Schmitt Trigger

Disparador Schmitt : un elemento de relé (conmutación) de dos posiciones , cuya característica estática tiene una zona de ambigüedad: un bucle de histéresis .

En un sentido estricto, un disparador Schmitt es un dispositivo electrónico, en un sentido más amplio, cualquier elemento de conmutación con histéresis, implementado en cualquier principio físico: dispositivos electromecánicos, neumáticos, puramente mecánicos.

La ruta de fase (respuesta estática) del disparador Schmitt es la respuesta del interruptor, pero con un ciclo de histéresis rectangular . La ambigüedad de la característica estática con una señal de entrada cuyo valor está entre los umbrales de conmutación nos permite afirmar que el disparador Schmitt, como otros disparadores, tiene una propiedad de memoria: su estado en la zona de ambigüedad (el estado de almacenamiento de información registrada) es determinado por la prehistoria - la señal de entrada que actúa previamente.

Esquemáticamente , un disparador Schmitt electrónico es una combinación de dos dispositivos: un comparador de dos umbrales y un flip-flop RS explícita o implícitamente presente .

En una implementación llamada "disparador Schmitt de precisión" o, a veces, más generalmente llamado "disparador Schmitt de precisión con un flip-flop RS", un comparador de dos umbrales y un flip-flop RS están explícitamente presentes, y los dos umbrales comparador se implementa como dos comparadores de umbral único con diferentes umbrales [1 ] [2] [3] .

En otra implementación, denominada "Disparador Schmitt con retroalimentación" o " Comparador con histéresis ", se forma un circuito de un comparador de dos umbrales a partir de un comparador de un solo umbral con un umbral conmutado por retroalimentación positiva, y en un estado del comparador, la parte superior se forma el nivel de umbral de conmutación, y en el otro - el umbral de conmutación de nivel inferior. La misma retroalimentación positiva organiza un flip-flop RS implícito del mismo comparador.

Los disparadores electrónicos Schmitt se utilizan para restaurar una señal digital de dos niveles distorsionada en líneas de comunicación por ruido y distorsión, en filtros de rebote de contacto , como regulador de dos posiciones en sistemas de control automático , en reguladores de voltaje de dos posiciones , en osciladores de relajación . El disparador Schmitt se destaca en la familia de disparadores electrónicos: tiene una entrada analógica y una salida con dos niveles de salida.

Existen dispositivos electromecánicos y mecánicos con histéresis, que son esencialmente análogos funcionales del gatillo Schmitt, formados por partes mecánicamente movidas. Por ejemplo, un relé electromecánico convencional es el análogo funcional no electrónico de un disparador Schmitt. Dichos disparadores se utilizan en controladores de temperatura de refrigeradores de varios calentadores eléctricos ( planchas , calentadores de aceite , estabilizadores de presión de compresores, etc.), en armas automáticas .

Historia

El disparador electrónico Schmitt, implementado en triodos de electrovacío , fue inventado por el biofísico e ingeniero estadounidense Otto Herbert Schmitt en 1934, cuando era estudiante en prácticas en ese momento. En 1937, Schmitt lo describió en su tesis doctoral titulada "Thermion Trigger", escrita por él mismo sobre los resultados del estudio de la propagación de los impulsos nerviosos en el sistema nervioso de los calamares [4] .

Activar opciones de implementación

Gatillo Schmitt de precisión

El flip-flop Schmitt es un flip-flop RS controlado por una sola señal analógica de entrada, con dos voltajes de conmutación diferentes para dos estados diferentes. Se denomina precisión porque los umbrales de conmutación se establecen de forma independiente y la precisión de estos umbrales depende únicamente de la precisión de los umbrales de conmutación de los comparadores de entrada única de entrada. Por lo general, los estados de salida del disparador se indican con los símbolos "0" y "1", y el voltaje de conmutación en "1" es mayor que el voltaje de conmutación en "0". Cuando el voltaje de entrada está entre los voltajes de conmutación, el disparador Schmitt está en el estado de almacenamiento de información previamente escrita en él, y su señal de salida está determinada por el historial del cambio de la señal de entrada.

Los disparadores Schmitt con un flip-flop RS no tienen retroalimentación de la salida a la entrada analógica. Se componen de un comparador de dos umbrales en el que dos tensiones de umbral de conmutación ajustables por separado se comparan con una señal de entrada. El cambio del flip-flop al estado "0" y al estado "1" se produce a partir de las señales de salida de los comparadores de umbral único, que se alimentan a las entradas de ajuste y restablecimiento asincrónico S y R del flip-flop RS [1 ] [2] [3] .

Gatillo Schmitt con retroalimentación

En las versiones de un flip-flop con retroalimentación, la retroalimentación también se utiliza para cambiar el voltaje del umbral de comparación en un comparador convencional, que tiene un umbral de conmutación de cero, convirtiéndolo simultáneamente en un comparador de dos umbrales con diferentes umbrales y en un Flip-flop RS en el mismo comparador de umbral único. Con un alto voltaje (estado lógico "1") en la salida del comparador, la retroalimentación reduce el voltaje del umbral de conmutación en la entrada de entrada, ya que el sumador de entrada lo suma con la señal de entrada, de modo que el voltaje en la entrada del comparador, igual al voltaje de salida del sumador, se vuelve igual a cero, el voltaje de entrada debe volverse negativo e igual en valor absoluto al voltaje de salida del comparador, que está en el estado de "1" lógico. En consecuencia, a baja tensión en la salida del comparador (estado lógico "0"), la realimentación en la salida del comparador aumenta la tensión del umbral de conmutación. ${\ estilo de visualización U_ {+))$ ${\ Displaystyle U_ {-))$

En tal estructura, el establecimiento de umbrales separados e independientes es difícil [5] . Además, con una tensión de entrada cuyo valor se encuentra entre los umbrales de conmutación, es decir, en la zona de ambigüedad, forzar el disparo a un estado determinado requiere el uso de componentes adicionales.

Variantes de disparadores Schmitt

Gatillo Schmitt de precisión

Un disparador Schmitt de precisión, a veces denominado "disparador Schmitt flip-flop RS de precisión", consiste en un comparador de dos umbrales basado en dos comparadores convencionales con una salida de dos niveles (salida binaria), que divide todo el voltaje de entrada rango en tres partes: la primera, por debajo del umbral inferior, la segunda, entre los umbrales y la tercera, por encima del umbral superior, y el disparador RS, que cambia cuando el voltaje de entrada sale del segundo rango, entre el inferior y el superior umbrales de conmutación [1] [2] [3] .

Hay una serie de microcircuitos de diferentes fabricantes que contienen dos comparadores analógicos de umbral único y puertas lógicas para organizar puentes externos entre los pines en el microcircuito de activación RS integrado, por ejemplo, el microcircuito NE521 [6] .

Otro microcircuito popular, el temporizador integrado 555 , también producido por muchos fabricantes de microcircuitos (análogos nacionales del microcircuito: KR1006VI1, KR1008VI1), contiene todos los elementos de un disparador Schmitt de precisión. Entonces, al combinar las entradas del microcircuito, "THRES" y "TRIG" realizarán la función de un disparador Schmitt inversor. La desventaja de este microcircuito cuando se usa como disparador Schmitt es la imposibilidad de establecer arbitrariamente los umbrales de conmutación, que están determinados rígidamente por el divisor de tensión resistivo interno y son aproximadamente un tercio de la tensión de alimentación del microcircuito para el umbral de conmutación inferior y 2/3 para el umbral de conmutación superior.

El disparador Schmitt de precisión es conveniente para construir circuitos de estabilizadores clave de dos posiciones para voltaje , temperatura, nivel de líquido, velocidad del motor, relés-reguladores, etc. [7]

El análogo electromecánico de un gatillo Schmitt de precisión con un actuador de llave es un relé electromecánico .

Otros análogos electromecánicos o mecánicos del gatillo Schmitt de precisión son interruptores con tres posiciones de la palanca de control y con dos estados de salida, en los que la palanca de control en el estado de almacenamiento de la información registrada en el gatillo RS está en la posición media, y conmutando ocurre sólo cuando la palanca de control se desvía de la posición media. Por ejemplo, el joystick de algunos teléfonos móviles.

Implementación de software del disparador Schmitt

En el " disparador Schmitt de precisión de software ", dos comparadores de umbral único son dos operadores IF-THEN, y el estado del disparador RS se almacena mediante alguna variable, por ejemplo, dígito cero (bit) de una variable entera , o alguna Variable booleana que toma los valores “FALSO” y “VERDADERO”.

Con elementos lógicos con los mismos tiempos de retraso, cualquier disparador Schmitt de hardware tiene un rendimiento significativamente mayor ( retraso t ≈ 3 dt , donde dt es el tiempo de retraso en una puerta lógica) que el software. Además, en un disparador Schmitt de hardware, el proceso de comparación ocurre simultáneamente a lo largo de dos cadenas con dos comparadores en paralelo, y en un disparador Schmitt de software en procesadores de un solo hilo, dos operaciones de comparación con dos umbrales ocurren secuencialmente. El tiempo de ejecución del código disparador del software Schmitt aumenta ligeramente si el lenguaje de programación no admite un salto incondicional a la etiqueta, en este caso, con el dato Input < Lower_threshold , se ejecuta el segundo operador de comparación. Si el lenguaje de programación admite saltos incondicionales, los casos de Input < Lower_threshold se omiten al pasar la segunda instrucción IF , como se muestra en el ejemplo de pseudocódigo.

Un pseudocódigo de ejemplo de un disparador Schmitt no inversor:

Entrada, Upper_threshold, Lower_threshold - real; // Umbral_superior > Umbral_inferior Disparador - booleano; Configuración Umbral_superior, Umbral_inferior; Activador := 0; // Designaciones de variables booleanas: 0 y 1 son "FALSO" y "VERDADERO", respectivamente BUCLE // Por ejemplo, aquí puede insertar una condición para salir del bucle ENTER Entrada; SI Entrada < Umbral_inferior ENTONCES Activador := 0; Disparador de SALIDA ; IR A METKA1 ; FIN SI ; SI Entrada > Upper_threshold ENTONCES Activador := 1; Disparador de SALIDA ; FIN SI ; ETIQUETA1: FIN DE CICLO ;

Gatillo Schmitt con retroalimentación analógica

Sobre elementos analógicos

En la figura se muestra un ejemplo de la implementación del disparador Schmitt en dos transistores. En este circuito, la etapa de transistor T1 es el comparador más simple . La retroalimentación positiva se lleva a cabo desde el emisor del segundo transistor al emisor del primer transistor; para la señal de retroalimentación, el primer transistor opera en el modo de base común .

En los circuitos analógicos modernos, los disparadores Schmitt generalmente se realizan en un amplificador operacional en modo comparador , cubierto por retroalimentación positiva resistiva, cuya señal de salida de dos niveles, según la misma retroalimentación, con cierto retraso, determinada por la resistencia de la retroalimentación resistencia y la capacitancia de entrada parásita y distribuida del comparador, cambia el voltaje de comparación del comparador. Como resultado, para el voltaje de entrada, el comparador se convierte en uno de dos umbrales, con dos voltajes de entrada diferentes para cambiar a dos estados. Debido a la retroalimentación positiva, se forma un bucle de histéresis en la característica estática del dispositivo, es decir, el dispositivo adquiere las propiedades de un disparador.

En un flip-flop Schmitt con realimentación, después de conmutar el flip-flop, existe un intervalo en el que el valor anterior de la tensión de comparación es válido antes de la llegada de la señal para conmutar la tensión de comparación a través del circuito de realimentación. Si en este intervalo hay un cambio repentino en la señal de entrada en la dirección opuesta, entonces el disparador cambiará al voltaje de comparación anterior, es decir, prematuramente.

Sobre elementos lógicos digitales

La implementación más simple del disparador Schmitt en elementos lógicos digitales como amplificadores inversores analógicos es dos inversores lógicos conectados en serie, que en esta conexión forman un comparador analógico de umbral único con un umbral de conmutación aproximadamente igual a la mitad de la tensión de alimentación. El comparador formado por dos elementos está cubierto por una realimentación resistiva, cuya señal de salida, a través de la realimentación, cambia el umbral de tensión de conmutación para la señal de entrada.

El tiempo de subida y la velocidad de giro de la señal de salida de este dispositivo no dependen de la velocidad de giro de la señal de entrada y es un valor constante que depende de la velocidad de las puertas lógicas .

El uso de puertas lógicas como un comparador analógico degrada la precisión, la estabilidad y la reproducibilidad de los umbrales de conmutación, y la retroalimentación resistiva, junto con las capacitancias parásitas y de entrada, reduce un poco la velocidad del dispositivo.

Aplicación del gatillo Schmitt

Para restaurar una señal distorsionada de dos niveles durante la transmisión

El principio de reconstrucción de una señal distorsionada de dos niveles se muestra en la figura. Supongamos que un nivel alto de la señal codifica un "1" lógico, un nivel bajo codifica un "0" lógico. Suponga que el voltaje no distorsionado del "1" lógico excede ligeramente el umbral superior del disparador Schmitt, pero cuando la línea está distorsionada por la interferencia, el nivel superior al final de la línea fluctúa. Deje que solo se transmita el "1" lógico a la línea, si el voltaje en la salida de la línea cae por debajo del umbral de conmutación del comparador debido a la interferencia, aparecerán valores falsos correspondientes al "0" lógico en la salida del comparador.

En la salida del disparador Schmitt, aparecerá un "0" lógico falso con un "1" lógico transmitido solo si el nivel de la señal en la salida del canal de transmisión cae por debajo del umbral de conmutación inferior del disparador Schmitt. De manera similar, la protección contra interferencias opera cuando se transmite un "0" lógico.

La elección adecuada de los niveles de señal y los umbrales de conmutación con un nivel de interferencia conocido a priori en el canal de transmisión puede reducir significativamente la probabilidad de distorsionar la información transmitida.

En filtros de parloteo de teclas electromecánicas

Cuando los contactos se cierran en dispositivos de conmutación electromecánicos (interruptores, botones, relés electromagnéticos , etc.), se produce un rebote de contacto : múltiples cierres y aperturas incontrolados del circuito causados por contactos que reboten durante las colisiones. En muchos casos, la vibración no es crítica, como en los interruptores de alimentación, pero en muchos dispositivos digitales, la vibración es inaceptable, ya que puede causar múltiples estados de conmutación no deseados de los activadores de un dispositivo digital.

Para eliminar el efecto dañino de la charla en dichos dispositivos, se utilizan varios filtros de charla. En la figura se muestra una de las variantes de dicho filtro con un disparador Schmitt inversor y un filtro de paso bajo (LPF) en su entrada.

Cuando no se presiona el botón, el voltaje en el capacitor es aproximadamente igual al voltaje de suministro, por lo tanto, el voltaje en la entrada del gatillo excede su umbral superior y, dado que el gatillo está invirtiendo, su salida tendrá un voltaje bajo cerca del voltaje de tierra, o un estado lógico "0". ${\ estilo de visualización SW}$ $C$ $U_{C}$ $U_{fuera}$

Cuando presiona el botón, el capacitor se descargará muy rápidamente a voltaje cero, el voltaje en la entrada del disparador caerá por debajo del umbral de conmutación inferior y la salida del disparador establecerá un voltaje cercano al voltaje de suministro: el estado de lógica "1 ". ${\ estilo de visualización T_ {L}}$

La constante de tiempo del circuito se elige deliberadamente más larga que el tiempo de calma de rebote , por lo tanto, el capacitor durante el rebote, cuando el circuito del botón se abre brevemente, no tiene tiempo para cargar hasta el umbral de conmutación de activación inferior y un estado estable de lógica "1" se mantiene en la salida del disparador. ${\ estilo de visualización T = RC}$ ${\ estilo de visualización RC}$ $TUBERCULOSIS}$

Después de soltar el botón, el capacitor se carga gradualmente a través de la resistencia, y cuando el voltaje supera el umbral de conmutación superior del disparador, la salida del disparador cambia al estado lógico "0".

En reguladores de voltaje clave en el gatillo Schmitt

En los estabilizadores de voltaje de llave controlados por una llave de un disparador Schmitt , se utilizan las propiedades de histéresis del disparador Schmitt: cuando el voltaje de salida del estabilizador excede el umbral de conmutación superior del disparador, el disparador abre la llave electrónica, lo que provoca un gradual disminución en el voltaje de salida debido al condensador del filtro de salida, después de que el voltaje de salida alcanza el umbral de conmutación más bajo, el gatillo cambia y cierra el interruptor nuevamente. Luego se repite el proceso. Con este proceso periódico, la tensión de salida fluctúa entre los umbrales de conmutación del disparador Schmitt [9] .

Un relé electromagnético utilizado como disparador Schmitt en varios reguladores

Los relés electromecánicos son un disparador Schmitt con un actuador de llave .

Un relé electromagnético convencional tiene un ciclo de histéresis en las coordenadas de la corriente del devanado del relé - su estado , ya que la corriente de operación del relé siempre excede la corriente de retención, por lo tanto, en el rango de corrientes de devanado entre la corriente de operación y la corriente de retención, hay una ambigüedad del estado del relé, en este rango el estado del relé depende de la historia.

El solenoide del relé junto con la armadura móvil es esencialmente un comparador de dos umbrales que divide el rango completo de corrientes de devanado del relé en tres sub-rangos: la corriente está por debajo de la corriente de liberación, la corriente está por encima de la corriente de retención, pero por debajo de la captación actual: análogo al estado de almacenamiento de un flip-flop RS binario, y la corriente está por encima de la activación actual.

Los grupos de contactos de relé son una llave que tiene dos estados estables: "contactos abiertos" y "contactos cerrados".

De hecho, el relé contiene todos los elementos funcionales del estabilizador de voltaje clave (regulador) en el disparador Schmitt : flip-flop RS e interruptor de llave , por lo tanto, a menudo se usa en varios dispositivos llamados relés-reguladores , y tales reguladores son adecuados para control de encendido y apagado de cantidades de diversa naturaleza física, por ejemplo, temperatura, presión, etc.

En estabilizadores de voltaje de generadores de llaves automotrices

En los generadores de CC para automóviles , en los estabilizadores de voltaje clave con un disparador Schmitt , el relé es tanto un disparador Schmitt de precisión como un elemento de control clave que desvía la resistencia en serie adicional en el devanado de excitación del generador, y el generador es el objeto de control.

En alternadores de automóviles , en estabilizadores de tensión clave en el gatillo Schmitt .

En varios termostatos En termostatos frigoríficos

En un regulador-estabilizador de temperatura mecánico, la presión del gas dentro del sensor de temperatura tipo fuelle se suministra a un comparador neumo-mecánico de dos umbrales con un umbral de respuesta reconfigurable.

El comparador neumomecánico de dos umbrales divide todo el rango de presiones de entrada de gas dentro del sensor de temperatura tipo fuelle en tres subrangos: presión de encendido, presión de mantenimiento de encendido y presión de apagado. La presión de retención es el estado de almacenamiento de la información registrada en el flip-flop RS mecánico .

El comparador neumo-mecánico de dos umbrales conmuta tanto el disparador RS mecánico como el umbral de funcionamiento del comparador neumo-mecánico de dos umbrales. El gatillo mecánico RS controla un interruptor eléctrico cuyos contactos encienden y apagan el motor del compresor, o el elemento calefactor en los refrigeradores de absorción .

Así, el termostato mecánico del frigorífico es un estabilizador de temperatura electromecánico con disparador Schmitt mecánico con umbral conmutable y con un grupo de contacto que funciona como llave y funciona como estabilizador de tensión de llave sobre disparador Schmitt .

Otros usos como controladores de temperatura

Además, los análogos electromecánicos del disparador Schmitt se utilizan en termostatos de planchas eléctricas, hornos de cocina, estufas eléctricas y hornos eléctricos, en relés bimetálicos de controladores de temperatura, por ejemplo, calderas de calefacción doméstica , en termostatos de calderas y hervidores eléctricos con función de caldera. .

Véase también

Literatura

Kalabekov B. A. Dispositivos digitales y sistemas de microprocesador - M .: Telecom, 2000
Potemkin I. S. Unidades funcionales de automatización digital - M .: Energoatomizdat, 1988, p. 166-206.
Martynov D.V. Directrices para el trabajo de laboratorio 1 - RGU NiG, 2000, p. 1-15

Enlaces

↑ 1 2 3 Tietze W. Shenk K. Circuitos semiconductores. Mir, 1982. págs. 292, figura. 17.36. . Fecha de acceso: 21 de diciembre de 2017. Archivado desde el original el 22 de diciembre de 2017. (indefinido)
↑ 1 2 3 CircuitLab. Schmitt-Trigger con histéresis configurable . Consultado el 14 de diciembre de 2012. Archivado desde el original el 23 de octubre de 2015. (indefinido)
↑ 1 2 3 Desarrollador electrónico. Schmitt-Trigger mit Präziser Hysterese . Consultado el 14 de diciembre de 2012. Archivado desde el original el 15 de julio de 2013. (indefinido)
↑ Otto H. Schmitt Un disparador termoiónico. Journal of Scientific Instruments 15 (enero de 1938): 24-26.
↑ Desarrollador electrónico. Schmitt-Trigger con amplificador operacional/comparador . Fecha de acceso: 14 de diciembre de 2012. Archivado desde el original el 28 de diciembre de 2012. (indefinido)
↑ Amplificador de detección/comparador de doble diferencial de alta velocidad NE521 . Consultado el 15 de agosto de 2016. Archivado desde el original el 22 de agosto de 2016. (indefinido)
↑ Regulador de voltaje clave en un gatillo Schmitt de precisión con un gatillo RS . Consultado el 12 de agosto de 2016. Archivado desde el original el 22 de agosto de 2016. (indefinido)
↑ Stepanenko I.P. Fundamentos de la teoría de transistores y circuitos de transistores, ed. 3º, revisado. y adicional M., "Energía", 1973. 608 p. de enfermo Página 481. . Consultado el 2 de septiembre de 2020. Archivado desde el original el 3 de marzo de 2022. (indefinido)
↑ Kitaev V. E., Bokunyaev A. A., Kolkanov M. F. Fuente de alimentación de dispositivos de comunicación. - M.: Comunicación, 1975. - S. 196-207. — 328 pág. — 24.000 copias. . Consultado el 2 de septiembre de 2020. Archivado desde el original el 7 de febrero de 2018. (indefinido)