Регенерация цифрового сигнала

Микросхемы соединяются между собой печатными проводниками или плоскими кабелями. При прохождении цифрового сигнала по этим проводникам он неизбежно искажается. В основном это выражается в затягивании фронтов и поэтому на приемном конце его приходится восстанавливать. Кроме того, часто приходится подавать на вход цифрового устройства обычные аналоговые сигналы (например, с выхода приемника). Примерная форма сигнала на входе цифровой микросхемы приведена на рис. 4.5.

Рис.4.5. Пример сигнала на входе печатного проводника и входе цифровой микросхемы

Как видно из приведенного рисунка, сигнал на входе микросхемы может принимать любые значения, в том числе и запрещенные для цифровых микросхем. Как уже обсуждалось ранее, это может привести к выходу цифровых микросхем из строя. Кроме того, наличие глубоких провалов входного сигнала, обусловленных переходным процессом, может привести (и часто приводит) к возникновению импульсных помех на выходе приемной микросхемы.

Для того чтобы можно было обрабатывать такие сигналы, применяются специальные схемы, восстанавливающие исходные логические уровни сигнала, такие как триггеры Шмитта. Триггер Шмитта представляет собой устройство, охваченное положительной обратной связью. Наличие положительной обратной связи приводит к практически мгновенному изменению напряжения на выходе схемы при превышении входным сигналом порогового напряжения. Принципиальная схема триггера Шмитта, построенная на двух инверторах приведена на рис. 4.6.

Рис.4.6. Принципиальная схема триггера Шмитта

В этой схеме положительная обратная связь образуется двумя резисторами. Глубина обратной связи определяется соотношением между этими резисторами. То, что часть сигнала с выхода схемы триггера Шмитта подается на ее вход, приводит к тому, что вместо одного порога у нее имеется два порога. Один порог называется порогом срабатывания схемы (когда на выходе триггера Шмитта формируется единичный уровень). Второй порог называется порогом отпускания (когда на выходе триггера Шмитта формируется нулевой уровень). Из-за наличия двух порогов триггер Шмитта имеет еще одно название — схема с гистерезисом.

Наличие двух порогов отчетливо видно на рис. 4.7, где на вход триггера Шмитта подано синусоидальное напряжение. Входной и выходной сигналы исследуемой схемы на этом рисунке совмещены. В результате такого совмещения сигналов пороги срабатывания триггера Шмитта можно определить по точкам пересечения синусоиды и выходного сигнала.

Благодаря двум порогам схема нечувствительна к шумам на ее входе. Ведь если триггер Шмитта перешел в другое состояние, то для того, чтобы вернуть его в прежнее состояние нужно приложить напряжение, превышающее разность его порогов. Такое полезное свойство триггера Шмитта привело к его широкому использованию в схемах, подверженных влиянию шумов, таких как, например, шумоподавители ЧМ приемников.

Рис.4.7. Преобразование синусоидального сигнала в логический при помощи триггера Шмитта

В качестве примера можно привести сигнал на выходе компаратора (устройство с одним порогом срабатывания) при воздействии точно такого же синусоидального сигнала, как и на рис. 4.7. Эти сигналы приведены на рис. 4.8. Как видно из этого рисунка, в момент пересечения синусоидальным сигналом порогового уровня компаратора, на его выходе появляются усиленные шумы входного сигнала. Это приводит к формированию лишних импульсов на выходе схемы, что не всегда приемлемо для правильной работы цифрового устройства в целом.

Рис.4.8. Преобразование синусоидального сигнала в логический при помощи компаратора

Следует отметить, что наличие двух порогов не приводит к изменению логики работы цифровых устройств. Посмотрите внимательно на сигналы, приведенные на рис. 4.7. Если сдвинуть выходной сигнал относительно входного, то точки их пересечения совместятся на одном уровне. То есть выходной сигнал триггера Шмитта можно рассматривать просто как задержанный относительно входа усиленный и ограниченный сигнал.

Еще одно применение триггеры Шмитта нашли в качестве входных каскадов в системных шинах микропроцессоров. Мы помним, что входы цифровых микросхем нельзя «бросать» в воздухе, однако при работе на шину обязательным условием является возможность отключения источников цифровых сигналов от шины. Для того чтобы при этом входы цифровых микросхем не оставались в воздухе, все проводники в шине подключают к источнику питания или к корпусу при помощи внешних резисторов.

Использование в качестве входных каскадов, подключенных к системной шине, триггеров Шмитта, позволяет избавиться от этих внешних резисторов.

Перечисленные выше причины привели к широкому распространению триггеров Шмитта. Условно-графическое изображение триггера Шмитта приведено на рис. 4.9. Символ, изображенный на рабочем поле этого логического элемента говорит о наличии гистерезиса (разности порогов срабатывания).

Рис.4.9. Условно-графическое обозначение триггера Шмитта

В настоящее время промышленностью производится достаточно много микросхем, в которых содержится сразу несколько триггеров Шмитта. Пороги срабатывания в этих схемах установлены заранее. Например, в микросхеме 555ТЛ2 содержится сразу шесть триггеров Шмитта с разносом порогов 800 мВ.

В КМОП микросхемах пороги срабатывания и отпускания устанавливаются на трети напряжения питания. Примером подобной микросхемы может служить КМОП микросхема К1561ТЛ1, в которой содержится четыре логических элемента "2И", каждый вход которого обладает гистерезисом.

В настоящее время широко распространены микросхемы малой логики, где в одном очень маленьком корпусе, обычно с пятью выводами, размещается одиночный логический элемент. В качестве примера одиночного триггера Шмитта можно назвать микросхемы SN74AHC1G14 (триггер Шмитта с инверсией) или SN74LVC1G17 (триггер Шмитта без инверсии).