Bevezetés a Schmitt Triggerbe

Szinte minden modern áramkör, amelyet a modern, nagy sebességű adatkommunikációban használnak, valamilyen Schmitt kiváltó műveletet igényel a bemenetein.

Miért használják a Schmitt Trigger-t?

A Schmitt-trigger elsődleges célja, hogy kiküszöbölje a zajokat és az interferenciát az adatvonalakon, és szép tiszta digitális kimenetet biztosítson gyors élű átmenetekkel.

Az emelkedési és zuhanási időknek elég alacsonyaknak kell lenniük egy digitális kimenetben, hogy bemenetként alkalmazhatók legyenek az áramkör következő szakaszaiban. (Sok IC-nek vannak korlátai az élátmenet típusára vonatkozóan, amely megjelenhet egy bemeneten.)

A Schmitt kiváltó tényezőinek itt az a fő előnye, hogy tisztítják a zajos jeleket, miközben továbbra is magas adatáramot tartanak fenn, ellentétben a szűrőkkel, amelyek kiszűrhetik a zajt, de jelentősen lelassíthatják az adatsebességet.

A Schmitt-kiváltók gyakran megtalálhatók olyan áramkörökben is, amelyekhez lassú élű átmenetekkel rendelkező hullámformára van szükség, hogy gyors, tiszta élű átmenetekkel rendelkező digitális hullámformává lehessen fordítani.

A Schmitt trigger szinte bármilyen analóg hullámformát - például szinusz- vagy fűrészfog-hullámformát - ON-OFF digitális jellé alakíthat, gyors élű átmenetekkel. A Schmitt-triggerek aktív digitális eszközök, egy bemenettel és egy kimenettel, például puffer vagy inverter.

Működés közben a digitális kimenet lehet magas vagy alacsony, és ez a kimenet csak akkor változik állapotban, ha a bemeneti feszültsége két előre beállított küszöbfeszültség-határ fölé vagy alá megy. Ha a kimenet alacsony lesz, a kimenet nem változik magasra, hacsak a bemeneti jel nem lépi át a felső küszöbértéket.

Hasonlóképpen, ha a kimenet magas lesz, a kimenet nem változik alacsonyra, amíg a bemeneti jel nem esik az alsó küszöbérték alá.

Az alsó küszöb valamivel alacsonyabb, mint a felső küszöbérték. Bármilyen hullámforma alkalmazható a bemenetre (szinuszos hullámok, fűrészfogak, audio hullámformák, impulzusok stb.), Feltéve, hogy amplitúdója az üzemi feszültségtartományon belül van.

Átló a Schmitt-kiváltó ok magyarázatához

Az alábbi ábra a felső és az alsó bemeneti feszültség küszöbértékéből adódó hiszterézist mutatja. Ha a bemenet meghaladja a felső küszöbértéket, a kimenet magas.

Amikor a bemenet az alsó küszöb alatt van, a kimenet alacsony, és amikor a bemeneti jel feszültsége a felső és az alsó küszöbérték között van, a kimenet megtartja korábbi értékét, amely lehet magas vagy alacsony.

Az alsó küszöb és a felső küszöb közötti távolságot hiszterézis résnek nevezzük. A kimenet mindig megőrzi korábbi állapotát, amíg a bemenet nem változik meg kellőképpen ahhoz, hogy megváltoztassa. Ez az oka a név „trigger” megjelölésének.

A Schmitt ravasz nagyjából ugyanúgy működik, mint egy bistabil reteszes áramkör vagy egy bistabil multivibrátor, mivel belső 1 bites memóriával rendelkezik, és az állapotot a ravasztól függően változtatja meg.

Az IC 74XX sorozat használata a Schmitt kiváltó műveletekhez

A Texas Instruments szinte minden technológiai családjában biztosítja a Schmitt kiváltó funkcióit, a régi 74XX családtól kezdve a legújabb AUP1T családig.

Ezek az IC-k csomagolhatók invertáló vagy nem invertáló Schmitt triggerrel. A legtöbb Schmitt kiváltó eszköz, például a 74HC14, küszöbszintje fix Vcc arány mellett van.

Ez megfelelő lehet a legtöbb alkalmazáshoz, de néha meg kell változtatni a küszöbszinteket a bemeneti jel körülményeitől függően.

Például a bemeneti jel tartománya kisebb lehet, mint a rögzített hiszterézis rés. A küszöbszinteket úgy lehet megváltoztatni az IC-kben, mint a 74HC14, negatív visszacsatolású ellenállás kimenetről bemenetre történő csatlakoztatásával, valamint egy másik ellenállással, amely a bemeneti jelet csatlakoztatja az eszköz bemenetéhez.

Ez biztosítja a hiszterézishez szükséges pozitív visszacsatolást, és a hiszterézis rés mostantól beállítható a két hozzáadott ellenállás értékének megváltoztatásával, vagy egy potenciométer használatával. Az ellenállásoknak elég nagy értékűeknek kell lenniük ahhoz, hogy a bemeneti impedanciát magas szinten tartsák.

A Schmitt-kiváltó tényező egyszerű fogalom, de csak 1934-ben találták ki, míg egy amerikai tudós, Otto H. Schmitt néven, még mindig végzős hallgató volt.

H. Schmitt Ottóról

Nem volt villamosmérnök, mivel tanulmányai a biotechnikára és a biofizikára összpontosultak. Egy Schmitt-kiváltó ötlettel állt elő, amikor olyan eszközt próbált megtervezni, amely megismétli a kalmáridegekben az idegi impulzus terjedésének mechanizmusát.

Szakdolgozata leír egy „termionikus ravaszt”, amely lehetővé teszi az analóg jel átalakítását digitális jellé, amely vagy be, vagy ki van kapcsolva („1” vagy „0”).

Nem tudta, hogy az olyan nagy elektronikai vállalatok, mint a Microsoft, a Texas Instruments és az NXP Semiconductors, nem létezhetnek, mint manapság, ezen egyedülálló találmány nélkül.

A Schmitt ravasz olyan fontos találmánynak bizonyult, hogy gyakorlatilag minden piacon lévő digitális elektronikus eszköz bemeneti mechanizmusaiban alkalmazzák.

Mi az a Schmitt-kiváltó

A Schmitt-kiváltó koncepció fogalma a pozitív visszacsatolás gondolatán alapul, és azon a tényen, hogy bármely aktív áramkör vagy eszköz a pozitív visszacsatolás alkalmazásával úgy működhet, mint egy Schmitt-trigger, úgy, hogy a hurokerősítés nagyobb legyen, mint egy.

Az aktív eszköz kimeneti feszültségét meghatározott összeggel csillapítja, és pozitív visszacsatolásként alkalmazza a bemenetre, amely hatékonyan hozzáadja a bemeneti jelet a csillapított kimeneti feszültséghez. Ez hiszterézist eredményez a felső és az alsó bemeneti feszültség küszöbértékével.

A standard pufferek, inverterek és komparátorok többsége csak egy küszöbértéket használ. A kimenet megváltozik, amint a bemeneti hullámforma mindkét irányban átlépi ezt a küszöböt.

Hogyan működik a Schmitt Trigger

Zajos vagy lassú hullámú jel jelenik meg a kimeneten, mint zajimpulzus sorozat.

Egy Schmitt-ravaszt megtisztítja, hogy ez fenn van - miután a kimenet állapotot vált, amikor a bemenete átlép egy küszöböt, maga a küszöb is megváltozik, így most a bemeneti feszültségnek tovább kell mozognia az ellenkező irányba, hogy újra állapotot váltson.

A bemeneten zaj vagy interferencia csak akkor jelenik meg a kimeneten, ha annak amplitúdója nagyobb, mint a két küszöbérték közötti különbség.

Bármilyen analóg jel, ilyen szinuszos hullámformák vagy audiojelek, lefordíthatók az ON-OFF impulzusok sorozatává, gyors, tiszta élű átmenetekkel. Három módszer létezik a pozitív visszacsatolás megvalósítására egy Schmitt trigger áramkör kialakításához.

Hogyan működik a visszajelzés a Schmitt Triggerben

Az első konfigurációban a visszacsatolást közvetlenül a bemeneti feszültséghez adják, így a feszültségnek nagyobb mértékben kell ellenkező irányba elmozdulnia, hogy újabb változást idézzen elő a kimenetben.

Ezt általában párhuzamos pozitív visszacsatolásnak nevezik.

A második konfigurációban a visszacsatolást kivonják a küszöbfeszültségből, amelynek ugyanaz a hatása, mint a visszacsatolásnak a bemeneti feszültséghez.

Ez egy sor pozitív visszacsatolási áramkört képez, és néha dinamikus küszöbáramkörnek nevezik. Az ellenállás-osztó hálózat általában beállítja a küszöbfeszültséget, amely a bemeneti szakasz része.

Az első két áramkör könnyen megvalósítható egyetlen opamp vagy két tranzisztor, néhány ellenállás mellett. A harmadik technika egy kicsit összetettebb, és abban különbözik, hogy nincs visszajelzése a bemeneti szakasz egyetlen részéhez sem.

Ez a módszer két külön összehasonlítót alkalmaz a két küszöbérték-határértékhez és egy flip-flopot 1 bites memóriaelemként. Az összehasonlítókra nincs pozitív visszajelzés, mivel ezek a memóriaelemben találhatók. E három módszer mindegyikét a következő bekezdések részletezik.

Minden Schmitt-kiváltó eszköz aktív eszköz, amely pozitív visszacsatolásra támaszkodik hiszterézis-működésük elérése érdekében. A kimenet „magasra” vált, amikor a bemenet egy bizonyos előre beállított felső küszöbérték fölé emelkedik, és „alacsony” szintre kerül, ha a bemenet alsó küszöbérték alá esik.

A kimenet megtartja korábbi értékét (alacsony vagy magas), amikor a bemenet a két küszöbérték között van.

Ezt a fajta áramkört gyakran használják a zajos jelek megtisztítására, és az analóg hullámformát tiszta, gyors élátmenetekkel rendelkező digitális hullámformává (1 és 0) alakítják.

Visszajelzés típusai a Schmitt kiváltó áramkörökben

Három módszert használnak általában a pozitív visszacsatolás megvalósítására egy Schmitt kiváltó áramkör kialakításához. Ezek a módszerek a Párhuzamos visszacsatolás, a Soros visszajelzések és a Belső visszajelzések, és az alábbiak szerint kerülnek tárgyalásra.

A párhuzamos és a soros visszacsatolási technikák valójában ugyanazon visszacsatoló áramkörtípus kettős változatai. Párhuzamos visszacsatolás A párhuzamos visszacsatoló áramkört néha módosított bemeneti feszültség áramkörnek nevezik.

Ebben az áramkörben a visszacsatolás közvetlenül a bemeneti feszültséghez kerül, és nem befolyásolja a küszöbfeszültséget. Mivel a visszacsatolás hozzáadódik a bemenethez, amikor a kimenet állapotát megváltoztatja, a bemeneti feszültségnek nagyobb mértékben kell ellenkező irányba elmozdulnia, hogy további változásokat idézzen elő a kimenetben.

Ha a kimenet alacsony, és a bemenő jel arra a pontra nő, ahol átlépi a küszöbfeszültséget, és a kimenet magasra változik.

Ennek a kimenetnek egy részét egy visszacsatolási hurokon keresztül közvetlenül a bemenetre alkalmazzák, ami „segíti” a kimeneti feszültség új állapotban maradását.

Ez hatékonyan növeli a bemeneti feszültséget, amelynek ugyanolyan hatása van, mint a küszöbfeszültség csökkentésével.

Maga a küszöbfeszültség nem változik, de a bemenetnek tovább kell mozognia lefelé, hogy a kimenetet alacsony állapotba állítsa. Ha a kimenet alacsony, ugyanez a folyamat megismétlődik, hogy visszatérjen a magas állapotba.

Ennek az áramkörnek nem kell differenciálerősítőt használnia, mivel bármely egyvégű, nem invertáló erősítő működni fog.

Mind a bemeneti jel, mind a kimeneti visszacsatolás az ellenállásokon keresztül kerül az erősítő nem invertáló bemenetére, és ez a két ellenállás súlyozott párhuzamos nyarat alkot. Ha van invertáló bemenet, akkor az állandó referenciafeszültségre van állítva.

A párhuzamos visszacsatolásos áramkörökre példaként szolgálhat a kollektor-alap csatolt Schmitt kiváltó áramkör vagy a nem invertáló op-amp áramkör, amint az látható:

Sorozat visszajelzés

A dinamikus küszöbértékű (soros visszacsatolási) áramkör alapvetően ugyanúgy működik, mint a párhuzamos visszacsatoló áramkör, azzal a különbséggel, hogy a kimenetről érkező visszacsatolás közvetlenül megváltoztatja a küszöbfeszültséget a bemeneti feszültség helyett.

A visszacsatolást kivonják a küszöbfeszültségből, amelynek hatása ugyanaz, mint a visszacsatolás hozzáadásával a bemeneti feszültséghez. Amint a bemenet átlépi a küszöbfeszültség határát, a küszöbfeszültség ellentétes értékre változik.

A bemenetnek most nagyobb mértékben az ellenkező irányba kell váltania a kimeneti állapot újbóli megváltoztatásához. A kimenet el van különítve a bemeneti feszültségtől, és csak a küszöbfeszültséget érinti.

Ezért a bemeneti ellenállás ennél a soros áramkörnél sokkal nagyobbá tehető egy párhuzamos áramkörhöz képest. Ez az áramkör általában egy differenciálerősítőn alapul, ahol a bemenet az invertáló bemenethez, a kimenet pedig az ellenállás feszültségosztóján keresztül csatlakozik a nem invertáló bemenethez.

A feszültségosztó beállítja a küszöbértékeket, és a hurok úgy működik, mint egy soros feszültségnyár. Ilyen típusú példák a klasszikus tranzisztor-emitterhez kapcsolt Schmitt ravaszt és egy invertáló op-amp áramkört, amint itt látható:

Belső visszajelzés

Ebben a konfigurációban egy Schmitt-trigger jön létre két külön komparátor (hiszterézis nélkül) használatával a két küszöbhatárhoz.

Ezen komparátorok kimenetei egy RS flip-flop set és reset bemeneteihez vannak csatlakoztatva. A pozitív visszajelzés a flip-flopon belül található, így nincs visszajelzés az összehasonlítókhoz. Az RS flip-flop kimenete magasra vált, amikor a bemenet meghaladja a felső küszöböt, és alacsonyra vált, ha a bemenet az alsó küszöb alá esik.

Ha a bemenet a felső és az alsó küszöb között van, a kimenet megtartja korábbi állapotát. Az ilyen technikát alkalmazó eszközre példa az NXP Semiconductors és a Texas Instruments által gyártott 74HC14.

Ez a rész egy felső küszöb-összehasonlítóból és egy alsó küszöb-összehasonlítóból áll, amelyek az RS flip-flop beállítására és visszaállítására szolgálnak. A 74HC14 Schmitt ravasz az egyik legnépszerűbb eszköz a valós jelek és a digitális elektronika összekapcsolására.

Az eszköz két küszöbértékét Vcc fix arányban állítják be. Ez minimalizálja az alkatrészszámot és egyszerűvé teszi az áramkört, de néha a küszöbszinteket meg kell változtatni a különböző típusú bemeneti jelfeltételek esetén.

Például a bemenőjel tartománya kisebb lehet, mint a rögzített hiszterézis feszültségtartomány. A küszöbszinteket úgy lehet megváltoztatni, hogy a kimenetről a bemenetre negatív visszacsatolású ellenállást és egy másik ellenállást csatlakoztatunk a bemenethez.

Ez hatékonyan csökkenti a rögzített 30% -os pozitív visszacsatolást valamilyen alacsonyabb értékre, például 15% -ra. Ehhez fontos nagy értékű ellenállások használata (Mega-Ohm tartomány) a bemeneti ellenállás magas szinten tartása érdekében.

A Schmitt-kiváltó előnyei

A Schmitt-triggerek valamilyen digitális jelfeldolgozással bármilyen nagysebességű adatkommunikációs rendszer célját szolgálják. Valójában kettős célt szolgálnak: a zaj és az interferencia megtisztítása az adatvonalakon, miközben továbbra is magas az adatáramlás, és a véletlenszerű analóg hullámformát ON-OFF digitális hullámformává alakítják gyors, tiszta élű átmenetekkel.

Ez előnyt jelent a szűrőkkel szemben, amelyek kiszűrhetik a zajt, de korlátozott sávszélességük miatt jelentősen lelassíthatják az adatátviteli sebességet. Ezenkívül a szabványos szűrők nem képesek szép, tiszta digitális kimenetet biztosítani gyors élváltásokkal, ha lassú bemeneti hullámformát alkalmaznak.

A Schmitt-triggerek e két előnyét részletesebben a következőképpen magyarázzák: Zajos jelbemenetek A zaj és az interferencia hatásai nagy problémát jelentenek a digitális rendszerekben, mivel egyre hosszabb kábeleket használnak, és egyre nagyobb adatátviteli sebességre van szükség.

A zajcsökkentés egyik leggyakoribb módja az árnyékolt kábelek használata, sodrott vezetékek használata, az impedanciák összehangolása és a kimeneti impedanciák csökkentése.

Ezek a technikák hatékonyak lehetnek a zaj csökkentésében, de továbbra is marad némi zaj a bemeneti vonalon, és ez nem kívánt jeleket válthat ki az áramkörön belül.

A digitális áramkörökben használt szabványos pufferek, inverterek és komparátorok többségének csak egy küszöbértéke van a bemeneten. Tehát a kimenet állapotát megváltoztatja, amint a bemeneti hullámforma mindkét irányban átlépi ezt a küszöböt.

Ha egy véletlenszerű zajjel többször átlépi ezt a küszöbpontot egy bemeneten, akkor az a kimeneten impulzusok sorozataként jelenik meg. Lassú élű átmenetekkel rendelkező hullámforma megjelenhet a kimeneten oszcilláló zajimpulzusok sorozataként.

Néha szűrőt használnak az extra zaj csökkentésére, például RC hálózatban. De bármikor, amikor egy ilyen szűrőt használnak az adatútvonalon, ez jelentősen lelassítja a maximális adatsebességet. A szűrők elzárják a zajt, de blokkolják a nagyfrekvenciás digitális jeleket is.

Schmitt kiváltó szűrők

Egy Schmitt-ravaszt megtisztítja, hogy ez fenn van. Miután a kimenet megváltoztatja az állapotát, amikor a bemenete átlép egy küszöböt, maga a küszöb is megváltozik, így a bemenetnek tovább kell haladnia az ellenkező irányba, hogy újabb változást idézzen elő a kimenetben.

Emiatt a hiszterézis-hatás miatt a Schmitt-triggerek használata a leghatékonyabb módszer a digitális áramkör zaj- és interferenciaproblémáinak csökkentésére. A zaj- és interferenciaproblémákat általában meg lehet oldani, ha nem is lehet kiküszöbölni, ha a bemeneti vonalon hiszterézist adunk Schmitt-kiváltó formában.

Mindaddig, amíg a bemenet zajának vagy interferenciájának amplitúdója kisebb, mint a Schmitt-trigger hiszterézis-résének szélessége, a zaj nem gyakorol hatást a kimenetre.

Még akkor is, ha az amplitúdó valamivel nagyobb, ez nem befolyásolja a kimenetet, kivéve, ha a bemeneti jel a hiszterézis rés középpontjában áll. Előfordulhat, hogy a küszöbszinteket a maximális zajeltávolítás elérése érdekében módosítani kell.

Ez könnyen megtehető a pozitív visszacsatolási hálózatban lévő ellenállás értékeinek megváltoztatásával, vagy egy potenciométer használatával.

A Schmitt-kiváltó szűrők fő előnye, hogy nem lassítja az adatsebességet, sőt bizonyos esetekben felgyorsítja a lassú hullámformák gyors hullámformákká (gyorsabb élátmenetekké) történő átalakításával. Szinte minden digitális IC a napjainkban a piac valamilyen Schmitt-kiváltó műveletet (hiszterézist) használ digitális bemenetein.

Ide tartoznak az MCU-k, memóriachipek, logikai kapuk és így tovább. Bár ezeknek a digitális IC-knek hiszterézisük lehet a bemeneteiken, sokuknak korlátai vannak a specifikációs lapjaikon megjelenített bemeneti emelkedési és zuhanási időkkel kapcsolatban is, és ezeket figyelembe kell venni. Az ideális Schmitt-trigger nem rendelkezik emelkedési vagy zuhanási időbeli korlátozással a bemenetén.

Lassú bemeneti hullámformák néha a hiszterézis rés túl kicsi, vagy csak egy küszöbérték van (egy nem Schmitt kiváltó eszköz), ahol a kimenet magasra emelkedik, ha a bemenet a küszöbérték fölé emelkedik, és a kimenet alacsony, ha a bemeneti jel alá esik azt.

Ilyen esetekben a küszöb körül van egy marginális terület, és a lassú bemeneti jel könnyen ingadozásokat vagy túlzott áramot okozhat az áramkörön, ami akár károsíthatja is a készüléket. Ezek a lassú bemeneti jelek néha előfordulhatnak még gyors digitális áramkörök bekapcsolási körülmények között vagy más körülmények között, ahol szűrőt (például RC hálózatot) használnak a jelek bemenetéhez.

Az ilyen típusú problémák gyakran előfordulnak a kézi kapcsolók, a hosszú kábelek vagy vezetékek, valamint a nagy terhelésű áramkörök „visszapattanási” áramkörén belül.

Például, ha egy pufferre lassú rámpás jelet (integrátort) alkalmaznak, és az átlépi a bemenet egyetlen küszöbpontját, a kimenet megváltoztatja az állapotát (például alacsonyról magasra). Ez a kiváltó művelet pillanatnyi extra áramfelvételt okozhat a tápegységből, és kissé lecsökkenti a VCC teljesítményszintjét.

Ez a változás elegendő lehet ahhoz, hogy a kimenet állapotát ismét magasról alacsonyra változtassa, mivel a puffer érzékeli, hogy a bemenet ismét átlépte a küszöböt (annak ellenére, hogy a bemenet ugyanaz maradt). Ez megismétlődhet az ellentétes irányban, így egy sor oszcilláló impulzus jelenik meg a kimeneten.

Ebben az esetben egy Schmitt-ravaszt használva nemcsak kiküszöböljük az oszcillációkat, hanem a lassú élű átmeneteket az ON-OFF impulzusok tiszta sorozatává alakítjuk, majdnem függőleges élű átmenetekkel. A Schmitt-kiváltó kimenete ezután felhasználható bemenetként a következő eszközhöz annak emelkedési és zuhanási idejének specifikációi szerint.

(Bár az oszcillációk kiküszöbölhetők egy Schmitt-trigger segítségével, az átmenet során továbbra is fennállhat a felesleges áramlás, amelyet más módon kell korrigálni.)

A Schmitt-kiváltó olyan esetekben is megtalálható, amikor egy analóg bemenetet, például szinuszos hullámformát, hanghullámformát vagy fűrészfog-hullámformát négyzethullámúvá vagy más típusú ON-OFF digitális jellé kell átalakítani, gyors élátmenetekkel.