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

RS-триггеры

Логические устройства вычислительной техники

Что же такое RS-триггеры? В моем понимании — это устройства, которые могут принимать одно из двух состояний. На основании этого можно сделать вывод, что этот логический элемент может хранить один бит информации (грубо говоря, ноль или единицу). Существуют некоторые типы данного вида RS-триггеров. Давайте рассмотрим один из них:

Асинхронный RS-триггер

Имеет два входа “R» и «S” и два выхода, как правило это “Q” и “не Q” (т.е. инверсный) . Лично я запомнил, какой элемент для чего, после того, когда узнал, что R – это “RESET” (что означает “сброс”) и “S” – это “SET” (что означает установка)

Принимая во внимание изложенную информацию можно указать, что при подаче сигнала (единица) на “S” на выходе “Q” устанавливается единица, а при подаче единицы на “R” приводит к сбросу единицы на выходе “Q” и установки на нем нуля. Рассмотрим работу на базе элементов “2ИЛИ-НЕ” и “2И-НЕ”. Для этого используем графическое изображение этих элементов

Для этого используем графическое изображение этих элементов.

Итак, разберем принцип работы RS-триггера на базе элементов “2ИЛИ-НЕ”. В начальном положении, когда на R и S отсутствуют сигналы (логический “0”), на выходе “Q” присутствует также “0” или “1” – это исходное состояние. Выглядит это так:

Далее подадим на “S” логическуюединицу и получим на выходе “Q” также единицу. Будет выглядеть это так.

Следующим шагом подадим логическую единицу на “R” и уже на “Q” получим “0”. Изобразим это на рисунке.

Более наглядную работу RS-триггера на элементах 2ИЛИ-НЕ можно продемонстрировать, изобразив таблицу истинности. Вот так она выглядит.

Сейчас рассмотрим работу на элементах 2И-НЕ. Выглядит она аналогично, как и на элементах 2ИЛИ-НЕ с той лишь разницей, что активным уровнем является не “1”как в предыдущем случае, а “0”. Убедимся в этом, используя рисунок и таблицу истинности.

Асинхронным триггерам свойственно такое явление как присутствие “гонок”, что это? Это не одновременное или даже не согласованное по времени поступление информации на входы. Это приводит к наложению одного сигнала на другой. Чем это вызвано? А вызвано это разным временем быстродействия элементов, через которые проходит сигнал, прежде чем попасть на входы триггера, в данном случае на “R” или “S”. Покажем это явление на диаграмме.

Чтобы избавиться от этого явления, был придуман вариант подачи синхросигнала и асинхронный триггер превратился в синхронный.

Синхронные RS–триггеры

Этот вид логического устройства отличается от рассмотренного выше тем, что у него помимо входов “R” и “S” присутствует и третий “C”, на который подаются синхроимпульсы. Без этих импульсов информация на “R” и ”S” восприниматься не будет. Схему синхронного RS–триггера и диаграмму работы изобразим графически.

Из диаграммы видно, что в данном случае срабатывание происходит по переднему фронту (но бывает и по спаду) синхроимпульса.

Передний фронт синхроимпульса – это участок прямоугольного импульса, где происходит его возрастание.

Спад синхроимпульса – это участок спада синхроимпульса.

Именно здесь сделаем небольшое отступление и укажем, что бывают триггеры динамические и статические и соответственно со статическим и динамическим управлением. Чем они отличаются? Объясним максимально просто.

Динамические триггеры – на выходах, которых присутствуют либо непрерывная последовательность импульсов определенной частоты, либо ее отсутствие. (Напоминает управляемый генератор).

Статические триггеры– на выходах которых присутствуют неизменный уровень напряжения, либо его отсутствие.

Со статическим управлением – восприятие сигналов на информационных входах происходит только при подаче на “С” логической единицы (логического нуля).

С динамическим управлением – восприятие сигналов на информационных входах происходят в моменты перепада сигнала на “С”(Передний фронт синхроимпульса или спад синхроимпульса).

Если логические функции входов зависят от его выходов, то целесообразно использовать более рациональную конструкцию элементов.

Генератор на триггере Шмитта

Для построения генераторов применяются инверторы. Посему для обеспечения устойчивых сигнальных волн нужно вывести элемент на участок между «0» и «1». Далее, требуется обеспечить положительную обратную связь посредством конденсаторов.

Ниже изображена схема простейшего генератора импульсов.

Инвертор генерирует сигнал, который заряжает и разряжает конденсатор. Это работает, потому что на выходе инверторов «0» или «1» (низкие или высокие пороговые значения). Представим, что мы смотрим на цепи в какой-то случайный момент времени. По своей природе, триггера Шмитта на выходе инвертора или 0 В или 5 В (или переход между ними, который мы можем игнорировать). Если на выходе 0 В, а на выходе конденсатора выше, чем на выходе инвертора, конденсатор будет разряжаться через резистор до падения порогового напряжения триггера Шмитта. Конденсатор разряжается до тех пор, пока на входе инвертора сигнал достаточно низкий. При пересечении порогового значения, цикл начнётся заново.

Ключ, который делает эту работу на «гистерезис» в триггер Шмитта. В основном это означает, что точка поездки инвертора зависит оттого, что мы идем от высокого напряжения или низкого напряжения.

История

Функциональный триггер можно создать из обычного реле с электромеханическим приводом. Установив нужным образом контакты управляющей цепи, обеспечивают включение силовой группы после определенной комбинации входных сигналов. Отдельной клавишей выполняют сброс.

Схема RS триггера на одном реле

Электронные аналоги были собраны в начале прошлого века из ламповых приборов. Действующие схемы впервые опубликованы российскими и английскими учеными в 1918-20 гг. Позднее стали применять полупроводниковые транзисторы. В наши дни соответствующие устройства создают с применением микроэлектронных технологий.

Принцип работы триггера Шмитта

В идеальном случае передаточная характеристика триггера Шмитта имеет вид изображённый на рисунке выше. В случае если входное напряжение триггера не превышает напряжение срабатывания U1 (UВХ < U1), то триггер находится в одном из устойчивых состояний, а напряжение на выходе находится на уровне Е0 (UВЫХ = Е0). Когда же напряжение на входе превысит порог срабатывания (UBX > U1), то триггер моментально перейдёт в другое устойчивое состояние и напряжение на выходе станет равным рабочему напряжению триггера Е1 (UВЫХ = Е1). После этого напряжение на входе может изменяться в некоторых пределах, но на выходе останется постоянным и равным рабочему напряжению Е1.

Чтобы вернуть триггер Шмитта в исходное состояние, необходимо, чтобы напряжение на входе уменьшилось до некоторого уровня, называемого порогом отпускания триггера. Как только напряжение на входе уменьшится до некоторого уровня напряжения U2 (UВХ < U2), то триггер скачкообразно перейдёт в исходное состояние, при котором напряжение на выходе будет равным Е0 (UВЫХ = Е0).

Величины напряжений пороговых уровней срабатывания и отпускания триггера полностью определяются элементами электронной схемы данного типа триггера.

Как правило, в настоящее время триггеры Шмитта изготавливаются в интегральном исполнении, параметры которого удовлетворяют в большинстве случаев. Но в некоторых случаях имеет место изготовление данного типа триггеров и в дискретном исполнении, например, в экспериментальной или высоковольтной отраслях. Давайте рассмотрим схему триггера Шмитта в дискретном исполнении на транзисторах.

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева). Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Триггер Шмитта на транзисторах | joyta.ru

Триггер Шмитта на транзисторах, так же как и триггер Шмитта на ОУ, является системой двух устойчивых состояний, переход которого из одного состояния в другое связан с амплитудой запускающего импульса.

Подобные триггеры широко используются, в вычислительной технике и всевозможных промышленных приборах, где нужно менять форму сигнала, преобразовывать прямоугольные импульсы из синусоиды колебаний и регистрировать завышение сигнала определенного порога. Стандартная схема триггера Шмитта на двух биполярных транзисторах n-p-n приводится ниже.

Для правильного уяснения работы триггера Шмитта сперва допустим, что на входе транзистора VT1 нет сигнала. Сопротивления R1, R2 и R3, подключены к минусу и плюсу питания, и создают своеобразный делитель напряжения. По отношению к эмиттеру транзистора VT2, падение напряжения на сопротивлении R3 окажется положительным, по причине этого данный транзистор будет открыт.

От источника питания на коллектор транзистора VT2 через резистор R4 идет положительный потенциал. Когда транзистор открыт, ток эмиттера, протекающий через R4, создает на нем падение напряжения. Сквозь вторичную обмотку трансформатора Тр1, имеющего малое сопротивление, потенциал на резисторе R5 оказывается между базой и эмиттером VT1 и формирует обратное смещение на переходе Б-Э. В связи с этим VT1 закрыт. Данное устойчивое состояние схемы Шмитта является одним из двух вероятных состояний.

Вследствие падения напряжения на R4 по причине протекания через него тока, потенциал коллектора VT2 будет намного ниже напряжения питания. При поступлении на вход сигнала, он не окажет никакого воздействия на устойчивость триггера Шмитта, если его амплитуда будет меньше напряжения смещения между эмиттером и базой транзистора VT1, идущего с сопротивления R5.

В том случае если входной сигнал будет по амплитуде больше этого смещения, то произойдет открытие VT1. Из-за снижения потенциала на коллекторе VT1 снижается смещение на базе VT2, и в итоге его эмиттерный ток также снизится.

Из-за этого снизится падение напряжения на сопротивлении R5, а смещение на базе VT1 увеличится и инициирует последующий рост тока через VT1. Падение напряжения на R1 также значительно повысится, что в свою очередь уменьшит смещение на базе VT2 и снизит падения напряжения на R5. Этот алгоритм будет длиться до тех пор, пока VT1 до конца не откроется, а транзистор VT2, не закроется.

Как только ток коллектора VT2 достигнет нуля и на сопротивлении R4 начнет падать напряжение, потенциал же на его коллекторе станет увеличиваться, который пройдя через конденсатор С2 становится выходным сигналом.

Величина и форма сигнала на выходе триггера Шмитта находятся в прямой зависимости от постоянной времени (R4+Rн)C2 и сопротивления нагрузки Rн. Устойчивое положение, которое отвечает закрытому транзистору VT2 и открытому VT1, является вторым состоянием триггера Шмитта, и оно длится, пока есть входной сигнал. И как только входной сигнал пропадет, триггер Шмитта переходит в первоначальное состояние.

Если постоянная времени (R4+Rн)С2 существенно превышает продолжительность входного сигнала, то амплитуда сигнала на выходе триггера Шмитта практически оказывается стабильной, без изменений.

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.

Прецизионный триггер с задаваемыми порогами

Чуть более сложная схема, позволяющая регулировать верхний и нижний порог независимо, и даже при необходимости менять их прямо во время работы устройства. Что характерно, здесь нет положительной обратной связи.

Триггер Шмитта без ПОС

На схеме мы видим два отдельных компаратора, которые управляют работой асинхронного RS-триггера. Для работы схемы необходимо на входы U и U₁ подать соответствующие пороговые напряжения.

Тогда весь диапазон входного сигнала можно поделить на три части.

Когда U_вх < U, компаратор К2 выдаёт 1, которая попадает на R-вход триггера и переключает его в нулевое состояние.
Когда U < U_вх < U₁, на выходе обоих компараторов нули, и триггер хранит предыдущее состояние, каким бы оно ни было.
Наконец, когда U_вх > U₁, единица появляется на выходе только первого компаратора, и перекидывает RS-триггер в состояние «1».

Принцип работы триггера Шмитта

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.

Описание и принцип работы

В широком смысле триггером (от английского trigger — спусковой крючок, запускающий механизм) называют любой импульс или событие, ставшее причиной чего-либо. Термин применяют в электронике, психологии, медицине, программировании и других областях деятельности. В создании микросхем и других устройств так называют элемент, который способен принимать одно из двух стойких состояний (0 или 1) и сохранять их в течение долгого времени.

Положение триггера зависит от получаемых им сигналов на прямом и инверсном выходах. Отличительной чертой устройства является то, что его переход из одной позиции в другую обусловлен не только получением внешних инструкций, поступающих от выбранной системы управления, но и посредством обратной связи. То есть текущее положение элемента зависит от предыстории его работы.

Триггеры могут сохранять свою память только при постоянном поступлении напряжения. Если его отключить, а затем снова подключить, устройство перейдёт в случайное состояние

Поэтому при конструировании устройства важно предусмотреть способ, которым он изначально будет вводиться в правильное положение

В основе любого триггера лежит схема, которая состоит из двух логических элементов типа И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, имеющих друг с другом обратную положительную связь. Такой тип подключения позволяет системе иметь всего два возможных устойчивых состояния, из которых выбирается одно

Важной деталью является то, что после того как триггер перешёл в положение, он может сохранять его сколько угодно времени, до тех пор, пока не будет подан очередной управляющий сигнал

Другой характерной особенностью устройств является возможность мгновенного осуществления перехода от одного состояния в другое после получения соответствующей команды. Задержка настолько мала, что её можно не учитывать при проведении расчётов.

Число входов может быть разным и зависит от требуемых функций. Если подать сигнал одновременно на два из них, то он примет произвольную позицию после прекращения их поступления. По своим функциям входы делятся на несколько типов, которые входят в две большие группы: информационные и управляющие. Первые из них получают сигналы и запоминают их в виде информации, в то время как вторые разрешают или запрещают её запись, а также выполняют функцию синхронизации. На схемах они имеют следующие обозначения:

S — устанавливает триггер в состояние «1» на прямом выходе;
R — противоположен S, сбрасывает состояние обратно на «0»;
С — вход синхронизации;
D — принимает информацию для последующего занесения на триггер;
T — счётный вход.