Триггер Шмідта: Що це таке і як він працює

Поле: Основи електротехніки

China

Що таке тригер Шмідта?

Тригер Шмідта — це компараторний електронний схема з гістерезисом, який реалізується за допомогою позитивного зворотного зв'язку на неверсному вході компаратора або диференційного підсилювача. Тригер Шмідта використовує два різні порогові рівні напруги, щоб уникнути шуму у вхідному сигналі. Дія двох порогових рівнів відома як гістерезис.

Тригер Шмідта був винайдений американським вченим Отто Г. Шмідтом у 1934 році.

Звичайний компаратор містить лише один пороговий сигнал. Він порівнює пороговий сигнал з вхідним сигналом. Але, якщо вхідний сигнал має шум, це може вплинути на вихідний сигнал. a schmitt trigger.png

На вищенаведеному малюнку через шум на місцях A і B вхідний сигнал (V1) перетинає рівень порівняльного сигналу (V2). Під час цього періоду V1 менше V2, і вихідний сигнал низький.

Таким чином, вихідний сигнал компаратора впливає на шум вхідного сигналу. Компаратор не захищений від шуму.

Слово "тригер" у назві "тригер Шмідта" походить з того, що вихідне значення зберігається до тих пір, поки вхідне значення не зміниться достатньо, щоб "запустити" зміну.

Як працює тригер Шмідта?

Тригер Шмідта дає правильні результати, навіть якщо вхідний сигнал шумний. Він використовує два порогові напруги: верхню порогову напругу (VUT) і нижню порогову напругу (VLT).

Вихідний сигнал тригера Шмідта залишається низьким, поки вхідний сигнал не перевищує VUT. Коли вхідний сигнал перевищує цей ліміт VUT, вихідний сигнал тригера Шмідта залишається високим, поки вхідний сигнал не опиниться нижче рівня VLT.

Давайте розглянемо роботу тригера Шмідта на прикладі. Припустимо, що початковий вхідний сигнал дорівнює нулю.

Ефект шуму з тригером Шмідта

Ось, ми припустили, що початковий вхідний сигнал дорівнює нулю і він поступово збільшується, як показано на вищезазначеному малюнку.

Вихідний сигнал тригера Шмідта залишається низьким до точки A. У точці A вхідний сигнал перевищує рівень верхнього порогу (VUT) і це створює високий вихідний сигнал.

Вихідний сигнал залишається високим до точки B. У точці B вхідний сигнал опускається нижче нижнього порогу, і це робить вихідний сигнал низьким.

І знову, у точці C, коли вхідний сигнал перевищує верхній поріг, вихідний сигнал стає високим.

У таких умовах можна побачити, що вхідний сигнал є шумним. Але шум не впливає на вихідний сигнал.

Тригер Шмідта

Схема тригера Шмідта використовує позитивну зворотну зв'язок. Тому ця схема також відома як регенеративна компараторна схема. Схему тригера Шмідта можна спроектувати за допомогою Операційного підсилювача та Транзистора. Вони класифікуються як:

Тригер Шмідта на базі операційного підсилювача
Тригер Шмідта на базі транзистора

Тригер Шмідта на базі операційного підсилювача

Схема тригера Шмідта може бути спроектована за допомогою операційного підсилювача двома способами. Якщо вхідний сигнал під'єднаний до інверсного входу операційного підсилювача, це називається інверсним тригером Шмідта. Якщо вхідний сигнал під'єднаний до неінверсного входу операційного підсилювача, це називається неінверсним тригером Шмідта.

Інверсний тригер Шмідта

У цьому типі тригеру Шмідта, вхідний сигнал подається на інверсний вход операційного підсилювача. І позитивна зворотна зв'язок від виходу до входу.

Тепер давайте зрозуміємо, як працює цей кільце. У точці А напруга становить V, а застосована напруга (вхідна напруга) - Vin. Якщо застосована напруга Vin більша за V, вихідний сигнал кільцевого контуру буде низьким. А якщо застосована напруга Vin менша за V, вихідний сигнал кільцевого контуру буде високим.

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

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

Тепер обчислимо рівняння для V.

Застосовуючи закон Кірхгофа для струму (KCL),

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

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

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

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

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

Тепер припустимо, що вихід тригеру Шмітта високий. У цьому стані

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

Отже, з вищенаведеного рівняння;

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

Коли вхідний сигнал більший за V1, вихід тригеру Шмітта стане низьким. Тому V1 є верхньою пороговою напругою (VUT).

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

Вихід буде залишатися низьким, поки вхідний сигнал не стане меншим за V. Коли вихід тригеру Шмітта низький, у цьому стані,

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

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

Тепер, вихід залишається високим, поки сигнал на вході менший за V2. Тому V2 відоме як нижній пороговий напруга (VLT).

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

Неінвертуючий тригер Шмідта

У неінвертуючому тригері Шмідта, сигнал на вході подається на неінвертуючий вход операционного підсилювача. Позитивна зворотна зв'язка застосовується від виходу до входу. Інвертуючий вход операционного підсилювача з'єднаний з заземленням. Схема неінвертуючого тригера Шмідта показана на рисунку нижче.

У цій схемі, вихід тригера Шмідта буде високим, коли напруга V більша за нуль. А вихід буде низьким, коли напруга V менша за нуль.

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

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

Тепер знайдемо рівняння напруги V. Для цього застосуємо KCL до даного вузла.

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

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

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

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

Тепер припустимо, що вихідний сигнал операційного підсилювача низький. Тому вихідне напруга тригера Шмітта дорівнює VL. А напруга V дорівнює V1.

У цьому випадку,

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

З вищенаведеного рівняння,

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

Коли напруга V1 більша за нуль, вихід буде високим. У цьому випадку,

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

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

Коли виконується вищезазначений умова, вихід буде високим. Тому, ця рівняння дає значення верхнього порогового напруги (VUT).

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

Тепер припустимо, що вихід тригеру Шмітта високий. І напруга V дорівнює V2.

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

З рівняння напруги V.

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

Вихід Шміт-тригера стане низьким, коли напруга V2 буде меншою за нуль. У цьому випадку,

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

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

Надане рівняння дає значення нижнього порогового напруги (VLT).

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

Тригер Шмідта на базі транзистора

Схему тригера Шмідта можна побудувати за допомогою двох транзисторів. Схема тригера Шмідта на базі транзистора представлена нижче.

Vin = вхідна напруга
Vref = опорна напруга = 5В

Припустимо, що на початку вхідна напруга Vin дорівнює нулю. Вхідна напруга подається на базу транзистора T1. Тому в цьому стані транзистор T1 працює в режимі відключення і не проводить струм.

Va та Vb — це напруги на вузлах. Опорна напруга становить 5В. Отже, ми можемо обчислити значення Va та Vb за правилом дільника напруг.

Напруга Vb подається на базу транзистора T2. Вона становить 1,98 В. Тому транзистор T2 провідний. Через це вихід тригеру Шмідта низький. Спад напруги на емітері становить близько 0,7 В. Отже, напруга на базі транзистора становить 1,28 В.

Емітер транзистора T2 з'єднаний з емітером транзистора T1. Тому обидва транзистори працюють на одному рівні при 1,28 В.

Це означає, що транзистор T1 буде працювати, коли вхідна напруга становитиме 0,7 В вище за 1,28 В або більше 1,98 В (1,28 В + 0,7 В).

Тепер ми збільшуємо вхідну напругу більше 1,98 В, і транзистор T1 починає проводити струм. Це призводить до спаду напруги на базі транзистора T2, і він відключається. Через це вихід тригеру Шмідта стає високим.

Вхідна напруга починає зменшуватися. Транзистор T1 відключиться, коли вхідна напруга стане на 0,7 В нижчою за 1,98 В, тобто 1,28 В. У цьому стані транзистор T2 отримує достатню напругу від опорної напруги і увімкнеться. Це робить вихід тригеру Шмідта низьким.

Отже, у цьому стані ми маємо два пороги: нижній поріг при 1,28 В і верхній поріг при 1,98 В.

Осцилятор тригеру Шмідта

Тригер Шмідта можна використовувати як осцил я ятор, підключивши один інтегральний RC-контур. Схема осцилятора тригеру Шмідта показана на нижньому малюнку.

Вихідний сигнал цієї схеми є неперервним квадратним сигналом. І частота цього сигналу залежить від значення R, C та порогової точки тригера Шмідта.

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

Де k — це константа, яка знаходиться в діапазоні від 0.2 до 1.

CMOS тригер Шмідта

Простий інверторний сигнал надає протилежний вихідний сигнал по відношенню до вхідного. Наприклад, якщо вхідний сигнал високий, то вихідний сигнал низький для простого інвертора. Але якщо вхідний сигнал має спайки (шум), вихідний сигнал буде реагувати на ці спайки. Цього ми не хочемо. Тому використовується CMOS тригер Шмідта.

У першому графіку вхідний сигнал не має шуму. Отже, вихідний сигнал ідеальний. Але у другому графіку вхідний сигнал має певний шум. Вихідний сигнал також реагує на цей шум. Для уникнення цієї ситуації використовується CMOS тригер Шмідта.

Нижче показана схема побудови CMOS тригера Шмідта. CMOS тригер Шмідта складається з 6 транзисторів, включаючи PMOS та NMOS транзистори.

Спочатку потрібно зрозуміти, що таке PMOS та NMOS транзистори? Символи PMOS та NMOS транзисторів показані нижче.

NMOS транзистор проводить струм, коли VG більше за VS або VD. PMOS транзистор проводить струм, коли VG менше за VS або VD. У CMOS тригері Шмідта до простого інвертора додаються один PMOS та один NMOS транзистори.

У першому випадку, входяча напруга висока. У цій умові транзистор PN увімкнений, а транзистор NN вимкнений. Це створює шлях до землі для вузла A. Тому виход CMOS тригера Шмідта буде нуль.

У другому випадку, входяча напруга висока. У цій умові транзистор NN увімкнений, а транзистор PN вимкнений. Це створить шлях до напруги VDD (Високий) для вузла B. Тому виход CMOS тригера Шмідта буде високим.

Застосування тригера Шмідта

Застосування тригера Шмідта такі:

Тригер Шмідта використовується для перетворення синусоїдальних і трикутних хвиль на прямокутні.
Найважливішим застосуванням тригерів Шмідта є вилучення шуму в цифрових схемах.
Вони також використовуються як генератори функцій.
Вони використовуються для реалізації осцилятора.
Тригери Шмідта разом з RC-схемою використовуються для елементів debouncing.

Джерело: Electrical4u.

Заява: Поважайте оригінал, хороші статті варто поширювати, якщо є порушення авторських прав, будь ласка, зверніться для видалення.

Дайте гонорар та підтримайте автора

Теми:

Теорія електричних кіл

Тригер Шмідта

Про експертів

Electrical4u

China