Триггер Шмитта: Что это такое и как он работает?

Поле: Основы электротехники

China

Что такое триггер Шмитта?

Триггер Шмитта — это компараторная схема с гистерезисом, реализованная путем применения положительной обратной связи к неинвертирующему входу компаратора или дифференциального усилителя. Триггер Шмитта использует два различных пороговых уровня напряжения для предотвращения шумов в входном сигнале. Действие этого двойного порога известно как гистерезис.

Триггер Шмитта был изобретен американским ученым Отто Х. Шмиттом в 1934 году.

Обычный компаратор содержит только один пороговый сигнал. Он сравнивает пороговый сигнал с входным сигналом. Однако, если входной сигнал имеет шум, это может повлиять на выходной сигнал. a schmitt trigger.png

На приведенном выше рисунке, из-за шума в точках A и B, входной сигнал (V1) пересекает уровень эталонного сигнала (V2). В этот период V1 меньше V2, и выход низкий.

Следовательно, выход компаратора подвержен влиянию шума в входном сигнале. Компаратор не защищен от шума.

Слово "триггер" в названии "триггер Шмитта" происходит из того факта, что выход сохраняет свое значение, пока вход не изменится достаточно, чтобы "спровоцировать" изменение.

Как работает триггер Шмитта?

Триггер Шмитта обеспечивает правильные результаты даже при наличии шума в входном сигнале. Он использует два пороговых напряжения: одно — верхнее пороговое напряжение (VUT), а второе — нижнее пороговое напряжение (VLT).

Выход триггера Шмитта остается низким, пока входной сигнал не превысит VUT. Как только входной сигнал превышает этот предел VUT, выходной сигнал триггера Шмитта остается высоким до тех пор, пока входной сигнал не опустится ниже уровня VLT.

Давайте разберем работу триггера Шмитта на примере. Предположим, что начальный вход равен нулю.

Эффект шума с триггером Шмитта

Здесь мы предположили, что начальный входной сигнал равен нулю и постепенно увеличивается, как показано на приведенном выше графике.

Выходной сигнал триггера Шмитта остается низким до точки A. В точке A входной сигнал превышает уровень верхнего порога (VUT) и делает выходной сигнал высоким.

Выходной сигнал остается высоким до точки B. В точке B входной сигнал опускается ниже нижнего порога, что делает выходной сигнал низким.

И снова, в точке C, когда входной сигнал превышает верхний порог, выход становится высоким.

В этом случае можно увидеть, что входной сигнал имеет шум, но этот шум не влияет на выходной сигнал.

Цепь триггера Шмитта

Цепь триггера Шмитта использует положительную обратную связь. Поэтому эта цепь также известна как регенеративная цепь сравнения. Цепь триггера Шмитта может быть спроектирована с помощью ОУ и транзистора. Она классифицируется следующим образом:

Триггер Шмитта на основе ОУ
Триггер Шмитта на основе транзистора

Триггер Шмитта на основе ОУ

Цепь триггера Шмитта может быть спроектирована с использованием ОУ двумя способами. Если входной сигнал подключен к инвертирующему входу ОУ, это называется инвертирующим триггером Шмитта. Если входной сигнал подключен к неинвертирующему входу ОУ, это называется неинвертирующим триггером Шмитта.

Инвертирующий триггер Шмитта

В этом типе триггера Шмитта вход подается на инвертирующий вход операционного усилителя. И положительная обратная связь от выхода к входу.

Теперь давайте разберемся, как работает эта схема. В точке A напряжение равно V, а приложенное напряжение (входное напряжение) равно Vin. Если приложенное напряжение Vin больше, чем V, выход схемы будет низким. А если приложенное напряжение Vin меньше, чем V, выход схемы будет высоким.

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

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

Теперь вычислим уравнение для V.

Применяя Закон Кирхгофа для тока (KCL),

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

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

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

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

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

Теперь предположим, что выход триггера Шмитта высокий. В этом случае,

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

Таким образом, из приведенного выше уравнения;

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

Когда входной сигнал превышает V1, выход триггера Шмитта становится низким. Следовательно, V1 является верхним пороговым напряжением (VUT).

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

Выход будет оставаться низким до тех пор, пока входной сигнал не станет меньше V. Когда выход триггера Шмитта низкий, в этом состоянии,

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

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

Теперь выход остается высоким, пока входной сигнал меньше V2. Таким образом, V2 известен как нижний пороговый напряжение (VLT).

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

Неинвертирующий триггер Шмитта

В неинвертирующем триггере Шмитта входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Положительная обратная связь применяется от выхода к входу. Инвертирующий вход операционного усилителя соединен с заземлением. Схема неинвертирующего триггера Шмитта показана на рисунке ниже.

В этой схеме выход триггера Шмитта будет высоким, когда напряжение V больше нуля. И выход будет низким, когда напряжение V меньше нуля.

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

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

Теперь давайте найдем уравнение для напряжения V. Для этого применим закон Кирхгофа к этому узлу.

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

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

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

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

Теперь предположим, что выходной сигнал ОУ низкий. Следовательно, выходное напряжение триггера Шмитта равно VL. Напряжение V равно V1.

В этом случае,

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

Из приведенного выше уравнения,

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

Когда напряжение V1 больше нуля, выход будет высоким. В этом случае,

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

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

Когда это условие выполняется, выход будет высоким. Таким образом, это уравнение дает значение верхнего порогового напряжения (VUT).

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

Теперь предположим, что выход триггера Шмитта высокий. И напряжение V равно V2.

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

Из уравнения для напряжения V.

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

Выход Шмитт-триггера станет низким, когда напряжение V2 будет меньше нуля. В этом случае,

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

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

Приведенное выше уравнение дает значение нижнего порогового напряжения (VLT).

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

Триггер Шмитта на транзисторах

Схема триггера Шмитта может быть спроектирована с использованием двух транзисторов. Схема триггера Шмитта на транзисторах представлена ниже.

Vin = входное напряжение
Vref = опорное напряжение = 5В

Предположим, что в начале входное напряжение Vin равно нулю. Входное напряжение подается на базу транзистора T1. В этом случае транзистор T1 работает в режиме отсечки и остается непроводящим.

Va и Vb — это напряжения на узлах. Опорное напряжение равно 5В. Таким образом, мы можем вычислить значения Va и Vb по правилу делителя напряжения.

Напряжение Vb подается на базу транзистора T2. Оно равно 1.98 В. Следовательно, транзистор T2 проводит ток. Из-за этого выход триггера Шмитта находится в низком состоянии. Падение напряжения на эмиттере составляет около 0.7 В. Таким образом, напряжение на базе транзистора составляет 1.28 В.

Эмиттер транзистора T2 соединен с эмиттером транзистора T1. Поэтому оба транзистора работают на одном уровне при 1.28 В.

Это означает, что транзистор T1 начнет проводить ток, когда входное напряжение будет превышать 0.7 В над 1.28 В или более 1.98 В (1.28 В + 0.7 В).

Теперь увеличим входное напряжение более 1.98 В, и транзистор T1 начнет проводить ток. Это вызывает падение напряжения на базе транзистора T2, и он перестанет проводить ток. Из-за этого выход триггера Шмитта становится высоким.

Входное напряжение начинает уменьшаться. Транзистор T1 перестанет проводить ток, когда входное напряжение будет на 0.7 В ниже 1.98 В, то есть 1.28 В. В этом случае транзистор T2 получит достаточное напряжение от опорного напряжения и включится. Это делает выход триггера Шмитта низким.

Таким образом, в этом случае у нас есть два порога: нижний порог 1.28 В и верхний порог 1.98 В.

Генератор на триггере Шмитта

Триггер Шмитта можно использовать как генератор, подключив к нему интегральную схему RC. Схема генератора на триггере Шмитта показана на следующем рисунке.

Выходом схемы является непрерывный прямоугольный сигнал. Частота сигнала зависит от значений R, C и пороговых точек триггера Шмитта.

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

Здесь k — это константа, которая находится в диапазоне от 0.2 до 1.

Триггер Шмитта на КМОП

Простая инвертирующая схема дает выходной сигнал, противоположный входному. Например, если входной сигнал высокий, выходной сигнал будет низким для простой инвертирующей схемы. Но если входной сигнал имеет помехи (шум), выходной сигнал будет реагировать на эти помехи. Это нежелательно. Поэтому используется КМОП триггер Шмитта.

Форма сигнала простой инвертирующей схемы

На первой форме сигнала входной сигнал не имеет шума. Поэтому выход идеальный. Но на второй форме сигнала входной сигнал имеет некоторый шум. Выход также реагирует на этот шум. Чтобы избежать этого, используется КМОП триггер Шмитта.

Ниже приведена схема, показывающая конструкцию КМОП триггера Шмитта. КМОП триггер Шмитта состоит из 6 транзисторов, включая PMOS и NMOS транзисторы.

Сначала необходимо знать, что такое PMOS и NMOS транзисторы. Символы PMOS и NMOS транзисторов показаны на следующей фигуре.

NMOS транзистор проводит, когда VG больше VS или VD. PMOS транзистор проводит, когда VG меньше VS или VD. В КМОП триггере Шмитта добавляются один PMOS и один NMOS транзисторы в простую инвертирующую схему.

В первом случае входное напряжение высокое. В этом состоянии транзистор PN включен, а транзистор NN выключен. Это создает путь к земле для узла A. Поэтому выход CMOS триггера Шмитта будет равен нулю.

Во втором случае входное напряжение также высокое. В этом состоянии транзистор NN включен, а транзистор PN выключен. Это создает путь к напряжению VDD (высокому) для узла B. Поэтому выход CMOS триггера Шмитта будет высоким.

Применения триггера Шмитта

Применения триггера Шмитта следующие.

Триггер Шмитта используется для преобразования синусоидальных и треугольных волн в прямоугольные.
Самое важное применение триггера Шмитта — удаление шума в цифровых цепях.
Он также используется как генератор функций.
Используется для реализации осциллятора.
Триггер Шмитта с RC-цепью используется для подавления дребезга контактов.

Источник: Electrical4u.

Заявление: Уважайте оригинальные статьи, хорошие статьи стоит делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.

Оставить чаевые и поощрить автора

Темы:

Теория электрических цепей

Триггер Шмитта

О специалистах

Electrical4u

China

Область экспертизы

Basic Electrical

Профессиональная статья

607