Schmitt udløser

Schmitt-udløser - et to-positions relæ (omskifter) element, hvis statiske karakteristika har en tvetydighedszone - en hysteresesløjfe .

I snæver forstand er en Schmitt-udløser en elektronisk enhed, i bredere forstand ethvert skifteelement med hysterese, implementeret på alle fysiske principper - elektromekaniske enheder, pneumatiske, rent mekaniske.

Fasevejen (statisk respons) for Schmitt-triggeren er switch-responsen, men med en rektangulær hysterese -løkke . Tvetydigheden af den statiske karakteristik med et indgangssignal, hvis værdi er mellem koblingstærsklerne, giver os mulighed for at hævde, at Schmitt-triggeren, ligesom andre triggere, har en hukommelsesegenskab - dens tilstand i tvetydighedszonen (tilstanden for lagring af registreret information) er bestemt af forhistorien - det tidligere virkende indgangssignal.

Skematisk er en elektronisk Schmitt-trigger en kombination af to enheder: en to-tærskel komparator og en eksplicit eller implicit tilstedeværende RS flip-flop .

I en implementering kaldet en "præcision Schmitt trigger" eller nogle gange mere generelt kaldet en "præcision Schmitt trigger med en RS flip-flop", er en to-tærskel komparator og en RS flip-flop eksplicit til stede, og to-tærskelværdien komparator er implementeret som to enkelt-tærskel komparatorer med forskellige tærskler [1 ] [2] [3] .

I en anden implementering, kaldet "Schmitt-trigger med feedback" eller " Komparator med hysterese ", er en to-tærskel-komparator kredsløbsformet ud fra en enkelt-tærskel-komparator med en tærskel skiftet af positiv feedback, og i en tilstand af komparatoren den øvre omskiftningstærskelniveau dannes, og i den anden - niveauet lavere omskiftningstærskel. Den samme positive feedback organiserer en implicit RS-flip-flop fra den samme komparator.

Elektroniske Schmitt-triggere bruges til at genoprette et digitalt to-niveaus signal, der er forvrænget i kommunikationslinjer af støj og forvrængning, i kontaktbounce -filtre , som en to-positionsregulator i automatiske kontrolsystemer , i to-positions spændingsregulatorer , i afslapningsoscillatorer . Schmitt-triggeren skiller sig ud i familien af elektroniske triggere: den har en analog indgang og en udgang med to udgangsniveauer.

Der er elektromekaniske og mekaniske enheder med hysterese, som i det væsentlige er funktionelle analoger af Schmitt-udløseren, dannet af mekanisk bevægede dele. For eksempel er et konventionelt elektromekanisk relæ den ikke-elektroniske funktionelle analog af en Schmitt-udløser. Sådanne udløsere bruges i temperaturregulatorer af køleskabe af forskellige elektriske varmeapparater ( strygejern , olievarmere , kompressortrykstabilisatorer osv .), I automatiske våben .

Historie

Schmitt elektroniske trigger, implementeret på elektrovakuum trioder , blev opfundet af den amerikanske biofysiker og ingeniør Otto Herbert Schmitt i 1934, mens han var elev-praktikant på det tidspunkt. I 1937 beskrev Schmitt det i sin doktorafhandling med titlen "Thermion Trigger", skrevet af ham om resultaterne af at studere udbredelsen af nerveimpulser i nervesystemet hos blæksprutter [4] .

Udløs implementeringsmuligheder

Precision Schmitt Trigger

Schmitt flip-flop er en RS flip-flop styret af et enkelt indgangs analogt signal, med to forskellige koblingsspændinger til to forskellige tilstande. Det kaldes præcision, fordi omskiftningstærskelværdierne indstilles uafhængigt, og nøjagtigheden af disse tærskelværdier afhænger kun af nøjagtigheden af omskiftningstærskelværdierne for input single-input komparatorerne. Typisk er triggerudgangstilstande angivet med symbolerne "0" og "1", og koblingsspændingen ved "1" er højere end koblingsspændingen ved "0". Når indgangsspændingen er mellem omskiftningsspændingerne, er Schmitt-triggeren i tilstanden til at lagre information, der tidligere er skrevet til den, og dens udgangssignal bestemmes af historikken for indgangssignalændringen.

Schmitt triggere med en RS flip-flop har ikke feedback fra udgangen til den analoge indgang. De består af en to-tærskel-komparator, hvor to separat justerbare switch-tærskelspændinger sammenlignes med et indgangssignal. Skift af flip-flop til "0"-tilstand og til "1"-tilstand sker fra udgangssignalerne fra single-threshold-komparatorer, som føres til de asynkrone sæt- og nulstillingsindgange S og R på RS-flip-flop [1] ] [2] [3] .

Schmitt trigger med feedback

I versioner af en flip-flop med feedback bruges feedback også til at skifte spændingen af sammenligningstærsklen i en konventionel komparator, som har en switch-tærskel på nul, og samtidig forvandle den til en to-tærskel komparator med forskellige tærskler og til en RS flip-flop på samme enkelt-tærskel komparator. Ved en højspænding (logisk "1"-tilstand) ved udgangen af komparatoren, reducerer feedbacken spændingen af switch-tærsklen ved indgangsindgangen, da den summeres af indgangsadderen med indgangssignalet, således at spændingen kl. komparatorindgangen, svarende til udgangsspændingen af adderen, bliver lig med nul, indgangsspændingen skal blive negativ og lig i absolut værdi med udgangsspændingen for komparatoren, som er i tilstanden logisk "1". Følgelig, ved lav spænding ved udgangen af komparatoren (logisk "0"-tilstand), øger feedbacken ved udgangen af komparatoren spændingen af omskiftningstærsklen. ${\displaystyle U_{+))$ ${\displaystyle U_{-))$

I en sådan struktur er separat og uafhængig fastsættelse af tærskler vanskelig [5] . Hertil kommer, at med en indgangsspænding, hvis værdi ligger mellem omskiftningstærsklerne, det vil sige i tvetydighedszonen, kræver det at tvinge triggeren til en given tilstand brug af yderligere komponenter.

Varianter af Schmitt-triggere

Precision Schmitt Trigger

En præcisions Schmitt-trigger, nogle gange længere omtalt som en "precision RS flip-flop Schmitt-trigger", består af en to-tærskel komparator baseret på to konventionelle komparatorer med en to-niveau udgang (binær udgang), som deler hele indgangsspændingen rækkevidde i tre dele - den første - under den nederste tærskel, den anden - mellem tærskelværdierne og den tredje - over den øvre tærskel, og RS-triggeren, som skifter, når indgangsspændingen forlader det andet område - mellem den nedre og øvre skiftetærskler [1] [2] [3] .

Der findes en række mikrokredsløb fra forskellige producenter, som indeholder to analoge single-threshold komparatorer og logiske porte til organisering af eksterne jumpere mellem benene i det integrerede RS-trigger mikrokredsløb, for eksempel NE521 mikrokredsløbet [6] .

Et andet populært mikrokredsløb, den integrerede timer 555 , også produceret af rigtig mange mikrokredsløbsproducenter (indenlandske analoger af mikrokredsløbet - KR1006VI1, KR1008VI1), indeholder alle elementerne i en præcis Schmitt-udløser. Så når mikrokredsløbets indgange kombineres, vil "THRES" og "TRIG" udføre funktionen som en inverterende Schmitt-udløser. Ulempen ved dette mikrokredsløb, når det bruges som en Schmitt-udløser, er umuligheden af vilkårligt at indstille koblingstærsklerne, som er stift bestemt af den interne resistive spændingsdeler og er cirka en tredjedel af mikrokredsløbets forsyningsspænding for den nedre koblingstærskel og 2/3 for den øvre koblingstærskel.

Præcisions-Schmitt-triggeren er praktisk til at konstruere kredsløb af to-positions nøglestabilisatorer til spænding , temperatur, væskeniveau, motorhastighed, relæregulatorer osv. [7]

Den elektromekaniske analog af en præcisions Schmitt-trigger med en nøgleaktuator er et elektromekanisk relæ .

Andre elektromekaniske eller mekaniske analoger til præcisions-Schmitt-udløseren er kontakter med tre positioner af kontrolhåndtaget og med to udgangstilstande, hvor kontrolhåndtaget i tilstanden til lagring af informationen registreret i RS-udløseren er i midterpositionen, og switching opstår kun, når betjeningsgrebet afviger fra midterpositionen. For eksempel joysticket i nogle mobiltelefoner.

Softwareimplementering af Schmitt-triggeren

I "software præcision Schmitt trigger " er to enkelt-tærskel komparatorer to IF-THEN operatorer, og tilstanden af RS-triggeren er lagret af en variabel, for eksempel nul ciffer (bit) af en heltal variabel , eller nogle boolesk variabel , der tager værdierne "FALSE" og "TRUE".

Med logiske elementer med samme forsinkelsestider har enhver hardware Schmitt-trigger en væsentlig højere ydeevne ( forsinkelse t ≈ 3 dt , hvor dt er forsinkelsestiden i én logisk gate) end software. Hertil kommer, at i en hardware Schmitt-trigger foregår sammenligningsprocessen samtidigt langs to kæder med to komparatorer parallelt, og i en software Schmitt-trigger i enkelttrådede processorer forekommer to sammenligningsoperationer med to tærskler sekventielt. Udførelsestiden for Schmitt-softwaretriggerkoden øges en smule, hvis programmeringssproget ikke understøtter et ubetinget spring til etiketten, i dette tilfælde, med datainput < Lower_threshold , udføres den anden sammenligningsoperator. Hvis programmeringssproget understøtter ubetinget spring, så omgås tilfældene af Input < Lower_threshold ved at sende den anden IF - sætning , som vist i pseudokodeeksemplet.

Et eksempel på en pseudokode for en ikke-inverterende Schmitt-udløser:

Input, Upper_threshold, Lower_threshold - reel; // Upper_threshold > Lower_threshold Trigger - boolesk; Indstilling af Upper_threshold, Lower_threshold; Trigger := 0; // Booleske variabelbetegnelser: 0 og 1 er henholdsvis "FALSK" og "SAND", LOOP // For eksempel kan du her indsætte en betingelse for at forlade sløjfen ENTER Input; HVIS Input < Lower_threshold THEN Trigger := 0; OUTPUT Trigger; GÅ TIL METKA1 ; SLUT HVIS ; IF Input > Upper_threshold THEN Trigger := 1; OUTPUT Trigger; SLUT HVIS ; LABEL1: SLUT PÅ CYKLUS ;

Schmitt trigger med analog feedback

På analoge elementer

Et eksempel på implementeringen af Schmitt-triggeren på to transistorer er vist i figuren. I dette kredsløb er transistortrinet T1 den enkleste komparator . Positiv feedback udføres fra emitteren på den anden transistor til emitteren på den første transistor; for feedbacksignalet fungerer den første transistor i den fælles basistilstand .

I moderne analoge kredsløb udføres Schmitt-triggere normalt på en operationsforstærker i komparatortilstand , dækket af resistiv positiv feedback, hvis to-niveau udgangssignal, ifølge den samme feedback, med en vis forsinkelse, bestemt af modstanden af feedback modstand og komparatorens distribuerede og parasitære indgangskapacitans ændrer komparatorsammenligningsspændingen. Som et resultat bliver komparatoren for indgangsspændingen en to-tærskel, med to forskellige indgangsspændinger til at skifte til to tilstande. På grund af positiv feedback dannes en hysterese-løkke i enhedens statiske karakteristik, det vil sige, at enheden erhverver egenskaberne af en udløser.

I en Schmitt-flip-flop med feedback er der efter skift af flip-flop et interval, hvori den tidligere værdi af sammenligningsspændingen er gyldig før ankomsten af signalet til at skifte sammenligningsspændingen gennem feedback-kredsløbet. Hvis der i dette interval er en pludselig ændring i indgangssignalet i den modsatte retning, vil udløseren skifte til den tidligere sammenligningsspænding, det vil sige for tidligt.

På digitale logiske elementer

Den enkleste implementering af Schmitt-triggeren på digitale logiske elementer som analoge inverterende forstærkere er to logiske invertere, der er forbundet i serie, som i den forbindelse danner en analog enkelttærskel-komparator med en koblingstærskel, der er omtrent lig med halvdelen af forsyningsspændingen. Komparatoren dannet af to elementer er dækket af en resistiv feedback, hvis udgangssignal gennem feedback ændrer tærskelomskiftningsspændingen for indgangssignalet.

Stigningstiden og drejningshastigheden for udgangssignalet fra denne enhed afhænger ikke af indgangssignalets drejningshastighed og er en konstant værdi, der afhænger af hastigheden af de logiske porte .

Brugen af logiske porte som en analog komparator forringer nøjagtigheden, stabiliteten og reproducerbarheden af koblingstærskler, og resistiv feedback reducerer sammen med parasit- og inputkapacitanser enhedens hastighed noget.

Anvendelse af Schmitt-udløseren

For at gendanne et forvrænget to-niveau signal under transmission

Princippet om at rekonstruere et forvrænget to-niveau signal er vist i figuren. Antag, at et højt niveau af signalet koder et logisk "1", et lavt niveau koder for et logisk "0". Antag, at den uforvrængede spænding af den logiske "1" lidt overstiger den øvre tærskel for Schmitt-udløseren, men når linjen er forvrænget fra interferens, svinger det øverste niveau for enden af linjen. Lad kun logisk "1" blive transmitteret til linjen, hvis spændingen ved linjeudgangen falder under komparatoromskiftningstærsklen på grund af interferens, vil falske værdier svarende til logisk "0" vises på komparatorudgangen.

Ved udgangen af Schmitt-triggeren vil falsk logisk "0" med et transmitteret logisk "1" kun fremkomme, hvis signalniveauet ved udgangen af transmissionskanalen falder under den nedre koblingstærskel for Schmitt-triggeren. På samme måde fungerer beskyttelse mod interferens, når der sendes et logisk "0".

Korrekt valg af signalniveauer og koblingstærskler med et a priori kendt interferensniveau i transmissionskanalen kan signifikant reducere sandsynligheden for at forvrænge den transmitterede information.

I chatter filtre af elektromekaniske nøgler

Når kontakter er lukkede i elektromekaniske koblingsenheder - kontakter, knapper, elektromagnetiske relæer osv., opstår kontaktbounce - flere ukontrollerede lukning og åbning af kredsløbet forårsaget af hoppende kontakter under kollisioner. I mange tilfælde er chatter ikke kritisk, såsom i strømafbrydere, men i mange digitale enheder er chatter uacceptabelt, da det kan forårsage flere uønskede koblingstilstande for udløsere af en digital enhed.

For at eliminere den skadelige effekt af chatter i sådanne enheder bruges forskellige chatter-filtre. En af varianterne af et sådant filter med en inverterende Schmitt-trigger og et lavpasfilter (LPF) ved indgangen er vist i figuren.

Når knappen ikke trykkes ned, er spændingen på kondensatoren omtrent lig med forsyningsspændingen, derfor overstiger spændingen ved triggerindgangen dens øvre tærskel, og da triggeren inverterer, vil dens udgang have en lav spænding tæt på jordspænding eller en logisk "0"-tilstand. $SW$ $C$ $U_{C}$ $U_{out}$

Når du trykker på knappen, aflades kondensatoren meget hurtigt til nul spænding, spændingen ved triggerindgangen vil falde under den nedre koblingstærskel, og triggerudgangen vil indstille en spænding tæt på forsyningsspændingen - logikkens tilstand "1 ". $T_{L}$

Kredsløbets tidskonstant er valgt bevidst længere end den dæmpende tid , derfor har kondensatoren under springet, når knapkredsløbet kort åbnes, ikke tid til at lade op til den nedre udløseromskiftningstærskel og en stabil logisk tilstand "1" bibeholdes ved triggerudgangen. $T=RC$ $RC$ $T_{B}$

Efter at knappen er sluppet, oplades kondensatoren gradvist gennem modstanden, og når spændingen på den når over udløserens øvre omskiftningstærskel, skifter triggerudgangen til den logiske "0" tilstand.

I vigtige spændingsregulatorer på Schmitt-udløseren

I nøglespændingsstabilisatorer styret af en nøgle fra en Schmitt -udløser bruges Schmitt-udløserens hysterese-egenskaber - når udgangsspændingen på stabilisatoren overstiger den øvre omskiftningstærskel for udløseren, åbner udløseren den elektroniske nøgle, hvilket forårsager en gradvis fald i udgangsspændingen på grund af udgangsfilterkondensatoren, efter at udgangsspændingen når den lavere omskiftningstærskel, skifter udløseren og lukker kontakten igen. Derefter gentages processen. Med denne periodiske proces svinger udgangsspændingen mellem koblingstærsklerne for Schmitt-triggeren [9] .

Et elektromagnetisk relæ, der bruges som en Schmitt-trigger i forskellige regulatorer

Elektromekaniske relæer er en Schmitt-udløser med en nøgleaktuator .

Et konventionelt elektromagnetisk relæ har en hysteresesløjfe i koordinaterne for relæviklingsstrømmen - dens tilstand , da relædriftsstrømmen altid overstiger holdestrømmen, derfor er der i området af viklingsstrømme mellem driftsstrømmen og holdestrømmen. en tvetydighed af relætilstanden, i dette område afhænger relæets tilstand af historien.

Relæmagneten sammen med det bevægelige armatur er i det væsentlige en to-tærskel komparator, der deler hele området af relæviklingsstrømme i tre underområder: strømmen er under udløsningsstrømmen, strømmen er over holdestrømmen, men under pickupen strøm - analogt med lagertilstanden for en binær RS flip-flop, og strømmen er over den aktuelle udløsning.

Relækontaktgrupper er en nøgle , der har to stabile tilstande: "kontakter åbne" og "kontakter lukkede".

Faktisk indeholder relæet alle de funktionelle elementer i nøglespændingsstabilisatoren (regulatoren) på Schmitt-udløseren : RS flip-flop og nøgleafbryder , derfor bruges det ofte i forskellige enheder kaldet relæregulatorer , og sådanne regulatorer er velegnede til on-off kontrol af mængder af forskellig fysisk karakter, fx temperatur, tryk mv.

I bilindustrien nøglegenerator spændingsstabilisatorer

I DC-generatorer til biler , i nøglespændingsstabilisatorer med en Schmitt-trigger , er relæet både en præcis Schmitt-trigger og et nøglekontrolelement, der shunter yderligere seriemodstand i generatorens excitationsvikling, og generatoren er kontrolobjektet.

I bilgeneratorer , i nøglespændingsstabilisatorer på Schmitt-triggeren .

I forskellige termostater I køleskabstermostater

I en mekanisk temperaturregulator-stabilisator tilføres gastrykket inde i temperatursensoren af bælgtypen til en pneumomekanisk to-tærskel komparator med en rekonfigurerbar responstærskel.

Den pneumomekaniske to-tærskel komparator opdeler hele området af gasindgangstryk inde i temperatursensoren af bælgtypen i tre underområder: starttryk, startholdetryk og frakoblingstryk. Holdetrykket er lagringstilstanden for informationen registreret i den mekaniske RS flip-flop .

Den pneumomekaniske to-tærskel komparator skifter både den mekaniske RS-trigger og driftstærsklen for den pneumo-mekaniske to-tærskel komparator. Den mekaniske RS-udløser styrer en elektrisk kontakt, hvis kontakter tænder og slukker for kompressormotoren eller varmeelementet i absorptionskøleskabe .

Køleskabets mekaniske termostat er således en elektromekanisk temperaturstabilisator med en mekanisk Schmitt-trigger med en omskiftelig tærskel og med en kontaktgruppe, der fungerer som en nøgle og fungerer som en nøglespændingsstabilisator på en Schmitt-trigger .

Andre anvendelser som temperaturregulatorer

Elektromekaniske analoger af Schmitt-udløseren bruges også i termostater til elektriske strygejern, køkkenovne, elektriske komfurer og elektriske ovne, i bimetalliske relæer til temperaturregulatorer, for eksempel husvarmekedler , i termostater til kedler og elkedler med kedelfunktion .

Se også

Litteratur

Kalabekov B. A. Digitale enheder og mikroprocessorsystemer - M .: Telecom, 2000
Potemkin I. S. Funktionelle enheder for digital automatisering - M .: Energoatomizdat, 1988, s. 166-206.
Martynov D.V. Retningslinjer for laboratoriearbejde 1 - RGU NiG, 2000, s. 1-15

Schmitt udløser

Historie

Udløs implementeringsmuligheder

Precision Schmitt Trigger

Schmitt trigger med feedback

Varianter af Schmitt-triggere

Precision Schmitt Trigger

Softwareimplementering af Schmitt-triggeren

Schmitt trigger med analog feedback

Anvendelse af Schmitt-udløseren

For at gendanne et forvrænget to-niveau signal under transmission

I chatter filtre af elektromekaniske nøgler

I vigtige spændingsregulatorer på Schmitt-udløseren

Et elektromagnetisk relæ, der bruges som en Schmitt-trigger i forskellige regulatorer

Se også

Litteratur

Links