Перейти к содержанию

Гистерезис и триггер Шмитта

Гистерезис в электронике — разница между порогами переключения вверх и вниз. Схема с гистерезисом переключается в единицу при одном напряжении, а обратно в ноль — при другом, более низком, и поэтому не дребезжит на медленном или шумном сигнале.

Обновлено Редакция GAW

Гистерезис (hysteresis) в электронике — свойство пороговой схемы переключаться при разных напряжениях в зависимости от направления: в единицу — при верхнем пороге VTH, обратно в ноль — при нижнем VTL. Разница VTH − VTL и есть ширина гистерезиса. Схема с гистерезисом называется триггером Шмитта (Schmitt trigger). Без гистерезиса медленно меняющийся или зашумлённый сигнал рядом с порогом переводит выход туда и обратно много раз, и вместо одного фронта получается пачка.

Как получают гистерезис

В компараторе гистерезис создают положительной обратной связью: часть выходного напряжения через резистор R3 возвращается на неинвертирующий вход, и порог сдвигается вслед за выходом. Microchip в DS41215C (TIP #3) приводит расчёт: сначала средний порог и делитель R1–R2, затем резистор обратной связи

DR=VTH−VTLVDD,R3=REQ(1DR−1)DR = \frac{V_{TH} - V_{TL}}{V_{DD}}, \qquad R_3 = R_{EQ} \left( \frac{1}{DR} - 1 \right)

где REQ — эквивалентное сопротивление делителя R1 ∥ R2. Для порогов 3,0 и 2,5 В при питании 5 В получаются R1 = 8,2 кОм, R2 = 10 кОм и R3 = 39 кОм. Полный расчёт по шагам, особенности выхода с открытым коллектором у LM393 и оконный компаратор — в статье «Компаратор»; пару резисторов делителя подберёт калькулятор делителя напряжения.

Гистерезис в микроконтроллерах

ГдеГистерезисДокумент
Цифровой вход STM32F103200 мВ; у выводов FT 5 % VDD, не меньше 100 мВDS5319, табл. 36
Встроенный компаратор STM32F072программируется, до 31 мВ тип.DS9826, табл. 61

Входной триггер Шмитта цифровых выводов работает во всех цифровых режимах, подробнее — в статье о GPIO STM32. Медленный фронт, для которого гистерезис особенно важен, типичен для линий с открытым стоком, где единицу медленно поднимает подтягивающий резистор.

Частые вопросы

Зачем нужен гистерезис?

Когда напряжение медленно проходит через порог, шум успевает несколько раз перевести его через порог туда и обратно, и выход вместо одного фронта выдаёт пачку. Гистерезис делает два порога: пока выход в единице, порог поднят, после переключения — опущен. Если разница порогов больше размаха шума, на каждое пересечение приходится ровно одно переключение.

Что такое триггер Шмитта?

Пороговая схема с гистерезисом: компаратор или логический вход, у которого порог включения выше порога выключения. Такой вход превращает медленный или зашумлённый сигнал в чистые фронты. Триггер Шмитта стоит на входах большинства микроконтроллеров: у STM32F103 гистерезис входа — 200 мВ, у выводов, допускающих 5 В, — 5 % VDD, но не меньше 100 мВ.

Спасает ли гистерезис от дребезга кнопки?

Не полностью. Гистерезис убирает многократные переключения от шума на медленном фронте, но контакты кнопки при замыкании сами по себе несколько раз размыкаются и замыкаются. Для кнопки нужна RC-цепь перед входом с триггером Шмитта или программная задержка, которая игнорирует повторные фронты в течение времени дребезга.

Источники

  1. Microchip. Comparator Tips 'n Tricks (DS41215C) — TIP #3: гистерезис, уравнения 3-1…3-5, пример с порогами 3,0 и 2,5 В при 5 В
  2. STMicroelectronics. STM32F103x8, STM32F103xB datasheet (DS5319) — табл. 36: гистерезис входного триггера Шмитта — 200 мВ, у выводов FT 5 % VDD, не меньше 100 мВ
  3. STMicroelectronics. STM32F072x8 STM32F072xB datasheet (DS9826 Rev 6) — табл. 61: программируемый гистерезис встроенного компаратора, до 31 мВ тип.

Нашли ошибку?

Смотрите также