Триггеры на транзисторах (Шмитта) и реле (на логических элементах). Триггеры на транзисторах (шмитта) и реле (на логических элементах)

Работа триггера, логические элементы

Содержание

Принцип работы электронного триггера.

Слово триггер(trigger), по английски означает — спусковой крючок. Функция триггера — мгновенное переключение из одного устойчивого состояние в другое, под действием внешнего, управляющего фактора. Существуют пневматические, механические и релейные схемы триггеров. Но электронные схемы, по надежности и самое главное — быстродействию, безусловно,вне конкуренции. Электронная схема триггера состоит из двух усилительных каскадов и по своей сути, является одной из разновидностий мультивибратора.

Выход каждого из каскадов подключен к входу другого, но не через конденсаторы, как в обычном симметричном мультивибраторе а через резисторы. Номиналы этих резисторов подобраны так, что каскад с полностью открытым транзистором, уверенно запирает транзистор другого каскада. Если подать на триггер питающее напряжение, то оба каскада начинают «бороться» между собой, пытаясь закрыть друг-друга.

Как бы не были транзисторы близки по характеристикам, один из них(присвоим ему номер1) обязательно окажется «сильнее» и закроет другой (для удобства обозначим его как номер 2) Все происходит очень быстро, выглядит так, что транзистор 1 мгновенно оказывается открытым, а другой (2) закрытым. В таком состоянии триггер может находиться очень долго. Можно назвать его — 1-м устойчивым состоянием.

Если подать на вход закрытого каскада(2) имульс напряжения, достаточный, что бы его открыть на короткое время, то открывшись он «запрет» каскад 1, пребывающий до этого момента в открытом состоянии. Закрывшись, каскад 1 перестает запирать каскад 2, и тот так и останется открытым. Таким образом, каскады поменяются местами, триггер окажется во 2-м устойчивом состоянии.

В таком состоянии он может находиться очень долго, если не подать открывающий импульс, на закрытый каскад 1. Каскад 1 открываясь, запрет каскад 2 и триггер вернется в первоначальное состояние(1). Получается, что наш триггер имеет два устойчивых состояния и два управляющих входа, подав на которые импульсы достаточной амплитуды, можно эти состояния менять.


Способы запуска триггера

В зависимости от функции, выполняемой триггером, применяют два способа его запуска — раздельный и общий (или счетный). При раздельном запуске запускающие импульсы одной полярности поступают на входы (базы или коллекторы) транзисторов от двух разных источников (т.е. от одного источника запускающие импульсы поступают на вход одного транзистора, а от другого — на вход другого) (рис.3). Импульсы с одного из входов устанавливают триггер в одно из двух состояний равновесия. Если к приходу такого импульса триггер уже находится в этом состоянии, то оно не изменяется. Импульсы, подаваемые на второй вход устанавливают триггер в противоположное состояние.

Для раздельного запуска триггера требуются сравнительно короткие импульсы. Часто в качестве входного сигнала запуска используются перепады напряжений. В этих случаях формирование необходимых запускающих импульсов производится с помощью подключаемых ко входам триггера укорачивающих RC — цепей. Чтобы предотвратить срабатывание триггера от импульсов обратной полярности, возникающих на выходах укорачивающих цепей применяются диоды Дн.

При счетном запуске управляющие импульсы поступаю от общего генератора на один общий вход триггера (рис.4). При этом каждый импульс изменяет состояние триггера на противоположное.

В исходном состоянии напряжение на коллекторе насыщенного транзистора T1 близко к нулю» диод Дн’ открыт, конденсатор Су’ разряжен. За счет высокого отрицательного потенциала закрытого транзистора T2 передаваемого через сопротивление Rб», диод Дн» закрыт, а конденсатор Су» заряжен до напряжения Ек (в полярности, указанной на рис. 4 ). Следовательно, положительный запускающий импульс напряжения поступит только через открытый диод Дн’ на базу насыщенного транзистора и вызовет опрокидывание триггера.

Если действие положительного входного импульса не завершится до окончания опрокидывания триггера, то напряжение, прикладываемое к диоду Дн», окажется равным сумме положительного входного напряжения и отрицательного напряжения на конденсаторе Су». Так как обычно амплитуда входного сигнала меньше Ек, то результирующее напряжение, приложенное к диоду Дн» будет отрицательным, и диод попрежнему будет закрыт. По окончании входного импульса конденсатор Су» разрядится через малое сопротивление открывшегося транзистора T2 и внутреннее сопротивление источника запускающих импульсов, а конденсатор Су’ зарядится до напряжения Ек. Диод Дн» откроется, а Дн’ закроется. Очередной запускающий импульс пройдет через диод Дн» и вызовет новое опрокидывание триггера.

Расчет ТШ

[R4, Ом] = ([Напряжение питания, В] — 3 В) * [Минимально возможный коэффициент передачи тока транзистора] / [Максимальный ток нагрузки] / [Коэффициент запаса, например, 1.2]. Полученное значение нужно сравнить с минимальным сопротивлением нагрузки операционного усилителя. Для стабильной и надежной работы схемы R4 лучше выбирать как минимум в 1.5 — 2 раза выше минимального сопротивления нагрузки операционного усилителя. Если расчет дал неподходящий результат, то можно использовать транзисторы с большим коэффициентом передачи тока (сопротивление R4 пропорционально ему) или применить составной транзистор, транзистор Дарлингтона.

Далее в расчете будем исходить из того, что в схеме используется операционный усилитель с высоким входным сопротивлением.

Схемы (А), (Б)

В этих схемах выбор значений сопротивления резисторов R1, R2, R3 предполагает определенную свободу. Один из них можно выбрать произвольно, тогда значения остальных могут быть рассчитаны. Следует руководствоваться такими соображениями. Чем выше сопротивление резисторов, тем меньше потери энергии источника питания в делителе напряжения на R1, R2. Но с другой стороны, применение резисторов более 500 кОм обычно нежелательно из-за возможного снижения помехозащищенности устройства.

Так что выбираем [R3] = 500кОм. Проведем расчеты. Если полученные номиналы двух других резисторов получатся слишком большими, то сделаем R3 поменьше и пересчитаем.

Пусть U2 — большее из напряжений Uon и Uoff, а U1 — меньшее, U — напряжение питания. Тогда:

[R1, Ом] = ([U2, В] — [U1, В]) * [R3, Ом] / [U1, В]

[R2, Ом] = [U1, В] * [R1, Ом] * [R3, Ом] / ([U, В] * [R3, Ом] — [U1, В] * [R1, Ом] — [U1, В] * [R3, Ом])

Входной ток этих двух схем практически равен нулю. Такой триггер Шмитта не нагружает источник сигнала.

U, В
U1, В
U2, В
R3, кОм
R1, кОм 500
R2, кОм 500
 

Совет! Сохраните адрес этой страницы в избранном. Возможно, Вам понадобится повторить расчет.

Более сложные логические элементы

Элементы Исключающее ИЛИ

Элементы Исключающее ИЛИ (по-английски — Exclusive-OR) также можно было бы отнести к простейшим элементам, но функция, выполняемая ими, несколько сложнее, чем в случае элемента И или элемента ИЛИ. Все входы элементов Исключающее ИЛИ равноправны, однако ни один из входов не может заблокировать другие входы, установив выходной сигнал в уровень единицы или нуля.
Таблица 4.1. Таблица истинности двухвходовых элементов исключающего ИЛИ

Вход 1 Вход 2 Выход
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Рис. 4.1.
Обозначения элементов Исключающее ИЛИ: зарубежные (слева) и отечественные (справа)

Под функцией Исключающее ИЛИ понимается следующее: единица на выходе появляется тогда, когда только на одном входе присутствует единица. Если единиц на входах две или больше, или если на всех входах нули, то на выходе будет нуль. Таблица истинности двухвходового элемента Исключающее ИЛИ приведена в табл. 4.1. Обозначения, принятые в отечественных и зарубежных схемах, показаны на рис. 4.1. Надпись на отечественном обозначении элемента Исключающее ИЛИ «=1» как раз и обозначает, что выделяется ситуация, когда на входах одна и только одна единица.

Элементов Исключающее ИЛИ в стандартных сериях немного. Отечественные серии предлагают микросхемы ЛП5 (четыре двухвходовых элемента с выходом 2С), ЛЛ3 и ЛП12, отличающиеся от ЛП5 выходом ОК. Слишком уж специфическая функция реализуется этими элементами.

С точки зрения математики, элемент Исключающее ИЛИ выполняет операцию так называемого суммирования по модулю 2. Поэтому эти элементы также называются сумматорами по модулю два. Как уже отмечалось в предыдущей лекции, обозначается суммирование по модулю 2 знаком плюса, заключенного в кружок.

Основное применение элементов Исключающее ИЛИ, прямо следующее из таблицы истинности, состоит в сравнении двух входных сигналов. В случае, когда на входы приходят две единицы или два нуля (сигналы совпадают), на выходе формируется нуль (см. табл. 4.1). Обычно при таком применении на один вход элемента подается постоянный уровень, с которым сравнивается изменяющийся во времени сигнал, приходящий на другой вход. Но значительно чаще для сравнения сигналов и кодов применяются специальные микросхемы компараторов кодов, которые будут рассмотрены в следующей лекции.

В качестве сумматора по модулю 2 элемент Исключающее ИЛИ используется также в параллельных и последовательных делителях по модулю 2, служащих для вычисления циклических контрольных сумм. Но подробно эти схемы будут рассмотрены в лекциях 14,15.

Важное применение элементов Исключающее ИЛИ — это управляемый инвертор (рис. 4.2). В этом случае один из входов элемента используется в качестве управляющего, а на другой вход элемента поступает информационный сигнал. Если на управляющем входе единица, то входной сигнал инвертируется, если же нуль — не инвертируется. Чаще всего управляющий сигнал задается постоянным уровнем, определяя режим работы элемента, а информационный сигнал является импульсным. То есть элемент Исключающее ИЛИ может изменять полярность входного сигнала или фронта, а может и не изменять в зависимости от управляющего сигнала.
Рис. 4.2.
Элемент Исключающее ИЛИ как управляемый инвертор

Читайте также:  Электросчетчики «Меркурий». Меркурий 230 ошибка е 01

В случае, когда имеется два сигнала одинаковой полярности (положительные или отрицательные), и при этом их одновременный приход исключается, элемент Исключающее ИЛИ может быть использован для смешивания этих сигналов (рис. 4.3). При любой полярности входных сигналов выходные сигналы элемента будут положительными. При положительных входных сигналах элемент Исключающее ИЛИ будет работать как элемент 2ИЛИ, а при отрицательных он будет заменять элемент 2И-НЕ. Такие замены могут быть полезны в тех случаях, когда в схеме остаются неиспользованными некоторые элементы Исключающее ИЛИ. Правда, при этом надо учитывать, что задержка распространения сигнала в элементе Исключающее ИЛИ обычно несколько больше (примерно в 1,5 раза), чем задержка в простейших элементах И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ.
Рис. 4.3.
Применение элемента Исключающее ИЛИ для смешивания двух неодновременных сигналов
Рис. 4.4.
Выделение фронтов входного сигнала с помощью элемента Исключающее ИЛИ

Еще одно важнейшее применение элемента Исключающее ИЛИ — формирование коротких импульсов по любому фронту входного сигнала (рис. 4.4). В данном случае не важно, положительный фронт входного сигнала или отрицательный, на выходе все равно формируется положительный импульс. Входной сигнал задерживается с помощью конденсатора или цепочки элементов, а затем исходный сигнал и его задержанная копия поступают на входы элемента Исключающее ИЛИ. В обеих схемах в качестве элементов задержки используются также двувходовые элементы Исключающее ИЛИ в неинвертирующем включении (на неиспользуемый вход подается нуль). В результате такого преобразования можно говорить об удвоении частоты входного сигнала, так как выходные импульсы следуют вдвое чаще, чем входные.

Данную особенность элементов Исключающее ИЛИ надо учитывать в том случае, когда на оба входа элемента поступают изменяющиеся одновременно сигналы. При этом на выходе элемента возможно появление коротких паразитных импульсов по любому из фронтов входных сигналов. Исключить их влияние на дальнейшую схему можно, например, с помощью синхронизации, подобной рассмотренной в предыдущем разделе.

Определения

Статор — понятие и принцип действия

С учетом чрезмерного разнообразия следует уточнить применяемую терминологию. В следующем перечне приведены корректные ответы на вопрос, что такое триггер (trigger):

  • устройство для записи (хранения) данных, поддерживающее два равновесных состояния;
  • базовая ячейка памяти;
  • переключающий элемент с несколькими положениями сохранения устойчивости;
  • логический компонент, способный переходить в состояние «1» или «0» с прямым и обратным (инверсным) выходом.

D — триггеры.

Для использования триггеров в реальных счетных устройствах, необходимо иметь возможность дополнительного управления их состояниями — предустановки, обнуления, активации с помощью счетного тактового импульса. Что бы осуществить эту операцию в схему счетного триггера добавляется еще три входа. PRESET(PR) — восстанавливает на выходе триггера состояние 1, а СLEAR(CL) — состояние 0. С помощью тактового входа Т осуществляется общая синхронизация триггера, относительно других элементов схемы счетного устройства. Импульс поступающий на счетный вход D меняет состояние триггера, только при наличии 1 на тактовом входе.

Синхронные и асинхронные триггеры

Эти группы созданы по принципу зависимости состояний выхода от синхроимпульсов.

Асинхронные триггеры

Изделия данного типа изменяют состояние хранящейся информации после поступления соответствующих данных на вход. Незначительная задержка объясняется временем прохождения сигнала по цепи переключающих элементов схемы.

Синхронные триггеры с динамическим тактированием

В этой группе представлены изделия, управляемые синхроимпульсами. Переключение состояния выполняется по переднему или заднему фронту. При отсутствии активности на C данные сохраняются в неизменном состоянии, вне зависимости от поступления новой информации.

Классификация и типы синхронизации триггеров

Триггеры делятся на два больших класса:

  • асинхронные;
  • синхронные (тактируемые).

Принципиальное различие между ними в том, что у первой категории устройств уровень выходного сигнала меняется одновременно с изменением сигнала на входе (входах). У синхронных триггеров изменение состояния происходит только при наличии сихронизирующего (тактового, стробирующего) сигнала на предусмотренном для этого входе. Для этого предусмотрен специальный вывод, обозначаемый буквой С (clock). По виду стробирования синхронные элементы делятся на два класса:

  • динамические;
  • статические.

У первого типа уровень выхода меняется в зависимости от конфигурации входных сигналов в момент появления фронта (переднего края) или спада тактового импульса (зависит от конкретного вида триггера). Между появлением синхронизирующих фронтов (спадов) на входы можно подавать любые сигналы, состояние триггера не изменится. У второго варианта признаком тактирования является не изменение уровня, а наличие единицы или нуля на входе Clock. Также существуют сложные триггерные устройства, классифицируемые по:

Читайте также:  Каталог электродвигателей: двигатели серии АИР, 5А

  • числу устойчивых состояний (3 и более, в отличие от 2 у основных элементов);
  • числу уровней (также более 3);
  • другим характеристикам.

Сложные элементы имеет ограниченное применение в специфических устройствах.

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.

Логические вентили(логические элементы).

Процессы, необходимые для функционирования любых технологических устройств ( в т. ч. и ПК) можно реализовать с помощью ограниченного набора логических элементов.

Буфер.

Буфер, представляет из себя усилитель тока, служащий для согласования различных логических вентилей, в особенности имеющих в своей основе разную элементную базу (ттл или КМОП).

Инвертор.

Элемент, служащий для инвертирования поступающих сигналов — логическая еденица превращается в ноль, и наоборот.

Логическая схема И.

И — элемент логического умножения. Еденица (высокий уровень напряжения) на выходе, появляется только в случае присутствия едениц, на обоих входах, одновременно.

Пример применения элемента И в реальном техническом устройстве: По тех. заданию, механический пресс должен срабатывать, только при одновременном нажатии двух кнопок, разнесенных на некоторое расстояние. Смысл тех. задания заключается в том, что бы обе руки оператора были заняты на момент хода пресса, что исключило бы возможность случайного травмирования конечности. Это может быть реализовано как раз, с помощью логического элемента И.

Логическая схема И — НЕ.

И-НЕ — наиболее часто используемый элемент. Он состоит из логических вентилей И и НЕ, подключенных последовательно.

Логическая схема ИЛИ.

ИЛИ — схема логического сложения. Логическая еденица на выходе, появляется в случае присутствия высокого уровня(еденицы) на любом из входов.

Логическая схема ИЛИ — НЕ.

ИЛИ — НЕ состоит из логических элементов ИЛИ и НЕ, подключеных последовательно. Соответственно, НЕ инвертирует значения на выходе ИЛИ.

Логическая схема исключающее ИЛИ.

Этот вентиль выдает на выходе логическую еденицу, если на одном из входов — еденица, а на другом, ноль. Если на входах присутствуют одинаковые значения — на выходе ноль.

Влияние нагрузки на работу триггера

Обычно нагрузка Rн подключается параллельно транзистору (рис.7) и существенно влияет на работу триггера.

Если транзистор закрыт, то нагрузка приводит к снижению потенциала его коллектора (а значит, и выходного напряжения), так как напряжение Ек делится между сопротивлениями Rк и Rн, и к уменьшению базового тока открытого транзистора. Транзистор может выйти из режима насыщения. Чтобы сохранить режим насыщения, надо уменьшать величину сопротивления резистора связи R1.

Когда транзистор открыт, нагрузка практически не влияет на его режим работы, так как сопротивление открытого транзистора мало.

Схема D-trigger

Управление логическими элементами в приборе такого типа осуществляется с помощью входов, которые разделяются на информационные и вспомогательные. Первый фиксирует приходящий импульс и в зависимости от формы переводит триггер в устойчивое то или иное состояние. Вспомогательный вход предназначен для синхронной работы.

Английская буква D в названии обозначает, что устройство является триггером задержки (delay). Эта задержка выражается в том, что приходящий импульс подаётся на вход не сразу, а через один такт. Определяет её частота импульсов синхронизации.

На схемах D-триггер на транзисторах обозначается также в виде прямоугольника, но входы триггера подписываются как D и C. Состояние устройства определяется по форме импульса, в частности срезу, приходящему на вход C, и импульсом синхронизации, поступающим на D. Но если на C будут приходить синхроимпульсы, а сигнал на входе D не будет изменяться, то выход останется без изменений.

Таблица истинности для логического элемента выглядит следующим образом:

Таблица истинности для логического элемента

Использование RS и D триггеров достаточно распространено из-за простоты, универсальности и удобства построения на них логических схем. Эти элементы являются важными составляющими для создания цифровых микросхем, используются в качестве регистров сдвига и хранения.

Устройство триггера

Триггер по своей схемотехнике очень похож на простейшее электронное устройство — мультивибратор. Но в отличие от него, он имеет два устойчивых положения. Эти состояния обеспечиваются изменениями входного сигнала при достижении им определённого значения. Переход из одного положения в другое называют перебросом. В результате на выходе логического элемента возникает скачок напряжения, форма которого зависит от скорости процессов, проходящих в радиоприборах.

Наибольшее применение получил триггер, работающий на транзисторах. Связанно это со способностью последних работать в ключевом режиме. Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, имеющий три вывода. Эти электроды называются:

  • эмиттер;
  • база;
  • коллектор.

Устройство триггера

В грубом приближении транзистор представляет собой два диода, объединённых электрической связью. Состоит он из двух p-n переходов. Название биполярный элемент получил из-за того, что одновременно в нём используются два типа носителей заряда. В триггерных схемах транзистор работает в режиме ключа, суть которого заключается в управлении силой тока коллектора путём изменения значения на базе. При этом коллекторный ток по своей величине превышает базовый.

При таком включении важны лишь токи, а напряжения особой роли не играют. Поэтому при возникновении определённого тока на базе транзистор открывается и пропускает через себя сигнал. Сигнал на коллекторе полупроводникового прибора будет обратным по входному знаку, то есть инвертированным. А значит, когда на базовом выходе будет присутствовать разность потенциалов, на коллекторном она будет равна нулю, и наоборот.

Эта способность транзисторов и используется в триггерах, схема которых построена на двух ключах с перекрёстными обратными связями. Когда используются транзисторные ключи с одинаковой обвязкой, то триггер считается симметричным, в другом же случае — несимметричным.

Принцип работы

Устойчивые состояния выхода триггера обеспечиваются двумя транзисторными ключами, охваченными положительной обратной связью (ПОС). Такие положения соответствуют состоянию, когда один из транзисторов открыт и находится в режиме насыщения, а второй ключ закрыт. При этом на коллекторе закрытого элемента присутствует разность потенциалов, равная его значению на входе — логическая единица, а на выводе открытого ключа напряжение отсутствует — логический ноль.

Биполярные компоненты при таком включении относительно друг друга всегда будут находиться в противоположном состоянии из-за обратной связи. Через неё один из транзисторов (закрытый) с высоким уровнем напряжения на своём коллекторном выводе обязательно будет поддерживать другой в открытом состоянии.

Вам это будет интересно Назначение и типы устройств плавких предохранителей

Если предположить, что после подачи питания на устройство оба транзистора VT1 и VT2 окажутся открытыми, то через время из-за отличия характеристик радиоэлементов, стоящих в их плечах, возникнет перекос в коллекторных токах. А это благодаря ПОС приведёт к закрытию одного из ключей. То есть обратная связь спровоцирует лавинообразный процесс перехода одного транзистора в режим насыщения, а другого в режим отсечки.

Делители, собранные на резисторах R1, R4 и R2, R3, подбираются так, чтобы их коэффициент передачи был меньше единицы. Причём для поддержания уровня сигнала они шунтируются ёмкостью, ускоряющей скорость прохождения лавинообразных процессов и повышающей надёжность состояния.

Таким образом, принцип работы триггера заключается в прохождении следующих процессов. Если на схему подаётся напряжение Ek и Eb, то биполярный ключ VT1 начинает работать в режиме насыщения, а VT2 — отсечки. Импульс, пришедший на базу VT1, приводит к уменьшению величины тока, протекающего через коллектор и увеличению напряжения на переходе коллектор-эмиттер U1ke. Напряжение через С1 и R4 прикладывается к базе VT2. Это приводит к увеличению коллекторного тока на втором ключе и уменьшению напряжения на переходе U2ke, передаваемого через C2 и R3 на базу VT1.

Итогом этих процессов станет запирание VT1 и отпирание VT2. Такое состояние останется неизменным, пока на базу VT2 не придёт отрицательный уровень сигнала. Результатом этого будут обратные электрические процессы, и VT1 закроется, а VT2 откроется.

Характеристики приборов

Триггер условно можно назвать «автоматом», способным хранить один бит информации. Простейшего вида прибор имеет два выхода, находящихся по отношению друг к другу в инверсном состоянии. Важные параметры устройства связаны с синхронизацией (тактированием) выходов, зависящей от времени предустановки и выдержки. Первый параметр характеризуется интервалом времени, в течение которого поступает разрешающий фронт синхросигнала, а второй определяется временем нахождения устойчивого состояния в неизменном положении. Ряд других характеристик триггера связывают с сигналом, проходящим через него. К ним относится:

  • нагрузочная способность — характеризуется коэффициентом разветвления (Кр) и обозначает способность прибора управлять определённым количеством параллельно подключённых элементов к выходу устройства;
  • Ко — коэффициент объединения, обозначает наибольшее число входных напряжений, которые возможно завести на вход прибора;
  • tи — минимальная продолжительность входного сигнала, то есть длительность импульса, при котором триггер ещё может перейти в инверсное состояние;
  • tзд — коэффициент задержки, указывает на временной промежуток между подачей входного сигнала и появлением напряжения на выходе;
  • tр — длительность разрешения, определяется минимальным временем прошедшим между двумя импульсами сигнала на входе и спровоцировавшего переход триггера в другое состояние.

Вам это будет интересно Особенности единиц измерения кВТ и кВА

Триггер со счетным выходом

Но наряду с этим выделяют и следующие технические параметры триггеров:

  • напряжение на входе — наибольшая величина разности потенциалов, которую может выдержать устройство без повреждения своей внутренней электрической схемы;
  • ток потребления — зависит от используемых элементов, обычно не превышает 2 мА;
  • разность потенциалов переключения — это минимальное значение, при котором происходит инвертирование выхода;
  • ток входа — обозначает минимальное значение необходимое для работы триггера;
  • ток выхода — значение тока, появляющееся на выходе и определяемое отдельно для логического нуля и единицы;
  • температурный диапазон — интервал, в котором технические параметры устройства не изменяются;
  • напряжение гистерезиса — разность амплитуд входного сигнала, приводящая к изменению состояния выхода устройства.

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.

Триггер Шмитта с независимой регулировкой гистерезиса и уровней срабатывания

Для осуществления независимой регулировки параметров триггера Шмитта между транзисторами VT1 и VT2 включается буферный элемент (очень часто эмиттерный повторитель). В результате этого уменьшается влияние резистора R3 на делитель напряжения R4R6, а также повышается чувствительность схемы в целом.

Схема триггера Шмитта с буферным элементом
Схема триггера Шмитта с буферным элементом.

Виды и классификация

Для работы устройства на вход необходимо подать внешний сигнал, называемый установочным. Форма напряжения, приводящая к появлению логической единицы на выходе триггера, обозначается латинской буквой S (установка), а появлению ноля — R (сброс). Состояние устройства определяется по прямому входу. Для элемента ИЛИ-НЕ активным уровнем считается единица, а И-НЕ — ноль. Одновременная подача R и S приведёт к неопределённому неустойчивому состоянию.

Такой принцип используется для построения элемента памяти. Поэтому все триггеры классифицируются по способу записи информации на асинхронные и синхронные. Первые разделяются по способу управления, а вторые по виду переключения и могут быть одно- или двухступенчатыми. Устройства, зависящие от уровня сигнала, называются триггерами статического управления, а от фронта — динамического.

По типу работы логики триггеры могут быть:

  • RS — состоящими из двух входов;
  • D — имеющих один информационный вход и схему задержки;
  • T — инвертирующих сигнал каждый раз при подаче импульса напряжения на вход;
  • JK — универсальными, допускающими одновременную подачу на свои выводы R и S сигналов;
  • комбинированными — совмещающими несколько устройств, например, RST-триггер.

Наиболее распространёнными видами триггеров являются D и RS схемы. При этом триггерные устройства разделяются также по числу устойчивых состояний (двоичные, троичные, четверичные и т. д.) и составу логических элементов.

Триггер что это такое

Общие принципы запоминающих элементов представлены выше. Триггером называется устройство, способное поддерживать 2 или больше устойчивых состояния, которые меняются под воздействием входных сигналов. Фактически речь о способе хранения минимального количества информации – 1 бит.
Осциллограф — понятие и конструкция прибора
Любой триггерный автомат состоит из двух основных блоков. Первый – предназначен для сравнения или другого вида обработки входных сигналов. Второй – обеспечивает хранение данных и отображение состояния соответствующими выходными сигналами:

  • «1» – высокий уровень, прямой, Q;
  • «0» – низкое напряжение, обратный (инверторный), /Q.

Как правило, между функциональными блоками организована обратная связь. Входные сигналы также делят на группы:

  • информационные – R, T, S;
  • управляющие – V, C.

К сведению. Рабочие циклы описывают в табличной форме, которая наглядно показывает состояние памяти при разных комбинациях входных сигналов.

Триггер Шмидта. Подробное описание нессиметричного триггера

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 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, 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.

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Для несимметричного триггера характерно несколько устойчивых состояний, когда переход из одного в другое происходит лишь при пороговых уровнях. Поэтому для такого триггера характерна гистерезисная передаточная характеристика. В нижеприведённой схеме использованы биполярные транзисторы.

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 Шмидта 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.

Физические реализации триггеров

Базовый элемент создают из полупроводниковых приборов, используя современные технологические процессы для миниатюризации функциональных изделий.

Логический элемент на МОП транзисторах

Триггеры с тиристорами

Для повышения мощности подключаемой нагрузки можно собрать триггер с применением тиристоров. К управляющему электроду присоединяют вход S, к затвору – R. Для поддержания постоянного напряжения на аноде подойдет транзистор, включенный в соответствующую цепь.

Триггеры на релейно-контакторной базе

Несмотря на общие тенденции миниатюризации, вполне допустимо создать функциональный триггер из реле. Подобные решения, в частности, применяют для защиты цепей питания при включении мощных электроприводов.

Источники

  • https://BurForum.ru/teoriya-i-opyt/rs-trigger-na-tranzistorah.html
  • https://gyrator.ru/circuitry-schmitt-trigger
  • https://rentps3.ru/montazh/trigger-shmitta-princip-raboty.html
  • https://molotok34.ru/elektronika/rs-trigger-na-tranzistorah.html
  • https://istra-gaz.ru/raschety/triggery-na-tranzistorah-shmitta-i-rele-na-logicheskih-elementah.html

[свернуть]

Related Posts