В 1938 году журнал Journal of Scientific Instruments опубликовал подробное описание компаратора, превращавшего медленно меняющийся входной сигнал в резко изменяющееся выходное напряжение. Эта схема, основанная на электронных лампах с перекрестными связями, была придумана американским ученым Отто Гербертом Шмиттом (Otto Herbert Schmitt). С тех пор триггер Шмитта стал важнейшим строительным блоком множества устройств, используемых для обработки сигналов. Обязательным свойством триггера Шмитта является наличие гистерезиса – разницы напряжений между верхним и нижним порогами переключения. Если входной сигнал пересекает оба порога, схема обрежет содержащиеся в нем шумы и сформирует на выходе прямоугольные импульсы с такой же частотой, как и на входе.
Независимо от того, делаете ли вы триггер Шмитта на транзисторах, операционных усилителях или компараторах, вы должны определить, какой уровень гистерезиса требуется в каждом конкретном случае и какими должны быть уровни порогов. Обычно это несложно, когда вам известны амплитуда входного сигнала и уровень содержащихся в нем шумов. Однако, если эти параметры непостоянны, или вообще почти неизвестны заранее, задание порогов для установки правильных уровней переключения может оказаться непростой задачей. Слишком широкий гистерезис может не позволять сигналу пересекать один или оба порога, а слишком узкий может стать причиной ложных переключений в случае, когда сигнал имеет большую шумовую составляющую.
В представленной на Рисунке 1 схеме эти проблемы решаются с помощью дополнительных цепей, которые автоматически корректируют пороги в соответствии с амплитудой входного сигнала. Компаратор IC1A совместно с аналоговым ключом IC2B и конденсатором C1 образует пиковый детектор положительных напряжений. Когда входной сигнал превысит напряжение на подключенном к инвертирующему входу компаратора конденсаторе C1, на выходе компаратора установится высокий уровень напряжения, переключающий IC2B в положение, изображенное на схеме. Детектор начинает выборку входного сигнала и увеличивает заряд, хранящийся на конденсаторе C1. Когда уровень входного сигнала опустится ниже напряжения на C1, состояние ключа изменится и, таким образом, сохраненное на конденсаторе C1 постоянное напряжение VU будет соответствовать пиковому уровню входного сигнала.
 |
|
| Рисунок 1. | Самонастраивающийся триггер Шмитта. |
В пиковом детекторе отрицательных напряжений использованы компаратор IC1B, аналоговый ключ IC2C и конденсатор C2. Эта часть схемы работает точно таким же образом, как и описанный выше детектор положительных напряжений, с тем лишь отличием, что здесь выбираются пики отрицательного напряжения, и сохраняемое на конденсаторе C2 напряжение VL соответствует нижнему пиковому уровню входного сигнала.
Резистивная цепочка R1, R2 и R3 обеспечивает путь разряда для конденсаторов выборки и, кроме того, задает верхний и нижний пороги переключения (VTU и VTL, соответственно) выходного компаратора IC4A. Сопротивления резисторов подобраны таким образом, чтобы порог VTU был чуть меньше VU, а VTL немного превосходил VL. Если мы выберем R1 = R3, то разность напряжений в процентах будет выражаться формулой
При показанных на схеме номиналах компонентов VTU будет на 5% меньше VU, а VTL на 5% больше, чем VL. таким образом, пороги постоянно подстраиваются, отслеживая амплитуду входного сигнала и его постоянное смещение. Например, сигнал с пиковой амплитудой 1 В, смещенный на постоянный уровень 2 В (то есть, VU = 2.5 В и VL = 1.5 В), установил бы пороги VTU = 2.45 В и VTL = 1.55 В. Можно заметить, что напряжение гистерезиса, выражаемое формулой
и равное в нашем случае 0.9 В, всегда будет чуть меньше пиковой амплитуды входного сигнала.
Прежде чем попасть на входы аналогового переключателя IC2A, напряжения порогов буферизуются усилителями IC3A и IC3B. Чтобы понять, как работает оконечная часть схемы, представим себе, что переключатель IC2A находится в том положении, которое изображено на схеме, то есть напряжение порога VTU поступает на инвертирующий вход компаратора, и что входной сигнал, подключенный к неинвертирующему входу, начинает рост от своего отрицательного пика. На этом отрезке времени напряжение VOUT на цифровом выходе схемы имеет низкий уровень. Как только входной сигнал пересечет порог VTU, на выходе компаратора немедленно появится высокий логический уровень, вследствие чего переключатель IC2A изменит свое состояние, и к инвертирующему входу компаратора подключится VTL. Такая положительная обратная связь, типичная для поведения триггера Шмитта, обеспечивает быстрое и чистое переключение цифрового выхода. Буферные усилители IC3A и IC3B необходимы, особенно на высоких частотах, для того, чтобы изолировать паразитную емкость инвертирующего входа IC4A, вносящую искажения в напряжения VTU и VTL при изменениях состояния IC2A.
Осциллограммы на Рисунках 2 и 3 представляют работу тестовой схемы, в которой в качестве компараторов IC1 и IC4 использовалась микросхема TLC3702 [1], а в качестве IC3 – TLC2272 [2]. Эти довольно экстремальные примеры хорошо иллюстрируют возможности схемы по обработке сильно изменяющихся входных сигналов.
Рисунок 2 соответствует случаю, когда на вход подавался синусоидальный сигнал с частотой 500 Гц и пиковой амплитудой 1.56 В, модулированный синусоидой 100 кГц с пиковой амплитудой 2.88 В. В результате формировался сигнал с амплитудой порядка 4.4 В пик-пик и постоянным смещением 2.5 В. Несмотря на то, что амплитуда «шума» почти вдвое превышала амплитуду сигнала, выход схемы четко переключался на частоте источника и никак не зависел от высокочастотной модуляции.
Рисунок 3 показывает отклик схемы на очень слабые сигналы. В этом случае входной сигнал представлял собой смещенную на постоянный уровень 400 мВ синусоиду 100 Гц с амплитудой 30 мВ пик-пик. Наличие коммутационных выбросов во входном сигнале, обусловленных несовершенством «трассировки» на беспаечной макетной плате, приводит к появлению небольшого джиттера выходного сигнала. Обратите внимание, что сигнал на Рисунке 2 в сто с лишним раз больше, чем на Рисунке 3. Фактически, если уровень входного сигнала остается в пределах разрешенного для компаратора и буферов диапазона синфазных напряжений (в нашем примере это 0 … 4 В), схема способна работать с сигналами, амплитуды которых меняются по уровню на два порядка. Единственное, что потребуется предусмотреть в случае, если постоянная составляющая сигнала выходит за пределы допустимых синфазных напряжений – это развязка по постоянному напряжению.
 |
 |
||
| Рисунок 2. | Сигнал 500 Гц с «шумовой» модуляцией. | Рисунок 3. | Малая амплитуда входного сигнала. |
Чтобы подстроиться под ожидаемый частотный диапазон, вы будете должны подобрать емкости конденсаторов C1 и C2. Для частот выше 300 Гц или около того подойдут значения порядка 100 пФ. Ниже этой величины емкости конденсаторов выборки должны быть увеличены, чтобы не допустить чрезмерных провалов напряжения в узлах VU и VL. Компараторы TLC3702 уверенно работают до частот 100 кГц, но за пределами этого диапазона вам, возможно, потребуются более быстрые устройства.
Имейте ввиду, что когда пиковый детектор положительных напряжений производит выборку входного сигнала, конденсатор C1 «глотает» на входе большую порцию заряда. При этом зарядный ток ограничен только сопротивлением открытого ключа IC2B. Аналогичный процесс происходит при детектировании отрицательных напряжений, только он затрагивает конденсатор C2 и переключатель IC2C. При большом выходном импедансе источника эти импульсы тока могут порождать пики входного сигнала, которые, в свою очередь, могут приводить к ложным переключениям. Поэтому не исключено, что для решения этой проблемы потребуется буферизация входного сигнала.
Разумеется, схема не может служить панацеей для всех импульсных приложений, но она должна оказаться полезной в тех случаях, когда вас не устраивают фиксированные пороги обычного триггера Шмитта. Будь во мне больше смелости, и если бы не опасения, что это может привести к путанице, я предложил бы назвать мою схему Smith Trigger (Триггер Смита).
Купить TLC3702 на РадиоЛоцман.Цены
