Что такое триггер Шмитта и как он работает

Триггер Шмитта — это тип логического входа, который обеспечивает гистерезис или два различных пороговых уровня напряжения для нарастающего и спадающего фронта. Это полезно, поскольку позволяет избежать ошибок, когда у нас есть зашумленные входные сигналы, из которых мы хотим получить прямоугольные сигналы.

Обозначение триггера Шмитта на схемах показано на следующем рисунке.

Например, у нас есть зашумленный входной сигнал, который может иметь два состояния. Если не предпринимать никаких мер, то, как показано на рисунке ниже, мы можем зарегистрировать более двух импульсов. А если мы используем триггер Шмитта для одного и того же входного сигнала, мы получим правильный вход из двух импульсов из-за двух разных порогов. Это основная функция триггера Шмитта — преобразование шумных прямоугольных волн, синусоидальных волн или входных сигналов с медленными фронтами в "чистые" прямоугольные сигналы.

На нашем сайте мы использовали триггер Шмитта в следующих проектах:

Типы триггеров Шмитта

Существует множество логических интегральных схем (ИС), которые имеют на своих входах встроенные триггеры Шмитта, но их также можно построить с использованием транзисторов или даже проще, используя операционный усилитель или компаратор, просто добавив к нему несколько резисторов и положительную обратную связь. Различные типы подобных триггеров Шмитта представлены на следующем рисунке.

Рассмотрим эти типы триггеров Шмитта более подробно.

Триггер Шмитта на базе операционного усилителя

Здесь у нас есть операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к земле или нулевому напряжению, а неинвертирующий вход подключен к входу напряжения V_IN. Таким образом, на самом деле это компаратор, который сравнивает неинвертирующий вход с инвертирующим входом или, в данном случае, входное напряжение V_IN с 0 В. Таким образом, когда значение V_IN ниже 0 В, выходной сигнал компаратора будет отрицательным V_CC , и если входное напряжение выше 0 В, выходное напряжение будет положительным V_CC .

Теперь, если мы добавим положительную обратную связь, подключив выходное напряжение к неинвертирующему входу с резистором между ними и еще одним резистором между V_IN и неинвертирующим входом, мы получим триггер Шмитта. Теперь выход переключится с V _CC– на V _CC+, когда напряжение в узле A превысит 0 Вольт.

Это означает, что теперь, регулируя номиналы резисторов, мы можем установить, при каком значении входа V_IN произойдет переключение, используя ниже приведенные уравнения. Мы получаем эти уравнения со следующими соотношениями. Ток «i» через эту линию равен V _IN – VA _, разделенный на R₁ , а также VA _– V _OUT, разделенный на R₂. Итак, если мы заменим V_A на ноль, поскольку нам нужно это значение для переключения, мы получим окончательное уравнение. Например, если выходной сигнал составляет -12 В, а входное напряжение V_IN отрицательное и возрастает, переключение с -12 В на +12 В произойдет при 6 В в соответствии с уравнением и значениями резисторов, и наоборот, когда вход V_IN имеет высокий уровень и снижается, переключение с +12 В на – 12 В произойдет при -6 В.

Несимметричный триггер Шмитта

Чтобы получить два разных несимметричных порога, мы можем использовать показанную ниже схему инвертирующего триггера Шмитта с одинарным питанием. Здесь напряжение V_REF такое же, как V_CC операционного усилителя. Теперь, поскольку вход V_IN подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, когда его значения достигнут верхнего порога, выход отключится до 0 вольт, а затем, когда его значения упадут до нижнего порога, выход будет включать питание 5 вольт.

Вот пример того, как мы можем рассчитать пороговые значения. V_REF и V_CC будут составлять 5 В, а сопротивление трех резисторов будет одинаковым — 10 кОм. Итак, теперь нам нужно рассчитать напряжение в узле A. В первом случае, когда выходное напряжение равно 0 В, наша схема будет выглядеть следующим образом: простой делитель напряжения и значение V_A будет 1,66 В. Это означает, что входное напряжение V_IN должно упасть ниже этого значения, чтобы выходной сигнал был равен 0 В. Включить питание 5 вольт. Теперь при этих 5 вольтах на выходе схема будет выглядеть так. Значение V_A будет 3,33 В. Это означает, что входное напряжение V_IN должно подняться выше этого значения, чтобы выход выключился до 0 Вольт.