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.
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.
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.
Аналоговый компаратор
Подадим на неинвертирующий вход усилителя опорное напряжение в 1.5 вольта, а на инвертирующий вход синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и постоянной составляющей 1.5 вольта.
Vcc – 1.5= 5 – 1.5 = 3.5 В
То есть пока входной сигнал меньше опорного — на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю.
Описанная схема представляет собой инвертирующий компаратор. Если мы поменяем источники напряжения местами, то получим неинвертирующий компаратор. Попробуй самостоятельно разобраться, как при этом поведет себя схема.
Триггер Шмитта
Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже.
Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.
Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.
Принцип работы триггера Шмитта на ОУ
Триггер Шмитта — это компонент электронного устройства, функция которого является формирование постоянно изменяющегося сигнала на входе в серию прямоугольных импульсов на выходе. Применяется в аналого-цифровых преобразователях, фильтрах, линиях связи.
Триггер Шмитта имеет свое отличие от других видов триггеров тем, что он имеет единственный вход и один выход и не имеет свойства памяти. Триггер Шмитта состоит из двух инверторов, имеющих положительно-обратную связь (ПОС), в результате чего состояние выхода триггера может меняться лавинообразно.
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:
- Uвх1 = +U*R2/(R1+R2) = 3,5*10/35 = 1 В
- 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.