17.6. Триггер шмитта

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения Ue. Подобные схемы, выполненные на двух транзисторах, уже были описаны в гл. 8. В данном разделе рассматривается несколько примеров использования интегральных компараторов в качестве триггера Шмитта.

17.6.1. ИНВЕРТИРУЮЩИЙ ТРИГГЕР ШМИТТА

В схеме триггера Шмитта, представленной на рис 17.26, гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения R₁, R₂. Если к N-входу приложено- большое отрицательное напряжение Ue, то выходное напряжение компаратора составит Ua = Uaмакс- На Р- входе потенциал будет составлять

Рис. 17.26. Инвертирующий триггер Шмитта.

Рис. 17.27. Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта.

При повышении входного напряжения Ue величина выходного напряжения Ua сначала не меняется. Но как только Ue достигает значения Uрмакc выходное напряжение начинает падать, а вместе с ним снижается и потенциал на Р-входе Vp. Благодаря действию этой положительной обратной связи Uу скачком падает до величины Uaмин, а потенциал Vp принимает значение

Разность напряжений между входами будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние-стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения Uaмакс только тогда, когда входное напряжение Ue достигнет значения Vpmin. Передаточная характеристика, соответствующая такой схеме триггера Шмитта, представлена на рис. 17.27.

Для того чтобы схема имела два устойчивых состояния, т.е. была бистабильной, необходимо, чтобы коэффициент петлевого усиления g схемы удовлетворял условию

Рис. 17.28 иллюстрирует одну из важнейших областей применения триггера Шмитта. Он используется для преобразования входного напряжения произвольной формы в прямоугольное напряжение с заданным временем установления, не зависящим от формы входного напряжения.

17.6.2. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ ТРИГГЕР ШМИТТА

Если в компараторе, изображенном на рис. 17.22, один из двух входов подключить к выходу, то получится показанная на рис. 17.29 схема неинвертирующего триггера Шмитта, передаточная характеристика которого представлена на рис. 17.30.

При приложении ко входу этой схемы большого положительного напряжения Ue выходное напряжение компаратора составит Ua = Ua макс. Если Ue станет уменьшаться, то сначала, пока потенциал Р-входа Vp не достигнет нулевого значения, выходное напряжение Ua изменяться не будет. Когда входное напряжение достигнет значения

Vp станет равным нулю и выходное напряжение скачком упадет до уровня Uamin. Процесс опрокидывания схемы, инициированный входным напряжением, зависит только от параметров цепи обратной связи, осуществляемой через резистор R₂. Достигнутое состояние сохраняется, пока входное напряжение Ue не превысит значения

Рис. 17.28. Диаграмма работы инвертирующего триггера Шмитта.

Рис. 17.29. Неинвертирующий триггер Шмитта.

Рис. 17.30. Передаточная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта.

Рис. 17.31. Диаграмма работы неинвертирующе-го триггера Шмитта.

На рис. 17.31 показана временная диаграмма выходного напряжения неинвертирующего триггера Шмитта при синусоидальном входном сигнале. Так как в момент переключения компаратора выполняется условие Vp = 0, выражения для уровней срабатывания триггера Шмитта аналогичны соответствующим формулам, характеризующим схему инвертирующего усилителя.

По аналогии с реализацией аналогового сумматора на базе инвертирующего усилителя можно выполнить суммирующий триггер Шмитга. Для этого к Р-входу усилителя подключают дополнительные резисторы, через которые подводятся другие входные напряжения. На рис. 17.32 показана реализация такого способа выполнения суммирующего триггера Шмитта. Изменяя напряжение U₂, можно сдвигать уровни срабатывания схемы для входного напряжения U₁. Гистерезис переключения при этом не меняется.

17.6.3. ПРЕЦИЗИОННЫЙ ТРИГГЕР ШМИТТА

В описанных выше схемах уровни срабатывания триггера Шмитта не являются прецизионными, как, например, у схем компараторов на базе операционных усилителей. Высокой точности установки уровней срабатывания можно достичь, если, как показано на рис. 17.33, построить триггер Шмитта на базе компаратора, связанного с аналоговым коммутатором. Выходное напряжение аналогового коммутатора в зависимости от состояния компаратора принимает одно из двух заданных значений U₁ или U₂. Вследствие наличия положительной обратной связи, осуществляемой через делитель напряжения R₁, R₂, для уровней напряжения переключения

Рис. 17.32. Суммирующий триггер Шмитта.

Рис. 17.33. Прецизионный триггер Шмитта с аналоговым коммутатором.

триггера Шмитта получены следующие значения:

В отличие от схемы триггера Шмитта, изображенной на рис. 17.26, уровни напряжения переключения в данной схеме не зависят от граничных уровней выходного напряжения операционного усилителя.

Аналогичную прецизионную схему можно также выполнить на основе неинвертирующего триггера Шмитта, в которой, как показано на рис. 17.29, N-вход подключен к общей точке, а входной сигнал подан на резистор R₁.

Часто требуется обеспечить высокую точность уровней переключения схемы, причем к выходному напряжению триггера Шмитта такие требования не предъявляются. В этом случае аналоговые коммутаторы не требуются. Схема такого триггера Шмитта представлена на рис. 17.34. Операционный усилитель включен в цепь суммирующего триггера Шмитта. Два подключенных к его входам компаратора ОУ 1 и ОУ 2 служат для точного задания порогов срабатывания схемы.

Если входное напряжение превышает оба порога срабатывания схемы U₁ и U_2, то Ua = Uaмакс. Если входное напряжение становится ниже верхнего порога срабатывания, величина выходного напряжения Ua не изменится, так как в этом случае один из двух выходных потенциалов компараторов V₃ и V₄ имеет величину Uamax, а Uamin. При этом потенциал на Р-входе ОУ 3 составит V₅1/3Uamax0. Потенциал V₅ будет отрицательным только тогда, когда входное напряжение станет ниже нижнего порога срабатывания схемы. В этот момент выходное напряжение изменится от уровня Uamakc к уровню Uамин. Таким образом, триггер Шмитта выключается, когда входное напряжение становится ниже нижнего порога срабатывания, и включается, когда оно становится выше верхнего порога срабатывания. Временная диаграмма напряжений, изображенная на рис. 17.35, иллюстрирует работу схемы.

Если в качестве компараторов использовать операционные усилители со схемами преобразования уровня сигналов, то,

Рис. 17.34. Прецизионный триггер Шмитта с двумя компараторами

Рис. 17.35. Диаграмма работы триггера Шмитта.

Рис. 17.36. Прецизионный триггер Шмитта с RS- триггером.

как показано на рис, 17.36, вместо операционного усилителя ОУ 3 можно применить RS-триггер. Он устанавливается в единичное состояние, когда входное напряжение превышает верхний порог срабатывания схемы U₂ > U₁, и сбрасывается в нулевое состояние, когда напряжение становится ниже нижнего порога срабатывания U₁. Временная диаграмма работы схемы представлена на рис. 17.37.

Уже упоминавшаяся в этой главе интегральная микросхема NE 521 содержит в одном корпусе два компаратора, каждый из которых подключен ко входу логического элемента И-НЕ.

Рис. 17.37. Зависимость логических переменных от входного напряжения.

Рассмотренную выше схему триггера Шмитта можно собрать на одной такой интегральной микросхеме. Для работы в низкочастотном диапазоне возможно еще одно схемное решение триггера Шмитта на базе ИС таймера 555, о котором более подробно будет идти речь в разд. 18.5.1.