Расширение возможностей триггера Шмитта с помощью резистивной цепочки

В схеме на Рисунке 1 показан знакомый метод преобразования низкоуровневого аналогового сигнала в цифровую форму. Резисторы R₁ и R₂ устанавливают на входе инвертора с триггером Шмитта постоянный уровень сигнала в состоянии покоя, примерно равный середине петли гистерезиса. Конденсатор C₁ удаляет постоянную составляющую из входного сигнала V_IN, так что входной сигнал триггера Шмитта V_I центрируется на уровне середины петли гистерезиса. Если сигнал V_IN достаточно велик, чтобы пересечь пороговый уровень микросхемы IC₁, выходной сигнал V_OUT обеспечит точное цифровое представление V_IN. К сожалению, схеме присущ ряд недостатков. Наличие разделительного конденсатора C₁ не позволяет установить желаемые пороги переключения для сигнала V_IN. Кроме того, для низкочастотных сигналов емкость C₁ должна быть очень большой, чтобы не допустить их нежелательного ослабления. Помимо этого, если V_IN имеет случайный период или асимметричен во времени (например, последовательность импульсов с низким коэффициентом заполнения), сигнал V_I будет изменяться несимметрично относительно уровня покоя и может не пересечь один из порогов IC₁. Все эти проблемы можно решить, заменив C₁ резистором, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 1.	Эта схема на триггере Шмитта полезна дляпреобразования сигнала переменного тока в цифровую форму.

 

Рисунок 2.	Исключение входного конденсатора устраняет проблемы асимметричных входных сигналов.

R₁ и параллельная комбинация R₂ и R₃ на Рисунке 2 действуют как аттенюатор, позволяющий микросхеме IC₁ переключаться при определенных, задаваемых пользователем уровнях постоянного напряжения, которые могут быть намного выше, чем пороги переключения IC₁. Более того, R₂ и R₃ вносят смещение, которое, если это необходимо, позволяет нижнему порогу V_IN быть отрицательным. Сопротивления R₁ и R₂ связаны с R₃ следующими формулами:

где

V_P и V_N – требуемые значения верхнего и нижнего порогов для сигнала V_IN, соответственно;
V_TU и V_TL – верхний и нижний пороги переключения триггера Шмитта.

Измерив V_TU и V_TL для конкретного инвертора Шмитта и выбрав подходящее сопротивление для R₃, можно рассчитать соответствующие величины R₁ и R₂. Схема работоспособна практически с любыми значениями V_P и V_N. Единственное ограничение состоит в том, что гистерезис (V_P – V_N) должен быть значительно больше, чем гистерезис IC₁ (V_TU – V_TL); в противном случае формулы могут дать отрицательные значения сопротивлений. Использование в качестве IC₁ КМОП микросхем (например, 74HC14, 74AC14, 4093B или 40106B), позволяет выбирать большие сопротивления резисторов, чтобы обеспечить высокое входное сопротивление.

Рисунок 3.	Цепочка с потенциометром решает проблему большого разброса параметров компонентов.

В случаях, когда измерять точные значения V_TU и V_TL неудобно, можно заменить R₁ и R₂ переменными резисторами, чтобы компенсировать наихудший разброс V_TU и V_TL. Однако из-за сильного влияния R₂ и R₃ на выбор R₁ расширяется диапазон необходимых сопротивлений R₂, что приводит к большому разбросу сопротивлений эквивалентного параллельного соединения R₂-R₃ и, в свою очередь, еще больше расширяет диапазон значений R₁. Замена R₂ и R₃ цепочкой с потенциометром, как показано на Рисунке 3, позволяет решить проблему «разброса». Поскольку с изменением R₃ теперь изменяется и R₂, диапазон сопротивлений параллельной пары R₂-R₃ и, следовательно, R₁ становится уже. Такое усовершенствование приводит к довольно существенному усложнению формул, связывающих переменные. Однако можно упростить ситуацию, заметив, что для конкретного КМОП инвертора Шмитта каждый из его порогов составляет постоянную долю напряжения питания VS. Следовательно, выражения для порогов можно записать как V_TU = U_VS и V_TL = L_VS, где U и L – соответствующие доли V_S. В результате этих упрощений получаются следующие формулы:

и

Процедура проектирования состоит в том, чтобы выбрать желаемые значения V_S, V_P и V_N, а затем рассчитать R₁, R₂ и R₃ в терминах RX для наихудшего разброса U и L. Затем можно соответствующим образом масштабировать сопротивления R₁, R₂ и R₃. В качестве примера предположим, что необходимо установить значение V_P равным 6 В, а V_N равным –7.5 В, используя микросхему 74HC14, работающую от источника питания 5 В. Хотя микросхемы различных производителей не совсем одинаковы, «типовой» разброс пороговых напряжений 74HC14 при питании от шины 5 В дает следующие значения: U = 0.5…0.7 и L = 0.2…0.44. Этими значениями обусловлены ограничения ширины петли гистерезиса: от (U-L) = 0.09 (минимум) до (U-L) = 0.5 (максимум). Интуитивно можно увидеть, что сопротивление R₁ максимально, когда гистерезис IC₁ мал, а сопротивление параллельно соединенных R₂ и R₃ велико. Такая ситуация возникает, когда IC₁ имеет узкую петлю гистерезиса с центром примерно на уровне V_S/2. В этом примере максимальное значение R₁ составляет 7.25R_X при L = 0.435 и U = 0.525. И наоборот, сопротивление R₁ минимально, когда гистерезис IC₁ велик, а сопротивление параллельно соединенных R₂ и R₃ мало. Так получается, если L = 0.2 и U = 0.7, и тогда R₁ = 1.067R_X. Диапазон изменения сопротивления потенциометра R_P должен позволять устанавливать любое значение напряжения V_I в состоянии покоя – от минимального уровня середины петли гистерезиса (когда L и U одновременно минимальны) до максимального уровня середины петли гистерезиса (когда и L, и U максимальны). В этом примере R₂ = 0.4125R_X и R₃ = 0.5875R_X (когда L = 0.2 и U = 0.5) и R₂ = 0.6467R_X и R₃ = 0.3533R_X (когда L = 0.44 и U = 0.7). Полагая, что используются резисторы с допуском ±1% и потенциометры с допуском ±10%, можно с достаточным запасом учесть требуемый разброс сопротивлений R₂ и R₃, выбрав R_A = 1.1 кОм, R_P = 1 кОм и R_B = 1.3 кОм. Соответствующий диапазон значений R₁ (с учетом допуска самого R_X) составляет от 3.495 кОм до 25.549 кОм. Получить такой диапазон можно, последовательно подключив резистор 3.3 кОм к параллельной цепочке, состоящей из потенциометра 50 кОм и резистора 51 кОм.

Рисунок 4.	Эти осциллограммы показывают чистое гистерезисное переключение при треугольном входном сигнале.

Фотография экрана осциллографа на Рисунке 4 иллюстрирует работу схемы, когда V_IN представляет собой последовательность треугольных импульсов размахом ±10 В. Поочередно регулируя два потенциометра, мы заставили схему переключаться при входных напряжениях V_IN, равных 6 В и –7.5 В. Несмотря на взаимное влияние потенциометров, можно, проявив немного терпения, довольно легко установить пороговые значения. Хотя схема не предназначена для прецизионных приложений, она расширяет функциональные возможности различных инверторов Шмитта и позволяет реализовать положительные и отрицательные пороги в несколько десятков или даже сотен вольт. Более того, схема позволяет порогу V_N быть положительным при условии, что V_P достаточно превышает V_N, чтобы избежать отрицательных значений сопротивления. При выборе подходящих устройств для IC₁ схема может работать на частотах более 10 МГц. 74AC14 или 74HC14 имеют времена отклика всего в несколько наносекунд и выходы rail-to-rail. Для улучшения характеристик на высоких частотах применяйте низкоомные резисторы, шунтируйте R₁ подстроечным конденсатором для частотной коррекции или используйте и то, и другое. Наконец, для защиты входов IC₁ от повышенных напряжений добавьте ограничительные диоды Шоттки, как показано на Рисунке 3.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments CD74HC14