Тригер на Шмит: Какво е и как работи?

Поле: Основни електротехника

China

Какво е тригер на Шмит?

Тригерът на Шмит е компараторен циркуит с хистерезис, реализиран чрез прилагане на положителна обратна връзка към неинвертиращия вход на компаратор или диференциален усилвател. Тригерът на Шмит използва две различни прагови нива на напряжение, за да избегне шума в входния сигнал. Действието от това двойно прагово ниво е известно като хистерезис.

Тригерът на Шмит е изобретен от американския учен Ото Х. Шмит през 1934 г.

Обикновеният компаратор съдържа само един прагов сигнал. И той сравнява праговия сигнал с входния сигнал. Но, ако входният сигнал има шум, той може да повлияе на изходния сигнал. a schmitt trigger.png

В горната фигура, поради шума в местата A и B, входният сигнал (V1) пресича нивото на референтния сигнал (V2). През този период V1 е по-малко от V2 и изходът е нисък.

Следователно, изходът на компаратора е влияет от шума в входния сигнал. И компараторът не е защитен от шума.

„Тригерът“ в името „Тригер на Шмит“ произлиза от факта, че изходът запазва своето стойност, докато входът не варира достатъчно, за да „тригерира“ промяна.

Как работи тригерът на Шмит?

Тригерът на Шмит дава правилни резултати дори ако входният сигнал е шумен. Използва два прага на напрежението; единият е горният праг на напрежението (VUT), а вторият е долният праг на напрежението (VLT).

Изходът на тригера на Шмит остава нисък, докато входният сигнал не пресече VUT. Когато входният сигнал пресече тази граница VUT, изходният сигнал на тригера на Шмит остава висок, докато входният сигнал не е под нивото на VLT.

Да разберем как работи тригерът на Шмит с пример. Предполагаме, че началният вход е нула.

Ефект на шума с Шмитов тригер

Тук предполагаме, че началният входен сигнал е нула и той постепенно нараства, както е показано на горната фигура.

Изходният сигнал на Шмитовия тригер остава нисък до точка А. В точка А, входният сигнал преминава над равнището на горната прагова стойност (VUT) и генерира висок изходен сигнал.

Изходният сигнал остава висок до точка B. В точка B, входният сигнал преминава под долния праг. И това прави изходния сигнал нисък.

Отново, в точка C, когато входният сигнал преминава над горния праг, изходният сигнал е висок.

В това състояние можем да видим, че входният сигнал е шумлив. Но шумът не влияе на изходния сигнал.

Шмитов тригер

Шмитовият тригер използва положителна обратна връзка. Поради това, този контур е известен и като регенеративен компараторен контур. Шмитовият тригер може да бъде проектиран с помощта на Оп-Амп и Транзистор. И той е класифициран като:

Шмитов тригер, основан на Оп-Амп
Шмитов тригер, основан на Транзистор

Шмитов тригер, основан на Оп-Амп

Шмитовият тригер може да бъде проектиран с помощта на Оп-Амп по два начина. Ако входният сигнал е свързан с инвертиращата точка на Оп-Амп, той е известен като Инвертиращ Шмитов тригер. А ако входният сигнал е свързан с неинвертиращата точка на Оп-Амп, той е известен като Неинвертиращ Шмитов тригер.

Инвертиращ Шмитов тригер

В този тип шмитов тригер входът се дава на инвертиращия вход на операционния усилвател. И положителната обратна връзка от изход към вход.

Сега, нека разберем как работи този циркуит. В точка А, напрежението е V и приложено напрежение (входно напрежение) е Vin. Ако приложеното напрежение Vin е по-голямо от V, изходът на циркуита ще бъде нисък. И ако приложеното напрежение Vin е по-малко от V, изходът на циркуита ще бъде висок.

$V_{in} > V \quad V_{out} = V_L$

$V_{in} < V \quad V_{out} = V_H$

Сега, изчислете уравнението за V.

Прилагайки Закона на Кирхоф за тока (KCL),

$\frac{V-0}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V (\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{out}$

Сега, нека приемем, че изходът на тригер Шмит е висок. В това състояние

$V_{out} = V_H \quad and \quad V=V_1$

Следователно, от горното уравнение;

$V_1 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

Когато входният сигнал е по-голям от V1, изходът на тригерът Шмит ще стане нисък. Следователно, V1 е горна прагова напрежение (VUT).

$V_{UT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

Изходът ще остане нисък, докато входният сигнал е по-малък от V. Когато изходът на тригерът Шмит е нисък, в тази ситуация,

$V_{out} = V_L \quad and \quad V=V_2$

$V_2 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

Сега, изходът остава висок, докато входният сигнал е по-малък от V2. Следователно, V2 се нарича долен прагов напрежение (VLT).

$V_{LT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

Невероятната Шмитова клетка

В невероятната Шмитова клетка, входният сигнал се прилага на невероятния терминал на операционния усилвател. И положителна обратна връзка се прилага от изход към вход. Инвертиращият терминал на операционния усилвател е свързан с земната точка. Електричната схема на невероятната Шмитова клетка е показана на следващата фигура.

В тази схема, изходът на Шмитовата клетка ще бъде висок, когато напрежението V е по-голямо от нула. И изходът ще бъде нисък, когато напрежението V е по-малко от нула.

$V>0 , V_{out} = V_H$

$V<0 , V_{out} = V_L$

Сега, нека намерим уравнението за напрежението V. За това прилагаме KCL в този възел.

$\frac{V-V_{in}}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} - \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V \left(\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2} \right) = \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{out}$

Сега, предполагаме, че изходът на операционния усилвател е нисък. Следователно, изходното напрежение на тригера Шмит е VL. И напрежението V е равно на V1.

В това състояние,

$V_{out} = V_L \quad and \quad V = V_1$

От горното уравнение,

$V_1 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

Когато напрежението V1 е по-голямо от нула, изходът ще бъде висок. В това състояние,

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} > - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

$V_{in} > -\frac{R_1}{R_2} V_L$

Когато горното условие е изпълнено, изходът ще бъде висок. Следователно, това уравнение дава стойността на горната прагова напрегнатост (VUT).

$V_{UT} = - \frac{R_1}{R_2} V_L$

Сега предположете, че изходът на тригер Шмит е висок. И напрежението V е равно на V2.

$V_{out} = V_H \quad and \quad V = V_2$

От уравнението за напрежението V.

$V2 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

Изходът на тригера Шмит ще стане нисък, когато напрежението V2 е по-малко от нула. В това състояние,

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} < - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

$\[ V_{in} < -\frac{R_1}{R_2} V_H$

Показаното по-горе уравнение дава стойността на долния прагов напрежение (VLT).

$V_{LT} = -\frac{R_1}{R_2} V_H$

Транзисторен Шмиттригер

Шмиттригерът може да бъде проектиран с помощта на два транзистора. Схемата на транзисторния Шмиттригер е показана в по-долния схематичен чертеж.

Vin = входно напрежение
Vref = референтно напрежение = 5В

Да предположим, че в началото входното напрежение Vin е нула. Входното напрежение се подава към базата на транзистора T1. В това състояние транзисторът T1 работи в режим на отсечка и не провежда.

Va и Vb са напреженията на възлите. Референтното напрежение е 5В. Можем да изчислим стойностите на Va и Vb с помощта на правилото за делител на напрежението.

Напрежението Vb се подава на базата на транзистора T2. То е 1,98В. Следователно, транзисторът T2 провежда. И поради това, изходът на тригера Шмит е нисък. Падането на емитера е около 0,7В. Следователно, напрежението на базата на транзистора е 1,28В.

Емитерът на транзистора T2 е свързан с емитера на транзистора T1. Следователно, двете транзистори работят на едно и също напрежение от 1,28В.

Това означава, че транзисторът T1 ще работи, когато входното напрежение е 0,7В над 1,28В или повече от 1,98В (1,28В + 0,7В).

Сега, увеличаваме входното напрежение над 1,98В и транзисторът T1 започва да провежда. Това причинява падане на напрежението в базата на транзистора T2 и той спира да провежда. И поради това, изходът на тригера Шмит е висок.

Входното напрежение започва да намалява. Транзисторът T1 спира, когато входното напрежение е 0,7В по-малко от 1,98В, което е 1,28В. В това състояние, транзисторът T2 получава достатъчно напрежение от референтното напрежение и той се включва. Това прави изхода на тригера Шмит нисък.

Следователно, в това състояние имаме два прага, долен праг при 1,28В и горен праг при 1,98В.

Оскалиращ тригер Шмит

Тригерът Шмит може да бъде използван като осцил а тор, като се свърже един интегриран RC контур. Схемата на осцилатора с тригер Шмит е показана на следната фигура.

Изходът на схемата е непрекъснат квадратен сигнал. Честотата на сигнала зависи от стойностите на R, C и точка на превключване на Шимт тригера.

$f = \frac{k}{RC}$

Където k е константа и варира между 0.2 и 1.

CMOS Шимт тригер

Простата инверторна схема дава изходен сигнал, обратен на входния сигнал. Например, ако входният сигнал е висок, изходният сигнал е нисък за проста инверторна схема. Но ако входният сигнал има шумове (шум), изходният сигнал ще реагира на тези шумове. Това не е желано. Затова се използва CMOS Шимт тригер.

Вълнова форма на проста инверторна схема

В първата вълнова форма, входният сигнал няма шум. Следователно, изходът е перфектен. Но във втората фигура, входният сигнал има някой шум. Изходът също реагира на този шум. За да се избегне това, се използва CMOS Шимт тригер.

По-долният диаграм показва конструкцията на CMOS Шимт тригера. CMOS Шимт тригерът се състои от 6 транзистора, включително PMOS и NMOS транзистори.

Първо, трябва да знаем, какви са PMOS и NMOS транзистори? Символите на PMOS и NMOS транзистори са показани в следната фигура.

NMOS транзистор провежда, когато VG е по-голямо от VS или VD. А PMOS транзистор провежда, когато VG е по-малко от VS или VD. В CMOS Шимт тригера, един PMOS и един NMOS транзистор се добавят към простата инверторна схема.

В първия случай входното напрежение е високо. В това състояние, транзисторът PN е включен, а транзисторът NN е изключен. Това създава път към земята за възел А. Следователно, изходът на CMOS Schmitt тригерът ще бъде нула.

Във втория случай входното напрежение е високо. В това състояние, транзисторът NN е включен, а транзисторът PN е изключен. Това ще създаде път към напрежението VDD (високо) за възел B. Следователно, изходът на CMOS Schmitt тригерът ще бъде висок.

Приложения на Schmitt тригер

Приложенията на Schmitt тригера са следните.

Schmitt тригерът се използва за преобразуване на синусоидална и триъгълна вълна в правоъгълни вълни.
Най-важното приложение на Schmitt тригерите е премахването на шума в дигиталната схема.
Също така се използва като генератор на функции.
Използва се за осъществяване на осцилатор.
Schmitt тригерите с RC схема се използват за изключване на трептене на ключовете.

Източник: Electrical4u.

Заявление: Уважавайте оригинала, добри статии заслужават споделяне, ако има нарушение на авторските права, моля, свържете се за изтриване.

Дайте бакшиш и поощрете автора

Теми:

Теория на електричните вериги

Прагов компаратор Шмит

За експертите

Electrical4u

China

Област на експертиза

Basic Electrical

Профессионална статия

607