Schmitt trigger

Schmitt trigger - ett tvåläges relä (omkopplings) element, vars statiska karaktäristik har en tvetydighetszon - en hysteresloop .

I en snäv bemärkelse är en Schmitt-utlösare en elektronisk anordning, i en bredare mening, vilket kopplingselement som helst med hysteres, implementerat på alla fysiska principer - elektromekaniska anordningar, pneumatiska, rent mekaniska.

Fasvägen (statiskt svar) för Schmitt-utlösaren är omkopplarsvaret, men med en rektangulär hysteresloop . Tvetydigheten i den statiska karaktäristiken med en insignal vars värde ligger mellan växlingströsklarna gör att vi kan hävda att Schmitt-triggern, liksom andra triggers, har en minnesegenskap - dess tillstånd i tvetydighetszonen (tillståndet för lagring av registrerad information) är bestäms av förhistorien - den tidigare verkande insignalen.

Schematiskt är en elektronisk Schmitt-trigger en kombination av två enheter: en tvåtröskelkomparator och en explicit eller implicit närvarande RS-vippa .

I en implementering som kallas en "precision Schmitt-trigger" eller, ibland mer allmänt kallad en "precision Schmitt-trigger med en RS-vippa", är en tvåtröskelkomparator och en RS-vippa explicit närvarande, och tvåtröskelvärdet komparator är implementerad som två enkeltröskeljämförare med olika tröskelvärden [1 ] [2] [3] .

I en annan implementering, kallad "Schmitt-trigger med återkoppling" eller " Komparator med hysteres ", bildas en tvåtröskelkomparator kretsvis av en enkeltröskelkomparator med ett tröskelvärde kopplat av positiv återkoppling, och i ett tillstånd av komparatorn den övre omkopplingströskelnivå bildas, och i den andra - nivån lägre omkopplingströskel. Samma positiva återkoppling organiserar en implicit RS-flip-flop från samma komparator.

Elektroniska Schmitt-triggers används för att återställa en digital signal på två nivåer som är förvrängd i kommunikationslinjer av brus och distorsion, i kontaktstudsfilter , som en tvålägesregulator i automatiska styrsystem , i tvålägesspänningsregulatorer , i avslappningsoscillatorer . Schmitt-triggern sticker ut i familjen av elektroniska triggers: den har en analog ingång och en utgång med två utgångsnivåer.

Det finns elektromekaniska och mekaniska enheter med hysteres, som i huvudsak är funktionella analoger till Schmitt-utlösaren, bildade av mekaniskt rörliga delar. Till exempel är ett konventionellt elektromekaniskt relä den icke-elektroniska funktionella analogen till en Schmitt-trigger. Sådana utlösare används i temperaturkontroller av kylskåp av olika elektriska värmare ( strykjärn , oljevärmare , kompressortryckstabilisatorer, etc.), i automatiska vapen .

Historik

Schmitts elektroniska trigger, implementerad på elektrovakuumtrioder , uppfanns av den amerikanske biofysikern och ingenjören Otto Herbert Schmitt 1934, medan han var student-praktikant vid den tiden. 1937 beskrev Schmitt det i sin doktorsavhandling med titeln "Thermion Trigger", skriven av honom om resultaten av att studera spridningen av nervimpulser i nervsystemet hos bläckfiskar [4] .

Utlösa implementeringsalternativ

Precision Schmitt Trigger

Schmitt-vippan är en RS-vippa som styrs av en analog ingångssignal, med två olika omkopplingsspänningar till två olika tillstånd. Det kallas precision eftersom omkopplingströskelvärdena ställs in oberoende och noggrannheten hos dessa tröskelvärden beror endast på noggrannheten hos omkopplingströskelvärdena för ingångskomparatorerna med enkel ingång. Typiskt betecknas triggerutgångstillstånd med symbolerna "0" och "1", och omkopplingsspänningen vid "1" är högre än omkopplingsspänningen vid "0". När inspänningen ligger mellan omkopplingsspänningarna är Schmitt-triggern i tillståndet att lagra information som tidigare skrivits till den, och dess utsignal bestäms av historiken för insignalens förändring.

Schmitt-triggers med en RS-vippa har ingen återkoppling från utgången till den analoga ingången. De består av en tvåtröskelkomparator där två separat justerbara kopplingströskelspänningar jämförs med en insignal. Omkoppling av vippan till "0"-tillståndet och till "1"-tillståndet sker från utsignalerna från enkeltröskelkomparatorer, som matas till de asynkrona set- och återställningsingångarna S och R på RS-vippan [1 ] [2] [3] .

Schmitt trigger med feedback

I versioner av en vippa med återkoppling används återkoppling också för att växla spänningen för jämförelsetröskeln i en konventionell komparator, som har ett kopplingströskelvärde på noll, samtidigt som det omvandlas till en tvåtröskelkomparator med olika tröskelvärden och till en RS flip-flop på samma entröskelkomparator. Vid en hög spänning (logiskt "1"-tillstånd) vid utgången av komparatorn, minskar återkopplingen spänningen för omkopplingströskeln vid ingångsingången, eftersom den summeras av ingångsadderaren med insignalen, så att spänningen kl. komparatorns ingång, lika med utgångsspänningen från adderaren, blir lika med noll, inspänningen bör bli negativ och lika i absolut värde med utgångsspänningen från komparatorn, som är i tillståndet logisk "1". Följaktligen, vid låg spänning vid komparatorns utgång (logiskt "O"-tillstånd), ökar återkopplingen vid komparatorns utgång spänningen för omkopplingströskeln. ${\displaystyle U_{+))$ ${\displaystyle U_{-))$

I en sådan struktur är separat och oberoende fastställande av tröskelvärden svårt [5] . Dessutom, med en inspänning vars värde ligger mellan omkopplingströsklarna, det vill säga i tvetydighetszonen, kräver att utlösaren tvingas till ett givet tillstånd användning av ytterligare komponenter.

Varianter av Schmitt-triggers

Precision Schmitt Trigger

En precisions-Schmitt-trigger, ibland längre kallad "precision RS flip-flop Schmitt-trigger", består av en tvåtröskelkomparator baserad på två konventionella komparatorer med en tvånivåutgång (binär utgång), som delar upp hela inspänningen intervallet i tre delar - den första - under bottentröskeln, den andra - mellan tröskelvärdena och den tredje - över den övre tröskeln, och RS-triggern, som växlar när inspänningen lämnar det andra intervallet - mellan den nedre och övre växlingströsklar [1] [2] [3] .

Det finns ett antal mikrokretsar från olika tillverkare som innehåller två analoga entröskelkomparatorer och logiska grindar för att organisera externa byglar mellan stiften i den integrerade RS-trigger-mikrokretsen, till exempel NE521-mikrokretsen [6] .

En annan populär mikrokrets, den integrerade timern 555 , också tillverkad av väldigt många mikrokretstillverkare (inhemska analoger till mikrokretsen - KR1006VI1, KR1008VI1), innehåller alla delar av en precision Schmitt-trigger. Så när man kombinerar mikrokretsens ingångar kommer "THRES" och "TRIG" att utföra funktionen av en inverterande Schmitt-trigger. Nackdelen med denna mikrokrets när den används som en Schmitt-utlösare är omöjligheten att godtyckligt ställa in omkopplingströskelvärdena, som bestäms av den interna resistiva spänningsdelaren och är ungefär en tredjedel av mikrokretsens matningsspänning för den lägre omkopplingströskeln och 2/3 för den övre kopplingströskeln.

Precisions-Schmitt-triggern är bekväm för att konstruera kretsar av tvåläges nyckelstabilisatorer för spänning , temperatur, vätskenivå, motorvarvtal, reläregulatorer, etc. [7]

Den elektromekaniska analogen till en Schmitt-precisionstrigger med nyckelställdon är ett elektromekaniskt relä .

Andra elektromekaniska eller mekaniska analoger till precisions-Schmitt-avtryckaren är strömbrytare med tre lägen på manöverspaken och med två utgångslägen, i vilka manöverspaken i tillståndet för lagring av informationen som registrerats i RS-avtryckaren är i mittläget, och växling inträffar endast när manöverspaken avviker från mittläget. Till exempel joysticken i vissa mobiltelefoner.

Programimplementering av Schmitt-utlösaren

I "mjukvaruprecisions- Schmitt-triggern " är två enkeltröskelkomparatorer två IF-THEN-operatorer, och tillståndet för RS-triggern lagras av någon variabel, till exempel nollsiffra (bit) i en heltalsvariabel , eller någon boolesk variabel som tar värdena "FALSE" och "TRUE" .

Med logiska element med samma fördröjningstider har alla Schmitt-hårdvaruutlösare en betydligt högre prestanda ( fördröjning t ≈ 3 dt , där dt är fördröjningstiden i en logisk grind) än mjukvara. Dessutom, i en hårdvaru-Schmitt-trigger, sker jämförelseprocessen samtidigt längs två kedjor med två komparatorer parallellt, och i en mjukvaru-Schmitt-trigger i entrådade processorer, sker två jämförelseoperationer med två trösklar sekventiellt. Exekveringstiden för Schmitt-programvarans triggerkod ökar något om programmeringsspråket inte stöder ett ovillkorligt hopp till etiketten, i detta fall, med datainmatningen < Lower_threshold , exekveras den andra jämförelseoperatorn. Om programmeringsspråket stöder ovillkorligt hopp, förbigås fallen av Input < Lower_threshold genom att skicka den andra IF - satsen , som visas i pseudokodexemplet.

Ett exempel på en pseudokod för en icke-inverterande Schmitt-utlösare:

Indata, Upper_threshold, Lower_threshold - verklig; // Upper_threshold > Lower_threshold Trigger - boolesk; Ställa in Upper_threshold, Lower_threshold; Trigger := 0; // Booleska variabelbeteckningar: 0 och 1 är "FALSE" respektive "TRUE", LOOP // Här kan du till exempel infoga ett villkor för att lämna loopen ENTER Input; IF Input < Lower_threshold THEN Trigger := 0; OUTPUT Trigger; GÅ TILL METKA1 ; SLUT OM ; IF Input > Upper_threshold THEN Trigger := 1; OUTPUT Trigger; SLUT OM ; LABEL1: SLUT PÅ CYKEL ;

Schmitt trigger med analog återkoppling

På analoga element

Ett exempel på implementeringen av Schmitt-triggern på två transistorer visas i figuren. I denna krets är transistorsteget T1 den enklaste komparatorn . Positiv återkoppling utförs från emittern på den andra transistorn till emittern på den första transistorn; för återkopplingssignalen arbetar den första transistorn i det gemensamma basläget .

I moderna analoga kretsar utförs Schmitt-triggar vanligtvis på en operationsförstärkare i komparatorläge , täckt av resistiv positiv återkoppling, vars tvånivåutsignal, enligt samma återkoppling, med viss fördröjning, bestäms av återkopplingens resistans resistor och den fördelade och parasitiska ingångskapacitansen hos komparatorn, ändrar komparatorns jämförelsespänning. Som ett resultat, för ingångsspänningen, blir komparatorn en tvåtröskel, med två olika inspänningar för att växla till två tillstånd. På grund av positiv återkoppling bildas en hysteresloop i enhetens statiska karaktäristika, det vill säga enheten förvärvar egenskaperna hos en utlösare.

I en Schmitt-vippa med återkoppling, efter omkoppling av vippan, finns det ett intervall i vilket det tidigare värdet på jämförelsespänningen är giltigt före ankomsten av signalen för omkoppling av jämförelsespänningen genom återkopplingskretsen. Om det vid detta intervall sker en plötslig förändring i insignalen i motsatt riktning, kommer utlösaren att växla till den tidigare jämförelsespänningen, det vill säga i förtid.

Om digitala logiska element

Den enklaste implementeringen av Schmitt-triggern på digitala logiska element som analoga inverterande förstärkare är två seriekopplade logiska växelriktare, som i detta sammanhang bildar en analog enkeltröskelkomparator med ett omkopplingströskelvärde ungefär lika med halva matningsspänningen. Komparatorn som bildas av två element täcks av en resistiv återkoppling, vars utsignal genom återkopplingen ändrar tröskelväxlingsspänningen för insignalen.

Stigtiden och svängningshastigheten för utsignalen från denna enhet beror inte på svängningshastigheten för insignalen och är ett konstant värde som beror på hastigheten hos de logiska grindarna .

Användningen av logiska grindar som en analog komparator försämrar noggrannheten, stabiliteten och reproducerbarheten av kopplingströsklar, och resistiv återkoppling, tillsammans med parasit- och ingångskapacitanser, minskar enhetens hastighet något.

Tillämpning av Schmitt-utlösaren

För att återställa en förvrängd tvånivåsignal under sändning

Principen för att rekonstruera en förvrängd tvånivåsignal visas i figuren. Antag att en hög nivå av signalen kodar en logisk "1", en låg nivå kodar en logisk "0". Antag att den oförvrängda spänningen för den logiska "1" något överstiger den övre tröskeln för Schmitt-utlösaren, men när linjen är förvrängd från störningar, fluktuerar den övre nivån i slutet av linjen. Låt endast logisk "1" överföras till linjen, om spänningen vid linjeutgången sjunker under komparatorns omkopplingströskel på grund av störningar, kommer falska värden som motsvarar logisk "0" att visas på komparatorutgången.

Vid utgången av Schmitt-triggern kommer falsk logisk "O" med en sänd logisk "1" endast att visas om signalnivån vid utgången av överföringskanalen sjunker under Schmitt-triggerns nedre omkopplingströskel. På liknande sätt fungerar skydd mot störningar vid sändning av en logisk "0".

Rätt val av signalnivåer och omkopplingströsklar med en a priori känd nivå av interferens i överföringskanalen kan avsevärt minska sannolikheten för att förvränga den överförda informationen.

I chattfilter av elektromekaniska nycklar

När kontakter är stängda i elektromekaniska omkopplingsanordningar - strömbrytare, knappar, elektromagnetiska reläer etc., uppstår kontaktstuds - flera okontrollerade stängningar och öppnande av kretsen orsakade av studsande kontakter under kollisioner. I många fall är chatter inte kritiskt, såsom i strömbrytare, men i många digitala enheter är chatter oacceptabelt, eftersom det kan orsaka flera oönskade omkopplingstillstånd för utlösare av en digital enhet.

För att eliminera den skadliga effekten av chatter i sådana enheter används olika chatterfilter. En av varianterna av ett sådant filter med en inverterande Schmitt-trigger och ett lågpassfilter (LPF) vid dess ingång visas i figuren.

När knappen inte trycks in är spänningen på kondensatorn ungefär lika med matningsspänningen, därför överskrider spänningen vid triggeringången dess övre tröskel, och eftersom triggern inverterar kommer dess utgång att ha en låg spänning nära jordspänning, eller ett logiskt "0"-tillstånd. $SW$ $C$ $U_{C}$ $U_{out}$

När du trycker på knappen kommer kondensatorn mycket snabbt att laddas ur till noll spänning, spänningen vid triggeringången kommer att sjunka under den nedre omkopplingströskeln, och triggerutgången kommer att ställa in en spänning nära matningsspänningen - logikens tillstånd "1 ". $T_{L}$

Kretsens tidskonstant är avsiktligt vald längre än studsdämpningstiden , därför har kondensatorn under studsen, när knappkretsen kort öppnas, inte tid att ladda upp till den nedre triggeromkopplingströskeln och ett stabilt logiskt tillstånd "1" bibehålls vid triggerutgången. $T=RC$ $RC$ $T_{B}$

Efter att knappen har släppts laddas kondensatorn gradvis genom motståndet, och när spänningen på den når över triggerns övre omkopplingströskel, växlar utlösningsutgången till det logiska "0" -tillståndet.

I viktiga spänningsregulatorer på Schmitt-utlösaren

I nyckelspänningsstabilisatorer som styrs av en nyckel från en Schmitt-trigger används hysteresegenskaperna hos Schmitt-triggern - när utspänningen från stabilisatorn överskrider den övre kopplingströskeln för avtryckaren, öppnar avtryckaren den elektroniska nyckeln, vilket orsakar en gradvis minskning av utgångsspänningen på grund av utgångsfilterkondensatorn, efter att utgångsspänningen når den lägre kopplingströskeln, växlar avtryckaren och stänger strömbrytaren igen. Därefter upprepas processen. Med denna periodiska process fluktuerar utspänningen mellan kopplingströsklarna för Schmitt-triggern [9] .

Ett elektromagnetiskt relä som används som en Schmitt-trigger i olika regulatorer

Elektromekaniska reläer är en Schmitt-trigger med nyckelställdon .

Ett konventionellt elektromagnetiskt relä har en hysteresloop i koordinaterna för relälindningsströmmen - dess tillstånd , eftersom relädriftströmmen alltid överstiger hållströmmen, därför finns det i området för lindningsströmmar mellan driftströmmen och hållströmmen. en tvetydighet i relätillståndet, inom detta område beror reläets tillstånd på historiken.

Reläsolenoiden tillsammans med det rörliga ankaret är i huvudsak en tvåtröskelkomparator som delar upp hela området av relälindningsströmmar i tre delområden: strömmen är under utlösningsströmmen, strömmen är över hållströmmen, men under pickupen ström - analogt med lagringstillståndet för en binär RS-vippa, och strömmen är över den aktuella triggningen.

Reläkontaktgrupper är en nyckel som har två stabila tillstånd: "kontakter öppna" och "kontakter stängda".

Faktum är att reläet innehåller alla funktionella element i nyckelspänningsstabilisatorn (regulator) på Schmitt-utlösaren : RS-vippa och nyckelbrytare , därför används det ofta i olika enheter som kallas reläregulatorer , och sådana regulatorer är lämpliga för on-off kontroll av mängder av olika fysisk natur, t ex temperatur, tryck etc.

I bilindustrin nyckelgenerator spänningsstabilisatorer

I DC-generatorer för bilar , i nyckelspänningsstabilisatorer med en Schmitt-trigger , är reläet både en precision Schmitt-trigger och ett nyckelkontrollelement som shuntar ytterligare serieresistans i generatorns exciteringslindning, och generatorn är kontrollobjektet.

I bilgeneratorer , i nyckelspänningsstabilisatorer på Schmitt-avtryckaren .

I olika termostater I kyltermostater

I en mekanisk temperaturregulator-stabilisator tillförs gastrycket inuti temperatursensorn av bälgtyp till en pneumomekanisk tvåtröskelkomparator med en omkonfigurerbar responströskel.

Den pneumomekaniska tvåtröskelkomparatorn delar upp hela området av gasinmatningstryck inuti temperatursensorn av bälgtyp i tre underområden: inkopplingstryck, inkopplingshålltryck och avstängningstryck. Hålltrycket är lagringstillståndet för informationen som registrerats i den mekaniska RS-vippan .

Den pneumomekaniska tvåtröskelkomparatorn växlar både den mekaniska RS-triggern och drifttröskeln för den pneumomekaniska tvåtröskelkomparatorn. Den mekaniska RS-triggern styr en elektrisk strömbrytare vars kontakter slår på och av kompressormotorn , eller värmeelementet i absorptionskylskåp .

Således är kylskåpets mekaniska termostat en elektromekanisk temperaturstabilisator med en mekanisk Schmitt-utlösare med en omkopplingsbar tröskel och med en kontaktgrupp som fungerar som en nyckel och fungerar som en nyckelspänningsstabilisator på en Schmitt-trigger .

Andra användningsområden som temperaturregulatorer

Dessutom används elektromekaniska analoger av Schmitt-utlösaren i termostater för elektriska strykjärn, köksugnar, elektriska spisar och elektriska ugnar, i bimetalliska reläer av temperaturregulatorer, till exempel hushållsvärmepannor , i termostater för pannor och elektriska vattenkokare med en pannfunktion .

Se även

Litteratur

Kalabekov B. A. Digitala enheter och mikroprocessorsystem - M .: Telecom, 2000
Potemkin I. S. Funktionella enheter för digital automation - M .: Energoatomizdat, 1988, sid. 166-206.
Martynov D.V. Riktlinjer för laboratoriearbete 1 - RGU NiG, 2000, sid. 1-15

Länkar

↑ 1 2 3 Tietze W. Shenk K. Halvledarkretsar. Mir, 1982. sid. 292, fig. 17.36. . Datum för åtkomst: 21 december 2017. Arkiverad från originalet 22 december 2017. (obestämd)
↑ 1 2 3 CircuitLab. Schmitt-Trigger med konfigurerbar hysteres . Hämtad 14 december 2012. Arkiverad från originalet 23 oktober 2015. (obestämd)
↑ 1 2 3 Elektronisk utvecklare. Schmitt-Trigger mit Präziser Hysterese . Hämtad 14 december 2012. Arkiverad från originalet 15 juli 2013. (obestämd)
↑ Otto H. Schmitt En termionisk utlösare. Journal of Scientific Instruments 15 (januari 1938): 24-26.
↑ Elektronisk utvecklare. Schmitt-Trigger med OpAmp / Comparator . Datum för åtkomst: 14 december 2012. Arkiverad från originalet den 28 december 2012. (obestämd)
↑ NE521 High-Speed Dual-Differential Comparator/Sense Amp . Hämtad 15 augusti 2016. Arkiverad från originalet 22 augusti 2016. (obestämd)
↑ Nyckelspänningsregulator på en precision Schmitt-trigger med en RS-trigger . Hämtad 12 augusti 2016. Arkiverad från originalet 22 augusti 2016. (obestämd)
↑ Stepanenko I.P. Fundamentals of theory of theory of transistor and transistor circuits, red. 3:e, reviderad. och ytterligare M., "Energi", 1973. 608 sid. från sjuk. Sida 481. . Hämtad 2 september 2020. Arkiverad från originalet 3 mars 2022. (obestämd)
↑ Kitaev V. E., Bokunyaev A. A., Kolkanov M. F. Strömförsörjning av kommunikationsenheter. - M .: Kommunikation, 1975. - S. 196-207. — 328 sid. — 24 000 exemplar. . Hämtad 2 september 2020. Arkiverad från originalet 7 februari 2018. (obestämd)