Три́ггер Шми́тта — двухпозиционный релейный (переключающий) элемент, статическая характеристика которого имеет зону неоднозначности — петлю гистерезиса.
В узком смысле триггер Шмитта — электронное устройство, в более широком смысле — любой переключающий элемент с гистерезисом, реализованный на любых физических принципах — электромеханические устройства, пневматические, чисто механические.
Фазовая траектория (статическая характеристика) триггера Шмитта представляет собой характеристику переключателя, но с прямоугольной петлёй гистерезиса. Неоднозначность статической характеристики при входном сигнале, величина которого находится между порогами переключения, позволяет утверждать, что триггер Шмитта, как и другие триггеры, обладает свойством памяти — его состояние в зоне неоднозначности (состояние хранения записанной информации) определяется предысторией — ранее действовавшим входным сигналом.
Схемотехнически электронный триггер Шмитта представляет собой объединение двух устройств: двухпорогового компаратора и явно или неявно присутствующего RS-триггера.
В реализации, называемой «прецизионный триггер Шмитта» или, иногда, называемый более длинно — «прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером», двухпороговый компаратор и RS-триггер присутствуют явно, причём двухпороговый компаратор выполнен в виде двух однопороговых компараторов с разными порогами.
В иной реализации, называемой «Триггер Шмитта с обратной связью» или «Компаратор с гистерезисом», двухпороговый компаратор схемно образуется из однопорогового компаратора с переключаемым посредством положительной обратной связи порогом, причём в одном состоянии компаратора формируется уровень верхнего порога переключения, а в другом — уровень нижнего порога переключения. Эта же положительная обратная связь организует из того же одного компаратора и неявный RS-триггер.
Электронные триггеры Шмитта используются для восстановления двухуровневого цифрового сигнала, искажённого в линиях связи помехами и искажениями, в фильтрах дребезга контактов, в качестве двухпозиционного регулятора в системах автоматического регулирования, в двухпозиционных стабилизаторах-регуляторах напряжения, в релаксационных автогенераторах. Триггер Шмитта выделяется в семействе электронных триггеров: он имеет один аналоговый вход и один выход с двумя выходными уровнями.
Существуют электромеханические и механические устройства с гистерезисом, по сути являющиеся функциональными аналогами триггера Шмитта, образуемым механически перемещаемыми деталями. Например, обычное электромеханическое реле является неэлектронным функциональным аналогом триггера Шмитта. Такие триггеры применяются в регуляторах температуры холодильников различных электронагревательных приборов (утюгов, масляных обогревателей, в стабилизаторах давления компрессоров и т. п.), в автоматическом оружии.
История Электронный триггер Шмитта, реализованный на электровакуумных триодах, изобрёл американский биофизик и инженер Отто Герберт Шмитт в 1934 году, будучи в то время студентом-практикантом. В 1937 году Шмитт описал его в своей докторской диссертации под названием «термионный триггер», написанной им по результатам изучения распространения нервных импульсов в нервной системе кальмаровOtto H. Schmitt A Thermionic Trigger. Journal of Scientific Instruments 15 (January 1938): 24-26..
Варианты реализации триггера
Прецизионный триггер Шмитта Триггер Шмитта представляет собой RS-триггер, управляемый одним входным аналоговым сигналом, с двумя разными напряжениями переключения в два различных состояния. Прецизионным его называют потому, что пороги переключения задаются независимо и точность этих порогов зависит только от точности порогов переключения входных одновходовых компараторов. Обычно состояния выходного сигнала триггера обозначаются символами «0» и «1», причём, напряжение переключения в «1» выше напряжения переключения в «0». При входном напряжении находящемся между напряжениями переключения триггер Шмитта находится в состоянии хранения ранее записанной в него информации и его выходной сигнал определяется предысторией изменения входного сигнала.
Триггеры Шмитта с RS-триггером не имеют обратной связи с выхода на аналоговый вход. Они состоят из двухпорогового компаратора, в котором сравниваются два раздельно устанавливаемых напряжения порогов переключения с входным сигналом. Переключение триггера в состояние «0» и в состояние «1» происходит от выходных сигналов однопороговых компараторов, которые подаются на асинхронные входы установки и сброса S и R RS-триггера.
Триггер Шмитта с обратной связью
В вариантах триггера с обратной связью, обратная связь используется и для переключения напряжения порога сравнения в обычном компараторе, который имеет порог переключения равным нулю, превращая его одновременно в двухпороговый компаратор с разными порогами и в RS-триггер на одном и том же однопороговом компараторе. При высоком напряжении (состояние логической «1») на выходе компаратора, обратная связь снижает напряжение порога переключения по входу Input, так как суммируется входным сумматором с входным сигналом, для того, чтобы напряжение на входе компаратора, равное выходному напряжению сумматора, стало равным нулю, входное напряжение должно стать отрицательным и равным по модулю выходному напряжению компаратора, находящегося в состоянии логической «1». Соответственно, при низком напряжении на выходе компаратора (состояние логического «0») на выходе компаратора обратная связь увеличивает напряжение порога переключения.
В такой структуре затруднены раздельная и независимая установка порогов срабатывания. Кроме того, при входном напряжении, значение которого лежит между порогами переключения, то есть в зоне неоднозначности, принудительная установка триггера в заданное состояние требует применения дополнительных компонентов.
Варианты исполнения триггеров Шмитта
Прецизионный триггер Шмитта
Прецизионный триггер Шмитта, иногда более длинно называемый «прецизионным триггером Шмитта с RS-триггером», состоит из двухпорогового компаратора, выполненного на двух обычных компараторах с двухуровневым выходом (двоичным выходом), который делит весь диапазон входных напряжений на три части — первый — ниже нижнего порога, второй — между порогами и третий — выше верхнего порога, и RS-триггера, переключение которого происходит при выходе входного напряжения из второго диапазона — между нижним и верхним порогами переключения.
Существует ряд микросхем разных изготовителей, содержащих в себе два аналоговых однопороговых компаратора и логические вентили для организации внешними перемычками между выводами в микросхеме встроенного RS-триггера, например, микросхема NE521.
Другая популярная микросхема, интегральный таймер 555, также выпускаемый очень многими изготовителями микросхем (отечественные аналоги микросхемы — КР1006ВИ1, КР1008ВИ1), содержит в себе все элементы прецизионного триггера Шмитта. Так, при объединении входов микросхемы «THRES» и «TRIG» будет выполнять функцию инвертирующего триггера Шмитта. Недостаток этой микросхемы в случае применения её в качестве триггера Шмитта — невозможность произвольного задания порогов переключения, которые жестко определяются внутренним резистивным делителем напряжения и составляют приблизительно треть от напряжения питания микросхемы для нижнего порога переключения и 2/3 для верхнего порога переключения.
Прецизионный триггер Шмитта удобен для построения схем двухпозиционных ключевых стабилизаторов напряжения, температуры, уровня жидкости, оборотов двигателей, реле-регуляторов и др.
Электромеханическим аналогом прецизионного триггера Шмитта с ключевым исполнительным элементом является электромеханическое реле.
Другими электромеханическими или механическими аналогами прецизионного триггера Шмитта являются переключатели с тремя положениями рычага управления и с двумя выходными состояниями, в которых рычаг управления в состоянии хранения записанной в RS-триггер информации находится в среднем положении, а переключение происходит только при отклонении рычага управления от среднего положения. Например, джойстик в некоторых мобильных телефонах.
Троичный прецизионный триггер Шмитта Наряду с двоичным прецизионным триггером Шмитта возможны и прецизионные триггеры Шмитта большей значности. Например, троичный прецизионный триггер Шмитта, четверичный прецизионный триггер Шмитта и прецизионные триггеры Шмитта ещё большей значностиТроичный прецизионный триггер Шмитта https://andserkul.narod.ru/TernaryPrecisionSchmittTrigger.pdf .
Программная реализация триггера Шмитта В «программном прецизионном триггере Шмитта» двумя однопороговыми компараторами являются два оператора ЕСЛИ-ТО, а состояние RS-триггера хранит некоторая переменная, например, нулевой разряд (бит) целой переменной, или некоторая булевая переменная, принимающая значения «ЛОЖЬ» и «ИСТИНА».
При логических элементах с одинаковыми временами задержки любой аппаратный триггер Шмитта имеет значительно большее быстродействие (tзадержки ≈ 3dt, где dt — время задержки в одном логическом вентиле), чем программный. Кроме этого, в аппаратном триггере Шмитта процесс сравнения происходит одновременно по двум цепочкам двумя компараторами параллельно, а в программном триггере Шмитта в однопоточных процессорах две операции сравнения с двумя порогами происходят последовательно. Время исполнения кода программного триггера Шмитта несколько увеличивается, если язык программирования не поддерживает безусловный переход на метку, в этом случае с данными Вход < Нижний_порог исполняется второй оператор сравнения. Если язык программирования поддерживает безусловный переход, то в случаях при Вход < Нижний_порог обходятся проходы второго оператора ЕСЛИ, как показано в примере псевдокода.
Пример псевдокода неинвертирующего триггера Шмитта: Вход, Верхний_порог, Нижний_порог - вещественные; //Верхний_порог > Нижний_порог Триггер - булевая; Задание значений Верхний_порог, Нижний_порог; Триггер := 0; //Обозначения булевой переменной: 0 и 1 это "ЛОЖЬ" и "ИСТИНА" соответственно ЦИКЛ //Например, тут можно вставить условие выхода из цикла ВВОД Вход; ЕСЛИ Вход < Нижний_порог ТО Триггер := 0; ПЕРЕХОД НА METKA1; КОНЕЦ ЕСЛИ; ЕСЛИ Вход > Верхний_порог ТО Триггер := 1; КОНЕЦ ЕСЛИ; МЕТКА1: ВЫВОД Триггер; КОНЕЦ ЦИКЛА;
Триггер Шмитта с обратной связью на аналоговый вход
На аналоговых элементах
Пример реализации триггера Шмитта на двух транзисторах приведён на рисунке. В этой схеме каскад на транзисторе T1 является простейшим компаратором. Положительная обратная связь осуществляется с эмиттера второго транзистора на эмиттер первого транзистора, для сигнала обратной связи первый транзистор работает в режиме с общей базой.
В современной аналоговой схемотехнике триггеры Шмитта обычно выполняются на операционном усилителе в режиме компаратора, охваченного резистивной положительной обратной связью, двухуровневый выходной сигнал которого, по этой же обратной связи, с некоторым запаздыванием, определяемым сопротивлением резистора обратной связи и распределённой и паразитной входной ёмкостью компаратора, изменяет напряжение сравнения компаратора. В результате этого для входного напряжения компаратор становится двухпороговым, с двумя разными входными напряжениями переключения в два состояния. Благодаря положительной обратной связи в статической характеристике устройства формируется петля гистерезиса, то есть устройство приобретает свойства триггера.
В триггере Шмитта с обратной связью после переключения триггера существует интервал, на котором действует предыдущее значение напряжения сравнения до прихода сигнала переключения напряжения сравнения по цепи обратной связи. Если на этом интервале произойдёт внезапное изменение входного сигнала в противоположную сторону, то триггер переключится по предыдущему напряжению сравнения, то есть преждевременно.
На цифровых логических элементах