 |
 |
 |
 |
 |
|
Тема14. Трігери Шмітта
Трігери Шмітта є специфічними логічними елементами, спеціально розраховані на роботу з вхідними аналоговими сигналами. Вони призначені для перетворення вхідних аналогових сигналів у вихідні цифрові сигнали. Поява таких мікросхем пов'язана в першу чергу з необхідністю відновлення форми цифрових сигналів, спотворених в результаті проходження по лініях зв'язку. Фронти таких сигналів виявляються пологими, внаслідок чого форма сигналів замість прямокутної може стати близькою до трикутної або синусоїдальної. До того ж сигнали, передавані на великі відстані, сильно спотворюються шумами і перешкодами. Для відновлення їх форми в початковому вигляді і усунення впливу перешкод і шумів якраз і призначені трігери Шмітта.
На першому і другому рівнях уявлення (логічна модель і модель з тимчасовими затримками) трігери Шмітта є звичайними логічними елементами, які з певною затримкою розповсюдження виконують логічну функцію над вхідними цифровими сигналами. Але на третьому рівні уявлення їх відмінність від звичайних логічних елементів дуже істотна.
Якщо побудувати графік залежності вихідної напруги елемента від вхідної (передавальну характеристику), то для трігера Шмітта він буде набагато складніше, ніж для звичайного елемента (малюнок 14.1).
Малюнок 14.1Передавальні характеристики інвертора та тригера Шмітта з інверсією.
У разі звичайного елемента з інверсією (а) при вхідних напругах нижче певного порогу спрацьовування Unop вихідний сигнал має високий рівень, а при вхідних напругах вище за цей поріг Unop - низький рівень. При цьому не має значення, зростає вхідна напруга або спадає.
А у разі трігера Шмітта з інверсією (б) принциповий якраз напрям зміни сигналу. При зростанні вхідного сигналу від нуля до напруги живлення поріг спрацьовування буде одним (Unop1), а при зменшенні сигналу від напруги живлення до нуля поріг спрацьовування буде іншим (Unop2), причому Unop1 > Unop2. В результаті на графіку утворюється своєрідна петля. Вихідний сигнал як би запізнюється перемикатися при поверненні вхідного сигналу до початкового рівня. Це називається ефектом гістерезису (запізнювання).
Наявність гістерезису призводить до того, що будь-який шум, будь-які перешкоди з амплітудою, меншої величини (Unop1 - Unop2), відсікаються. А будь-які фронти вхідного сигналу, навіть найпологіші, перетворяться в круті фронти вихідного сигналу. Головне - щоб амплітуда вхідного сигналу була більшою, ніж (Unop1 - Unоp2) - На малюнку 14.2 показано, як реагуватиме на сигнал з пологими фронтами і з шумами звичайний інвертор і трігер Шмітта з інверсією.
Малюнок 14.2 Реакція на спотворення вхідного сигналу інвертора та тригера Шмітта(справа).
В стандартні серії цифрових мікросхем входять трігери Шмітта, що є інверторами (ТЛ2 - 6 інверторів), елементи 2І-НІ (ТЛЗ - 4 елементи) і елементи 4І-НІ (ТЛ1 - 2 елементи). Порогові напруги складають для всіх цих мікросхем близько 1,7 В (Unop1) і близько 0,9 В (Unop2)
Графічне позначення трігера Шмітта є спрощене зображення його передавальної характеристики з гістерезисом (малюнок 14.3).
Малюнок 14.3 Графічне зображення тригера Шмітта.
Найпоширеніше вживання трігерів Шмітта - це формувач сигналу початкового скидання по включенню живлення схеми. Необхідність такого сигналу скидання викликана тим, що при включенні живлення вихідні сигнали складних мікросхем, що мають внутрішню пам'ять (наприклад, регістрів, лічильників) можуть приймати довільні значення, що не завжди зручно. Для приведення їх в необхідний стан (частіше всього - для установки їх в нуль) якраз і покликаний сигнал початкового скидання.
Для формування сигналу початкового скидання використовується простий RC-ланцюжок, причому конденсатор береться з великою ємністтю. Напруга на конденсаторі при включенні живлення наростає поволі, внаслідок чого на виході трігера Шмітта формується позитивний імпульс (малюнок 14.4). Використовувати для цього звичайний інвертор не рекомендується.
Так само трігери Шмітта рекомендується застосовувати у всіх випадках, коли за допомогою ємності формується сигнал з пологими, затягнутими фронтами. На відміну від звичайних логічних елементів трігери Шмітта завжди забезпечують надійну і стабільну роботу. Правда, треба враховувати, що трігери Шмітта мають дещо більшу затримку, ніж звичайні логічні елементи.
Малюнок 14.4 Формування імпульсу початкового скидання.
Малюнок 14.5 Побудова генератора прямокутних коливань на основі тригера Шмітта.
Ще одне вживання трігера Шмітта - побудова генераторів імпульсів. На відміну від генераторів на звичайних інверторах в даному випадку схема виходить набагато простішою: потрібен всього лише один інвертуючий трігер Шмітта, один резистор (з номіналом порядка сотень Ом) і один конденсатор (малюнок 14.5). При цьому дуже зручно, що конденсатор одним виводом приєднаний до загального дроту, до «землі». Це дозволяє застосовувати електролітичні конденсатори великої місткості, а також змінні конденсатори. Використовування двовходових трігерів Шмітта дає можливість легко дозволяти або забороняти генерацію за допомогою управляючого сигналу Разр. При рівні логічної одиниці на вході Разр. генерація буде, при рівні логічного нуля генерації немає.
Нестандартні трігери Шмітта можна будувати також на основі звичайних логічних елементів із зворотним зв'язком через резистори. При цьому шляхом підбору номіналів цих резисторів можна вибирати значення порогових напруг трігера Шмітта.
Малюнок 14.6 Побудова тригера Шмітта на звичайних елементах.
Для прикладу на малюнку 14.6 показана схема трігера Шмітта на інверторах, працююча з вхідними сигналами, симетричними щодо нульового рівня. Такі сигнали можуть бути, наприклад, в передаючому кабелі з трансформаторною розв'язкою. В даному випадку трігер Шмітта не тільки дозволяє відновити спотворену форму сигналу, але ще і підсилює сигнал, а також зсовує його рівні до значень стандартних нуля і одиниці.
Але частіше за все цілком вистачає можливостей стандартних трігерів Шмітта, які не вимагають включення зовнішніх елементів і мають гарантовані характеристики.
Нарешті, останнє вживання трігерів Шмітта, яке ми тут розглянемо, полягає в придушенні так званого брязкоту контактів. Річ у тому, що будь-який механічний контакт (в кнопках, тумблерах, перемикачах і т. д.) не замикається і не розмикається відразу, миттєво. Будь-яке замикання і розмикання супроводжується декількома швидкими замиканнями і розмиканнями, що приводять до появи паразитних коротких імпульсів, які можуть порушити роботу подальшої цифрової схеми. Трігер Шмітта з RC-ланцюжком на вході дозволяє усунути цей ефект (малюнок 14.7).
Малюнок 14.7 Використання тригера Шмітта для придушення брязкоту контактів.
Конденсатор заряджається і розряджається досить поволі, внаслідок чого короткі імпульси пригнічуються і не проходять на вихід трігера Шмітта. Номінал верхнього по схемі резистора повинен в даному випадку бути в 6-7 разів більше номінала нижнього, щоб резистивный дільник при замкнутому тумблері давав на вході трігера Шмітта рівень логічного нуля. Опори резисторів повинні бути порядка сотень ом - одиниць кілоом. Ємність конденсатора може вибиратися в широкому діапазоні і залежить від того, яка тривалість брязкоту контактів конкретного тумблера.
