Триггер Шмитта

Определение триггера Шмитта

Триггер Шмитта (ТШ) обладает двумя устойчивыми состояниями. На его выходе может быть высокое (высокое состояние) или низкое (низкое состояние) напряжение. Переход из одного состояния в другое осуществляется при изменении входного напряжения.

Различают два вида триггеров Шмитта. Первый вид – неинвертирующий, переходит в высокое состояние при повышении напряжения, в низкое – при понижении. Второй вид – инвертирующий, переходит в высокое состояние при понижении напряжения, в низкое – при повышении.

Неинвертирующий триггер Шмитта переходит в высокое состояние, если напряжение на входе становится выше, чем Uon, переходит в низкое состояние, если напряжение на входе становится ниже, чем Uoff. Причем Uon больше, чем Uoff на величину Электрического гистерезиса триггера Шмитта.

Инвертирующий триггер Шмитта переходит в высокое состояние, если напряжение на входе становится ниже, чем Uon, переходит в низкое состояние, если напряжение на входе становится выше, чем Uoff. Причем Uon меньше, чем Uoff на величину Электрического гистерезиса триггера Шмитта.

Если напряжение на входе находится между Uon и Uoff, то триггер Шмитта сохраняет свое состояние.

Электрическая схема, обладающая описанными свойствами, с точки зрения инженера – схемотехника, вне зависимости от внутреннего устройства, является триггером Шмитта.

История

Функциональный триггер можно создать из обычного реле с электромеханическим приводом. Установив нужным образом контакты управляющей цепи, обеспечивают включение силовой группы после определенной комбинации входных сигналов. Отдельной клавишей выполняют сброс.

Схема RS триггера на одном реле

Электронные аналоги были собраны в начале прошлого века из ламповых приборов. Действующие схемы впервые опубликованы российскими и английскими учеными в 1918-20 гг. Позднее стали применять полупроводниковые транзисторы. В наши дни соответствующие устройства создают с применением микроэлектронных технологий.

Классификация

Энергия конденсатора

Изделия этой категории разделены на две основные группы по принципу сигналов управления. В первой – формируется заданная последовательность выходных сигналов, если установлено состояние «1». После переходе в «0» генерация прекращается. Вторая – способна переключать выходное напряжение соответствующим образом. Как правило, «1» примерно соответствует уровню источника питания.

Также триггеры различают по следующим параметрам:

• синхронность рабочих циклов;
• статические (динамические) способы управления;
• сложность логических схем;
• одно,- или двухступенчатые.

Триггеры на логических элементах и на операционном усилителе

Для реализации статических триггеров хорошо подходит схема усилителя с двумя каскадами. Связь между ними организуют прямую либо с ограничительными резисторами в соответствующих цепях.

Триггер на логических элементах

Триггер (Trigger) Шмитта

Изделия этой категории могут быть созданы с применением разной элементной базы. В данном разделе рассмотрен триггер Шмитта на транзисторах. Он управляется изменением аналогового сигнала. В зависимости от уровня напряжения, выполняется переключение состояния памяти в соответствующее положение «0» или «1».

Триггер Шмидта на транзисторах с подключенной нагрузкой

Устройство триггера

Триггер по своей схемотехнике очень похож на простейшее электронное устройство — мультивибратор. Но в отличие от него, он имеет два устойчивых положения. Эти состояния обеспечиваются изменениями входного сигнала при достижении им определённого значения. Переход из одного положения в другое называют перебросом. В результате на выходе логического элемента возникает скачок напряжения, форма которого зависит от скорости процессов, проходящих в радиоприборах.

Наибольшее применение получил триггер, работающий на транзисторах. Связанно это со способностью последних работать в ключевом режиме. Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, имеющий три вывода. Эти электроды называются:

• эмиттер;
• база;
• коллектор.

В грубом приближении транзистор представляет собой два диода, объединённых электрической связью. Состоит он из двух p-n переходов. Название биполярный элемент получил из-за того, что одновременно в нём используются два типа носителей заряда. В триггерных схемах транзистор работает в режиме ключа, суть которого заключается в управлении силой тока коллектора путём изменения значения на базе. При этом коллекторный ток по своей величине превышает базовый.

При таком включении важны лишь токи, а напряжения особой роли не играют. Поэтому при возникновении определённого тока на базе транзистор открывается и пропускает через себя сигнал. Сигнал на коллекторе полупроводникового прибора будет обратным по входному знаку, то есть инвертированным. А значит, когда на базовом выходе будет присутствовать разность потенциалов, на коллекторном она будет равна нулю, и наоборот.

Эта способность транзисторов и используется в триггерах, схема которых построена на двух ключах с перекрёстными обратными связями. Когда используются транзисторные ключи с одинаковой обвязкой, то триггер считается симметричным, в другом же случае — несимметричным.

Принцип работы

У классического триггера Шмитта один вход и один выход. И, как и положено триггеру, два состояния: на выходе 0 (низкий потенциал) или 1 (высокий потенциал).

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

Но главная его особенность — наличие гистерезиса, то есть порог переключения зависит от текущего состояния самого триггера.

Допустим, наш триггер изначально в состоянии 0, и мы начинаем плавно поднимать напряжение на входе. При достижении порога U1 триггер переключится в состояние 1. И теперь, чтобы вернуть его в состояние 0, уже недостаточно опустить входное напряжение ниже U1, переключение произойдёт только при значительно меньшем напряжении U0. Для большей наглядности посмотрите вот эти графики:

График входного и выходного сигналов триггера Шмитта

Ну, а если нарисовать график зависимости выходного сигнала от входного, то получится как раз такая симпатичная петелька гистерезиса ⎎. Если вы увидите такое обозначение на схеме, скорее всего, где-то там скрывается триггер Шмитта.

Место триггеров в цифровой схемотехнике

В отличие от комбинационных логических схем, которые изменяют состояние в зависимости от фактических сигналов, поданных на их входы в определенное время, последовательностные логические имеют некоторую форму присущей им встроенной «памяти», так что они могут учитывать как предыдущее, так и фактическое состояние их входов и выходов. Общая структурная схема последовательностного устройства показана ниже.

RS-триггер как цифровой управляющий автомат включает собственно память и комбинационную схему управления на типовых лигических элементах, реализующую его входной логический алгоритм. Если рассматривать эту схему применительно к простейшим схемам триггеров, то они не имеют структурно выделенной памяти в виде какой-то специализированной микросхемы или схемного узла. Память триггера существует на уровне функции, она словно встроена в алгоритм работы его комбинационной схемы управления. Проявлением этой «памяти» является так называемая бистабильность триггера, выходы которого могут находиться в одном из двух основных состояний: логической единицы (далее — 1) или логического нуля (далее — 0). Установившиеся значения своих выходов триггер запоминает («защелкивает» их) и сохраняет, пока не возникнет очередное изменение его входных сигналов.

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Давайте перейдём к практике и соберём вот такую простенькую схему, чтобы поэкспериментировать с триггером Шмитта (картинки можно кликать для увеличения).

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Rвх здесь у нас имитирует входной сигнал: вращая ручку резистора, можно подавать на вход разные напряжения. Ну а чтобы наглядно увидеть работу триггера, в коллекторную цепь второго транзистора включён светодиод, который горит, если транзистор открыт.

В исходном состоянии (на входе нет сигнала) транзистор Т1 закрыт. При этом на базе Т2 оказывается почти половина напряжения питания — через делитель R2-R4-R5. T2 открыт, светодиод горит, а на выходе низкий потенциал.

Триггер в состоянии “ноль”

Если мы начнём поднимать напряжение на входе, в какой-то момент оно окажется достаточным, чтобы открылся T1. Тем самым он фактически зашунтирует R4-R5, потенциал на базе T2 резко упадёт и он закроется. Светодиод погаснет, а на коллекторе появится высокий уровень (1).

Триггер в состоянии “единица”

Откуда же в этой схеме берётся гистерезис? Всё дело в резисторе R3, который осуществляет положительную обратную связь. Какой бы из транзисторов ни был открыт, его ток течёт через R3. Но, для этой схемы очень важно, что коллекторная нагрузка Т2 меньше нагрузки T1. То есть суммарное сопротивление R6 и светодиода меньше, чем R2. А, значит, когда открыт Т2, через R3 течёт больший ток, чем когда открыт T1. Соответственно, и падение напряжение на R3 больше, когда триггер в состоянии 0.

Это напряжение приложено плюсом к эмиттеру T1, оно мешает ему открываться, т. к. уменьшает разницу потенциалов между базой и эмиттером. Вот и получается, что для перекидывания триггера из 0 в 1 нужно приложить большее напряжение к базе T1. А обратное переключение происходит при более низком входном напряжении, т. к. в этот момент плюс на эмиттере поменьше. Фактические напряжения, которые я измерил в работающей схеме, отмечены на рисунках выше. Пороги переключения U0 и U1 у меня получились, соответственно, 1.78 и 1.94 В.

Схема собрана на макетной плате

Ну и конечно, параметры триггера (пороги срабатывания) можно менять, подбирая номиналы резисторов.

Улучшения схемы

Иногда в подобных схемах ставят ещё конденсатор параллельно R4. Это так называемый ускоряющий конденсатор.

Вариант схемы с ускоряющим конденсатором

Когда триггер в стабильном состоянии, на конденсаторе постоянное напряжение и он не оказывает влияние на токи. Но, в момент переключения, когда происходит резкий скачок напряжений, в первый момент конденсатор имеет близкое к нулевому сопротивление и тем самым обеспечивает резкое изменение тока базы Т2, который затем плавно “устаканивается” до стабильного значения. Тем самым ускоряется переключение транзистора Т2. Это может иметь значение, если планируется работа схемы на высоких частотах, где время переходных процессов в транзисторе может начать играть заметную роль.

Также можно встретить дополнительный буферный транзистор между T2 и T1, включённый по схеме эмиттерного повторителя. Он нужен, чтобы снизить влияние T1 и T2 друг на друга, а также получить большую чувствительность схемы.

Добавляем в схему буферный каскад

Описание работы схемы

Триггер Шмитта  это компаратор, имеющий ПОС.  В данной схеме доля выходного электрического сигнала ОУ поступает на прямой вход и устанавливает уровень, при котором схема будет переключаться.

Принципиальная схема работы триггера Шмитта на ОУ изображена ниже.

ОУ подключен к двухполярному блоку питания на 5 вольт. На инверсный вход DA1 поступает синусоидный  сигнал равный амплитуде 2 В. Сопротивления R1 и R2 имеют значения 25 кОм и 10 кОм. Напряжение на прямом выводе DA1 поступает с делителя напряжения построенного на резисторах R1 и R2, который подключен к выходу ОУ.  Формула расчета 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 напряжение с положительным потенциалом насыщения – на прямом входе напряжение равно  1 вольту. Предположим, входной электрический сигнал постепенно увеличивается с нуля. Пока потенциал входного сигнала не превышает напряжения на прямом входе – схема находится в стабильном состоянии. Чуть только входной электрический сигнал превзойдет величину в  1 вольт, напряжение на входе ОУ сменит свою полярность на отрицательное напряжение  насыщения. Это поменяет напряжение на прямом входе ОУ, и оно будет равно -1 вольт.

Входной электрический сигнал постепенно будет увеличиваться до максимума, а затем начнет уменьшаться. После того как амплитуда сигнала на входе станет менее 1 вольта, то на выходе ОУ будет так же отрицательный потенциал насыщения. Как только сигнал на входе пройдет величину -1В, напряжение на выходе   поменяется и будет равным положительному потенциалу насыщения.

На графике можно наблюдать зависимость выходного напряжения триггера Шмитта от входного.

В результате такой работы схемы шумы входного сигнала не будут влиять на выходной сигнал.

Применение триггера Шмитта

Триггеры Шмитта применяются там, где нужно исключить ‘дребезг’, в самом широком смысле этого слова. Например, если у Вас есть механический выключатель, то в момент включения или выключения, возникают коротковременные замыкания и размыкания цепи, пока, наконец, переключение не будет выполнено окончательно. Такой дребезг длится микро или даже наносекунды, но некоторые схемы (особенно цифровые) могут быть чувствительны к нему. Триггер Шмитта позволяет бороться с таким дребезгом.

Другим примером может быть включение / выключение какого-либо прибора на основании данных датчика. Пусть нужно включать нагреватель при понижении температуры, и выключать его, когда температура нормализовалась. Применение простого компаратора (устройства, выдающего на выход напряжение в зависимости от соотношения двух входных) приводит к своеобразному дребезгу, если температура находится вблизи точки переключения. Нагревательные и другие приборы не любят, когда их часто включают и выключают. Так что нужен триггер Шмитта.

Компараторы в чистом виде вообще очень редко используются в схемах из-за переходных процессов при напряжении, близком к напряжению переключения. Чтобы исключить эти процессы, вводится небольшая положительная обратная связь, которая превращает компаратор в триггер Шмитта с небольшим гистерезисом.

Триггер Шмитта на операционном усилителе

Для построения триггера Шмитта используют компаратор на обычном операционном усилителе (ОУ) или же применяют специальную микросхему компаратора, и это встречается чаще.

Необходимо обратить внимание, что при использовании ОУ в триггере Шмитта, если входной сигнал является медленно нарастающим или имеет шумы, то существует вероятность того, что выход будет многократно переключаться, вследствие неполного закрытия-открытия выходного транзистора ОУ. Это связано с таким параметром ОУ как входное напряжение смещения.

Обычный компаратор может быть легко преобразован в триггер Шмитта путем добавления положительно-обратной связи (ПОС) операционного усилителя или компаратора. Это обеспечивается добавлением резистора R3 в приведенной ниже схеме.

Паяльный фен YIHUA 8858Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…Подробнее

Эффект от данного резистора (R3) проявляется в том, что он смещает порог переключения зависящий от выходного состояния компаратора или операционного усилителя.

Когда выходной сигнал компаратора является высоким, то это напряжение подается обратно на неинвертирующий вход операционного усилителя. В результате порог переключения становится выше. Когда же на выходе напряжение падает, то порог переключения также снижается. Это придает схеме так называемый гистерезис.

Применение положительно-обратной связи создает более высокий коэффициент усиления и, следовательно, переключение происходит быстрее. Это особенно полезно, когда входной сигнал медленно изменяющийся. Так же для увеличения скорости переключения триггера Шмита, параллельно резистору ПОС подключают так называемый скоростной конденсатор емкостью 10…100 пФ.

Довольно легко подобрать резисторы, необходимые для работы триггера Шмитта. Уровень напряжения, при котором необходимо, чтобы триггер переходил в свое противоположное состояние, задается делителем напряжения из резисторов R1 и R2. Это первое что необходимо сделать. Затем уже подбирается резистор обратной связи R3.

Особенности построения Триггера Шмитта на ОУ

При использовании ОУ в качестве компаратора, необходимо соблюдать осторожность. Операционный усилитель спроектирован для функционирования в схемах с отрицательной обратной связью. В результате, производители ОУ не гарантируют, что ОУ будут также надежно работать в цепях без обратной связи, либо с положительной обратной связью, как и в случае с триггером Шмитта.

Реализация триггера Шмитта на операционном усилителе

Два примера схемы на операционном усилителе:

Триггер Шмитта на операционном усилителе: с двухполярным питанием (слева) и однополярным (справа)

На рисунке приведены два варианта: с двухполярным и с однополярным источником питания. В первом случае порог срабатывания одинаковый по модулю, но с разным знаком. Во втором случае пороги зависят от соотношения резисторов. Но, в обеих схемах часть выходного сигнала попадает на вход через резистор положительной обратной связи Rос, тем самым смещая порог срабатывания.

Обратите внимание, что однополярный вариант схемы получился инвертирующим: когда на входе высокий сигнал, на выходе низкий, и наоборот. Дело в том, что мы подаём входной сигнал на инвертирующий вход, поэтому “шиворот на выворот”.

Кстати, в данную схему можно добавить ограничитель выходного напряжения. Это стабилитрон, через который осуществляется отрицательная обратная связь. Включается он таким вот образом:

Триггер Шмитта с ограничителем выходного напряжения

Это решение полезно, если необходимо согласовать высокие напряжения предыдущего каскада и низкие следующиего. Например, на входе может быть до 15 вольт от автомобильной электроники, а на выходе ТТЛ микросхема, притающаяся от 5 Вольт.

Преимущества применения триггерных схем логики

Выяснив, что значит триггер, несложно использовать полученные знания для решения практических задач. С помощью логических элементов:

• автоматизируют работу систем освещения;
• обеспечивают безопасное подключение станков и других мощных нагрузок;
• предотвращают опасные режимы с использованием сигналов от внешних датчиков.

Для создания качественного устройства на основе триггеров рекомендуется в комплексе использовать представленную информацию. Следует учесть условия реальной эксплуатации, чтобы выбрать подходящие функциональные компоненты конструкции.