Всем доброго времени суток! В прошлом посте я сказал, что рассматриваю последний логический элемент. Есть ещё один специфический логический элемент, специально рассчитанный на работу с входными аналоговыми сигналами. Такой элемент называется триггером Шмита.

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

Что же привело к появлению таких микросхем? Цифровые сигналы, которые проходят по линиям связи очень часто далеки от идеального импульсного сигнала, у таких импульсов фронты и срезы оказываются пологими, в результате форма импульса может стать похожей на треугольную или синусоидальную. К тому же любая ключевая схема (которыми являются логические элементы), при переключении некоторое время будет находиться в усилительном режиме, в результате чего помехи и шумы, которые накладываются на цифровой сигнал, окажутся усиленными. В результате такой цифровой сигнал с зашумлённым и пологим фронтом и срезом непригоден для переключения входов триггеров, регистров, счётчиков. Для того чтобы восстановить форму импульса цифрового сигнала и избавиться от влияния помех и начали использовать триггер Шмита.

Что же представляет собой триггер Шмита? Логические элементы со свойствами триггера Шмита имеют внутреннюю положительную обратную связь, глубина которой подобрана таким образом, чтобы получить передаточную характеристику со значительным гистерезисом. Давайте здесь остановимся поподробнее. Во-первых передаточной характеристикой называется зависимость выходного напряжения от напряжения на входе. Понятие гистерезиса довольно сложное поэтому проще всего объяснить его графически. Ниже представлены передаточные характеристики обычного инвертора и триггера Шмита.

Передаточные характеристики обычного инвертора (слева) и триггера Шмита (справа).

Передаточная характеристика обычного инвертора ТТЛ имеет входной порог U_ПОР = 1,3 В. Передаточная характеристика триггера Шмита двух пороговая. Если входное напряжение элемента триггера Шмита U_ВХ = 0 В (точка А), то выходное напряжение U_OH = U_ВЫХ = 2,4 В (напряжение высокого логического уровня ТТЛ). При повышении U_ВХ до 1,7 В выходной сигнал скачком уменьшится (переходит от точки Б к В), где U_OL = U_ВЫХ #gr; 0,3 В (напряжение низкого логического уровня ТТЛ). В этот момент входное напряжение становится равным напряжению срабатывания U_ВЫХ = U_СРБ = U_T+ = 1,7 В. Если входное напряжение теперь постепенно уменьшать (от точки Г), то при U_ВХ = 0,9 В выходное напряжение скачком перейдёт от низкого уровня к высокому (линия Д – Е). Это напряжение порога отпускания U_ОТП (U_T-). При дальнейшем снижением U_ВХ до нуля возвращаемся в точку А передаточной характеристики. Таким образом, логический элемент, построенный на основе триггера Шмита, имеет пороги срабатывания и отпускания, между которыми существует зона гистерезиса U_СРБ – U_ОТП = 800 мВ. Эта зона симметрична относительно порогового напряжения обычного элемента ТТЛ.

Наличие гистерезиса приводит к тому, что любые помехи цифрового сигнала с амплитудой, меньшей величины U_СРБ – U_ОТП = 800 мВ, отсекаются, а любые фронты и срезы, даже самые пологие, преобразуются в крутые фронты и срезы выходного сигнала.

Обозначение триггера Шмитта

Для чёткого распознавания элементов с триггерами Шмитта, их включили в отдельную серию ТЛ цифровых микросхем. В данной серии представлены три вида триггеров Шмита, представляющие собой инверторы (ТЛ2 – 6 инверторов), элементы 2И-НЕ (ТЛ3 – 4 элемента) и элементы 4И-НЕ (ТЛ1 – 2 элемента). Графическое обозначение триггера Шмита имеет вид показанный ниже.

Условное графическое обозначение триггеров Шмита (инвертор и 2И-НЕ): DIN (слева) и ANSI (справа).

Применение триггера Шмитта

Наиболее часто триггер Шмита применяют в качестве формирователя сигнала начального сброса и установки при включении питания схемы. Такой сигнал необходим для приведения в исходное состояние микросхем имеющих внутреннюю память (регистры счётчики, микроконтроллеры). Схема такого формирователя приведена ниже

Схема формирователя импульса начального сброса и установки

Опишем работу данной схемы. Для формирования сигнала сброса и установки используется простая RC-цепочка. Напряжение на конденсаторе нарастает медленно и в результате на выходе триггера формируется положительный импульс.

Второе частое применение триггеров Шмита – это построение генераторов импульсов. В отличие от простых инверторов схема генераторов на триггере Шмита получается проще, так как используется всего один элемент, один конденсатор и один резистор, а использование двухвходового триггера Шмита позволяет реализовать управляемый генератор, когда на управляющий вход поступает лог. 1 генерация идёт, когда лог. 0 – отсутствует.

Схема управляемого генератора на триггере Шмитта.

И наконец, последнее применение триггера Шмитта, которое мы здесь рассмотри, состоит в подавлении так называемого дребезга контактов. Дребезг контактов состоит в том, что при замыкании и размыкании любого механического контакта формируются несколько паразитных коротких импульсов, которые могут нарушить работу цифровой схемы. Триггер Шмитта с RC-цепочкой на входе позволяет устранить эффект дребезга контактов, данная схема изображена ниже.

Схема подавления дребезга контактов на триггере Шмитта

Данная схема работает следующим образом, конденсатор заряжается довольно медленно, в результате чего короткие импульсы подавляются и не проходят на выход триггера Шмитта. Номинал верхнего резистора должен быть в 6 – 7 раз больше нижнего. Сопротивления выбираются порядка сотен Ом – единиц кОм. А ёмкость конденсатора зависит от того, какова продолжительность дребезга контактов.