Расчет триггера шмитта на оу

Ghostgkd777 › Блог › Немного аналога [Расчет триггера шмитта на ОУ]

Приветствую гостей и постояльцев моего блога, добавим немного аналога в цифровые будни, в этот раз поведаю о такой занятной вещи, как триггер шмитта.

Для тех, кто не знает, что такое операционный усилитель, транзистор и электрон — этот пост будет абсолютно бесполезен, но таких, к счастью, меньшинство))

Маленькое предисловие

Появилось у меня свободное время в коем-то веке, решил порадовать самое дорогое и горячё любимое, что у меня есть — это задница пятая точка))) А конкретно — собрать устройство, которое автоматически включало-бы и поддерживала заданную температуру обогрева сидений. Разработано 2 варианта: цифровой на Attiny13, который видится в качестве коммерческого проекта и аналоговый на операционнике, который будет доступен к повторению, но вот функционал чуть-чуть похуже. Устройства будут полностью автономные, не требующие включения, отключения и регулировки и подходящие на любую модель подогревов. Пока машину не поставил на колеса, нет возможности испытать платы в действии, но об этом в следующих выпусках блога.

Ближе к делу

Ну и при создании аналоговой версии понадобилась мне такая штука, как триггер шмитта на операционнике.
Для тех, кто слабо понимает что это, немного поясню. Это устройство, сравнивающие два сигнала и выдающее на выход ступенчато или ноль или напряжение питания, в зависимости от соотношений входных сигналов и имеющее петлю гистерезиса или по простому зону нечувствительности. Это значит, что включившись при 2-х вольтах напряжения, он отключится при 1,5, для примера и не включится, пока напряжение снова не возрастет до 2-х. Это и есть гистерезис, обзовем его ΔU.

Мне для устройства понадобилась схема инвертирующего триггера шмитта т.е. такого, который при увеличении напряжения выше порога срабатывания Uпор верхн выдаст на выход ноль и при снижении напряжения на входе ниже порога Uпор нижн выдаст на выход напряжение питания (единицу). Вот на его примере и разберем, как нам сделать такую штуку и посчитать. Рассчеты в интернете есть, но они зачастую мудреные. Я Вам предлагаю рассчеты для своей схемы в формате Microsoft Exell таблиц, вбиваете свои числа и он выдает требуемые цифры.

Но обо всем по порядку.

Вот такая схема включения ОУ в качестве инвертирующего триггера шмитта.
Правее схемы диаграмма зависимости выходного напряжения (синее) от входного (красное). Есть некое опорное напряжение Uопорн, являющееся серединой между порогами переключения триггера. Входной сигнал, достигнув верхнего порога Uопорн верхн перебрасывает триггер в ноль и тот там удерживается вплоть до достижения входом порога Uопорн нижн. Тогда триггер перебрасывается в единицу и остается в этом состоянии до достижения входным напряжением верхнего порога. Таким образом, мы получаем фильтрацию колебаний напряжения в определенных пределах ΔU=Uопорн верхн — Uопорн нижн.

Зачем всё это? — спросите Вы. В моей схеме это используется для включения подогревов только после достижения напряжения бортсети значения 13,3В, что выше напряжения заряженного АКБ (12,72В) — это обеспечит включение подогревов только с работающим генератором. И отключение подогревов при снижении напряжения в бортсети до 12,7В, что говорит о том, что генератор не работает и не даст разрядиться АКБ от подогревов. В сочетании с автоматическим пуском при снижении температуры ниже определенного уровня полностью отпадает необходимость их ручного включения и отключения.

Что видим по схеме? Как и все триггеры шмитта, наш охвачен положительной обратной связью (ПОС) — резистор R6, которая и дает нам петлю гистерезиса. Для стабильных параметров схемы делитель напряжения R3R4 должен питаться со стабилизированного источника напряжения 5В, от которого запитываем и наш ОУ. Через делитель напряжения R1R2 мы на вход триггера подаем масштабированное напряжение бортсети авто.

Тонкость всего этого в том, что нужен более-менее точный расчет параметров резисторов и напряжений для обеспечения нужных вам порогов срабатывания. Дабы не считать на калькуляторе долго и упорно, подбирая номиналы резисторов, создал я в экселе таблицы для расчетов. Давно им пользуюсь, очень удобный инструмент, если требуется множество однообразных вычислений.

СРАЗУ ОГОВОРЮСЬ: расчеты, представленные в таблицах, верны ТОЛЬКО для однополярного напряжения питания ОУ 5В и опорного напряжения 5В. При двуполярном напряжении питания или напряжениях, отличающихся от 5В РАСЧЕТЫ БУДУТ НЕВЕРНЫ!

Но так как у нас тематический автомобильный ресурс, то для расчетов берем однополярное 5В, его-же опорным и отслеживаемым 12В бортсети.

Основное окно таблиц. Тут у нас схема и график для пояснений и несколько таблиц для расчетов напряжения с делителя R3R4, быстрого подбора номиналов делителя R1R2 и подбора номиналов резисторов ПОС R5R6 по необходимому значению гистерезиса ΔU и сводная таблица фактических расчетных значений порогов срабатывания.
Совершенно необходимым условием работы схемы является значительно большее сопротивление резистора R5 по сравнению с резисторамиR3R4 (не менее 1-го порядка).

Как пользоваться? — очень просто.

Вбиваем в графы сопротивления R3R4 и напряжение питания делителя 5В и получаем напряжение с делителя и ток через него. Это напряжение нам понадобится для подбора параметров резисторов R1R2. Пишем в поле Uделит ниже то напряжение, что посчитали выше (можно деликатно округлить).

Затем начинаем играть R1R2 до тех пор, пока не получим напряжение Uin оно-же опорное напряжение максимально близко к заданному.

После подбора номиналов R1 — R4 нужно подобрать R5R6 с учетом заданной петли гистерезиса ±ΔU заданные. Вносим значение R5 в соответствующее окно и получаем R6 а так-же рассчетные значения порогов переключения Uпор нижн и Uпор верхн.

Ну и осталось только подставить более-менее нормальные цифры R5R6, а не те, что рассчитал компьютер и убедиться, что полученные значения пороговых напряжений и гистерезиса нас устраивают.

Вот и всё, так всё просто. Спасибо всем, осилившим статью до конца.

Всем удачи, до новых записей.

P.S. Господа специалисты — электронщики, если у кого появится желание дополнить расчеты другими режимами с иными напряжениями или двуполярным питанием — буду очень рад, прошу написать.

UPD 14.06.15 Натолкнулся на онлайн расчет параметров триггера шмидта.

6. Триггеры Шмитта на оу

Наряду с простейшей схемой компаратора широко используется схема на ОУ с положительной обратной связью, называемая триггером Шмитта. Охват ОУ петлей положительной обратной связи и его работа в режиме насыщения, когда выходное напряжение может принимать только два значения (+Uвых max и -Uвых max) приводят к появлению на передаточной характеристике триггера Шмитта петли гистерезиса и двух значений напряжения входного сигнала, в которых происходит опрокидывание схемы.

В схеме, приведенной на рис. 5.4,а, входное напряжение подается на инвертирующий вход ОУ. Опорным в этой схеме служит сумма напряжений, подаваемых на неинвертирующий вход с выхода ОУ через делительную цепочку резисторов Rи R(по цепи положительной обратной связи) и от дополнительного источника U.

Рисунок 5.4. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на инвертирующий вход ОУ (U > 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Величина опорного напряжения в схеме рис. 5.4,а может быть определена с использованием принципа суперпозиции. Компонента этого напряжения, поступающая с выхода ОУ, определяется при условии, что напряжение дополнительного источника равно нулю (U = 0). Компонента напряжения, обусловленная источником U, определяется при условии заземления выходной клеммы ОУ. Тогда величина опорного напряжения

u = uвых +U. (5.1)

При напряжении на выходе ОУ, равном +Uвых max, согласно соотношению (5.1) на неинвертирующий вход подается напряжение

U=U+R, (5.2)

которое называется напряжением срабатывания. При выходном напряжении, равном -Uвых max, на неинвертирующем входе ОУ напряжение равно

U=U R (5.3)

которое называется напряжением отпускания. Напряжения срабатывания и отпускания – это значения, при которых происходит опрокидывание триггера Шмитта со схемой на рис. 5.4.а.

Передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис. 5.4,а представлена на рис. 5.4,б. Ее ход может быть объяснен следующим образом. Пусть напряжение на выходе ОУ равно +Uвых max, что обеспечивается при величине входного напряжения меньше напряжения срабатывания. При повышении входного напряжения положительное напряжение Uвых max на выходе ОУ будет сохраняться до тех пор, пока напряжение uне сравняется с напряжением срабатывания, после чего на выходе ОУ напряжение становится отрицательным и равным -Uвых max. Эта величина выходного напряжения не изменяется при дальнейшем увеличении входного напряжения. При опрокидывании схемы напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменится и станет равным напряжению отпускания U.

При обратном изменении входного напряжения, т.е. при его уменьшении, напряжение на выходе ОУ будет положительным лишь после того, как uсравняется с напряжением отпускания и произойдет опрокидывание схемы. Выходное напряжение, равное +Uвых max, сохраняется при дальнейшем уменьшении выходного сигнала.

Таким образом, передаточная характеристика триггера Шмитта имеет гистерезис, ширина которого при схеме рис. 5.4,а равна

U U= Uвых max, (5.4)

а напряжение, равноудаленное от напряжения срабатывания и напряжения отпускания, т.е. соответствующее центру петли гистерезиса,

Читайте также  Мультиметр mastech ms8229

Uцентр = U . (5.5)

В схеме триггера Шмитта, приведенной на рис. 5.5,а, входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий. Кроме входного напряжения, на неинвертирующий вход подается напряжение с выхода ОУ через делительную цепочку, составленную из резисторов Rи R. По аналогии с соотношением (5.1) можно получить уравнение, связывающее напряжение на неинвертирующем входе ОУ с входным

uнвх = uвых + uвх . (5.6)

Рисунок 5.5. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на неинвертирующий вход ОУ (U 5 / 5 5

Триггер Шмитта (Шмидта, Шмита). Схема. Электрический гистерезис. Расчет, рассчитать, формула. Применение.

Схемы и расчет триггера Шмитта. Гистерезис, пороги срабатывания, входное сопротивление. (10+)

Триггер Шмитта. Схема. Электрический гистерезис. Расчет. Применение

Дорогие друзья! Правильно называть данное устройство Триггер Шмитта. Писать Триггер Шмидта, Шмита — считается неграмотным.

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.

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

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.

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.

Схемы ТШ

На рисунке приведены четыре фрагмента схем, содержащих триггер Шмитта и каскад, которым управляет этот триггер. N — нагрузка. Резистор R4 ограничивает ток базы транзистора и защищает операционный усилитель от перегрузки на выходе. VD1, VD2 применяется в связи с тем, что у большинства операционных усилителей даже в условиях насыщения напряжение на выходе отличается от напряжения на шинах питания. Так что выходной транзистор может открываться этой разницей напряжений, которая оказывается приложена между базой и эмиттером. Падение напряжения на двух диодах составит около 1.5 В, что обычно бывает достаточным для защиты транзистора от случайного открывания. Но иногда вместо диодов приходится применять стабилитрон на 3 вольта, что гарантирует надежное запирание любого транзистора в схеме с любым операционным усилителем. Резистор R5 гарантирует надежное запирание транзистора. Обычно ставится резистор 1 — 5 кОм. Схемы (А), (Г) включают нагрузку при понижении входного напряжения, (Б), (В) — при повышении входного напряжения. В схемах (Б), (Г) — нагрузка заземлена, В схемах (А), (В) — нагрузка подключена к положительной шине питания.

Расчет ТШ

[R4, Ом] = ([Напряжение питания, В] — 3 В) * [Минимально возможный коэффициент передачи тока транзистора] / [Максимальный ток нагрузки] / [Коэффициент запаса, например, 1.2]. Полученное значение нужно сравнить с минимальным сопротивлением нагрузки операционного усилителя. Для стабильной и надежной работы схемы R4 лучше выбирать как минимум в 1.5 — 2 раза выше минимального сопротивления нагрузки операционного усилителя. Если расчет дал неподходящий результат, то можно использовать транзисторы с большим коэффициентом передачи тока (сопротивление R4 пропорционально ему) или применить составной транзистор, транзистор Дарлингтона.

Далее в расчете будем исходить из того, что в схеме используется операционный усилитель с высоким входным сопротивлением.

Схемы (А), (Б)

В этих схемах выбор значений сопротивления резисторов R1, R2, R3 предполагает определенную свободу. Один из них можно выбрать произвольно, тогда значения остальных могут быть рассчитаны. Следует руководствоваться такими соображениями. Чем выше сопротивление резисторов, тем меньше потери энергии источника питания в делителе напряжения на R1, R2. Но с другой стороны, применение резисторов более 500 кОм обычно нежелательно из-за возможного снижения помехозащищенности устройства.

Так что выбираем [R3] = 500кОм. Проведем расчеты. Если полученные номиналы двух других резисторов получатся слишком большими, то сделаем R3 поменьше и пересчитаем.

Пусть U2 — большее из напряжений Uon и Uoff, а U1 — меньшее, U — напряжение питания. Тогда:

[R1, Ом] = ([U2, В] — [U1, В]) * [R3, Ом] / [U1, В] [R2, Ом] = [U1, В] * [R1, Ом] * [R3, Ом] / ([U, В] * [R3, Ом] — [U1, В] * [R1, Ом] — [U1, В] * [R3, Ом])

Входной ток этих двух схем практически равен нулю. Такой триггер Шмитта не нагружает источник сигнала.

Схемы (В), (Г)

В этих схемах выбор значений сопротивления резисторов R1, R2, R3, R5 также предполагает определенную свободу, даже большую, чем в предыдущем случае. Мы можем произвольно выбрать R3 и, например, R2. Исходя из тех же соображений, положим этим резисторам сопротивление 500 кОм. Если нас не устроят полученные номиналы резисторов, то выберем другие значения. Сопротивление R3 влияет на R5, но не влияет на R1, сопротивление R2 влияет на R1, но не влияет на остальные расчеты. Так что пересчет можно выполнять только в нужной части расчетов.

[R5, Ом] = ([U2, В] — [U1, В]) * [R3, Ом] / [U, В] [Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя, В] = [R3, Ом] * [U2, В] / ([R3, Ом] + [R5, Ом])

[R1, Ом] = [R2, Ом] * ([U, В] — [Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя, В]) / [Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя, В]

Абсолютное значение входного тока (А) этих схем может достигать [U, В] / ([R3, Ом] + [R5, Ом]). Источник сигнала должен выдерживать такой ток без существенного изменения напряжения, иначе триггер Шмитта будет работать неправильно. Если мы точно знаем выходное сопротивление источника сигнала, то сопротивление R5 нужно уменьшить на эту величину, так как выходное сопротивление включено последовательно с R5. Если выходное сопротивление мало, то корректировку можно не проводить.

Приведенные схемы могут быть собраны на операционном усилителе 544УД1

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

В схеме А (и в других тоже) наличие 2 диодов (или стабилитрона на 3 В) на базе транзистора действительно не дает ему открываться при 0 на выходе ОУ, но в то же время база как бы ‘повисает в воздухе’, а включение транзистора с ‘оборванной’ базой запрещено. Целесообразно ввести резистор порядка 1 кОм между базой и эмиттером. Читать ответ.

‘VD1, VD2 применяется в связи с тем, что у большинства операционных усилителей даже в условиях насыщения напряжение на выходе выше напряжения питания.’ насыщения напряжение на выходе >> выше

Триггер Шмитта на операционном усилителе

Схема триггера Шмитта на ОУ приведена на рис.3. Уровень входного сигнала срабатывания определяется значением напряжения ЕО. Его можно легко регулировать в широких пределах. Для получения гистерезисной передаточной характеристики к (прямому) не инвертирующему входу операционного усилителя подключена цепь положительной обратной связи, которая реализована с помощью резисторов R2, R3. Коэффициент обратной связи .

Как известно, усилитель, охваченный положительной обратной связью, переходит в автогенераторный режим при выполнении условия . Следовательно, если , то данное устройство будет обладать регенеративными свойствами и выходная характеристика будет релейной.

Читайте также  Работа с внешними прерываниями

Пусть на инвертирующий вход ОУ подано напряжение, существенно меньшее ЕО. Тогда ОУ находится в состоянии, в котором , где — максимальное положительное напряжение ОУ. Напряжение на прямом входе в этом случае равно

.

Если пренебречь влиянием синфазного сигнала, то можно считать, что выходной сигнал ОУ начнет изменяться в том случае, если между его входами будет разность напряжения, меньшая , где К – коэффициент усиления ОУ. Это произойдет тогда, когда входное напряжение на инвертирующем входе станет больше порогового напряжения, равного .

Таким образом, в тот момент, когда разность напряжений между входами станет меньше , напряжение на выходе ОУ изменится (см. рис.3б). ОУ выйдет из состояния насыщения, и вследствие действия положительной обратной связи начнется регенеративный процесс.

Процесс регенерации проходит следующим образом: как только входное напряжение стало равным Uпор1, усилитель выходит из насыщения. Выходное напряжение начинает уменьшаться, снижая напряжение на прямом входе, т.е. снижая пороговое напряжение. Это приводит к смещению передаточной характеристики ОУ влево. В результате разность потенциалов между входами уменьшается. Выходное напряжение еще больше уменьшается, уменьшается пороговое напряжение и т.д. После того как выходное напряжение перейдет нулевое значение, разность потенциалов между входами начнет возрастать по модулю, но полярность меняется на противоположную (см. рис.3б). Процесс протекает лавинообразно. В результате процесса регенерации ОУ окажется снова в состоянии насыщения, но выходное напряжение будет уже противоположного знака и равно . Напряжение на прямом входе ОУ при этом равно

.

Это состояние будет устойчивым при всех значениях входного напряжения, больших Uпор1. Следует отметить, что входное напряжение можно повышать до тех пор, пока разностное напряжение не превысит предельно допустимого для данного типа схемы.

Если теперь уменьшать входное напряжение, то выходное напряжение не изменит своего значения до момента, пока ОУ не выйдет из насыщения, что имеет место при дифференциальном сигнале ОУ .

Уровень порога отпускания равен .

Таким образом, обратное срабатывание схемы произойдет при входном напряжении, меньшем Uпор2.

Выходная характеристика устройства показана на рис.3в. Она имеет гистерезисный характер.

Середина петли гистерезиса определяется выражением .

Ширина петли гистерезиса определяется разностью входных напряжений Uпор1 и Uпор2:

.

Если , то гистерезис отсутствует.

Если , то .

Нестабильность уровней и приводит к изменению ширины петли гистерезиса и изменениям уровней срабатывания и отпускания. Для устранения этого недостатка используют стабилизацию напряжения обратной связи с помощью двух встречно включенных стабилитронов (рис.4). В этом случае выходное напряжение равно: ,

где Uст – напряжение стабилизации, Uпр – прямое падение напряжения на стабилитроне.

Триггер Шмитта используется для преобразования сигналов произвольной формы в прямоугольные импульсы (рис.5).

Компараторы

Компаратор — это устройство сравнения, которое вырабатывает выходной сигнал в момент равенства двух напряжений, подаваемых на входы.

Схема компаратора на операционном усилителе показана на рис.1а. Диаграмма выходного напряжения показана на рис.1б.

В этой схеме опорный сигнал подается на не инвертирующий вход. Петля отрицательной обратной связи здесь не используется. В связи с этим коэффициент усиления ОУ очень большой.

Когда сигнал на инвертирующем входе U = Eоп, то выходное напряжение равно нулю. Незначительное отклонение входного напряжения U в сторону уменьшения (U Eоп, то Uвых = .

Точность сравнения сигналов составляет величину

.

Величина D определяет зону неопределенности компаратора.

Рассмотренная схема имеет ограниченный диапазон входных напряжений. Если необходимо сравнивать большие величины входных напряжений можно использовать схему не инвертирующего компаратора, приведенную на рис.2. Компаратор срабатывает, когда напряжение на не инвертирующем входе U+ проходит через нуль. Чтобы U+ было равно нулю, сигналы U1 и U2 должны иметь противоположные знаки.

Так как ,

то условие срабатывания U+ = 0 имеет вид .

Эту схему можно функционально расширить, если к прямому входу ОУ подключить еще несколько резисторов. При этом компаратор будет срабатывать, когда приведенная к прямому входу алгебраическая сумма входных напряжений будет больше или меньше нуля. Если к прямому входу включить диоды (пунктир), то напряжение на прямом входе компаратора не может превысить значения 0.7 В.

Для стандартных частотно скорректированных ОУ скорость нарастания выходного напряжения Vнар » 1 В/мкс. Таким образом, переход, например с –12 В до +12 В составляет 24 мкс. Для ОУ без частотной коррекции скорость нарастания увеличивается, соответственно уменьшается время срабатывания схемы. На основе быстродействующих ОУ могут быть построены компараторы с малым временем переключения.

Триггер Шмитта — общее представление

В ходе проектирования импульсной схемы, у разработчика может возникнуть потребность в пороговом устройстве, которое могло бы из подаваемого на его вход сигнала непрямоугольной формы (например пилообразного или синусоидального) формировать на выходе чистый прямоугольный сигнал с определенными значениями высокого и низкого уровней напряжения.

На данную роль хорошо подходит триггер Шмитта, — схема, обладающая парой стабильных выходных состояний, которые под действием входного сигнала сменяют друг друга скачком, то есть на выходе получается именно прямоугольный сигнал.

Характерная особенность триггера Шмитта заключается в наличии определенного диапазона между уровнями напряжений для входного сигнала, при выходе напряжения входного сигнала за который происходит переключение на выходе данного триггера с низкого уровня — на высокий и наоборот.

Данное свойство триггера Шмитта называется гистерезисом, а участок характеристики между пороговыми входными значениями — областью гистерезиса. Разница между верхним и нижним пороговыми значениями для входа триггера Шмитта определяет ширину области его гистерезиса, которая служит мерой чувствительности триггера. Чем шире область гистерезиса — тем менее чувствителен триггер Шмитта, чем уже область гистерезиса — тем его чувствительность выше.

Триггеры Шмитта выпускаются в виде специализированных микросхем, где внутри одного корпуса может находиться сразу несколько отдельных триггеров. Такие микросхемы имеют определенный нормированный порог переключения, и дают крутые фронты на выходе, несмотря на далекую от прямоугольной форму входного сигнала. Кроме того, триггер Шмитта может быть построен и на базе логических элементов, в этом случае у разработчика появляется возможность очень точно задать и настроить ширину области гистерезиса своего порогового устройства.

Обратим внимание на рисунок, и более внимательно рассмотрим принцип работы триггера Шмитта.

Здесь представлено схематическое изображение элемента триггера, а также его передаточная и временная характеристики. Как видим, при уровне входного сигнала Uвх ниже нижнего порога срабатывания Uпор.н, на выходе триггера Шмитта — тоже, соответственно, напряжение низкого уровня U0, близкое к нулю.

В процессе нарастания напряжения входного сигнала Uвх, его значение сначала достигает нижней границы области гистерезиса Uпор.н, нижнего порога, при этом на выходе как и прежде ничего не изменяется. И даже когда входное напряжение Uвх заходит в область гистерезиса, и в течение некоторого времени находится внутри нее, то на выходе все равно ничего не происходит — на выходе по-прежнему напряжение низкого уровня U0.

Но как только уровень входного напряжения Uвх сравнивается с верхним порогом области гистерезиса Uпор.в (области срабатывания) — выход триггера скачком переходит в состояние высокого уровня напряжения U1. Если входное напряжение Uвх будет продолжать нарастать дальше (в пределах допустимого для микросхемы), выходное напряжение Uвых изменяться уже не будет, так как достигнуто одно из двух устойчивых состояний — высокий уровень U1.

Теперь, допустим, что входное напряжение Uвх стало снижаться. При возврате в область гистерезиса изменений на выходе не происходит, уровень по-прежнему высокий U1. Но как только напряжение входного сигнала Uвх сравняется с нижней границей области гистерезиса Uпон.н — выход триггера Шмитта скачком перейдет в состояние с напряжением низкого уровня U0. На этом основана работа триггера Шмитта.

Иногда оказываются полезными триггеры Шмитта, где внутри микросхемы реализован логический элемент «И», а на выходе установлен инвертор «НЕ» (инвертирующий триггер Шмитта). В этом случае передаточная характеристика будет выглядеть наоборот: когда напряжение выходит за верхнюю границу области гистерезиса — на выходе триггера Шмитта появляется низкий уровень, а когда возвращается ниже области гистерезиса — на выходе появится высокий уровень. Это практически элемент И-НЕ с гистерезисом.

Триггер Шмитта может быть собран и на операционном усилителе (ОУ). Давайте рассмотрим один из вариантов его реализации в общих чертах. Инвертирующий вход ОУ заземляется, а входной сигнал подается через резистор R1 на неинвертирующий вход ОУ. Выход ОУ по цепочке обратной связи через резистор R2 соединяется с неинвертирующим входом ОУ. Прямоугольное напряжение снимается с выхода ОУ.

Напряжение на выходе операционного усилителя традиционно определяется по формуле Uвых=K*Uа. Обычно Uвых.макс равно напряжению питания ОУ (обозначим его буковй E), а K – коэффициент усиления ОУ, имеет порядок 1000000. Напряжение на выходе может изменяться от +E до -E. Здесь мы не будем вдаваться в особые подробности, и для упрощения понимания рассмотрим яркий пример, где входной резистор и резистор в цепи обратной связи равны между собой: R1=R2.

Итак, в самом начале, когда Uвх=0, следовательно и Ua=0, тогда и Uвых=0, так как напряжение на неинвертирующем входе ОУ не превышает напряжения на его инвертирующем входе.

Читайте также  Измерение относительной влажности воздуха психрометрическим методом при помощи мк

Если теперь Uвх немного увеличить, то немного увеличится и Ua. Тогда Uвых сильно увеличится (в соответствии с величиной К), поскольку напряжение на неинвертирующем входе ОУ станет превышать напряжение на его инвертирующем входе, который, как мы решили, заземлен. Тогда, за счет того что точка Ua находится между резисторами, включенными согласно приведенной схеме, в точке Ua напряжение сильно увеличится, оно станет равно примерно Uвых/2, и благодаря лавине положительной обратной связи, на выходе ОУ появится устойчивое напряжение Uвых (равное напряжению питания ОУ = E). Таким образом ОУ перешел в устойчивое состояние с высоким уровнем напряжения на выходе. При этом Ua=(E+Uвх)/2.

Если в этом состоянии начать уменьшать Uвх, то даже когда оно станет равным нулю, то в точке Ua все равно будет E/2, и на выходе ОУ все равно будет напряжение высокого уровня Uвых=E.

Только когда Uвх станет равно -E, только тогда Uа станет равно нулю, и выход ОУ перейдет в состояние с низким уровнем напряжения (-E). В этом случае опять возникнет лавина обратной связи — теперь Uвых=-E, Ua = (Uвх-Е)/2, а это много ниже чем на неинвертирующем входе ОУ. Триггер перешел в устойчивое состояние с низким уровнем на выходе. Чтобы теперь выход ОУ обратно перешел в высокое состояние, необходимо, чтобы Uвх вновь стало равно E, что вызовет очередную лавину обратной связи. Возврата в нулевую точку больше не произойдет.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Триггер Шмитта. Подробное описание нессиметричного триггера

Что такое триггер Шмитта

Слово trigger, в переводе на русский, значит, спусковой крючок. Функциональность устройства заключается в быстром переходе из одного устойчивого состояния в другое под внешним воздействием.

Большинство подобных устройств имеют заданное одинаковое значение для нарастающего сигнала. Для быстрорастущих сигналов – это не проблема. Но для сигналов, которые имеют очень медленное нарастание (шумовые, например) – колебания назад и вперед из положения off в on и обратно могут вывести из строя прибор. Триггеры Шмитта применимы для медленно изменяющихся сигналов или шума.

Это решение для случаев, когда сигнал на входе колеблется вокруг заданной точки. Схема для получения петли гистерезиса – это значит, что есть два набора точек, одни на низкой стороне, другие на высокой. Допустим, что на стороне низкого заданное значение составляет 2,0 В, а на стороне высокого – 1,5 В. Как только нарастающий входной сигнал (шум) попадает в точку 2.0 В, триггер переключит выход на 1. И сигнал на выходе останется на 1 до тех пор, пока входной сигнал не упадёт обратно до 1,5 В. В зоне от 1,5 и 2.0 В сигнал не переключается.

Самым простым примером применения триггера Шмитта является однополюсный двухпозиционный тумблер.

Перемещением рычага вправо соединяются выступы в центре. Цифровые схемы работают на 1 и 0 (вкл. и выкл.) Серединных значений при этом нет.

Схемы триггеров Шмитта

Существует много схем триггеров Шмитта, в которых необходимо включение элементов, имеющих фиксированные пороги на входе. Можно применять дискретные транзисторы, а также операционный усилитель (ОУ) с дополнительными компонентами, способствующими созданию петли гистерезиса.

На схеме изображено как устройство формирует импульс правильной конфигурации, при произвольном входном сигнале. Подобная схема применяется для преобразования медленно изменяющихся сигналов в импульсы с чётко очерченными краями. Это выполняется и на нескольких устройствах, и на одном ОУ.

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Для несимметричного триггера Шмитта характерно несколько устойчивых состояний, когда переход из одного в другое происходит лишь при пороговых уровнях. Поэтому для такого триггера Шмитта характерна гистерезисная передаточная характеристика. В нижеприведённой схеме использованы биполярные транзисторы.

На данном чертеже показано, что триггер Шмитта включает в себя транзисторы VT1 и VT2, гальванически связанные между собой посредством резистора R5. Все элементы имеют общую питающую шину. R1 и R2 обеспечивают рабочий режим транзистора VT1. Организован делитель напряжения (два резистора). Конденсатор C1 служит для ускоренного переключения. Временные диаграммы входных и выходных напряжений устройства показаны на рисунке.

При подаче питания к устройству, он переходит в исходное состояние, когда транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. В таком состоянии на выход устройства поступает некоторое напряжение Uэ, зависящее от элементов обвязки VT2. Имеются два порога срабатывания в триггере Шмитта (эта разность между напряжениями называется шириной петли гистерезиса).

Триггер Шмитта на логике

Это устройство особенное, потому что имеет по одному аналоговому входу и цифровому выходу. Самая простая схема триггера Шмитта основана на цифровых логических элементах, то есть последовательно включенных двух инверторах. Посредством резистивной обратной связи цифровой сигнал на выходе меняет входное напряжение переключения. Скорости нарастания сигнала на выходе и входе не зависят друг от друга, являясь для данной схемы постоянной величиной (зависящей от быстродействия логических вентилей). Схема триггера Шмитта, построенная на двух инверторах, изображена ниже.

Добавлена обратная связь, обеспеченная двумя резисторами, способствует быстрому изменению напряжения на выходе схемы при пересечении сигналом порогового напряжения. Соотношение между резисторами влияет на глубину этой связи. Тот факт, что часть сигнала с выхода схемы поступает на вход, приводит к тому, что вместо одного порога у схемы получается два. Один из них назван порогом срабатывания схемы (когда на выходе устройства формируется уровень «1»). Второй порог назван порогом отпускания (когда на выходе схемы формируется уровень «0»). Наличие двух порогов дало триггеру Шмитта второе название — схема с гистерезисом. Положительная обратная связь используется для того, чтобы установить лимит для достижения точки насыщения на выходе и, таким образом, можно изменить синусоидальное напряжение в цифровое.

Как определить низкие и высокие пороговые уровни на входе схемы? Логика определения этих пороговых уровней следующая. Необходимо выбрать верхний порог, который ниже минимального высокого уровня сигнала. Другими словами, это тот уровень, когда входной сигнал будет превышать каждый импульс на выходе. Аналогичным образом выбирается нижний порог, который соответственно выше низкого уровня сигнала. Разница между верхним и нижним уровнем является гистерезис. Чем больше гистерезис, тем больше будет восприимчивость схемы к шуму. Также необходимо учесть влияние времени.

На изображении хорошо видны два порога там, где на вход устройства подаётся синусоидальное напряжение.

Генератор на триггере Шмитта

Для построения генераторов применяются инверторы. Посему для обеспечения устойчивых сигнальных волн нужно вывести элемент на участок между «0» и «1». Далее, требуется обеспечить положительную обратную связь посредством конденсаторов.

Ниже изображена схема простейшего генератора импульсов.

Инвертор генерирует сигнал, который заряжает и разряжает конденсатор. Это работает, потому что на выходе инверторов «0» или «1» (низкие или высокие пороговые значения). Представим, что мы смотрим на цепи в какой-то случайный момент времени. По своей природе, триггера Шмитта на выходе инвертора или 0 В или 5 В (или переход между ними, который мы можем игнорировать). Если на выходе 0 В, а на выходе конденсатора выше, чем на выходе инвертора, конденсатор будет разряжаться через резистор до падения порогового напряжения триггера Шмитта. Конденсатор разряжается до тех пор, пока на входе инвертора сигнал достаточно низкий. При пересечении порогового значения, цикл начнётся заново.

Ключ, который делает эту работу на «гистерезис» в триггер Шмитта. В основном это означает, что точка поездки инвертора зависит оттого, что мы идем от высокого напряжения или низкого напряжения.

Заключение

Достоинство схем заключается в том, что входное напряжение меняется незначительно, когда выходное изменяется резко к высокому или низкому пороговому значению. Процесс проводится благодаря устройству обратной связи и делителя напряжения.

В чём польза триггера Шмитта? Они весьма востребованы тогда, где на входе присутствуют шумы. Применяется для преобразования входного сигнала в прямоугольные, пренебрегая высокочастотными помехами. Такая входная цепь осуществляет гистерезис, эффективно фильтрующий различные типы шумов. Использование устройства будет гарантировать, что на входе цифрового устройства всегда будет либо «один» или «ноль» и ничего между ними.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.