Для чего используется импульсное устройство, называемое «триггером Шмитта»? Каков принцип функционирования триггера Шмитта?
Сигнал на входе микросхемы может принимать любые значения, в том числе и запрещённые для цифровых микросхем. Это может привести к выходу цифровых микросхем из строя. Для того, чтобы можно было обрабатывать такие сигналы, применяются специальные схемы, такие как триггеры Шмитта. Триггер Шмитта представляет собой устройство охваченное положительной обратной связью. Наличие положительной обратной связи приводит к практически мгновенному изменению напряжения на выходе схемы при превышении входным сигналом порогового напряжения. Схема триггера Шмитта, построенная на двух инверторах приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема триггера Шмитта
В этой схеме положительная обратная связь образуется двумя резисторами. Глубина обратной связи определяется соотношением между этими резисторами. То, что часть сигнала с выхода схемы триггера Шмитта подаётся на её вход, приводит к тому, что вместо одного порога у неё имеется два порога. Один порог называется порогом срабатывания схемы (когда на выходе триггера Шмитта формируется единичный уровень). Второй порог называется порогом отпускания (когда на выходе триггера Шмитта формируется нулевой уровень). Из-за наличия двух порогов триггер Шмитта имеет ещё одно название — схема с гистерезисом. Наличие двух порогов отчётливо видно на рисунке 3, где на вход триггера Шмитта подано синусоидальное напряжение. Входной и выходной сигналы исследуемой схемы на этом рисунке совмещены. В результате пороги срабатывания триггера Шмитта можно определить по точкам пересечения синусоиды и выходного сигнала.
Благодаря двум порогам схема нечувствительна к шумам на её входе. Ведь если триггер Шмитта перешёл в другое состояние, то для того, чтобы вернуть его в прежнее состояние нужно приложить напряжение, превышающее разность его порогов. Такое полезное свойство триггера Шмитта привело к его широкому использованию в схемах, подверженных влиянию шумов, таких как, например, шумоподавители ЧМ приёмников. Если сдвинуть выходной сигнал относительно входного, то точки их пересечения совместятся на одном уровне. То есть выходной сигнал триггера Шмитта можно рассматривать просто как задержанный относительно входа усиленный и ограниченный сигнал. Ещё одно применение триггеры Шмитта нашли в качестве входных каскадов в системных шинах микропроцессоров. Наиболее распространенное применение триггеров Шмитта — это формирователь сигнала начального сброса по включению питания схемы. Необходимость такого сигнала сброса вызвана тем, что при включении питания выходные сигналы сложных микросхем, имеющих внутреннюю память (например, регистров, счетчиков), могут принимать произвольные значения, что не всегда удобно. Привести их в необходимое состояние (чаще всего — установить их в нуль) как раз и призван сигнал начального сброса. Условно-графическое изображение триггера Шмитта приведено на рисунке 5. Символ, изображённый на рабочем поле этого логического элемента говорит о наличии гистерезиса (разности порогов срабатывания).
Так называют электронную цепь, назначение которой – преобразовать переменный сигнал в логический, изображающий одно из двух значений логической переменной.
Простейшая реализация триггера Шмитта на логических элементах — это два последовательно включенных инвертора, охваченные резистивной обратной связью. Триггеры Шмитта представляют собой специфические логические элементы, специально рассчитанные на работу с входными аналоговыми сигналами. Они предназначены для преобразования входных аналоговых сигналов в выходные цифровые сигналы. Появление таких микросхем связано в первую очередь с необходимостью восстановления формы цифровых сигналов, искаженных в результате прохождения по линиям связи. Фронты таких сигналов оказываются пологими, в результате чего форма сигналов вместо прямоугольной может стать близкой к треугольной или синусоидальной. К тому же сигналы, передаваемые на большие расстояния, сильно искажаются шумами и помехами. Восстановить их форму в исходном виде, устранить влияние помех и шумов как раз и призваны триггеры Шмитта.
Передаточные характеристики обычного инвертора и триггера Шмитта с инверсией.
Для чего могут в цифровых цепях использоваться автоколебательные генераторы (периодических последовательностей)? Как могут быть устроены такие генераторы (опишите функционирование цепи генератора по выбору преподавателя)?
На элементах задержки и логических элементах строятся генераторы импульсных последовательностей. Простейший вариант показан на рис. 1.28, а. При нулевом значении сигнала управления Упр на выходе элемента И-НЕ имеется логическая единица, которая через обратную связь с задержкой на td передается на верхний вход элемента. Таким образом, в исходном состоянии верхний вход элемента И-НЕ находится в состоянии логической единицы. Изменение управляющего сигнала является командой для начала работы генератора. Появление единицы на нижнем входе Упр элемента И- НЕ дает совпадение единиц на обоих входах, что переводит выход схемы в нулевое состояние. Это состояние длится в течение интервала td, т. к. после него нуль с выхода схемы по обратной связи пройдет на верхний вход элемента и поставит его в единичное состояние, которое также сохранится на время td, после чего изменится из-за воздействия по цепи обратной связи. Следовательно, схема будет генерировать симметричные импульсы с длительностями импульса и паузы, равными td (рис. 1.28, б).
Очень часто требуются импульсы, в которых длительности импульса и паузы должны быть различны. На рис. 1.28, в показана схема, в которой возможно отдельное задание длительностей импульса и паузы. Работу схемы легко уяснить из рассмотрения временных диаграмм на рис. 1.28, г. Видно, что длительность паузы устанавливается элементом задержки 2, после чего можно задать необходимую длительность импульса элементом задержки 1. При этом tn = td2 и
tи = 2td1 + td2. Здесь пауза короче импульса. Если требуется обратное соотношение, выходной сигнал можно проинвертировать. При построении генераторов типа мультивибраторов на основе цифровых ИС используются усилительные свойства инверторов. Чтобы обеспечить возникновение и существование устойчивых автоколебаний, следует исходно вывести инверторы по постоянному току на линейный участок передаточной характеристики— участок между уровнями «нуль» и «единица», где инверторы работают как инвертирующие усилители входного сигнала. После этого остается ввести в устройство положительную обратную связь с помощью одного или двух конденсаторов.
На рис. выше показаны схемы построенных таким образом мультивибраторов. Стабилизация режимов инверторов по постоянному току обеспечивается в данном случае за счет общей обратной связи через резистор R1, охватывающий три последовательно включенных инвертора. Положительная обратная связь реализуется за счет конденсатора С1. Вход V в мультивибраторах рис. выше, а и б используется для того, чтобы прекращать генерацию импульсов. Для этого в устройстве рис. выше, а следует подать на вход Vинверт. сигнал «нуль», а в устройстве рис. выше, б — «единицу». Отличительной особенностью схемы рис. выше,б [2] является то, что при подаче сигнала «единица» на вход V этот мультивибратор заканчивает работу не мгновенно, а только после формирования очередного полного импульса.
Генераторы импульсов могут быть построены также на двух или даже на одном инверторе (рис. выше). В мультивибраторе по схеме рис. выше, а резистор R1 выводит в усилительный режим первый инвертор, а выходное напряжение этого инвертора должно удерживать в режиме усиления второй инвертор. В зтом случае положительная обратная связь через конденсатор С1 вызовет мягкое (не нуждающееся в первоначальном толчке) самовозбуждение автоколебательного релаксационного процесса. Поскольку второй инвертор не охвачен обратной связью по постоянному току, то устройство оказывается более критичным по отношению к сопротивлению R1 чем мультивибраторы на трех инверторах.. Для того чтобы повысить устойчивость режима второго инвертора по постоянному току, в него также может быть введена резистивная обратная связь (рис. выше,б и в).