Uvod v Schmitt Trigger

Skoraj vsako digitalno vezje, ki se uporablja v sodobnih hitrih podatkovnih komunikacijah, potrebuje neko obliko Schmittovega sprožilnega delovanja na svojih vhodih.

Zakaj se uporablja Schmittov sprožilec

Glavni namen Schmittovega sprožilca tukaj je odpraviti šum in motnje na podatkovnih linijah in zagotoviti prijeten čist digitalni izhod s hitrimi prehodi robov.

Čas vzpona in padca mora biti v digitalnem izhodu dovolj nizek, da ga je mogoče uporabiti kot vhodne podatke za naslednje stopnje v tokokrogu. (Veliko IC ima omejitve vrste prehoda roba, ki se lahko pojavijo na vhodu.)

Glavna prednost Schmittovih sprožilcev je ta, da očistijo hrupne signale, hkrati pa ohranijo visoko stopnjo pretoka podatkov, za razliko od filtrov, ki lahko filtrirajo šum, vendar hitrost upočasnijo.

Schmittove sprožilce pogosto najdemo tudi v vezjih, ki potrebujejo valovno obliko s počasnimi prehodi robov, ki jo je treba pretvoriti v digitalno valovno obliko s hitrimi, čistimi prehodi robov.

Schmittov sprožilec lahko pretvori skoraj vsako analogno valovno obliko - na primer sinusni ali žagasti - v digitalni signal ON-OFF s hitrimi prehodi robov. Schmittovi sprožilci so aktivne digitalne naprave z enim vhodom in enim izhodom, na primer medpomnilnik ali pretvornik.

Med delovanjem je lahko digitalni izhod visok ali nizek in ta izhod spremeni stanje šele, ko njegova vhodna napetost presega ali pod dvema prednastavljenima pragovoma. Če se zgodi, da je izhod nizek, se izhod ne bo spremenil v visok, razen če vhodni signal preseže določeno zgornjo mejno vrednost.

Če je izhod visok, se izhod ne bo spremenil v nizek, dokler vhodni signal ne bo pod določeno spodnjo mejno mejo.

Spodnji prag je nekoliko nižji od zgornje meje. Na vhod se lahko uporabi kakršna koli valovna oblika (sinusoidni valovi, žage, zvočni valovi, impulzi itd.), Če je njegova amplituda v območju delovne napetosti.

Diagarm za razlago Schmittovega sprožilca

Spodnji diagram prikazuje histerezo, ki izhaja iz zgornjih in spodnjih vrednosti praga vhodne napetosti. Kadar koli je vhod nad zgornjo mejno vrednostjo, je izhod visok.

Ko je vhod pod spodnjim pragom, je izhod nizek in kadar je napetost vhodnega signala med zgornjo in spodnjo mejno vrednostjo, izhod ohrani svojo prejšnjo vrednost, ki je lahko visoka ali nizka.

Razdalja med spodnjim in zgornjim pragom se imenuje histerezna reža. Izhod vedno ohrani svoje prejšnje stanje, dokler se vhod ne spremeni dovolj, da se sproži njegova sprememba. To je razlog za oznako 'sprožilec' v imenu.

Schmittov sprožilec deluje na enak način kot bistabilno vezje zapaha ali bistabilni multivibrator, saj ima notranji 1-bitni pomnilnik in spreminja svoje stanje glede na pogoje sprožilca.

Uporaba serije IC 74XX za delovanje Schmittovega sprožilca

Texas Instruments zagotavlja Schmittove sprožilne funkcije v skoraj vseh svojih tehnoloških družinah, od stare družine 74XX do najnovejše družine AUP1T.

Te IC so lahko pakirane s Schmittovim sprožilcem, ki se obrača ali ne. Večina Schmittovih sprožilnih naprav, kot je 74HC14, ima mejne vrednosti pri fiksnem razmerju Vcc.

To lahko ustreza večini aplikacij, včasih pa je treba mejne vrednosti spremeniti glede na pogoje vhodnega signala.

Na primer, obseg vhodnega signala je lahko manjši od fiksne reže histereze. Mejne vrednosti lahko spremenite v IC-jih, kot je 74HC14, tako da upor z negativnimi povratnimi informacijami povežete z izhoda na vhod skupaj z drugim uporom, ki povezuje vhodni signal z vhodom naprave.

To zagotavlja pozitivne povratne informacije, potrebne za histerezo, in histerezno vrzel lahko zdaj prilagodite s spreminjanjem vrednosti dveh dodanih uporov ali s pomočjo potenciometra. Upori bi morali imeti dovolj veliko vrednost, da bi bila vhodna impedanca na visoki ravni.

Schmittov sprožilec je preprost koncept, vendar so ga izumili šele leta 1934, medtem ko je bil ameriški znanstvenik z imenom Otto H. Schmitt še podiplomski študent.

O Ottu H. Schmittu

Ni bil inženir elektrotehnike, saj so se njegove študije osredotočale na biološki inženiring in biofiziko. Prišel je na idejo o Schmittovem sprožilcu, ko je poskušal izdelati napravo, ki bi posnemala mehanizem širjenja nevronskih impulzov v lignjevih živcih.

Njegova disertacija opisuje 'termični sprožilec', ki omogoča pretvorbo analognega signala v digitalni signal, ki je bodisi vklopljen ali izklopljen ('1' ali '0').

Komaj je vedel, da večja elektronska podjetja, kot so Microsoft, Texas Instruments in NXP Semiconductors, ne bi mogla obstajati, kot so danes, brez tega edinstvenega izuma.

Schmittov sprožilec se je izkazal za tako pomembnega izuma, da se uporablja v vhodnih mehanizmih skoraj vseh digitalnih elektronskih naprav na trgu.

Kaj je Schmittov sprožilec

Koncept Schmittovega sprožilca temelji na zamisli o pozitivnih povratnih informacijah in na dejstvu, da lahko katero koli aktivno vezje ali napravo deluje tako kot Schmittov sprožilec z uporabo pozitivnih povratnih informacij, tako da je dobiček v zanki večji od ena.

Izhodna napetost aktivne naprave je oslabljena za določeno količino in uporabljena kot pozitivna povratna informacija na vhod, ki učinkovito doda vhodni signal oslabljeni izhodni napetosti, kar ustvari histerezno delovanje z zgornjimi in spodnjimi vrednostmi praga vhodne napetosti.

Večina standardnih medpomnilnikov, pretvornikov in primerjalnikov uporablja samo eno mejno vrednost. Izhod spremeni stanje takoj, ko vhodna valovna oblika preseže ta prag v katero koli smer.

Kako deluje Schmitt Trigger

Na izhodu bi se kot niz šumnih impulzov pojavil hrupni vhodni signal ali signal s počasno valovno obliko.

Schmittov sprožilec to očisti - po izhodu spremeni stanje, ko njegov vhod prestopi prag, se spremeni tudi prag sam, zato se mora zdaj vhodna napetost premakniti dlje v nasprotno smer, da se stanje spet spremeni.

Hrup ali motnje na vhodu se na izhodu ne pojavijo, razen če je njegova amplituda večja od razlike med obema pragovnima vrednostma.

Vsak analogni signal, na primer sinusne valovne oblike ali zvočne signale, je mogoče pretvoriti v vrsto ON-OFF impulzov s hitrimi, čistimi prehodi robov.

Kako delujejo povratne informacije v Schmitt Triggerju

V prvi konfiguraciji se povratne informacije dodajo neposredno vhodni napetosti, zato se mora napetost za večjo vrednost premakniti v nasprotni smeri, da povzroči novo spremembo izhoda.

To je splošno znano kot vzporedne pozitivne povratne informacije.

V drugi konfiguraciji se odvzame povratna informacija od praga napetosti, ki ima enak učinek kot dodajanje povratne informacije vhodni napetosti.

To tvori serijsko vezje pozitivnih povratnih informacij in se včasih imenuje dinamično vezje. Uporno-delilna mreža običajno nastavi prag napetosti, ki je del vhodne stopnje.

Prva dva vezja je mogoče enostavno implementirati z uporabo enega opampa ali dveh tranzistorjev skupaj z nekaj upori. Tretja tehnika je nekoliko bolj zapletena in je drugačna po tem, da nima povratnih informacij o nobenem delu vhodne stopnje.

Ta metoda uporablja dva ločena primerjalnika za dve mejni vrednosti pragov in flip-flop kot 1-bitni pomnilniški element. Pozitivnih povratnih informacij za primerjalnike ni, ker so vsebovane v pomnilniškem elementu. Vsaka od teh treh metod je podrobneje razložena v naslednjih odstavkih.

Vsi Schmittovi sprožilci so aktivne naprave, ki se zanašajo na pozitivne povratne informacije, da bi dosegle svoje histerezno delovanje. Izhod preide na 'visoko', kadar se vhod dvigne nad določeno prednastavljeno zgornjo mejno vrednost, in gre na 'nizek', kadar vhod pade pod spodnjo mejno vrednost.

Izhod ohrani svojo prejšnjo vrednost (nizko ali visoko), ko je vhod med obema pragovoma.

Ta vrsta vezja se pogosto uporablja za čiščenje hrupnih signalov in pretvorbo analogne valovne oblike v digitalno valovno obliko (1 in 0) s čistimi, hitrimi prehodi robov.

Vrste povratnih informacij v Schmittovih sprožilnih vezjih

Obstajajo tri metode, ki se običajno uporabljajo pri izvajanju pozitivnih povratnih informacij za oblikovanje Schmittovega sprožilnega vezja. Te metode so vzporedne povratne informacije, povratne informacije o serijah in notranje povratne informacije in so obravnavane na naslednji način.

Vzporedne in serijske tehnike povratnih informacij so pravzaprav dvojne različice istega tipa povratnega vezja. Vzporedna povratna zveza Vzporedno povratno vezje včasih imenujemo spremenjeno vezje vhodne napetosti.

V tem vezju se povratne informacije dodajo neposredno vhodni napetosti in ne vplivajo na mejno napetost. Ko se povratna informacija doda vhodu, ko izhod spremeni stanje, se mora vhodna napetost premakniti za večjo vrednost v nasprotni smeri, da povzroči nadaljnje spremembe izhoda.

Če je izhod nizek in se vhodni signal poveča do točke, ko prečka mejno napetost in se izhod spremeni v visoko.

Del tega izhoda se nanaša neposredno na vhod skozi povratno zanko, ki 'pomaga', da izhodna napetost ostane v novem stanju.

To učinkovito poveča vhodno napetost, kar ima enak učinek kot znižanje praga napetosti.

Sama mejna napetost se ne spremeni, vendar se mora vhod zdaj premakniti dlje v smeri navzdol, da se izhod spremeni v nizko stanje. Ko je izhod nizk, se ta isti postopek ponovi, da se vrne v visoko stanje.

Za to vezje ni treba uporabljati diferencialnega ojačevalnika, saj bo deloval kateri koli enosmerni neinvertirni ojačevalnik.

Vhodni signal in izhodna povratna informacija se prek uporov nanašata na neinvertirajoči vhod ojačevalnika in ta dva upora tvorita tehtano vzporedno poletje. Če obstaja invertirni vhod, je nastavljen na konstantno referenčno napetost.

Primeri vzporednih povratnih tokokrogov so Schmittovo sproženo vezje na kolektorsko bazo ali neinvertirajoče vezje op-amp, kot je prikazano:

Povratne informacije o serijah

Vezje dinamičnega praga (serijske povratne informacije) deluje v bistvu na enak način kot vzporedno vezje, le da povratne informacije z izhoda neposredno spremenijo mejno napetost namesto vhodne napetosti.

Povratne informacije se odštejejo od mejne napetosti, kar ima enak učinek kot dodajanje povratne informacije vhodni napetosti. Takoj ko vhod preseže mejno vrednost praga, se pragovna napetost spremeni v nasprotno vrednost.

Vhod se mora zdaj spremeniti v večji meri v nasprotni smeri, da se ponovno spremeni stanje izhoda. Izhod je ločen od vhodne napetosti in vpliva samo na prag napetosti.

Zato je vhodni upor za to serijsko vezje lahko veliko večji kot pri vzporednem vezju. To vezje običajno temelji na diferenčnem ojačevalniku, kjer je vhod povezan z invertirnim vhodom, izhod pa z nerezvertirnim vhodom prek uporovnega napetostnega delilnika.

Napetostni delilnik nastavi mejne vrednosti in zanka deluje kot serijsko napetostno poletje. Primeri te vrste so klasični Schmittov sprožilec, povezan s tranzistorskim oddajnikom, in obrnjeno vezje op-amp, kot je prikazano tukaj:

Notranje povratne informacije

V tej konfiguraciji se Schmittov sprožilec ustvari z uporabo dveh ločenih primerjalnikov (brez histereze) za dve mejni vrednosti.

Izhodi teh primerjalnikov so povezani z nastavljenimi in ponastavljenimi vhodi RS flip-flopa. Pozitivne povratne informacije se nahajajo v flip-flopu, zato primerjalcem ni povratnih informacij. Izhod RS-flip-flopa se preklopi visoko, ko gre vhod nad zgornji prag, in preklopi nizko, ko vhod pade pod spodnji prag.

Ko je vhod med zgornjim in spodnjim pragom, izhod ohrani prejšnje stanje. Primer naprave, ki uporablja to tehniko, je 74HC14 proizvajalcev NXP Semiconductors in Texas Instruments.

Ta del je sestavljen iz primerjalnika zgornjega praga in primerjalnika spodnjega praga, ki se uporabljata za nastavitev in ponastavitev RS flip-flopa. Sprožilec 74HC14 Schmitt je ena izmed najbolj priljubljenih naprav za povezovanje signalov iz resničnega sveta z digitalno elektroniko.

Mejni vrednosti v tej napravi sta nastavljeni na fiksno razmerje Vcc. To zmanjša število delov in ohranja vezje preprosto, vendar je včasih treba spremeniti mejne vrednosti za različne vrste pogojev vhodnega signala.

Na primer, obseg vhodnega signala je lahko manjši od fiksnega razpona napetosti histereze. Mejne vrednosti lahko v 74HC14 spremenite tako, da z izhoda na vhod povežete negativni povratni upor in še en upor, ki vhodni signal poveže z vhodom.

To učinkovito zmanjša določenih 30% pozitivnih povratnih informacij na neko nižjo vrednost, na primer 15%. Pomembno je, da za to uporabite upore visoke vrednosti (Mega-Ohmov razpon), da ohranite vhodni upor visok.

Prednosti Schmittovega sprožilca

Schmittovi sprožilci služijo svojemu namenu v vseh vrstah hitrih podatkovnih komunikacijskih sistemov z neko obliko digitalne obdelave signalov. Pravzaprav imajo dvojni namen: čiščenje hrupa in motenj na podatkovnih linijah, obenem pa ohranjajo visoko hitrost prenosa podatkov, in pretvorba naključne analogne valovne oblike v ON-OFF digitalno valovno obliko s hitrimi, čistimi robovi.

To zagotavlja prednost pred filtri, ki lahko filtrirajo šum, vendar zaradi omejene pasovne širine hitrost upočasni. Prav tako standardni filtri ne morejo zagotoviti lepega, čistega digitalnega izhoda s hitrimi prehodi robov, kadar je uporabljena počasna vhodna valovna oblika.

Ti dve prednosti Schmittovih sprožilcev so podrobneje razloženi na naslednji način: Vhodi hrupnih signalov Učinki hrupa in motenj so glavni problem v digitalnih sistemih, saj se uporabljajo daljši in daljši kabli ter so potrebne višje in višje hitrosti prenosa podatkov.

Nekateri najpogostejši načini za zmanjšanje hrupa vključujejo uporabo zaščitenih kablov, uporabo zvitih žic, ujemanje impedance in zmanjšanje izhodne impedance.

Te tehnike so lahko učinkovite pri zmanjševanju hrupa, vendar bo na vhodni liniji še vedno nekaj hrupa, ki bi lahko sprožil neželene signale znotraj vezja.

Večina standardnih medpomnilnikov, pretvornikov in primerjalnikov, ki se uporabljajo v digitalnih vezjih, ima na vhodu le eno mejno vrednost. Torej, izhod spremeni stanje takoj, ko vhodna valovna oblika preseže ta prag v katero koli smer.

Če naključni šumni signal večkrat preseže to mejno točko na vhodu, bo na izhodu viden kot niz impulzov. Na izhodu se lahko pojavi valovna oblika s počasnimi prehodi robov kot niz nihajočih impulzov hrupa.

Včasih se za zmanjšanje tega dodatnega šuma uporablja filter, na primer v omrežju RC. Toda vsakič, ko se na podatkovni poti uporablja takšen filter, znatno upočasni največjo hitrost prenosa podatkov. Filtri blokirajo hrup, hkrati pa tudi visokofrekvenčne digitalne signale.

Schmittovi sprožilni filtri

Schmittov sprožilec to očisti. Ko izhod spremeni svoje stanje, ko njegov vhod prestopi prag, se spremeni tudi prag sam, zato se mora vhod premakniti dlje v nasprotno smer, da povzroči še eno spremembo izhoda.

Zaradi tega učinka histereze je uporaba Schmittovih sprožilcev verjetno najučinkovitejši način za zmanjšanje težav s hrupom in motnjami v digitalnem vezju. Težave s hrupom in motnjami je običajno mogoče rešiti, če jih ne odpraviti, z dodajanjem histereze na vhodni liniji v obliki Schmittovega sprožilca.

Dokler je amplituda hrupa ali motenj na vhodu manjša od širine histerezne reže Schmittovega sprožilca, na izhod ne bo nobenih učinkov hrupa.

Tudi če je amplituda nekoliko večja, to ne bi smelo vplivati ​​na izhod, razen če je vhodni signal centriran na režo histereze. Morda bo treba prilagoditi mejne vrednosti, da se doseže največja odprava hrupa.

To je enostavno doseči s spreminjanjem vrednosti upora v omrežju s pozitivnimi povratnimi informacijami ali z uporabo potenciometra.

Glavna prednost Schmittovega sprožilca pri filtrih je ta, da ne upočasni hitrosti prenosa podatkov in ga v nekaterih primerih dejansko pospeši s pretvorbo počasnih valovnih oblik v hitre valovne oblike (hitrejši prehodi robov). Skoraj vse digitalne IC na trg danes na svojih digitalnih vhodih uporablja neko obliko Schmittovega sprožilnega delovanja (histereza).

Sem spadajo MCU-ji, pomnilniški čipi, logična vrata in tako naprej. Čeprav imajo ti digitalni IC-ji histerezo na vhodih, imajo mnogi med njimi tudi omejitve za čas naraščanja in padanja vnosa, ki so prikazani na njihovih tehničnih listih, kar je treba upoštevati. Idealni Schmittov sprožilec nima nobenih časovnih omejitev vzpona ali padca.

Počasne vhodne valovne oblike so včasih vrzel histereze premajhne ali pa obstaja le ena mejna vrednost (ne-Schmittova sprožilna naprava), pri kateri gre izhod visoko, če se vhod dvigne nad prag, izhod pa nizko, če vhodni signal pade pod to.

V takih primerih je okoli praga obrobno območje, počasen vhodni signal pa lahko zlahka povzroči nihanje ali prekomerni tok, ki lahko celo poškoduje napravo. Ti počasni vhodni signali se lahko včasih zgodijo tudi pri hitrem digitalnem vezja v pogojih vklopa ali drugih pogojih, kjer se filter (na primer RC omrežje) uporablja za dovajanje signalov na vhode.

Težave te vrste se pogosto pojavijo znotraj vezja za odbijanje ročnih stikal, dolgih kablov ali ožičenja in močno obremenjenih vezij.

Na primer, če se na medpomnilnik uporabi signal počasne rampe (integrator) in prečka eno mejno točko na vhodu, bo izhod spremenil svoje stanje (na primer iz nizkega v visoko). Ta sprožilni ukrep lahko povzroči, da se iz napajalnika za trenutek potegne dodaten tok, in nekoliko zniža raven moči VCC.

Ta sprememba bi lahko zadostovala, da bi izhod spet spremenil svoje stanje z visokega na nizko, saj medpomnilnik zazna, da je vhod spet prestopil prag (kljub vhodu, ki ostaja enak). To bi se lahko ponovilo v nasprotni smeri, zato bi se na izhodu pojavil niz nihajočih impulzov.

Uporaba Schmittovega sprožilca v tem primeru ne bo le odpravila nihanja, temveč bo počasne prehode robov prevedla v čisto serijo impulzov ON-OFF s skoraj navpičnimi robovi. Izhod Schmittovega sprožilca lahko nato uporabimo kot vhod v naslednjo napravo glede na njene značilnosti časa vzpona in padca.

(Čeprav nihanja lahko odpravimo z uporabo Schmittovega sprožilca, lahko pri prehodu še vedno obstaja presežek toka, ki ga bo morda treba popraviti drugače.)

Sprožilec Schmitt najdemo tudi v primerih, ko je treba analogni vhod, kot je sinusoidna valovna oblika, avdio valovna oblika ali žagasta valovna oblika, pretvoriti v kvadratni val ali drugo vrsto ON-OFF digitalnega signala s hitrimi prehodi robov.