границы диапазона, а затем ниже нижней границы диапазона, чтобы выход включился (плюс), а затем снова выключился (минус). Если R 1 равно нулю или R 2 равно бесконечности (т. Е. разомкнутая цепь ), полоса сжимается до нулевой ширины и ведет себя как стандартный компаратор. Передаточная характеристика показана на рисунке слева. Значение порога T определяется как $R 1 R 2 V s {\ displaystyle {\ frac {R_ {1}} {R_ {2}}} {V_ {s}}}$ $\frac{R_1}{R_2}{V_s}$ а максимальное значение выхода M - это шина питания.

Практическая конфигурация триггера Шмитта с точными пороговыми значениями

Уникальным свойством схем с параллельной положительной обратной связью является влияние на источник входного сигнала. В схемах с отрицательной параллельной обратной связью (например, инвертирующий усилитель) виртуальная земля на инвертирующем входе отделяет входной источник от выхода операционного усилителя. Здесь нет виртуальной земли, и устойчивое выходное напряжение операционного усилителя подается через сеть R 1-R2на входной источник. Выход операционного усилителя пропускает противоположный ток через источник входного сигнала (он вводит ток в источник, когда входное напряжение положительное, и потребляет ток из источника, когда оно отрицательное).

Практичный триггер Шмитта с точными порогами показан на рисунке справа. Передаточная характеристика имеет точно такую же форму, что и предыдущая базовая конфигурация, и пороговые значения также такие же. С другой стороны, в предыдущем случае выходное напряжение зависело от источника питания, а теперь оно определяется стабилитронами (которые также можно было заменить одиночными). В этой конфигурации выходные уровни могут быть изменены путем соответствующего выбора стабилитрона, и эти уровни устойчивы к колебаниям источника питания (т.е. они увеличивают PSRR компаратора). Резистор R 3 предназначен для ограничения тока через диоды, а резистор R 4 минимизирует смещение входного напряжения, вызванное входными токами утечки компаратора (см. ограничения для настоящие операционные усилители ).

Инвертирующий триггер Шмитта

Триггер Шмитта, реализованный инвертирующим компаратором

В инвертирующей версии затухание и суммирование разделены. Два резистора R 1 и R 2 действуют только как «чистый» аттенюатор (делитель напряжения). Входной контур действует как простой сумматор последовательного напряжения, который добавляет часть выходного напряжения последовательно к входному напряжению схемы. Эта последовательная положительная обратная связь создает необходимый гистерезис, который регулируется соотношением между сопротивлениями R 1 и всем сопротивлением (R 1 и R 2). Эффективное напряжение, подаваемое на вход операционного усилителя, является плавающим, поэтому операционный усилитель должен иметь дифференциальный вход.

Схема называется инвертирующей, поскольку выходное напряжение всегда имеет знак, противоположный входному напряжению, когда оно находится вне цикла гистерезиса (когда входное напряжение выше верхнего порога или ниже нижнего порога). Однако, если входное напряжение находится в пределах цикла гистерезиса (между верхним и нижним порогами), схема может быть как инвертирующей, так и неинвертирующей. Выходное напряжение не определено и зависит от последнего состояния, поэтому схема ведет себя как элементарная защелка.

Для сравнения двух версий работа схемы будет рассматриваться при тех же условиях, что и выше. Если триггер Шмитта в настоящее время находится в состоянии высокого уровня, выход будет на положительной шине питания (+ V S). Выходное напряжение V + делителя напряжения равно:

V + = R 1 R 1 + R 2 ⋅ V s {\ displaystyle V _ {\ mathrm {+}} = {\ frac {R_ {1}} {R_ {1} + R_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {s}}}

V_\mathrm{+} = \frac{R_1}{R_1+R_2} \cdot V_\mathrm{s}

Компаратор переключится, когда V в = V +. Итак, $V in {\ displaystyle V _ {\ text {in}}}$ $V_{\text{in}}$ должно превышать это напряжение, чтобы выход переключился. Как только выход компаратора переключается на -V S, порог становится $- R 1 R 1 + R 2 V s {\ displaystyle - {\ frac {R_ {1}} {R_ {1 } + R_ {2}}} {V_ {s}}}$ $-\frac{R_1}{R_1+R_2}{V_s}$ для переключения обратно на высокий. Таким образом, эта схема создает полосу переключения с центром на нуле с уровнями запуска $± R 1 R 1 + R 2 V s {\ displaystyle \ pm {\ frac {R_ {1}} {R_ {1} + R_ {2 }}} {V_ {s}}}$ $\pm\frac{R_1}{R_1 + R_2}{V_s}$ (его можно сдвинуть влево или вправо, подключив R 1 к напряжению смещения). Входное напряжение должно подниматься выше верхней границы диапазона, а затем ниже нижней границы диапазона, чтобы выход выключился (минус), а затем снова включился (плюс). Если R 1 равно нулю (т. Е. короткое замыкание ) или R 2 равно бесконечности, полоса сжимается до нулевой ширины и ведет себя как стандартный компаратор.

В отличие от параллельной версии, эта схема не влияет на источник входного сигнала, поскольку источник отделен от выхода делителя напряжения высоким дифференциальным сопротивлением входа операционного усилителя.

В инвертирующем усилителе падение напряжения на резисторе (R1) определяет опорные напряжения, то есть верхнее пороговое напряжение (V +) и нижнее пороговое напряжение (V-) для сравнения с подаваемым входным сигналом. Эти напряжения фиксированы, как и выходное напряжение, и номиналы резистора.

, поэтому, изменяя падение на (R1) пороговых напряжений, можно изменять. Посредством добавления напряжения смещения последовательно с резистором (R1) падение на нем может быть изменено, что может изменить пороговые напряжения. Желаемые значения опорных напряжений могут быть получены путем изменения напряжения смещения.

Приведенные выше уравнения можно изменить как $± V s (R 1 / R 1 + R 2) + V b (R 2 / R 1 + R 2) {\ displaystyle \ pm Vs (R1 / R1 + R2) + Vb (R2 / R1 + R2)}$ $\pm Vs(R1/R1+R2)+Vb(R2/R1+R2)$

Приложения

Триггеры Шмитта обычно используются в конфигурациях с разомкнутым контуром для обеспечения помехоустойчивости и с замкнутым контуром для реализации генераторы функций.

Аналого-цифровое преобразование : Триггер Шмитта фактически представляет собой однобитный аналого-цифровой преобразователь. Когда сигнал достигает заданного уровня, он переключается из своего низкого состояния в высокое.
Определение уровня : Схема триггера Шмитта может обеспечивать определение уровня. При выполнении этого приложения необходимо учитывать напряжение гистерезиса, чтобы схема включала требуемое напряжение.
Прием линии : при запуске линии данных, которая могла принять шум в логический элемент необходимо гарантировать, что уровень логического выхода изменяется только при изменении данных, а не в результате паразитного шума, который мог быть обнаружен. Использование триггера Шмитта в широком смысле позволяет размаху шума достичь уровня гистерезиса до того, как может произойти ложный запуск.

Помехозащищенность

Одним из применений триггера Шмитта является повышение помехозащищенности в цепи только с одним порогом входа. При наличии только одного входного порога зашумленный входной сигнал, близкий к этому пороговому значению, может привести к быстрому переключению выхода назад и вперед только от шума. Шумный входной сигнал триггера Шмитта около одного порога может вызвать только одно переключение выходного значения, после чего он должен будет выйти за пределы другого порога, чтобы вызвать другое переключение.

Например, усиленный инфракрасный фотодиод может генерировать электрический сигнал, который часто переключается между своим абсолютным минимальным значением и своим абсолютным максимальным значением. Затем этот сигнал подвергается фильтрации нижних частот, чтобы сформировать плавный сигнал, который нарастает и падает в соответствии с относительной продолжительностью включения и выключения сигнала переключения. Отфильтрованный выходной сигнал поступает на вход триггера Шмитта. Конечный результат заключается в том, что выходной сигнал триггера Шмитта переходит от низкого уровня к высокому только после того, как принятый инфракрасный сигнал возбуждает фотодиод в течение более длительного периода, чем некоторый известный период, и как только триггер Шмитта становится высоким, он перемещается вниз только после того, как инфракрасный сигнал перестает возбуждать фотодиод дольше, чем аналогичный известный период. В то время как фотодиод подвержен ложному переключению из-за шума окружающей среды, задержка, добавляемая фильтром и триггером Шмитта, гарантирует, что выход переключается только тогда, когда действительно есть вход, стимулирующий устройство.

Триггеры Шмитта распространены во многих схемах переключения по аналогичным причинам (например, для срабатывания переключателя ).

Список микросхем, включая входные триггеры Шмитта

Philips 74HCT14D, шестнадцатеричный инвертирующий триггер Шмитта

Следующие устройства серии 7400 включают триггер Шмитта на своих входах: (см. Список интегральных схем серии 7400 )

7413: Двойной триггер Шмитта с 4 входами NAND Gate
7414: Инвертор с шестнадцатеричным триггером Шмитта
7418: Двойной триггер Шмитта с 4 входами NAND Gate
7419: шестигранный триггер Шмитта, инвертор
74121: моностабильный мультивибратор с триггерными входами Шмитта
74132: четырехканальный двухвходовой триггер Шмитта И-НЕ
74221: двойной моностабильный Мультивибратор с триггерным входом Шмитта
74232: Quad NOR Триггер Шмитта
74310: восьмеричный буфер с триггерными входами Шмитта
74340: восьмеричный буфер с триггерными входами Шмитта и трехуровневым инвертированным выходы
74341: восьмеричный буфер с входами триггера Шмитта и неинвертированными выходами с тремя состояниями
74344: восьмеричный буфер с входами триггера Шмитта и неинвертированными выходами с тремя состояниями
74 (HC / HCT) 7 541 Восьмеричный буфер с входами триггера Шмитта и неинвертированными выходами с тремя состояниями
SN74LV8151 - это 10-битный универсальный буфер триггера Шмитта с Выходы с 3 состояниями

Некоторые устройства серии 4000 включают триггер Шмитта на своих входах: (см. Список интегральных схем серии 4000 )

4017: Счетчик декады с Декодированные выходы
4020: 14-ступенчатый двоичный счетчик пульсаций
4022: восьмеричный счетчик с декодированными выходами
4024: 7-ступенчатый двоичный счетчик пульсаций
4040 : 12-ступенчатый двоичный счетчик пульсаций
4093: Quad 2-Input NAND
4538: Двойной моностабильный мультивибратор
4584: шестнадцатеричный инвертирующий триггер Шмитта
40106 : Hex Inverter

Конфигурируемые входом Шмитта микросхемы с одним затвором: (см. Список интегральных схем серии 7400 # Одностворчатые микросхемы )

NC7SZ57 Fairchild
NC7SZ58 Fairchild
SN74LVC1G57 Texas Instruments
SN74LVC1G58 Texas Instruments

Использование в качестве генератора

Выход и конденсатор формы сигналов для компаратора релаксационного генератора

Реализация релаксационного генератора на основе триггера Шмитта

Триггер Шмитта представляет собой бистабильный мультивибратор, и его можно использовать для реализации другого типа мультивибратора, генератора релаксации. Это достигается подключением одной интегрирующей RC-цепи между выходом и входом инвертирующего триггера Шмитта. На выходе будет непрерывная прямоугольная волна, частота которой зависит от значений R и C и пороговых точек триггера Шмитта. Поскольку несколько схем триггера Шмитта могут быть обеспечены одной интегральной схемой (например, серия 4000 КМОП устройство типа 40106 содержит 6 из них), запасная часть ИС может быть быстро введена в эксплуатацию как простой и надежный генератор всего с двумя внешними компонентами.

Here, a comparator-based Schmitt trigger is used in its inverting configuration. Additionally, slow negative feedback is added with an integrating RC network. The result, which is shown on the right, is that the output automatically oscillates from VSSto VDDas the capacitor charges from one Schmitt trigger threshold to the other.

Notes

References

External links

Wikimedia Commons has media related to Schmitt triggers.