Declanșatorul Schmitt

Declanșatorul Schmitt - un element de releu (de comutare)  cu două poziții , a cărui caracteristică statică are o zonă de ambiguitate - o buclă de histerezis .

În sens restrâns, un declanșator Schmitt este un dispozitiv electronic, în sens mai larg, orice element de comutare cu histerezis, implementat pe orice principii fizice - dispozitive electromecanice, pneumatice, pur mecanice.

Calea de fază (răspuns static) a declanșatorului Schmitt este răspunsul comutatorului, dar cu o buclă de histerezis dreptunghiulară . Ambiguitatea caracteristicii statice cu un semnal de intrare a cărui valoare se află între pragurile de comutare ne permite să afirmăm că declanșatorul Schmitt, ca și alte declanșatoare, are o proprietate de memorie - starea sa în zona de ambiguitate (starea de stocare a informațiilor înregistrate) este determinat de preistorie – semnalul de intrare care acționează anterior.

Schematic , un declanșator electronic Schmitt este o combinație de două dispozitive: un comparator cu două praguri și un flip-flop RS prezent explicit sau implicit .

Într-o implementare numită „declanșator Schmitt de precizie” sau, uneori, numită mai general „declanșator Schmitt de precizie cu un flip-flop RS”, un comparator cu două praguri și un flip-flop RS sunt prezente în mod explicit, iar cele două praguri comparatorul este implementat ca două comparatoare cu un singur prag cu praguri diferite [1 ] [2] [3] .

Într-o altă implementare, numită „declanșator Schmitt cu feedback” sau „ Comparator cu histerezis ”, un comparator cu două praguri este format în circuit dintr-un comparator cu un singur prag cu un prag comutat prin feedback pozitiv, iar într-o stare a comparatorului partea superioară se formează nivelul pragului de comutare, iar în celălalt - nivelul pragului de comutare inferior. Același feedback pozitiv organizează un flip-flop RS implicit de la același comparator.

Declanșatoarele electronice Schmitt sunt folosite pentru a restabili un semnal digital cu două niveluri distorsionat în liniile de comunicație prin zgomot și distorsiune, în filtrele de respingere de contact , ca regulator cu două poziții în sistemele de control automat , în regulatoarele de tensiune cu două poziții , în oscilatoarele de relaxare . Declanșatorul Schmitt se remarcă în familia declanșatoarelor electronice: are o intrare analogică și o ieșire cu două niveluri de ieșire.

Există dispozitive electromecanice și mecanice cu histerezis, care sunt în esență analogi funcționali ai declanșatorului Schmitt, formați din piese mișcate mecanic. De exemplu, un releu electromecanic convențional este analogul funcțional neelectronic al unui declanșator Schmitt. Astfel de declanșatori sunt utilizați în regulatoarele de temperatură ale frigiderelor diferitelor încălzitoare electrice ( fiare de călcat , încălzitoare de ulei , stabilizatoare de presiune a compresoarelor etc.), în armele automate .

Istorie

Declanșatorul electronic Schmitt, implementat pe triode electrovacuum , a fost inventat de biofizicianul și inginerul american Otto Herbert Schmitt în 1934, pe când era student-stagiar la acea vreme. În 1937, Schmitt a descris-o în teza sa de doctorat intitulată „Thermion Trigger”, scrisă de el pe baza rezultatelor studiului propagării impulsurilor nervoase în sistemul nervos al calmarilor [4] .

Declanșați opțiunile de implementare

Precision Schmitt Trigger

Flip-flop Schmitt este un flip-flop RS controlat de un singur semnal analog de intrare, cu două tensiuni de comutare diferite în două stări diferite. Se numește precizie deoarece pragurile de comutare sunt setate independent, iar acuratețea acestor praguri depinde doar de acuratețea pragurilor de comutare ale comparatoarelor cu o singură intrare de intrare. De obicei, stările de ieșire de declanșare sunt notate prin simbolurile „0” și „1”, iar tensiunea de comutare la „1” este mai mare decât tensiunea de comutare la „0”. Când tensiunea de intrare este între tensiunile de comutare, declanșatorul Schmitt este în starea de stocare a informațiilor scrise anterior pe acesta, iar semnalul său de ieșire este determinat de istoricul modificării semnalului de intrare.

Declanșatoarele Schmitt cu un flip-flop RS nu au feedback de la ieșire la intrarea analogică. Acestea constau dintr-un comparator cu două praguri în care două tensiuni de prag de comutare reglabile separat sunt comparate cu un semnal de intrare. Comutarea flip-flop-ului în starea „0” și în starea „1” are loc de la semnalele de ieșire ale comparatoarelor cu un singur prag, care sunt alimentate la intrările asincrone de setare și resetare S și R ale flip-flop-ului RS [1 ] [2] [3] .

Declanșatorul Schmitt cu feedback

În versiunile unui flip-flop cu feedback, feedback-ul este folosit și pentru a comuta tensiunea pragului de comparație într-un comparator convențional, care are un prag de comutare de zero, transformându-l simultan într-un comparator cu două praguri cu diferite praguri și într-un Flip-flop RS pe același comparator cu un singur prag. La o tensiune înaltă (starea logică „1”) la ieșirea comparatorului, feedback-ul reduce tensiunea pragului de comutare la intrarea de intrare, așa cum este însumată de sumatorul de intrare cu semnalul de intrare, astfel încât tensiunea la intrarea comparatorului, egală cu tensiunea de ieșire a sumatorului, devine egală cu zero, tensiunea de intrare ar trebui să devină negativă și egală în valoare absolută cu tensiunea de ieșire a comparatorului, care este în starea logică „1”. În consecință, la tensiune joasă la ieșirea comparatorului (starea logică "0"), feedback-ul la ieșirea comparatorului crește tensiunea pragului de comutare.

Într-o astfel de structură, stabilirea separată și independentă a pragurilor este dificilă [5] . În plus, cu o tensiune de intrare a cărei valoare se află între pragurile de comutare, adică în zona de ambiguitate, forțarea declanșatorului într-o stare dată necesită utilizarea unor componente suplimentare.

Variante ale declanșatoarelor Schmitt

Precision Schmitt Trigger

Un declanșator Schmitt de precizie, denumit uneori mai mult „declanșator Schmitt flip-flop RS de precizie”, constă dintr-un comparator cu două praguri bazat pe două comparatoare convenționale cu o ieșire pe două niveluri (ieșire binară), care împarte întreaga tensiune de intrare. gama în trei părți - prima - sub pragul de jos, a doua - între praguri și a treia - deasupra pragului superior și declanșatorul RS, care comută atunci când tensiunea de intrare părăsește al doilea interval - între cel de jos și cel de sus praguri de comutare [1] [2] [3] .

Există o serie de microcircuite de la diferiți producători care conțin două comparatoare analogice cu un singur prag și porți logice pentru organizarea jumperelor externe între pinii din microcircuitul de declanșare RS integrat, de exemplu, microcircuitul NE521 [6] .

Un alt microcircuit popular, temporizatorul integrat 555 , produs și de foarte mulți producători de microcircuite (analogii domestici ai microcircuitului - KR1006VI1, KR1008VI1), conține toate elementele unui declanșator de precizie Schmitt. Deci, atunci când se combină intrările microcircuitului, „THRES” și „TRIG” vor îndeplini funcția unui declanșator Schmitt inversător. Dezavantajul acestui microcircuit atunci când este utilizat ca declanșator Schmitt este imposibilitatea de a seta în mod arbitrar pragurile de comutare, care sunt determinate rigid de divizorul de tensiune rezistiv intern și sunt aproximativ o treime din tensiunea de alimentare a microcircuitului pentru pragul de comutare inferior și 2/3. pentru pragul superior de comutare.

Declanșatorul de precizie Schmitt este convenabil pentru construirea de circuite de stabilizatoare cheie cu două poziții pentru tensiune , temperatură, nivel lichid, turație motor, releu-regulatoare etc. [7]

Analogul electromecanic al unui declanșator de precizie Schmitt cu un actuator cheie este un releu electromecanic .

Alți analogi electromecanici sau mecanici ai declanșatorului de precizie Schmitt sunt întrerupătoarele cu trei poziții ale pârghiei de comandă și cu două stări de ieșire, în care pârghia de comandă în starea de stocare a informațiilor înregistrate în declanșatorul RS se află în poziția de mijloc și comutarea. apare numai atunci când maneta de comandă se abate de la poziţia de mijloc . De exemplu, joystick -ul din unele telefoane mobile.

Implementarea software a declanșatorului Schmitt

În „ declanșatorul Schmitt de precizie software ”, doi comparatori cu un singur prag sunt doi operatori IF-THEN, iar starea declanșatorului RS este stocată de o variabilă, de exemplu, cifra zero (bit) a unei variabile întregi sau unele variabilă booleană care ia valorile „FALSE” și „TRUE”.

Cu elemente logice cu aceiași timpi de întârziere, orice declanșator Schmitt hardware are o performanță semnificativ mai mare ( întârziere t ≈ 3 dt , unde dt  este timpul de întârziere într-o poartă logică) decât software-ul. În plus, într-un declanșator Schmitt hardware, procesul de comparație are loc simultan de-a lungul a două lanțuri cu două comparatoare în paralel, iar într-un declanșator software Schmitt în procesoare cu un singur fir, două operațiuni de comparare cu două praguri au loc secvenţial. Timpul de execuție al codului de declanșare al software-ului Schmitt crește ușor dacă limbajul de programare nu acceptă un salt necondiționat la etichetă, în acest caz, cu datele Intrare < Lower_threshold , se execută al doilea operator de comparație. Dacă limbajul de programare acceptă sărituri necondiționate, atunci cazurile de intrare < Lower_threshold sunt ocolite prin trecerea celei de-a doua instrucțiuni IF , așa cum se arată în exemplul de pseudocod.

Un exemplu de pseudocod al unui declanșator Schmitt care nu se inversează:

Intrare, Upper_threshold, Lower_threshold - real; // Upper_threshold > Lower_threshold Trigger - boolean; Setarea Upper_threshold, Lower_threshold; Trigger:= 0; // Desemnările variabilelor booleene: 0 și 1 sunt „FALSE” și „TRUE”, respectiv LOOP // De exemplu, aici puteți insera o condiție pentru ieșirea din bucla ENTER Input; IF Intrare < Lower_threshold THEN Trigger := 0; OUTPUT Trigger; MERCEȚI LA METKA1 ; END IF ; IF Input > Upper_threshold THEN Trigger := 1; OUTPUT Trigger; END IF ; LABEL1: SFÂRȘIT DE CICLU ;

Declanșator Schmitt cu feedback analogic

Pe elemente analogice

Un exemplu de implementare a declanșatorului Schmitt pe două tranzistoare este prezentat în figură. În acest circuit, treapta tranzistorului T1 este cel mai simplu comparator . Feedback-ul pozitiv este efectuat de la emițătorul celui de-al doilea tranzistor la emițătorul primului tranzistor; pentru semnalul de feedback, primul tranzistor funcționează în modul de bază comun .

În circuitele analogice moderne, declanșatoarele Schmitt sunt de obicei efectuate pe un amplificator operațional în modul comparator , acoperit de feedback pozitiv rezistiv, al cărui semnal de ieșire pe două nivele, conform aceluiași feedback, cu o anumită întârziere, determinată de rezistența feedback-ului. rezistența și capacitatea de intrare distribuită și parazită a comparatorului, modifică tensiunea de comparare a comparatorului. Ca urmare, pentru tensiunea de intrare, comparatorul devine unul cu două praguri, cu două tensiuni de intrare diferite pentru comutarea la două stări. Datorită feedback-ului pozitiv, se formează o buclă de histerezis în caracteristica statică a dispozitivului, adică dispozitivul capătă proprietățile unui declanșator.

Într-un flip-flop Schmitt cu feedback, după comutarea flip-flop-ului, există un interval în care valoarea anterioară a tensiunii de comparație este valabilă înainte de sosirea semnalului de comutare a tensiunii de comparație prin circuitul de reacție. Dacă la acest interval are loc o schimbare bruscă a semnalului de intrare în direcția opusă, atunci declanșatorul va comuta la tensiunea de comparație anterioară, adică prematur.

Despre elementele logice digitale

Cea mai simplă implementare a declanșatorului Schmitt pe elementele logice digitale ca amplificatoare inversoare analogice este două invertoare logice conectate în serie, care în această legătură formează un comparator analog cu un singur prag cu un prag de comutare aproximativ egal cu jumătate din tensiunea de alimentare. Comparatorul format din două elemente este acoperit de un feedback rezistiv, al cărui semnal de ieșire, prin feedback, modifică tensiunea de comutare de prag pentru semnalul de intrare.

Timpul de creștere și rata de mișcare a semnalului de ieșire al acestui dispozitiv nu depind de rata de mișcare a semnalului de intrare și este o valoare constantă care depinde de viteza porților logice .

Utilizarea porților logice ca comparator analogic degradează acuratețea, stabilitatea și reproductibilitatea pragurilor de comutare, iar feedback-ul rezistiv, împreună cu capacități parazitare și de intrare, reduce oarecum viteza dispozitivului.

Aplicarea declanșatorului Schmitt

Pentru a restabili un semnal distorsionat pe două niveluri în timpul transmisiei

Principiul reconstrucției unui semnal distorsionat pe două niveluri este prezentat în figură. Să presupunem că un nivel ridicat al semnalului codifică un „1 logic”, un nivel scăzut codifică un „0” logic. Să presupunem că tensiunea nedistorsionată a „1” logic depășește ușor pragul superior al declanșatorului Schmitt, dar atunci când linia este distorsionată de interferență, nivelul superior de la sfârșitul liniei fluctuează. Lăsați să fie transmis pe linie doar „1” logic, dacă tensiunea la ieșirea de linie scade sub pragul de comutare al comparatorului din cauza interferenței, atunci la ieșirea comparatorului vor apărea valori false corespunzătoare „0” logic.

La ieșirea declanșatorului Schmitt, „0” logic fals cu un „1” logic transmis va apărea numai dacă nivelul semnalului la ieșirea canalului de transmisie scade sub pragul inferior de comutare al declanșatorului Schmitt. În mod similar, protecția împotriva interferențelor funcționează atunci când se transmite un „0” logic.

Alegerea corectă a nivelurilor de semnal și a pragurilor de comutare cu un nivel de interferență cunoscut a priori în canalul de transmisie poate reduce semnificativ probabilitatea de denaturare a informațiilor transmise.

În filtrele de chatter ale cheilor electromecanice

Atunci când contactele sunt închise în dispozitivele electromecanice de comutare - întrerupătoare, butoane, relee electromagnetice etc., are loc o saritură a contactelor  - închiderea și deschiderea necontrolată multiple a circuitului cauzate de contactele care răsună în timpul coliziunilor. În multe cazuri, chatter-ul nu este critic, cum ar fi în comutatoarele de alimentare, dar în multe dispozitive digitale, chatter-ul este inacceptabil, deoarece poate provoca mai multe stări de comutare nedorite ale declanșatorilor unui dispozitiv digital.

Pentru a elimina efectul dăunător al chatterului în astfel de dispozitive, se folosesc diverse filtre de chatter. Una dintre variantele unui astfel de filtru cu un declanșator inversor Schmitt și un filtru trece -jos (LPF) la intrare este prezentată în figură.

Când butonul nu este apăsat, tensiunea condensatorului este aproximativ egală cu tensiunea de alimentare, prin urmare tensiunea de la intrarea declanșatorului depășește pragul său superior și, deoarece declanșatorul se inversează, ieșirea sa va avea o tensiune scăzută aproape de tensiune de masă sau o stare logică „0”.

Când apăsați butonul, condensatorul se va descărca foarte repede la tensiunea zero, tensiunea de la intrarea de declanșare va scădea sub pragul inferior de comutare, iar ieșirea de declanșare va seta o tensiune apropiată de tensiunea de alimentare - starea logică "1 ".

Constanta de timp a circuitului este aleasă în mod deliberat mai mare decât timpul de calmare a săriturii , prin urmare, condensatorul în timpul săriturii, atunci când circuitul butonului se deschide pentru scurt timp, nu are timp să se încarce până la pragul inferior de comutare a declanșatorului și o stare stabilă de logică. „1” este menținut la ieșirea de declanșare.

După ce butonul este eliberat, condensatorul se încarcă treptat prin rezistor, iar atunci când tensiunea de pe acesta ajunge peste pragul de comutare superior al declanșatorului, ieșirea declanșatorului trece la starea logică „0”.

În regulatoarele de tensiune cheie pe declanșatorul Schmitt

În stabilizatoarele de tensiune cheie controlate de o cheie de la un declanșator Schmitt , sunt utilizate proprietățile de histerezis ale declanșatorului Schmitt - atunci când tensiunea de ieșire a stabilizatorului depășește pragul superior de comutare al declanșatorului, declanșatorul deschide cheia electronică, ceea ce provoacă o treptat. scăderea tensiunii de ieșire din cauza condensatorului filtrului de ieșire, după ce tensiunea de ieșire atinge pragul de comutare mai mic, declanșatorul comută și închide comutatorul din nou. Apoi procesul se repetă. Cu acest proces periodic, tensiunea de ieșire fluctuează între pragurile de comutare ale declanșatorului Schmitt [9] .

Un releu electromagnetic folosit ca declanșator Schmitt în diferite regulatoare

Releele electromecanice sunt un declanșator Schmitt cu un actuator cheie .

Un releu electromagnetic convențional are o buclă de histerezis în coordonatele curentului de înfășurare a releului  - starea sa , deoarece curentul de funcționare a releului depășește întotdeauna curentul de menținere, prin urmare, în intervalul de curenți de înfășurare dintre curentul de funcționare și curentul de menținere, există o ambiguitate a stării releului, în acest interval starea releului depinde de istoric.

Solenoidul releului împreună cu armătura mobilă este în esență un comparator cu două praguri care împarte întreaga gamă de curenți de înfășurare a releului în trei sub-domeni: curentul este sub curentul de eliberare, curentul este peste curentul de menținere, dar sub impuls. curent - analog cu starea de stocare a unui flip-flop RS binar, iar curentul este peste declanșarea curentului.

Grupurile de contacte releu sunt o cheie care are două stări stabile: „contacte deschise” și „contacte închise”.

De fapt, releul conține toate elementele funcționale ale stabilizatorului de tensiune cheie (regulator) de pe declanșatorul Schmitt : flip-flop RS și comutator cu cheie , prin urmare este adesea folosit în diferite dispozitive numite releu-regulatoare , iar astfel de regulatoare sunt potrivite pentru controlul on-off al cantităților de natură fizică diferită, de exemplu, temperatură, presiune etc.

În stabilizatoarele de tensiune ale generatorului de chei auto

În generatoarele de curent continuu pentru automobile , în stabilizatoarele de tensiune cheie cu un declanșator Schmitt , releul este atât un declanșator Schmitt de precizie , cât și un element de control cheie care degajă rezistență suplimentară în serie în înfășurarea de excitație a generatorului, iar generatorul este obiectul de control.

În alternatoarele de automobile , în stabilizatoarele de tensiune cheie pe declanșatorul Schmitt .

În diverse termostate Termostatele din frigider

Într-un regulator-stabilizator de temperatură mecanic, presiunea gazului din interiorul senzorului de temperatură de tip burduf este furnizată unui comparator pneumo-mecanic cu două praguri cu un prag de răspuns reconfigurabil.

Comparatorul pneumomecanic cu două praguri împarte întreaga gamă de presiuni de intrare a gazului din interiorul senzorului de temperatură de tip burduf în trei sub-domeni: presiunea de pornire, presiunea de menținere a pornirii și presiunea de oprire. Presiunea de menținere este starea de stocare a informațiilor înregistrate în flip-flop RS mecanic .

Comparatorul pneumo-mecanic cu două praguri comută atât declanșatorul mecanic RS, cât și pragul de funcționare al comparatorului pneumo-mecanic cu două praguri. Declanșatorul mecanic RS comandă un comutator electric ale cărui contacte pornesc și opresc motorul compresorului sau elementul de încălzire din frigiderele cu absorbție .

Astfel, termostatul mecanic al frigiderului este un stabilizator electromecanic de temperatură cu un declanșator mecanic Schmitt cu un prag comutabil și cu un grup de contacte care funcționează ca o cheie și funcționează ca un stabilizator de tensiune cheie pe un declanșator Schmitt .

Alte utilizări ca regulatoare de temperatură

De asemenea, analogii electromecanici ai declanșatorului Schmitt sunt utilizați în termostate ale fiarelor de călcat electrice, cuptoarelor de bucătărie, sobelor electrice și cuptoarelor electrice, în releele bimetalice ale regulatoarelor de temperatură, de exemplu, cazane de încălzire casnică , în termostate ale cazanelor și fierbătoarelor electrice cu funcție de cazan. .

Vezi și

Literatură

  • Kalabekov B. A. Dispozitive digitale și sisteme cu microprocesoare - M .: Telecom, 2000
  • Potemkin I. S. Unități funcționale de automatizare digitală - M .: Energoatomizdat, 1988, p. 166-206.
  • Martynov D.V. Ghid pentru munca de laborator 1 - RGU NiG, 2000, p. 1-15

Link -uri

  1. ↑ 1 2 3 Tietze W. Shenk K. Circuitul semiconductor. Mir, 1982. pp. 292, fig. 17.36. . Data accesului: 21 decembrie 2017. Arhivat din original pe 22 decembrie 2017.
  2. ↑ 1 2 3 CircuitLab. Schmitt-Trigger cu histerezis configurabil . Consultat la 14 decembrie 2012. Arhivat din original la 23 octombrie 2015.
  3. ↑ 1 2 3 Dezvoltator electronic. Schmitt-Trigger mit Präziser Hysterese . Consultat la 14 decembrie 2012. Arhivat din original la 15 iulie 2013.
  4. ↑ Otto H. Schmitt A Thermionic Trigger. Journal of Scientific Instruments 15 (ianuarie 1938): 24-26.
  5. ↑ Dezvoltator electronic. Schmitt-Trigger mit OpAmp / Comparator . Data accesului: 14 decembrie 2012. Arhivat din original la 28 decembrie 2012.
  6. ↑ NE521 Comparator cu dublă diferență de mare viteză/Amplificator de sens . Preluat la 15 august 2016. Arhivat din original la 22 august 2016.
  7. ↑ Regulator cheie de tensiune pe un declanșator Schmitt de precizie cu un declanșator RS . Preluat la 12 august 2016. Arhivat din original la 22 august 2016.
  8. ↑ Stepanenko I.P. Fundamentele teoriei tranzistorilor și a circuitelor tranzistoarelor, ed. a 3-a, revizuită. si suplimentare M., „Energie”, 1973. 608 p. de bolnav. Pagină 481. . Preluat la 2 septembrie 2020. Arhivat din original la 3 martie 2022.
  9. ↑ Kitaev V. E., Bokunyaev A. A., Kolkanov M. F. Alimentarea cu energie a dispozitivelor de comunicație. - M .: Comunicare, 1975. - S. 196-207. — 328 p. — 24.000 de exemplare. . Preluat la 2 septembrie 2020. Arhivat din original la 7 februarie 2018.