Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Компараторы и триггеры Шмитта на ОУ

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как известно напряжение на выходе ОУ UВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения UД (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению КU


14052016011405201601

Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при U

ПИТ = 15 В, КU = 105, UД ≈ 150 мкВ). С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь (ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже


Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряженийИспользование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений
Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения U

ОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.


14052016021405201602

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.


14052016031405201603

Основные схемы компаратора

Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет

сравнивать разнополярные напряжения по модулю, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор сравнивает два напряжения с учётом знака. Расссмотрим обе схемы подробнее.


Схема одновходового компаратораСхема одновходового компаратора
Схема одновходового компаратора.

На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах U

BX и UПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению


14052016041405201604

Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2


14052016051405201605

Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.

Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже


Схема двухвходового компаратораСхема двухвходового компаратора
Схема двухвходового компаратора.

В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.

Компараторы применяются в широком спектре схем:

  1. Триггеры Шмитта и в схемах формирования сигнала, преобразующих сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал.
  2. Детекторы уровня – схемы, в которых происходит индицирование момента достижения входным сигналом заданного уровня опорного напряжения.
  3. Генераторы импульсных сигналов, например, треугольной или прямоугольной формы.

При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже


 Появление ложных импульсов на выходе компаратора Появление ложных импульсов на выходе компаратора
Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а

триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения. Данное различие иллюстрирует изображение ниже


Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева)Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева)
Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).

Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже


Триггер Шмитта на операционном усилителеТриггер Шмитта на операционном усилителе
Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением


14052016061405201606

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением


14052016071405201607

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП


14052016081405201608

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта

Применение положительной обратной связи (ПОС) в компараторах и триггерах Шмитта ускоряет переключение схем, но в связи с тем, что выходное напряжение UВЫХ изменяется от UНАС+ до UНАС-, то время переключения составляет довольно значительную величину (от долей до единиц микросекунд).

Кроме того существует проблема несовместимостей уровней выходного напряжения, к примеру, при напряжении питания ОУ UПИТ = ±15 В, выходное напряжение составит UВЫХ ≈ ±14 В (UНАС+ ≈ +14 В, а UНАС- ≈ -14 В), в то время как уровни ТТЛ микросхем составляют около +5 В или 0 В.

Для устранения вышеописанных проблем применяют так называемую привязку или ограничение уровня выходного напряжения, для этого в компаратор или триггер Шмитта вводят ООС в виде различных схем ограничения. Простейшими ограничительными схемами являются диоды или стабилитроны. Схема триггера Шмитта с ограничение выходного напряжения показана ниже


Триггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООСТриггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООС
Триггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООС.

Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом. При поступлении на инвертирующий вход напряжения меньше, чем напряжение опорного уровня (UВХ ОП), то выходное напряжение UВЫХ начинает изменяться в положительном направлении и при достижении напряжения стабилизации стабилитрона UСТ напряжение на выходе перестанет расти, а будет изменяться только ток. При этом выходное напряжение будет равняться напряжению стабилизации стабилитрона (UВЫХ = UСТ).

В случае если входное напряжение начнёт увеличиваться, выше опорного напряжения, то на выходе напряжение начнёт уменьшаться и в этом случае направление тока через стабилитрон начнёт изменяться на противоположный, а стабилитрон начнёт вести себя как диод. В результате падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В независимо от величины протекающего через него тока, а на выходе напряжение составит -0,7 В.

Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: UВЫХ1 = UСТ (при отсутствии ограничения UНАС+) или UВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения UНАС-).

Для симметричного ограничения выходного напряжения могут применяться последовательно включенные диоды или стабилитроны, что показано на рисунке ниже


Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряженияТриггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения
Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.

В данной схеме реализуется симметричное ограничение выходного напряжения относительно опорного напряжения, причем выходное напряжение выше опорного напряжения ограничивается стабилитроном VD1, а напряжение при этом составит на 0,7 В больше напряжения стабилизации. В случае же выходного напряжения ниже опорного, то выходное напряжение будет на 0,7 В ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2.

При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве UНАС+ необходимо использовать UСТ (когда используется один стабилитрон) или UСТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо UНАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или UСТVD2 (при двухстороннем ограничении).

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Принцип работы триггера Шмитта на ОУ

Триггер Шмитта —  это компонент электронного устройства, функция  которого  является формирование постоянно изменяющегося сигнала на входе в серию прямоугольных импульсов на выходе. Применяется  в аналого-цифровых преобразователях, фильтрах, линиях связи.

Триггер Шмитта имеет свое отличие от других видов триггеров тем, что он имеет единственный вход и один выход и не имеет свойства памяти. Триггер Шмитта состоит из двух инверторов, имеющих положительно-обратную связь (ПОС), в результате чего состояние выхода триггера может меняться лавинообразно.

Описание работы схемы

Триггер Шмитта  это компаратор, имеющий ПОС.  В данной схеме доля выходного электрического сигнала ОУ поступает на прямой вход и устанавливает уровень, при котором схема будет переключаться.

Принципиальная схема работы триггера Шмитта на ОУ изображена ниже.

ОУ подключен к двухполярному блоку питания на 5 вольт. На инверсный вход DA1 поступает синусоидный  сигнал равный амплитуде 2 В. Сопротивления R1 и R2 имеют значения 25 кОм и 10 кОм. Напряжение на прямом выводе DA1 поступает с делителя напряжения построенного на резисторах R1 и R2, который подключен к выходу ОУ.  Формула расчета для определения напряжения насыщения:

  1. Uвх1 = +U*R2/(R1+R2) = 3,5*10/35 = 1 В
  2. Uвх1 = -U*R2/(R1+R2) = -3,5*10/35 = -1 В 

Когда на выходе ОУ напряжение с положительным потенциалом насыщения – на прямом входе напряжение равно  1 вольту. Предположим, входной электрический сигнал постепенно увеличивается с нуля. Пока потенциал входного сигнала не превышает напряжения на прямом входе – схема находится в стабильном состоянии. Чуть только входной электрический сигнал превзойдет величину в  1 вольт, напряжение на входе ОУ сменит свою полярность на отрицательное напряжение  насыщения. Это поменяет напряжение на прямом входе ОУ, и оно будет равно -1 вольт.

Входной электрический сигнал постепенно будет увеличиваться до максимума, а затем начнет уменьшаться. После того как амплитуда сигнала на входе станет менее 1 вольта, то на выходе ОУ будет так же отрицательный потенциал насыщения. Как только сигнал на входе пройдет величину -1В, напряжение на выходе   поменяется и будет равным положительному потенциалу насыщения.

На графике можно наблюдать зависимость выходного напряжения триггера Шмитта от входного.

В результате такой работы схемы шумы входного сигнала не будут влиять на выходной сигнал.

Аналоговый компаратор. Триггер Шмитта - chipenable.ru

   Аналоговый компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Простейшая схема компаратора может быть построена на операционном усилителе без обратной связи. На один из входов операционного усилителя подается известное опорное напряжение, на другой -  сравниваемый аналоговый сигнал, например сигнал с датчика.  



   Разберем, как работает эта схема. 

Поведение операционного усилителя без обратной связи описывается уравнением:

 

Uout = (Uin1 – Uin2)*G

 

   где Uout – напряжение на выходе операционного усилителя, Uin1 – напряжение на неинвертирующем входе, Uin2 – напряжение на инвертирующем входе, G – коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.

 

   В инженерных расчетах коэффициент усиления идеального операционного усилителя (G) обычно принимается равным бесконечности. Мы возьмем реальный операционный усилитель - LM358. Его коэффициент усиления равен приблизительно 100000.

   Подадим на неинвертирующий вход усилителя опорное напряжение в 1.5 вольта, а на инвертирующий вход синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и постоянной составляющей 1.5 вольта.   

 

 По приведенной выше формуле рассчитаем выходное напряжение операционного усилителя для двух случаев.

 

1) Uin2 < Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = 1 мВ * 100000 = 100 В 

 

2) Uin2 > Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = -1 мВ * 100000 = -100 В

 

   Это в теории, на практике выходное напряжение операционного усилителя естественно не может выйти за пределы питающих напряжений. Реальное выходное напряжение операционного усилителя в этих случаях будет равно его положительному +Usat или отрицательному напряжению насыщения –Usat (saturation - насыщение). 

   У большинства операционных усилителей, включая и LM358, положительное и отрицательное  напряжение насыщения при однополярном питании равно  Vcc – (1..2) и 0 Вольт соответственно, где Vcc – это напряжение питания. Также существуют операционные усилители, у которых выходное напряжение насыщения практически равно напряжению питания (rail-to-rail усилители).  Да, и не забудь, что на выходное напряжение усилителя оказывает влияние нагрузка. Низкоомная нагрузка на выходе усилителя будет уменьшать его выходное напряжение.

 

С учетом выше сказанного:

 

1) Uout = ~Vcc  – 1.5= 5 – 1.5 = 3.5 В

2)Uout = ~0 В

 

   То есть пока входной сигнал меньше опорного - на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю. 

 

   Описанная схема представляет собой инвертирующий компаратор. Если мы поменяем источники напряжения местами, то получим неинвертирующий компаратор. Попробуй самостоятельно разобраться, как при этом поведет себя схема.  

 

   Компаратор можно использовать для обработки сигналов датчиков. Например, на компараторе можно построить простой датчик освещенности. 

 

 

 

   К сожалению, такая схема компаратора обладает существенным недостатком. При подаче на вход усилителя зашумленного сигнала, на выходе будут наблюдаться многократные переключения напряжения. Если выход операционного усилителя управляет электромагнитным реле, такое поведение схемы вызовет подгорание контактов реле.  


   Для устранения этих колебаний в схему добавляют управляемую положительную обратную связь.

 

   Триггер Шмитта – это компаратор с положительной обратной связью. В этой схеме часть выходного сигнала операционного усилителя подается на неинвертирующий вход и задает пороги переключения схемы. 

 

Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже. 

 

Разберемся, как она работает. 

   Операционный усилитель у нас запитан от двуполярного 5-ти вольтового источника питания.  На инвертирующий вход Uin2 подается синусоидальный сигнал амплитудой +-2 В. Резисторы R1 и R2 имеют номиналы 25 кОм и 10 кОм соответственно. 

   Напряжение на неинвертирующем входе снимается с делителя напряжения подключенного к выходу операционного усилителя и  мы можем рассчитать его значение для положительного и отрицательного напряжения насыщения.

 

1) Uin1 = +Usat*R2/(R1+R2) = 3.5*10/35 = 1 В

 

2) Uin1 = -Usat*R2/(R1+R2) = -3.5*10/35 = -1 В

 

   Когда на выходе усилителя положительное напряжение насыщения – на неинвертирующем входе напряжение 1 В. Допустим, входной сигнал медленно нарастает от нуля. Пока напряжение сигнала меньше напряжения на неинвертирующем входе – ничего не происходит. Как только сигнал превысит порог в  1 вольт, выходное напряжение операционного усилителя «переключится» и станет равным отрицательному напряжению  насыщения. Это изменит напряжение на неинвертирующем входе, оно станет равным (-1) вольт. 

    Входной сигнал будет нарастать до своего максимум, а потом пойдет на спад. Когда его амплитуда станет меньше 1 вольта, на выходе усилителя будет по-прежнему отрицательное напряжение насыщения. И только когда входной сигнал пересечет порог (-1) вольт, выходное напряжение снова «переключится» и станет равным положительному напряжению насыщения. Естественно это повлечет за собой изменение порогового напряжения.. 

     На графике ниже ты можешь видеть, как меняется выходной сигнал операционного усилителя в зависимости от входного.

 

 

   Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.

 

  Триггер Шмитта демонстрирует такое свойство систем, как гистерезис. Которое заключается в том, что реакция системы на текущее воздействие зависит от воздействия, действующего на нее ранее. То есть поведение системы зависит от ее истории. 

   Если выразить поведение схемы в виде графика зависимости выходного напряжения от входного, то мы получим так называемую петлю гистерезиса.

 

 

 

Где Uht – верхний порог триггера Шмитта, Ult- нижний порог  

 

Uht = +Usat*R2/(R2+R1)

Uht = -Usat*R2/(R2+R1)

 

 

 Еще одно свойство триггера Шмитта, возникающее вследствие положительной обратной связи – это увеличение скорость переключения выходного напряжения, по сравнению с простым компаратором. Как только выходное напряжение операционного усилителя начинает меняться, положительная обратная связь увеличивает разностное напряжение  (Uin1 – Uin2) и еще больше изменяет выходное напряжение, что в свою очередь еще больше увеличивает разностное. 

 

   Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.

   Теперь о недостатках схемы.

   Пороговые значения триггера Шмитта задаются с помощью делителя напряжения, и они симметричны относительно «нуля питания». Именно поэтому в схеме используется двуполярный источник питания. Хотелось бы иметь возможность запитывать схему от однополярного источника и задавать несимметричные пороговые напряжения.  

   О расчете такой схемы и примерах ее использования в следующей статье….

Триггер Шмитта на операционном усилителе (ОУ)

Триггера Шмитта является очень полезным элементом при проектировании проектировать схем различных устройств.

Применение триггера Шмитта

Триггера Шмитта используется во многих областях электроники и связи. Довольно часто используется в цифровых схемах для сопряжения аналогового сигнала. Триггер срабатывает при определенном напряжении на его входе, выдавая сигнал логического уровня в зависимости от уровня напряжения на входе.

Например, для восстановления цифрового сигнала в зашумленных линиях связи, в системах цифро-аналогового преобразования и так далее.

Триггер Шмитта на операционном усилителе

Для построения триггера Шмитта используют компаратор на обычном операционном усилителе (ОУ) или же применяют специальную микросхему компаратора, и это встречается чаще.

Необходимо обратить внимание, что при использовании ОУ в триггере Шмитта, если входной сигнал является медленно нарастающим или имеет шумы, то существует вероятность того, что выход будет многократно переключаться, вследствие неполного закрытия-открытия выходного транзистора ОУ. Это связано с таким параметром ОУ как входное напряжение смещения.

Обычный компаратор может быть легко преобразован в триггер Шмитта путем добавления положительно-обратной связи (ПОС) операционного усилителя или компаратора. Это обеспечивается добавлением резистора R3 в приведенной ниже схеме.

Эффект от данного резистора (R3) проявляется в том, что он смещает порог переключения зависящий от выходного состояния компаратора или операционного усилителя.

 Когда выходной сигнал компаратора является высоким, то это напряжение подается обратно на неинвертирующий вход операционного усилителя. В результате порог переключения становится выше. Когда же на выходе напряжение падает, то порог переключения также снижается. Это придает схеме так называемый гистерезис.

Применение положительно-обратной связи создает более высокий коэффициент усиления и, следовательно, переключение происходит быстрее. Это особенно полезно, когда входной сигнал медленно изменяющийся. Так же для увеличения скорости переключения триггера Шмита, параллельно резистору ПОС подключают так называемый скоростной конденсатор емкостью 10…100 пФ.

Довольно легко подобрать резисторы, необходимые для работы триггера Шмитта. Уровень напряжения, при котором необходимо, чтобы триггер переходил в свое противоположное состояние, задается делителем напряжения из резисторов R1 и R2. Это первое что необходимо сделать. Затем уже подбирается резистор обратной связи R3.

Особенности построения Триггера Шмитта на ОУ

При использовании ОУ в качестве компаратора, необходимо соблюдать осторожность. Операционный усилитель спроектирован для функционирования в схемах с отрицательной обратной связью. В результате, производители ОУ не гарантируют, что ОУ будут также надежно работать в цепях без обратной связи, либо с положительной обратной связью, как и в случае с триггером Шмитта.

Что такое триггер Шмидта. Схемы триггера Шмитта

Что такое триггер Шмитта

Слово trigger, в переводе на русский, значит, спусковой крючок. Функциональность устройства заключается в быстром переходе из одного устойчивого состояния в другое под внешним воздействием.

Большинство подобных устройств имеют заданное одинаковое значение для нарастающего сигнала. Для быстрорастущих сигналов – это не проблема. Но для сигналов, которые имеют очень медленное нарастание (шумовые, например) – колебания назад и вперед из положения off в on и обратно могут вывести из строя прибор. Триггеры Шмитта применимы для медленно изменяющихся сигналов или шума.

Это решение для случаев, когда сигнал на входе колеблется вокруг заданной точки. Схема для получения петли гистерезиса – это значит, что есть два набора точек, одни на низкой стороне, другие на высокой. Допустим, что на стороне низкого заданное значение составляет 2,0 В, а на стороне высокого – 1,5 В. Как только нарастающий входной сигнал (шум) попадает в точку 2.0 В, триггер переключит выход на 1. И сигнал на выходе останется на 1 до тех пор, пока входной сигнал не упадёт обратно до 1,5 В. В зоне от 1,5 и 2.0 В сигнал не переключается.

Самым простым примером применения триггера Шмитта является однополюсный двухпозиционный тумблер.

Перемещением рычага вправо соединяются выступы в центре. Цифровые схемы работают на 1 и 0 (вкл. и выкл.) Серединных значений при этом нет.

Схемы триггеров Шмитта

Существует много схем триггеров Шмитта, в которых необходимо включение элементов, имеющих фиксированные пороги на входе. Можно применять дискретные транзисторы, а также операционный усилитель (ОУ) с дополнительными компонентами, способствующими созданию петли гистерезиса.

На схеме изображено как устройство формирует импульс правильной конфигурации, при произвольном входном сигнале. Подобная схема применяется для преобразования медленно изменяющихся сигналов в импульсы с чётко очерченными краями. Это выполняется и на нескольких устройствах, и на одном ОУ.

Триггер Шмидта

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Для несимметричного триггера Шмитта характерно несколько устойчивых состояний, когда переход из одного в другое происходит лишь при пороговых уровнях. Поэтому для такого триггера Шмитта характерна гистерезисная передаточная характеристика. В нижеприведённой схеме использованы биполярные транзисторы.
Триггер Шмидта
На данном чертеже показано, что триггер Шмитта включает в себя транзисторы VT1 и VT2, гальванически связанные между собой посредством резистора R5. Все элементы имеют общую питающую шину. R1 и R2 обеспечивают рабочий режим транзистора VT1. Организован делитель напряжения (два резистора). Конденсатор C1 служит для ускоренного переключения. Временные диаграммы входных и выходных напряжений устройства показаны на рисунке.

При подаче питания к устройству, он переходит в исходное состояние, когда транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. В таком состоянии на выход устройства поступает некоторое напряжение Uэ, зависящее от элементов обвязки VT2. Имеются два порога срабатывания в триггере Шмитта (эта разность между напряжениями называется шириной петли гистерезиса).

Триггер Шмитта на логике

Это устройство особенное, потому что имеет по одному аналоговому входу и цифровому выходу. Самая простая схема триггера Шмитта основана на цифровых логических элементах, то есть последовательно включенных двух инверторах. Посредством резистивной обратной связи цифровой сигнал на выходе меняет входное напряжение переключения. Скорости нарастания сигнала на выходе и входе не зависят друг от друга, являясь для данной схемы постоянной величиной (зависящей от быстродействия логических вентилей). Схема триггера Шмитта, построенная на двух инверторах, изображена ниже.

Добавлена обратная связь, обеспеченная двумя резисторами, способствует быстрому изменению напряжения на выходе схемы при пересечении сигналом порогового напряжения. Соотношение между резисторами влияет на глубину этой связи. Тот факт, что часть сигнала с выхода схемы поступает на вход, приводит к тому, что вместо одного порога у схемы получается два. Один из них назван порогом срабатывания схемы (когда на выходе устройства формируется уровень «1»). Второй порог назван порогом отпускания (когда на выходе схемы формируется уровень «0»). Наличие двух порогов дало триггеру Шмитта второе название — схема с гистерезисом. Положительная обратная связь используется для того, чтобы установить лимит для достижения точки насыщения на выходе и, таким образом, можно изменить синусоидальное напряжение в цифровое.

Как определить низкие и высокие пороговые уровни на входе схемы? Логика определения этих пороговых уровней следующая. Необходимо выбрать верхний порог, который ниже минимального высокого уровня сигнала. Другими словами, это тот уровень, когда входной сигнал будет превышать каждый импульс на выходе. Аналогичным образом выбирается нижний порог, который соответственно выше низкого уровня сигнала. Разница между верхним и нижним уровнем является гистерезис. Чем больше гистерезис, тем больше будет восприимчивость схемы к шуму. Также необходимо учесть влияние времени.

На изображении хорошо видны два порога там, где на вход устройства подаётся синусоидальное напряжение.

Генератор на триггере Шмитта

Для построения генераторов применяются инверторы. Посему для обеспечения устойчивых сигнальных волн нужно вывести элемент на участок между «0» и «1». Далее, требуется обеспечить положительную обратную связь посредством конденсаторов.

Ниже изображена схема простейшего генератора импульсов.

Триггер Шмидта

Инвертор генерирует сигнал, который заряжает и разряжает конденсатор. Это работает, потому что на выходе инверторов «0» или «1» (низкие или высокие пороговые значения). Представим, что мы смотрим на цепи в какой-то случайный момент времени. По своей природе, триггера Шмитта на выходе инвертора или 0 В или 5 В (или переход между ними, который мы можем игнорировать). Если на выходе 0 В, а на выходе конденсатора выше, чем на выходе инвертора, конденсатор будет разряжаться через резистор до падения порогового напряжения триггера Шмитта. Конденсатор разряжается до тех пор, пока на входе инвертора сигнал достаточно низкий. При пересечении порогового значения, цикл начнётся заново.

Ключ, который делает эту работу на «гистерезис» в триггер Шмитта. В основном это означает, что точка поездки инвертора зависит оттого, что мы идем от высокого напряжения или низкого напряжения.

Заключение

Достоинство схем заключается в том, что входное напряжение меняется незначительно, когда выходное изменяется резко к высокому или низкому пороговому значению. Процесс проводится благодаря устройству обратной связи и делителя напряжения.

В чём польза триггера Шмитта? Они весьма востребованы тогда, где на входе присутствуют шумы. Применяется для преобразования входного сигнала в прямоугольные, пренебрегая высокочастотными помехами. Такая входная цепь осуществляет гистерезис, эффективно фильтрующий различные типы шумов. Использование устройства будет гарантировать, что на входе цифрового устройства всегда будет либо «один» или «ноль» и ничего между ними.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

6. Триггеры Шмитта на оу

Наряду с простейшей схемой компаратора широко используется схема на ОУ с положительной обратной связью, называемая триггером Шмитта. Охват ОУ петлей положительной обратной связи и его работа в режиме насыщения, когда выходное напряжение может принимать только два значения (+Uвых max и -Uвых max) приводят к появлению на передаточной характеристике триггера Шмитта петли гистерезиса и двух значений напряжения входного сигнала, в которых происходит опрокидывание схемы.

В схеме, приведенной на рис. 5.4,а, входное напряжение подается на инвертирующий вход ОУ. Опорным в этой схеме служит сумма напряжений, подаваемых на неинвертирующий вход с выхода ОУ через делительную цепочку резисторов Rи R(по цепи положительной обратной связи) и от дополнительного источника U.

Рисунок 5.4. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на инвертирующий вход ОУ (U0 > 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Величина опорного напряжения в схеме рис. 5.4,а может быть определена с использованием принципа суперпозиции. Компонента этого напряжения, поступающая с выхода ОУ, определяется при условии, что напряжение дополнительного источника равно нулю (U = 0). Компонента напряжения, обусловленная источником U, определяется при условии заземления выходной клеммы ОУ. Тогда величина опорного напряжения

u = uвых +U. (5.1)

При напряжении на выходе ОУ, равном +Uвых max, согласно соотношению (5.1) на неинвертирующий вход подается напряжение

U=U+R, (5.2)

которое называется напряжением срабатывания. При выходном напряжении, равном -Uвых max, на неинвертирующем входе ОУ напряжение равно

U=U - R (5.3)

которое называется напряжением отпускания. Напряжения срабатывания и отпускания – это значения, при которых происходит опрокидывание триггера Шмитта со схемой на рис. 5.4.а.

Передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис. 5.4,а представлена на рис. 5.4,б. Ее ход может быть объяснен следующим образом. Пусть напряжение на выходе ОУ равно +Uвых max, что обеспечивается при величине входного напряжения меньше напряжения срабатывания. При повышении входного напряжения положительное напряжение Uвых max на выходе ОУ будет сохраняться до тех пор, пока напряжение uне сравняется с напряжением срабатывания, после чего на выходе ОУ напряжение становится отрицательным и равным -Uвых max. Эта величина выходного напряжения не изменяется при дальнейшем увеличении входного напряжения. При опрокидывании схемы напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменится и станет равным напряжению отпускания U.

При обратном изменении входного напряжения, т.е. при его уменьшении, напряжение на выходе ОУ будет положительным лишь после того, как uсравняется с напряжением отпускания и произойдет опрокидывание схемы. Выходное напряжение, равное +Uвых max, сохраняется при дальнейшем уменьшении выходного сигнала.

Таким образом, передаточная характеристика триггера Шмитта имеет гистерезис, ширина которого при схеме рис. 5.4,а равна

U- U= Uвых max, (5.4)

а напряжение, равноудаленное от напряжения срабатывания и напряжения отпускания, т.е. соответствующее центру петли гистерезиса,

Uцентр = U0 . (5.5)

В схеме триггера Шмитта, приведенной на рис. 5.5,а, входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий. Кроме входного напряжения, на неинвертирующий вход подается напряжение с выхода ОУ через делительную цепочку, составленную из резисторов Rи R. По аналогии с соотношением (5.1) можно получить уравнение, связывающее напряжение на неинвертирующем входе ОУ с входным

uнвх = uвых + uвх . (5.6)

Рисунок 5.5. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на неинвертирующий вход ОУ (U0 < 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Соотношение для определения величин, при которых происходит опрокидывание схемы получается из уравнения (5.6) при учете условия

uнвх =U0

и подстановки вместо напряжения uвых двух значений: +UВЫХ max и

-UВЫХ max. При подстановке -UВЫХ max получается большая из этих двух величин, т.е. определяется напряжение срабатывания.

Uср =, (5.7)

а при подстановке +UВЫХ max определяется напряжение отпускания

Uотп =. (5.8)

На рис. 5.5,б приведена передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис. 5.5,а, которая имеет петлю гистерезиса. Изменение полярности напряжения на выходе триггера с отрицательного на положительное происходит при приближении uвх к напряжению срабатывания, когда выходное напряжение отрицательное. При приближении uвх к напряжению отпускания, когда на выходе триггера Шмитта положительное напряжение, т.е. с противоположной стороны, происходит изменение полярности выходного напряжения с положительной на отрицательную. Ширина петли гистерезиса определяется как:

Uср - Uотп = , (5.9)

а ее центр

Uцентр = U0 . (5.10)

Таким образом, согласно (5.5) и (5.10) смещение петли гистерезиса передаточной характеристики триггера Шмитта осуществляется изменением напряжения источника U0, аналога источника опорного напряжения в компараторе.

Рисунок 5.6. Временные диаграммы, иллюстрирующие

переключения триггера Шмитта при многократных

небольших изменениях контролируемого напряжения

Использование триггера Шмитта придает системам автоматического регулирования и защиты новое свойство. Действительно, при применении простейшей схемы компаратора величина напряжения, при которой срабатывают эти системы, остается одинаковой вне зависимости от того, в какую сторону изменяется величина контролируемого напряжения. При применении триггера Шмитта срабатывание систем автоматического регулирования или релейной защиты будет происходить при превышении контролируемым напряжением величины U, а восстановление режима работы аппаратуры, которое было до срабатывания, происходит только после уменьшения контролируемого напряжения ниже напряжения отпускания. Такое разделение напряжений срабатывания и отпускания обеспечивает, в частности, иные условия работы аппаратуры, при многократных небольших изменениях контролируемого напряжения. При применении простейшего компаратора режимы работы аппаратуры будут многократно изменяться в соответствии с изменением контролируемого напряжения. Применение триггера Шмитта исключает такие частые переключения, которые не всегда необходимы. Это иллюстрируется построениями на рис. 5.6.

В схемах компаратора и триггера Шмитта при переключении происходит резкое изменение режима работы с ОУ. В таких условиях работы важно быстродействие ОУ, которое характеризуется задержкой срабатывания (временем задержки момента изменения выходного напряжения) и временем нарастания выходного напряжения. Для работы в импульсном режиме выпускаются специальные ОУ, у которых время срабатывания составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.

Что такое компаратор и триггер Шмидта

Компаратор нулевого уровня. Инвертирующая и неинвертирующая схемы

 

Компаратор – это  устройство,  предназначенное  для  сравнения  двух  входных сигналов, также это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам. В данной  схеме (рис. 1) на  неинвертирующий  вход  подается  ноль,  а  на  инвертирующий напряжение Uвх (обычно  с  амплитудой  не  более  15В). Входной  сигнал  имеет синусоидальную форму, а на выходе компаратора сигнал имеет прямоугольную форму (меандр).  В компараторе  напряжение Uвх сравнивается    с  нулем  и  в  моменты,  когда напряжение Uвх = 0 происходит переключение компаратора.

Рис. 1. Схема компаратора нулевого уровня

 

Из  графиков  видно,  что  сдвиг  по  фазе  между  входным сигналом  и  первой гармоникой  выходного  сигнала  составляет  180 градусов  (Δφ  =  180º).  Если  подавать напряжение Uвх на неинвертирующий вход, а Uвх = 0 на инвертирующий, то такой сдвиг по фазе составляет ноль градусов (Δφ = 0º).Компаратор ненулевого уровня

 

В  данной  схеме  входное  напряжение  сравнивается  с  ненулевым  опорным напряжением  (Uоп ≠  0).  Опорное  напряжениеподается  с  резистивного  делителя напряжения,  выполненного  на  резисторах R1 и R2. Необходимую  величину  опорногонапряжения легко получить с помощью подбора резисторов R1иR2. В моменты, когдавходное напряжение сравнивается сопорным напряжением, происходит переключениекомпаратора.

Относительная   продолжительность   включения – это   отношение продолжительности t1состояния  выхода  компаратора  с  положительным  напряжениемUвых >0 к периоду T выходного напряжения

Рис. 2. Схема компаратора ненулевого уровня

Компараторы, представленные на схемах (рис. 1 – 2), имеют ряд недостатков, одним  из  основных  является  дребезг  выходного напряжения  при  повышенном  уровне  шумов во входном сигнале.
 

Схема операционного усилителя с положительной обратной связью 
(Триггер Шмитта)

Триггер  Шмитта  или  схема  компаратора  с положительной  обратной  связью позволяет  устранить  недостатки простых  схем компаратора (рис.  3),  избежать дребезга выходного напряжения, возникающего вследствие неизбежного наличия шумов во входном сигнале
    

В  триггере  Шмитта  на  инвертирующий  вход  подаѐтся входной  сигнал,  а  на неинвертирующий  поступает  сигнал положительной
обратной связи  – опорное напряжение Uоп. Величину  опорного  напряжения  можно  регулировать  с  помощью резисторов R1 и R2. В цепи отрицательной обратной связи два стабилитрона VD1 и VD2 включены  встречно - последовательно. Данные стабилитроны  предназначены  для ограничения  амплитуды  выходного  прямоугольного  сигнала  на  некотором  заданном уровне.

Регулировочная характеристика  триггера  Шмитта  представляет  собой прямоугольную  петлю  гистерезиса. Это  позволяет использовать  схему в качестве формирователя прямоугольных импульсов из некоторого входного напряжения, в частности, из синусоидального.

Рассмотрение  работы  схемы  начнѐм  с  момента t = 0.  В  данной  схеме  входное напряжение Uвх сравнивается  с положительным  опорным  напряжением Uоп,  и  как только  входное  напряжение  превысит  опорное  напряжение,  схема переключится  и  на выходе появится отрицательное напряжение.

После  момента  переключения  входное  напряжение,  достигнув  некоторого максимального значения, снова уменьшится до величины, равной входному напряжению в  момент  переключения,  однако компаратор не  переключится.  Это  связано  с  тем, что
опорное  напряжение  снимается  с  резистивного  делителя,  подключенного  к  выходу компаратора, и изменение знака выходного напряжения при переключении приводит к изменению  знака  опорного  напряжения.  В  дальнейшем  входное  гармоническое напряжение не только спадает до нуля, но меняет свой знак и увеличивается до величины равной  отрицательному  опорному напряжению.  Именно  в  этот  момент  будет происходить  переключение  схемы  и  на  выходе  установится  положительное выходное напряжение.
 

Рис. 3. Триггер Шмидта

Схема  триггера Шмитта не  реагирует  на  шумы,  т.е.  переключение  происходит только  в  те  моменты,  когда  входное напряжение  превышает    модуль  опорного напряжения

Операционный усилитель с положительной обратной связью и односторонней петлѐй гистерезиса
 

Как можно видеть из  рисунка  4,  отличие данной схемы от схемы триггера Шмитта состоит в наличии в цепи положительной обратной связи диода VD1.  Рис. 4. Схема операционного усилителя с положительной обратной связью  и  односторонней петлей гистерезиса 

Данный диод, находящийся в цепи положительной обратной связи, необходим для подачи на неинвертирующий вход трицательного опорного напряжения, что приводит к уменьшению ширины петли гистерезиса в два раза.
   
 

Приемы и трюки использования встроенного компаратора в контроллерах Microchip

Friday, May 19, 2017

Микроконтроллеры Microchip используются во многих устройствах, начиная от пожарных датчиков и заканчивая промышленной и автомобильной электроникой. Контроллеры PIC12F и PIC16F

     

Операционный усилитель Schmitt Trigger »Electronics Notes

Триггер Шмитта - это широко используемая схема, используемая с компаратором для обеспечения помехоустойчивости и уменьшения вероятности множественных переключений, вызванных шумом на входе

.

Руководство по операционному усилителю включает в себя:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Фильтр высоких частот Активный фильтр низких частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр компаратор Триггер Шмитта мультивибратор бистабильный интегратора дифференциатор Мостовой осциллятор Генератор сдвига фаз


Триггер Шмитта является формой схемы компаратора, которая имеет гистерезис или различные уровни переключения входа для изменения выхода между двумя состояниями.

Компаратор имеет дифференциальный усилитель в своей основе, и действие компаратора означает, что аналоговый вход эффективно заменяется на цифровой выход, зависящий от напряжений на входе.

При использовании гистерезиса влияние шума на входе, которое может вызвать несколько переключателей на выходе, когда входное напряжение приближается к напряжению переключения, значительно снижается.

Суть триггера Шмитта - дифференциальный усилитель: в этой роли часто используются операционные усилители, но гораздо лучше использовать специальный чип компаратора в этой роли.

Что такое гистерезис

Гистерезис встречается во многих случаях в науке, но в случае гистерезиса триггера Шмитта означает, что цепь запускается при разных напряжениях, чтобы переключать выход из одного состояния в другое.

Для того, чтобы объяснить это более подробно, рассмотрим пример, когда опорное напряжение, скажем, 5 вольт. При повышении напряжения в зависимости от цепи, например, 5,5 вольт. Затем для переключения в другом направлении входное напряжение должно упасть, например, до 4.5 вольт

Таким образом, существует разница в 1 В между переключениями в любом направлении, и это обеспечивает некоторую значительную помехоустойчивость.

Concept of hysteresis used in Schmitt trigger circuit Понятие гистерезиса, используемого в триггерной цепи Шмитта

Проблема неиспользования гистерезиса с компаратором заключается в том, что если входной сигнал медленно возрастает, то шум на осциллограмме вызовет многократное переключение состояния выхода компаратора. С помощью гистерезиса эта проблема устраняется, если уровень шума не очень высок.Цепь триггера Шмитта идеально подходит для многих применений в преодолении этой проблемы. К счастью, прямой компаратор может быть преобразован в триггер Шмитта путем добавления одного электронного компонента в большинстве случаев

Многократные переключатели выхода из-за шума могут вызвать много проблем со следующими цифровыми схемами, и во многих случаях инженеры-разработчики электронных схем потратили много часов на отладку схем с этим типом проблемы, поскольку их может быть трудно отследить иногда.

Основы триггера Шмитта

Схема триггера Шмитта широко используется в течение многих лет. Он был изобретен американским ученым по имени Отто Шмитт. Триггер Шмитта переключается при разных напряжениях в зависимости от того, движется ли он от низкого к высокому или от высокого к низкому, используя то, что называется гистерезисом.

С точки зрения того факта, что триггер Шмитта имеет гистерезис, символ цепи для одной из этих цепей включает в себя символ гистерезиса. Соответственно все триггеры Шмитта используют этот символ.

Schmitt trigger circuit symbol used in electronic circuit design Символ цепи триггера Шмитта

Схема триггера Шмитта

Стандартная схема компаратора обычно может быть преобразована в триггер Шмитта на этапе электронного проектирования путем введения положительной обратной связи путем добавления дополнительного электронного компонента. В схеме ниже это обеспечивается добавлением резистора R3.

Operational amplifier Schmitt trigger circuit Операционный усилитель триггера Шмитта

Эффект нового резистора, R3, состоит в том, чтобы дать схеме разные пороги переключения, зависящие от состояния выхода компаратора или операционного усилителя.Когда выходной сигнал компаратора высокий, это напряжение подается обратно на неинвертирующий вход операционного усилителя компаратора. В результате порог переключения становится выше. Когда выход переключается в противоположном смысле, порог переключения понижается. Это дает схеме то, что называется гистерезисом.

Тот факт, что положительная обратная связь, применяемая в схеме, обеспечивает более высокое усиление и, следовательно, переключение происходит быстрее. Это особенно полезно, когда входной сигнал может быть медленным.Однако ускоряющий конденсатор может быть применен в схеме триггера Шмитта для дальнейшего увеличения скорости переключения.

Поместив конденсатор на резистор положительной обратной связи R3, можно увеличить коэффициент усиления во время переключения, что делает переключение еще быстрее. Этот конденсатор, известный как ускоряющий конденсатор, может быть где-то между 10 и 100 пФ в зависимости от схемы.

Очень легко рассчитать резисторы, необходимые в схеме триггера Шмитта. Напряжение в центре, вокруг которого должна переключаться цепь, определяется цепью делителя потенциала, состоящей из резисторов R1 и R2.Это должно быть выбрано первым. Затем резистор обратной связи R3 может быть рассчитан. Это обеспечит уровень гистерезиса, который равен выходному колебанию схемы, уменьшенной делением потенциала, сформированным в результате R3 и параллельной комбинации резисторов R1 и R2.

триггерных приложений Шмитта

Триггер Шмитта используется во множестве приложений, где необходимо определить уровень. Даже если используется только небольшое количество гистерезиса, это уменьшает множественные переходы, которые могут происходить вокруг точки переключения.

Как таковые триггерные приложения Шмитта включают множество различных областей проектирования электронных схем.

  • Цифро-аналоговое преобразование: Триггер Шмитта представляет собой однобитный аналого-цифровой преобразователь. Когда сигнал достигает заданного уровня, он переключается из одного состояния в другое. Затем его можно использовать для управления другими цифровыми цепями.
  • Обнаружение уровня: Цепь триггера Шмитта способна обеспечить обнаружение уровня.При выполнении этого приложения необходимо учитывать гистерезисное напряжение при проектировании электронной схемы, чтобы схема включала требуемое напряжение.
  • Прием линии: При запуске линии данных, которая могла улавливать шум в логическом вентиле, необходимо обеспечить, чтобы уровень логического выхода изменялся только при изменении данных, а не в результате побочного шума, который может были подобраны. Использование триггера Шмитта в широком смысле позволяет пиковому шуму достичь уровня гистерезиса до того, как может произойти ложный запуск.

Шмитт триггера меры предосторожности

При использовании операционного усилителя в качестве компаратора необходимо соблюдать осторожность. Сам чип операционного усилителя оптимизирован для работы в замкнутом контуре с отрицательной обратной связью. В результате производители операционных усилителей не гарантируют, что их операционные усилители будут использоваться в цепях без обратной связи или с положительной обратной связью, как в случае триггера Шмитта.

Одна из проблем заключается в том, что при использовании операционного усилителя вместо компаратора скорость переключения будет не такой высокой, и вряд ли ударит по рельсам так сильно.

Обычно компараторы предназначены для условий разомкнутой цепи или даже с положительной обратной связью в случае триггера Шмитта. Они также имеют конфигурацию схемы с открытым коллектором, которая предназначена для жесткого переключения на рельсы напряжения, как это требуется для логических схем. По этой и многим другим причинам компараторы обеспечат намного лучшие характеристики переключения, чем когда-либо мог операционный усилитель.

Другие проблемы, которые могут возникнуть в некоторых случаях, заключаются в том, что, когда операционный усилитель сильно врезается в шины, он потребляет больше энергии, чем обычно.Дополнительная проблема, которая может возникнуть, связана с фиксацией, когда операционный усилитель фиксируется на шине напряжения и не переключается независимо от уровня входного сигнала.

Триггер Шмитта используется в множестве различных электронных схем, где аналоговые сигналы должны быть обнаружены и преобразованы в цифровой формат. Схема работает уже много лет и обеспечивает очень полезную функцию во многих современных электронных схемах.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Вернуться в меню «Схема»., ,

.Транзистор Шмитта

- HowToMechatronics

В предыдущем уроке мы объяснили, что такое триггер Шмитта и как он работает с использованием операционных усилителей. Теперь в этом уроке мы расскажем о триггере Шмитта на основе транзисторов.


Триггер Шмитта - это тип логического входа, который обеспечивает гистерезис или два различных пороговых уровня напряжения для нарастающего и падающего фронта. Это полезно, потому что это может избежать ошибок, когда у нас есть шумные входные сигналы, из которых мы хотим получить прямоугольные сигналы.Транзисторная схема Шмитта Тригера содержит два транзистора и пять резисторов. Для лучшего объяснения я назначу значения компонентам, а позже я сделаю демонстрацию и построю эту схему на макетной плате, чтобы увидеть, как она действительно работает.

Transistor-Schmitt-Trigger-04

Мы начнем так. Предположим, что вход Vin равен 0 В. Это означает, что транзистор T1 отключен и не проводит ток. С другой стороны, Транзистор Т2 проводит, потому что у нас есть напряжение около 1.98 В в узле B, так как мы можем рассматривать эту часть схемы как делитель напряжения и рассчитывать напряжение, используя эти выражения.

Transistor-Voltage-Divider-Equations02

Таким образом, поскольку транзистор T2 проводит выходное напряжение будет низким, а напряжение на эмиттере будет примерно на 0,7 В ниже напряжения на базе транзистора, или примерно на 1,28 В.

Transistor-Schmitt-Trigger-05

Эмиттер транзистора T1 соединен с эмиттером транзистора T2, поэтому они находятся на одном уровне напряжения 1.28 В, что означает, что транзистор T1 включится, когда напряжение Vin на его базе будет на 0,7 В выше этого значения в 1,28 В или около 1,98 В.

Transistor-Schmitt-Trigger-05

Таким образом, когда мы увеличиваем вход Vin и пересекаем это значение 1.98 транзистор T1 начнет проводить. Это приведет к падению напряжения на базе транзистора T2 и отключит транзистор. Поскольку транзистор T2 больше не проводит, выходное напряжение будет высоким.

Transistor-Schmitt-Trigger-06

Затем напряжение Vin на базе транзистора T1 начнет снижаться и отключит транзистор, когда базовое напряжение будет равно 0.На 7 В выше напряжения его эмиттера. Это произойдет, так как ток в эмиттере снизится до точки, в которой транзистор перейдет в активный режим. В этом режиме напряжение коллектора будет увеличиваться, что также приведет к увеличению напряжения на базе транзистора Т2. Это приведет к тому, что через транзистор T2 будет протекать небольшое количество тока, что приведет к дальнейшему падению напряжения на эмиттерах и приведет к отключению транзистора T1. В нашем случае вход Vin должен упасть примерно до 1.3 В для отключения транзистора Т1.

Вот и все. Теперь цикл повторяется снова и снова. Итак, мы получили два порога: верхний порог около 1,9 В и нижний порог около 1,3 В.

Signal-Input-Two-Thresholds

Демонстрация этой схемы на плате прототипа, и ее можно найти в конце видео, прикрепленного выше ,

Signal-Input-Two-Thresholds.
Учебник по триггеру Шмитта с операционными усилителями

Основные компоненты - триггер Шмитта Помогите мне, поделившись этим постом

Прошло много времени с момента нашего последнего урока основных компонентов, верно? В прошлый раз мы видели операционный усилитель и как его использовать. Что ж, теперь это триггерный инвертор Шмитта для испытаний CD40106B, и это то, что мы увидим сегодня. Итак, начнем.


ЧАСТЬ 1 - Почему триггерный инвертор Schmitt?

Допустим, у нас есть сигнал переменного тока, который мы хотим кодировать, поэтому посчитайте частоту или импульсы.Но волна не идеальна, потому что она колеблется с некоторым шумом. Используя OPAMP с установленным порогом, мы будем получать высокий импульс каждый раз, когда сигнал переменного тока устанавливает этот порог. Но если у нас есть шум, это может также вызвать короткие импульсы, и мы этого не хотим. Вот почему нам нужны два пороговых значения.



У триггера Шмитта есть только это. Два пороговых значения, скажем, 3 В и 2,8 В. Входное напряжение превышает 3 В, а затем выходное значение High, затем вход имеет пульсацию и становится немного ниже 3 В, но, поскольку он не прошел ниже второго порогового значения, выходное значение также не изменилось.Так что теперь мы получаем хороший результат, который хотим. Итак, это основная функция триггера Шмитта - преобразовать шумовой сигнал в хорошую прямоугольную волну, которую затем можно прочитать с помощью микроконтроллера или других цифровых компонентов.

ЧАСТЬ 2 - триггер Шмитта с OPAMPs

Итак, допустим, у вас нет триггерной схемы Шмитта, у вас есть только OPMP. Ну, вот конфигурация триггера Шмитта, сделанная с помощью OPAMP. Отрицательный вход подключен к земле, так что подразумевается, что точка V + также будет заземлена.


Итак, у нас были бы эти уравнения выше. Ток, который проходит через R1, такой же, как в R2, и, поскольку V + равен нулю, мы получаем, что Vin, деленное на R1, равно отрицательному Vout, деленному на R2. Таким образом, Vin равно отрицательному R1, деленному на R2 и умноженному на Vout, где Vout может иметь значения минимального и максимального напряжения питания. В этом случае, скажем, на OPAMP подается плюс минус 5В, поэтому Vout может быть плюс минус 5В. Кроме того, допустим, что R1 составляет 1 кОм, а R2 - 1,7 кОм.Итак, мы получаем, что для того, чтобы произошло переключение, нам нужно, чтобы Vin был равен 1 К, разделенному на 1,7 К и умноженному на плюс или минус 5 В, так что переключатель будет иметь напряжение плюс минус 3 В, верно? Итак, у нас есть два пороговых значения. Когда вход возрастает с отрицательных 5 вольт до положительных 5 вольт, когда мы достигаем положительного 3 В, выходной сигнал будет высоким. Но, с другой стороны, когда мы переходим от положительного значения 5 В к отрицательному, только когда мы достигаем -3 В, выходной сигнал будет низким. И вот почему значком триггера Шмитта являются эти два пороговых значения.


Когда вход возрастает с отрицательных 5 вольт до положительных 5 вольт, когда мы достигаем положительного 3 В, выходной сигнал будет высоким. Но, с другой стороны, когда мы переходим от положительного значения 5 В к отрицательному, только когда мы достигаем -3 В, выходной сигнал будет низким. И вот почему значком триггера Шмитта являются эти два пороговых значения.

ЧАСТЬ 3 - Несимметричные пороговые значения

Но что, если нам нужны разные пороговые значения, скажем, положительные 3,5 В и положительные 2 ВДля этого мы используем эту конфигурацию с 3 резисторами. Здесь у нас есть уравнения для повышения и понижения пороговых значений, и давайте скажем, что мы снабжаем наш OPAMP 5В.

Когда Vout заземлен, на самом деле R3 и R2 подключены к заземлению, так что это параллель этих резисторов. Итак, мы получаем делитель напряжения, как в уравнениях выше. Итак, допустим, значения резисторов R1 равны 6,8 кОм, а R2 и R3 равны 10 кОм. Мы получаем порог падения 2.1V. И когда Vout высокий, так что 5V, мы получаем другое уравнение. Итак, при тех же значениях резисторов мы получаем пороговое напряжение 3,5 В для нарастающего фронта. Итак, у вас это есть, значение нарастания равно 3,5 вольт, а значение порога падения равно 2,1 вольт, и мы получили наш триггер Шмитта, созданный с помощью OPAMP. Точная настройка значений резисторов, вы можете установить порог.


Другие учебники →


Помогите мне, поделившись этим постом
,
Схема триггера Шмитта с использованием операционного усилителя - пример 1

Эта схема триггера Шмитта использует 741-совместимый операционный усилитель (операционный усилитель) для преобразования медленно меняющейся формы входного сигнала в сигнал с резкими переходами. Эти типы цепей также известны как регенеративный , потому что они изменяют свое выходное состояние, когда входной сигнал пересекает заранее определенные пороговые уровни. Это достигается путем использования положительной обратной связи для получения гистерезиса .В приведенном выше примере цепи резистор 7,5 кОм обеспечивает обратную связь с неинвертирующим входом. Кроме того, пара резисторов 10 кОм через шины питания образует цепь делителя потенциала, которая определяет пороговые уровни срабатывания. Хотя R1 и R2 четко формируют потенциальную схему делителя для определения уровней запуска, следует помнить, что R3 также является частью этой сети. Вообразите резистор R3, чтобы иметь висячий конец (DE), который может либо соединяться с положительной шиной, в этом случае он становится параллельным R1, либо он может соединяться с заземляющей шиной, и в этом случае он становится параллельным R2.

Поскольку выходной сигнал операционного усилителя будет колебаться между +12 В и 0 В, он не совместим с компьютерными системами TTL, которые ожидают уровни напряжения 5 В и 0. Поэтому резистор R и стабилитрон, зажимает выходного напряжения до 5,1 В и, следовательно, действует как ограничитель. В настоящее время мы игнорируем их в схеме и фокусируемся на расчете уровней переключения.

Расчет верхнего уровня переключения

Когда выходное напряжение составляет +12 В, DE-переход R3 эффективно соединяется с положительной шиной питания, внутри через операционный усилитель, и, следовательно, он фактически параллельно с R1.

Когда R1 и R3 параллельны, мы используем следующую формулу для расчета общего сопротивления.

Rtu = (R1 × R3) / (R1 + R3)

Rtu = (10000 × 7500) / (10000 + 7500)

Rtu = 4285,71, иначе известный как 4,29 кОм

Для расчета верхнего уровня переключения (USL) мы используем стандартную формулу делителя потенциала.

Vo = Vs × R2 / (R1 + R2)

Однако для R1 мы используем общее сопротивление, рассчитанное Rtu, потому что R3 параллельно с R1.

Vo = Vs × R2 / (Rtu + R2)

USL = 12 × 10000 / (4290 + 10000)

USL = 8,397 В

Расчет нижнего уровня переключения

Когда выходное напряжение составляет 0 В, DE эффективно подключается к шине заземления (0 В), внутри через операционный усилитель, и, следовательно, оно эффективно параллельно с R2.

Когда R2 и R3 параллельны, мы используем следующую формулу для расчета общего сопротивления.

Rtl = (R2 × R3) / (R2 + R3)

Rtl = (10000 × 7500) / (10000 + 7500)

Rtl = 4285.71 иначе известный как 4.29 кОм (сюрприз!)

Чтобы рассчитать нижний уровень переключения (LSL), мы используем стандартную формулу делителя потенциала.

Vo = Vs × R2 / (R1 + R2)

Однако, для R2 мы используем общее сопротивление, рассчитанное Rtl, потому что R3 параллельно с R2 на этот раз.

Vo = Vs × Rtl / (R1 + Rtl)

USL = 12 × 4290 / (10000 + 4290)

USL = 3,602 В

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о