Schmitt trigger

Schmitt trigger  - egy kétállású relé (kapcsoló) elem, amelynek statikus jellemzője kétértelmű zónával rendelkezik - hiszterézis hurok .

Szűk értelemben a Schmitt trigger egy elektronikus eszköz, tágabb értelemben bármilyen hiszterézissel rendelkező kapcsolóelem, amely bármilyen fizikai elven működik - elektromechanikus eszközök, pneumatikus, tisztán mechanikus.

A Schmitt trigger fázisútja (statikus válasza) a kapcsoló válasza, de négyszögletes hiszterézis hurokkal . A statikus karakterisztika kétértelműsége olyan bemeneti jellel, amelynek értéke a kapcsolási küszöbértékek között van, lehetővé teszi számunkra annak állítását, hogy a Schmitt-triggernek, mint a többi triggernek, van memóriatulajdonsága - a kétértelműségi zónában (a rögzített információ tárolásának állapota) az őstörténet határozza meg - a korábban ható bemeneti jel.

Sematikusan az elektronikus Schmitt trigger két eszköz kombinációja: egy kétküszöbű komparátor és egy kifejezetten vagy implicit módon jelen lévő RS flip-flop .

A „precíziós Schmitt triggernek” vagy általánosabban „precíziós Schmitt triggernek RS flip-floppal” nevezett megvalósításban kifejezetten jelen van egy kétküszöbű komparátor és egy RS flip-flop, és a kétküszöbű A komparátor két egyküszöbű komparátorként van megvalósítva, különböző küszöbértékekkel [1 ] [2] [3] .

Egy másik megvalósításban, az úgynevezett "Schmitt trigger visszacsatolásos" vagy " Comarator with histeresis", egy kétküszöbű komparátor van áramkörön kialakítva egy egyküszöbű komparátorból, amelynek küszöbértéke pozitív visszacsatolással van kapcsolva, és a komparátor egyik állapotában a felső. kapcsolási küszöbszint jön létre, a másikban pedig az alsó kapcsolási küszöb. Ugyanaz a pozitív visszacsatolás implicit RS flip-flopot szervez ugyanattól a komparátortól.

Az elektronikus Schmitt triggerek a kommunikációs vonalakban zaj és torzítás miatt torzított kétszintű digitális jelek helyreállítására szolgálnak, érintkező visszapattanó szűrőkben , kétállású szabályozóként automatikus vezérlőrendszerekben , kétállású feszültségszabályozókban , relaxációs oszcillátorokban . A Schmitt trigger kiemelkedik az elektronikus triggerek családjából: egy analóg bemenettel és egy kimenettel rendelkezik, két kimeneti szinttel.

Vannak hiszterézises elektromechanikus és mechanikus eszközök, amelyek lényegében a Schmitt trigger funkcionális analógjai, mechanikusan mozgatott alkatrészekből állnak. Például egy hagyományos elektromechanikus relé a Schmitt trigger nem elektronikus funkcionális analógja. Az ilyen triggereket különféle elektromos fűtőtestek ( vasaló , olajfűtő , kompresszornyomás-stabilizátor stb.) hűtőszekrényeinek hőmérséklet - szabályozóiban , automata fegyverekben használják .

Történelem

Az elektrovákuumos triódákon megvalósított Schmitt elektronikus kioldót Otto Herbert Schmitt amerikai biofizikus és mérnök találta fel 1934-ben, akkoriban tanuló-gyakornokként. Schmitt 1937-ben leírta "Thermion Trigger" című doktori disszertációjában, amelyet a tintahalak idegrendszerében az idegimpulzusok terjedésének tanulmányozásának eredményeiről írt [4] .

Kiváltó megvalósítási lehetőségek

Precíziós Schmitt Trigger

A Schmitt flip-flop egy RS flip-flop , amelyet egyetlen bemeneti analóg jel vezérel, két különböző kapcsolási feszültséggel két különböző állapotba. Precíziósnak nevezik, mert a kapcsolási küszöbértékek egymástól függetlenül vannak beállítva, és ezeknek a küszöböknek a pontossága csak a bemeneti egybemenetes komparátorok kapcsolási küszöbeinek pontosságától függ. A trigger kimeneti állapotokat általában "0" és "1" szimbólumok jelölik, és a kapcsolási feszültség "1"-nél nagyobb, mint a "0"-nál lévő kapcsolási feszültség. Amikor a bemeneti feszültség a kapcsolási feszültségek közé esik, a Schmitt trigger a korábban ráírt információ tárolási állapotában van, és a kimeneti jelét a bemeneti jel változásának története határozza meg.

Az RS flip-floppal rendelkező Schmitt triggereknek nincs visszacsatolása a kimenetről az analóg bemenetre. Egy kétküszöbű komparátorból állnak, amelyben két külön állítható kapcsolási küszöbfeszültséget hasonlítanak össze egy bemeneti jellel. A flip-flop "0" és "1" állapotba kapcsolása az egyküszöbű komparátorok kimeneti jeleiből történik, amelyek az RS flip-flop S és R aszinkron beállító és visszaállító bemenetére kerülnek [1 ] [2] [3] .

Schmitt trigger visszajelzéssel

A flip-flop visszacsatolásos változataiban a visszacsatolást az összehasonlítási küszöb feszültségének átkapcsolására is használják egy hagyományos komparátorban, amelynek kapcsolási küszöbértéke nulla, egyidejűleg kétküszöbű komparátorrá alakítva, különböző küszöbértékekkel és RS flip-flop ugyanazon az egyküszöbű komparátoron. A komparátor kimenetén lévő nagy feszültségnél (logikai "1" állapot) a visszacsatolás csökkenti a kapcsolási küszöb feszültségét a bemeneti bemeneten, mivel azt a bemeneti összeadó összegzi a bemeneti jellel, így a feszültség a komparátor bemenete, amely megegyezik az összeadó kimeneti feszültségével, egyenlő lesz nullával, a bemeneti feszültségnek negatívnak kell lennie és abszolút értékben egyenlőnek kell lennie a komparátor kimeneti feszültségével, amely logikai "1" állapotban van. Ennek megfelelően a komparátor kimenetén lévő alacsony feszültségnél (logikai "0" állapot) a komparátor kimenetén lévő visszacsatolás növeli a kapcsolási küszöb feszültségét.

Egy ilyen struktúrában nehéz a küszöbértékek külön és független beállítása [5] . Ezen túlmenően, olyan bemeneti feszültséggel, amelynek értéke a kapcsolási küszöbök között van, vagyis a kétértelműségi zónában, a trigger adott állapotba kényszerítéséhez további komponensek alkalmazása szükséges.

A Schmitt-triggerek változatai

Precíziós Schmitt Trigger

A precíziós Schmitt trigger, amelyet néha "precíziós RS flip-flop Schmitt triggernek" neveznek, egy kétküszöbű komparátorból áll, amely két hagyományos komparátoron alapul, kétszintű kimenettel (bináris kimenet), amely felosztja a teljes bemeneti feszültséget. tartomány három részre - az első - az alsó küszöb alatt, a második - a küszöbértékek között, a harmadik - a felső küszöb felett, valamint az RS-trigger, amely akkor kapcsol, amikor a bemeneti feszültség elhagyja a második tartományt - az alsó és a felső között kapcsolási küszöbök [1] [2] [3] .

Számos különböző gyártótól származó mikroáramkör létezik, amelyek két analóg egyküszöbű komparátort és logikai kaput tartalmaznak külső jumperek szervezésére az integrált RS-trigger mikroáramkör érintkezői között, például az NE521 mikroáramkör [6] .

Egy másik népszerű mikroáramkör, az integrált időzítő 555 , amelyet szintén nagyon sok mikroáramkör-gyártó gyárt (a mikroáramkör hazai analógjai - KR1006VI1, KR1008VI1), tartalmazza a precíziós Schmitt trigger minden elemét. Tehát a mikroáramkör bemeneteinek kombinálásakor a "THRES" és a "TRIG" egy invertáló Schmitt-trigger funkcióját látja el. Ennek a mikroáramkörnek az a hátránya, hogy Schmitt-triggerként használjuk, hogy nem lehet önkényesen beállítani a kapcsolási küszöbértékeket, amelyeket mereven a belső ellenállásos feszültségosztó határoz meg, és az alsó kapcsolási küszöbhöz képest körülbelül egyharmada a mikroáramkör tápfeszültségének és 2/3-a. a felső kapcsolási küszöbhöz.

A precíziós Schmitt trigger alkalmas kétállású kulcsstabilizátorok áramköreinek kialakítására feszültség , hőmérséklet, folyadékszint, motorfordulatszám, relé-szabályozók stb .

A kulcsos működtetővel ellátott precíziós Schmitt trigger elektromechanikus analógja egy elektromechanikus relé .

A precíziós Schmitt trigger további elektromechanikus vagy mechanikus analógjai a vezérlőkar három állású és két kimeneti állapotú kapcsolók, amelyekben az RS triggerben rögzített információ tárolási állapotában lévő vezérlőkar középső helyzetben van, és a kapcsolókar. csak akkor fordul elő, ha a vezérlőkar eltér a középső helyzetből. Például egyes mobiltelefonokban a joystick .

A Schmitt trigger szoftveres megvalósítása

A „szoftverprecíziós Schmitt triggerben ” két egyküszöbű komparátor két IF-THEN operátor, és az RS-trigger állapotát valamilyen változó tárolja, például egy egész változó nulla számjegye (bitje) , vagy néhány logikai változó , amely a „FALSE” és „TRUE” értékeket veszi fel.

Azonos késleltetési idővel rendelkező logikai elemeknél bármely hardveres Schmitt trigger lényegesen nagyobb teljesítménnyel rendelkezik ( késleltetés t ≈ 3 dt , ahol dt  a késleltetési idő egy logikai kapuban), mint a szoftver. Ezen túlmenően egy hardveres Schmitt-triggerben az összehasonlítási folyamat egyszerre megy végbe két lánc mentén, két komparátorral párhuzamosan, és egy szoftveres Schmitt-triggerben egyszálú processzorokban két, két küszöbértékkel rendelkező összehasonlítási művelet történik egymás után. A Schmitt szoftver trigger kódjának végrehajtási ideje kissé megnő, ha a programozási nyelv nem támogatja a feltétel nélküli ugrást a címkére, ebben az esetben az Input < Lower_threshold adattal a második összehasonlító operátor kerül végrehajtásra. Ha a programozási nyelv támogatja a feltétel nélküli ugrást, akkor az Input < Lower_threshold eseteit a rendszer megkerüli a második IF utasítás átadásával , amint az a pszeudokód példában látható.

Példa pszeudokódra egy nem invertáló Schmitt-triggerre:

Bemenet, Felső_küszöb, Alsó_küszöb - valós; // Felső_küszöb > Alsó_küszöb Trigger – logikai érték; Felső_küszöb, alsó_küszöb beállítása; Trigger := 0; // Logikai változók megnevezése: 0 és 1 "FALSE" és "TRUE", rendre LOOP // Ide például beszúrhatunk egy feltételt a ciklusból való kilépéshez ENTER Input; IF Bemenet < Alsó_küszöb THEN Trigger := 0; OUTPUT Trigger; MEG A METKA1 ; VÉGE HA ; IF Input > Upper_threshold THEN Trigger := 1; OUTPUT Trigger; VÉGE HA ; LABEL1: CIKLUS VÉGE ;

Schmitt trigger analóg visszacsatolással

Analóg elemeken

A Schmitt-trigger két tranzisztoron való megvalósításának példája az ábrán látható. Ebben az áramkörben a T1 tranzisztor fokozat a legegyszerűbb komparátor . A pozitív visszacsatolás a második tranzisztor emitterétől az első tranzisztor emitteréhez történik, a visszacsatoló jelhez az első tranzisztor közös bázis üzemmódban működik .

A modern analóg áramkörökben a Schmitt triggereket általában egy műveleti erősítőn hajtják végre komparátor üzemmódban , rezisztív pozitív visszacsatolás lefedésével, amelynek kétszintű kimenőjele ugyanazon visszacsatolás szerint, némi késleltetéssel, amelyet a visszacsatolás ellenállása határoz meg. ellenállás és a komparátor elosztott és parazita bemeneti kapacitása megváltoztatja a komparátor összehasonlító feszültségét. Ennek eredményeként a bemeneti feszültség esetében a komparátor kétküszöbűvé válik, két különböző bemeneti feszültséggel a két állapotba kapcsoláshoz. A pozitív visszacsatolás hatására az eszköz statikus karakterisztikájában hiszterézis hurok alakul ki, vagyis a készülék trigger tulajdonságait szerzi meg.

A visszacsatolásos Schmitt-flip-flopban a flip-flop kapcsolása után van egy olyan intervallum, amelyben az összehasonlító feszültség korábbi értéke érvényes a visszacsatoló áramkörön keresztül az összehasonlító feszültség átkapcsolására szolgáló jel megérkezése előtt. Ha ebben az intervallumban a bemeneti jelben hirtelen ellenkező irányú változás következik be, akkor a trigger az előző összehasonlító feszültségre kapcsol, vagyis idő előtt.

A digitális logikai elemekről

A Schmitt trigger digitális logikai elemeken, mint analóg invertáló erősítőkön a legegyszerűbb megvalósítása két sorba kapcsolt logikai inverter, amelyek ezzel összefüggésben egy analóg egyküszöbű komparátort alkotnak, amelynek kapcsolási küszöbértéke megközelítőleg a tápfeszültség felével egyenlő. A két elemből kialakított komparátort rezisztív visszacsatolás fedi, melynek kimenőjele a visszacsatoláson keresztül megváltoztatja a bemeneti jelre vonatkozó küszöbkapcsoló feszültséget.

Ennek az eszköznek a kimeneti jelének felfutási ideje és elfordulási sebessége nem függ a bemeneti jel elfordulási sebességétől, és egy állandó érték, amely a logikai kapuk sebességétől függ .

A logikai kapuk analóg komparátorként való használata rontja a kapcsolási küszöbök pontosságát, stabilitását és reprodukálhatóságát, a rezisztív visszacsatolás pedig a parazita és bemeneti kapacitásokkal együtt némileg csökkenti az eszköz sebességét.

A Schmitt trigger alkalmazása

A torzított kétszintű jel visszaállítása átvitel közben

A torzított kétszintű jel rekonstrukciójának elvét az ábra mutatja. Tegyük fel, hogy a jel magas szintje logikai „1”-et kódol, alacsony szintje pedig logikai „0”-t. Tegyük fel, hogy a logikai "1" torzítatlan feszültsége kissé meghaladja a Schmitt-trigger felső küszöbét, de ha a vonalat zavaró torzítja, a vonal végén lévő felső szint ingadozik. Csak logikai „1” kerüljön a vonalra, ha a vonali kimeneten a feszültség az interferencia miatt a komparátor kapcsolási küszöbe alá esik, akkor a komparátor kimenetén a logikai „0”-nak megfelelő hamis értékek jelennek meg.

A Schmitt trigger kimenetén hamis logikai "0" az átvitt logikai "1" értékkel csak akkor jelenik meg, ha az átviteli csatorna kimenetén a jelszint a Schmitt trigger alsó kapcsolási küszöbe alá esik. Hasonlóképpen működik az interferencia elleni védelem logikai „0” átvitelekor.

A jelszintek és a kapcsolási küszöbök megfelelő megválasztása az átviteli csatornában eleve ismert interferenciaszint mellett jelentősen csökkentheti az átvitt információ torzításának valószínűségét.

Az elektromechanikus billentyűk fecsegő szűrőiben

Amikor az érintkezők zárva vannak az elektromechanikus kapcsolóberendezésekben - kapcsolók, gombok, elektromágneses relék stb., érintkezők visszapattanása következik be  - az áramkör többszörös ellenőrizetlen zárása és nyitása, amelyet az ütközések során felpattanó érintkezők okoznak. Sok esetben a fecsegés nem kritikus, például a tápkapcsolóknál, de sok digitális eszközben elfogadhatatlan a fecsegés, mivel egy digitális eszköz triggereinek többszörös nem kívánt kapcsolási állapotát okozhatja .

Az ilyen eszközökben a fecsegés káros hatásának kiküszöbölésére különféle fecsegésszűrőket használnak. Az ábrán egy ilyen invertáló Schmitt triggerrel és a bemenetén aluláteresztő szűrővel (LPF) ellátott szűrő egyik változata látható.

Ha a gombot nem nyomjuk meg, a kondenzátor feszültsége megközelítőleg megegyezik a tápfeszültséggel, ezért a trigger bemenet feszültsége meghaladja a felső küszöbértéket, és mivel a trigger invertál, a kimenete a feszültséghez közeli alacsony feszültségű lesz. földfeszültség, vagy logikai "0" állapot.

Amikor megnyomja a gombot, a kondenzátor nagyon gyorsan kisül nullára, a trigger bemenet feszültsége az alsó kapcsolási küszöb alá csökken, és a trigger kimenet a tápfeszültséghez közeli feszültséget állít be - a logikai állapot "1 ".

Az áramkör időállandóját szándékosan hosszabbra választják, mint a visszapattanási csillapítási idő , ezért a kondenzátornak a visszapattanás során, amikor a gombáramkör rövid időre kinyílik, nincs ideje feltölteni az alsó trigger kapcsolási küszöbig és stabil logikai állapotot. Az "1" a trigger kimeneten marad.

A gomb elengedése után a kondenzátor fokozatosan töltődik az ellenálláson keresztül, és amikor a rajta lévő feszültség a trigger felső kapcsolási küszöbe fölé kerül, a trigger kimenet logikai „0” állapotba kapcsol.

A kulcsfontosságú feszültségszabályozókban a Schmitt triggeren

A Schmitt trigger kulccsal vezérelt kulcsfeszültség stabilizátorokban a Schmitt trigger hiszterézis tulajdonságait alkalmazzák - amikor a stabilizátor kimeneti feszültsége meghaladja a trigger felső kapcsolási küszöbét, a trigger kinyitja az elektronikus kulcsot, ami fokozatos kioldást okoz. a kimeneti feszültség csökkenése a kimeneti szűrőkondenzátor miatt, miután a kimeneti feszültség eléri az alsó kapcsolási küszöböt, a trigger kapcsol és ismét zárja a kapcsolót. Ezután a folyamat megismétlődik. Ennél a periodikus folyamatnál a kimeneti feszültség a Schmitt trigger kapcsolási küszöbei között ingadozik [9] .

Különféle szabályozókban Schmitt-triggerként használt elektromágneses relé

Az elektromechanikus relék egy Schmitt-kioldó kulcsos működtetővel .

A hagyományos elektromágneses relének hiszterézis hurok van a relé tekercsáramának koordinátáiban  - állapota , mivel a relé működési árama mindig meghaladja a tartóáramot, ezért az üzemi áram és a tartóáram közötti tekercsáramok tartományában van a relé állapotának kétértelműsége, ebben a tartományban a relé állapota az előzményektől függ.

A relé mágnesszelep a mozgatható armatúrával együtt lényegében egy kétküszöbű komparátor, amely a relé tekercselési áramainak teljes tartományát három altartományra osztja: az áram a kioldóáram alatt van, az áram a tartóáram felett van, de a hangszedő alatt van. áram - analóg a bináris RS flip-flop tárolási állapotával, és az áram meghaladja az áram triggerelést.

A reléérintkezőcsoportok olyan kulcsok , amelyeknek két stabil állapota van: "érintkezők nyitva" és "érintkezők zárva".

Valójában a relé tartalmazza a Schmitt trigger kulcs feszültségstabilizátorának (szabályozójának) összes funkcionális elemét : RS flip-flop- ot és kulcsos kapcsolót , ezért gyakran használják különféle relé-szabályozóknak nevezett eszközökben , és az ilyen szabályozók alkalmasak különböző fizikai természetű mennyiségek ki-be vezérlése, pl. hőmérséklet, nyomás stb.

Az autóipari kulcs generátor feszültségstabilizátoraiban

Az autóipari egyenáramú generátorokban , a Schmitt-triggerrel rendelkező kulcsos feszültségstabilizátorokban a relé egy precíziós Schmitt-trigger és egy kulcsvezérlő elem , amely további soros ellenállást sönt a generátor gerjesztő tekercsében, a generátor pedig a vezérlőobjektum.

Gépjármű generátorokban , kulcs feszültségstabilizátorokban a Schmitt kioldón .

Különféle termosztátokban A hűtőszekrény termosztátjaiban

A mechanikus hőmérséklet-szabályozó-stabilizátorban a csőmembrán típusú hőmérséklet-érzékelő belsejében lévő gáznyomást egy pneumo-mechanikus, kétküszöbű komparátorhoz vezetik, amely egy újrakonfigurálható válaszküszöbértékkel rendelkezik.

A pneumatikus, kétküszöbű komparátor a csőmembrán típusú hőmérséklet-érzékelőn belüli gázbemeneti nyomások teljes tartományát három altartományra osztja: bekapcsolási nyomás, bekapcsolási tartási nyomás és kikapcsolási nyomás. A tartási nyomás a mechanikus RS flip-flopban rögzített információ tárolási állapota .

A pneumo-mechanikus kétküszöbű komparátor mind a mechanikus RS-triggert, mind a pneumo-mechanikus kétküszöbű komparátor működési küszöbét kapcsolja. A mechanikus RS kioldó egy elektromos kapcsolót vezérel, amelynek érintkezői be- és kikapcsolják a kompresszor motorját, vagy az abszorpciós hűtőszekrények fűtőelemét .

Így a hűtőszekrény mechanikus termosztátja egy elektromechanikus hőmérséklet-stabilizátor, mechanikus Schmitt triggerrel, kapcsolható küszöbértékkel és olyan érintkezőcsoporttal, amely kulcsként működik, és úgy működik, mint egy Schmitt trigger kulcs feszültségstabilizátora .

Egyéb felhasználások hőmérséklet-szabályozóként

A Schmitt trigger elektromechanikus analógjait elektromos vasalók, konyhai sütők, elektromos tűzhelyek és elektromos kemencék termosztátjaiban, hőmérsékletszabályozók bimetál reléiben, például háztartási fűtőkazánokban , kazánok és kazán funkcióval rendelkező elektromos vízforralók termosztátjaiban használják. .

Lásd még

Irodalom

  • Kalabekov B. A. Digitális eszközök és mikroprocesszoros rendszerek - M .: Telecom, 2000
  • Potemkin I. S. A digitális automatizálás funkcionális egységei - M .: Energoatomizdat, 1988, p. 166-206.
  • Martynov D.V. Útmutató a laboratóriumi munkához 1 - RGU NiG, 2000, 1. o. 1-15

Linkek

  1. ↑ 1 2 3 Tietze W. Shenk K. Félvezető áramkörök. Mir, 1982. o. 292. ábra. 17.36. . Hozzáférés dátuma: 2017. december 21. Az eredetiből archiválva : 2017. december 22.
  2. ↑ 1 2 3 CircuitLab. Schmitt-trigger konfigurálható hiszterézissel . Letöltve: 2012. december 14. Az eredetiből archiválva : 2015. október 23..
  3. ↑ 1 2 3 Elektronikus fejlesztő. Schmitt-Trigger mit Präziser Hysterese . Letöltve: 2012. december 14. Az eredetiből archiválva : 2013. július 15.
  4. ↑ Otto H. Schmitt A Thermionic Trigger. Journal of Scientific Instruments 15. (1938. január): 24-26.
  5. ↑ Elektronikus fejlesztő. Schmitt-Trigger az OpAmp / Comparator segítségével . Hozzáférés dátuma: 2012. december 14. Az eredetiből archiválva : 2012. december 28.
  6. ↑ NE521 nagy sebességű kettős differenciálkomparátor/érzékelő erősítő . Letöltve: 2016. augusztus 15. Az eredetiből archiválva : 2016. augusztus 22.
  7. ↑ Kulcsos feszültségszabályozó precíziós Schmitt triggerrel RS triggerrel . Letöltve: 2016. augusztus 12. Az eredetiből archiválva : 2016. augusztus 22..
  8. ↑ Stepanenko I.P. A tranzisztorok és tranzisztoros áramkörök elméletének alapjai, szerk. 3., átdolgozva. és további M., "Energia", 1973. 608. o. betegtől. oldal 481. . Letöltve: 2020. szeptember 2. Az eredetiből archiválva : 2022. március 3.
  9. ↑ Kitaev V. E., Bokunyaev A. A., Kolkanov M. F. Kommunikációs eszközök tápellátása. - M .: Kommunikáció, 1975. - S. 196-207. — 328 p. — 24.000 példány. . Letöltve: 2020. szeptember 2. Az eredetiből archiválva : 2018. február 7.