Триггер Шмитта

Триггер Шмитта - один из представителей большого семейства схем, объединённых названием триггер. Слово "триггер" переводится как «спусковой крючок», и обозначает устройство, способное находится в двух устойчивых состояниях, и менять эти состояния под действием внешних сигналов.

Триггер Шмитта назван в честь изобретателя, Отто Герберта Шмитта, который  сконструировал это устройство на электровакуумных триодах в 1934 году. С тех пор придумано множество вариантов реализации данной схемы, а сама она широко применяется во всевозможных электронных устройствах.

Краткое содержание статьи:

• Принцип работы триггера Шмитта. Пороги переключения и гистерезис
• Схема на транзисторах
• Реализация на операционном усилителе
• Реализация на логических элементах
• Прецизионный триггер Шмитта без ПОС
• Пример применения: устранение дребезга контактов

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:

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.

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).

R_вх 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.

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).

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.

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.

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.

Реализация триггера Шмитта на операционном усилителе

Два примера схемы на операционном усилителе:

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 R_ос, 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:

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.

Триггер Шмитта на логических элементах

Далее приведена схема на логических элементах, принцип работы тот же самый: положительная обратная связь с выхода на вход, так что потенциал на выходе влияет на порог для входа.

Прецизионный триггер с задаваемыми порогами

Чуть более сложная схема, позволяющая регулировать верхний и нижний порог независимо, и даже при необходимости менять их прямо во время работы устройства. Что характерно, здесь нет положительной обратной связи.

На схеме мы видим два отдельных компаратора, которые управляют работой асинхронного RS-триггера. Для работы схемы необходимо на входы U₀ и U₁ подать соответствующие пороговые напряжения.

Тогда весь диапазон входного сигнала можно поделить на три части.

• Когда U_вх < U₀, компаратор К2 выдаёт 1, которая попадает на R-вход триггера и переключает его в нулевое состояние.
• Когда U₀ < U_вх < U₁, на выходе обоих компараторов нули, и триггер хранит предыдущее состояние, каким бы оно ни было.
• Наконец, когда U_вх > U₁, единица появляется на выходе только первого компаратора, и перекидывает RS-триггер в состояние "1".

Применение триггера Шмитта

Триггер Шмитта используется там, где нужно хаотично меняющийся аналоговый сигнал преобразовать в приемлемые для машинной логики нули и единицы. Например, восстановить искаженный шумами цифровой сигнал.

Классический пример — устранение дребезга контактов. Рассмотрим его подробнее, как весьма часто встречающийся в электронной практике.

Когда нажимается обычная кнопка, в сам момент переключения контакт может много раз за доли секунды возникать и снова разрываться, пока состояние выключателя не стабилизируется. Происходит это в силу чисто механических причин и может привести к непредсказуемым результатам: схема, которая «считывает» сигнал с кнопки, воспримет это как множество быстрых включений/выключений.

Иногда дребезг контактов устраняют программно. Но, если это невозможно, на помощь может прийти вот такая простенькая схемка.

Конденсатор сгладит пульсации, а триггер Шмитта превратит всё в аккуратный прямоугольный импульс с крутым фронтом.