Uvod u Schmitt Trigger

Gotovo svaki digitalni sklop koji se koristi u modernoj podatkovnoj komunikaciji velike brzine treba neki oblik djelovanja Schmittova okidača na svojim ulazima.

Zašto se koristi Schmittov okidač

Glavna svrha Schmittova okidača ovdje je eliminirati buku i smetnje na podatkovnim linijama i pružiti lijep čist digitalni izlaz s brzim prijelazima ruba.

Vrijeme uspona i spuštanja mora biti dovoljno nisko u digitalnom izlazu da se može primijeniti kao ulaz za sljedeće faze u krugu. (Mnogi IC imaju ograničenja tipa prijelaza ruba koja se mogu pojaviti na ulazu.)

Glavna prednost Schmittovih okidača je u tome što oni čiste bučne signale, a da pritom održavaju visoku brzinu protoka podataka, za razliku od filtara, koji mogu filtrirati buku, ali znatno usporavaju brzinu podataka.

Schmittovi okidači također se često nalaze u krugovima kojima je potreban valni oblik s polaganim prijelazima ruba da bi se preveo u digitalni valni oblik s brzim, čistim prijelazima ruba.

Schmittov okidač može transformirati gotovo bilo koji analogni valni oblik - poput sinusnog ili pilastog valnog oblika - u ON-OFF digitalni signal s brzim prijelazima ruba. Schmittovi okidači su aktivni digitalni uređaji s jednim ulazom i jednim izlazom, poput međuspremnika ili pretvarača.

U radu, digitalni izlaz može biti visok ili nizak, a taj izlaz mijenja stanje samo kada njegov ulazni napon prijeđe ili ispod dvije unaprijed zadane granične granice napona. Ako se dogodi da je izlaz nizak, izlaz se neće promijeniti na visoki ukoliko ulazni signal ne prijeđe određenu gornju granicu praga.

Isto tako, ako se dogodi da je izlaz visok, izlaz se neće promijeniti na nizak sve dok ulazni signal ne padne ispod određene donje granice praga.

Donji prag je nešto niži od gornje granice praga. Bilo koja vrsta valnog oblika može se primijeniti na ulaz (sinusoidni valovi, pile, zvučni valovi, impulsi itd.) Sve dok je njegova amplituda unutar raspona radnog napona.

Diagarm da objasni Schmitta Triggera

Dijagram u nastavku prikazuje histerezu koja proizlazi iz gornje i donje vrijednosti praga ulaznog napona. Svaki put kad je ulaz iznad gornje granice praga, izlaz je visok.

Kad je ulaz ispod donjeg praga, izlaz je nizak, a kada se dogodi da je napon ulaznog signala između gornje i donje granice praga, izlaz zadržava svoju prethodnu vrijednost, koja može biti visoka ili niska.

Udaljenost između donjeg praga i gornjeg praga naziva se histerezni razmak. Izlaz uvijek zadržava prethodno stanje dok se ulaz ne promijeni dovoljno da ga potakne na promjenu. To je razlog oznake 'okidač' u nazivu.

Schmittov okidač djeluje na sličan način kao bistabilni krug zasuna ili bistabilni multivibrator, jer ima internu 1-bitnu memoriju i mijenja svoje stanje ovisno o uvjetima okidača.

Korištenje serije IC 74XX za rad Schmittova okidača

Texas Instruments pruža Schmittove okidačke funkcije u gotovo svim svojim tehnološkim obiteljima, od stare 74XX obitelji do najnovije obitelji AUP1T.

Te se IC mogu pakirati s invertirajućim ili neinvertirajućim Schmittovim okidačem. Većina Schmittovih okidačkih uređaja, poput 74HC14, imaju granične vrijednosti pri fiksnom omjeru Vcc.

To bi moglo biti primjereno za većinu aplikacija, ali ponekad je potrebno promijeniti granične razine ovisno o uvjetima ulaznog signala.

Na primjer, raspon ulaznog signala može biti manji od fiksnog razmaka za histerezu. Razine praga mogu se mijenjati u IC-ima poput 74HC14 spajanjem otpornika negativne povratne sprege s izlaza na ulaz, zajedno s drugim otpornikom koji povezuje ulazni signal na ulaz uređaja.

To daje pozitivne povratne informacije potrebne za histerezu, a jaz histereze sada se može prilagoditi promjenom vrijednosti dva dodana otpora ili pomoću potenciometra. Otpornici bi trebali imati dovoljno veliku vrijednost da zadrže ulaznu impedansu na visokoj razini.

Schmittov okidač jednostavan je koncept, ali izumljen je tek 1934. godine, dok je američki znanstvenik po imenu Otto H. Schmitt još uvijek bio apsolvent.

O Ottu H. Schmittu

Nije bio inženjer elektrotehnike, jer su mu studije bile usmjerene na biološki inženjering i biofiziku. Na ideju o Schmittovom okidaču došao je dok je pokušavao konstruirati uređaj koji će preslikati mehanizam širenja živčanog impulsa u živcima lignje.

Njegova teza opisuje 'termionski okidač' koji omogućuje pretvaranje analognog signala u digitalni signal koji je ili pun ili isključen ('1' ili '0').

Malo je znao da velike elektroničke tvrtke poput Microsofta, Texas Instrumentsa i NXP Semiconductors ne bi mogle postojati kao danas bez ovog jedinstvenog izuma.

Pokazalo se da je Schmittov okidač toliko važan izum da se koristi u ulaznim mehanizmima gotovo svih digitalnih elektroničkih uređaja na tržištu.

Što je Schmittov okidač

Koncept Schmittova okidača temelji se na ideji pozitivne povratne sprege i činjenici da bilo koji aktivni krug ili uređaj može djelovati kao Schmittov okidač primjenom pozitivne povratne sprege tako da je dobitak petlje veći od jednog.

Izlazni napon aktivnog uređaja prigušen je za utvrđenu količinu i primijenjen kao pozitivna povratna informacija na ulaz, što učinkovito dodaje ulazni signal prigušenom izlaznom naponu. To stvara radnju histereze s gornjim i donjim vrijednostima praga ulaznog napona.

Većina standardnih međuspremnika, pretvarača i komparatora koristi samo jednu vrijednost praga. Izlaz mijenja stanje čim ulazni valni oblik prijeđe ovaj prag u bilo kojem smjeru.

Kako djeluje Schmitt Trigger

Bučni ulazni signal ili signal s usporenim valnim oblikom pojavio bi se na izlazu kao niz impulsa šuma.

Schmittov okidač to čisti - nakon što izlaz promijeni stanje kad njegov ulaz prijeđe prag, mijenja se i sam prag, pa se sada ulazni napon mora pomaknuti dalje u suprotnom smjeru da bi se stanje promijenilo.

Buka ili smetnje na ulazu neće se pojaviti na izlazu ukoliko njegova amplituda ne bude veća od razlike između dviju vrijednosti praga.

Bilo koji analogni signal, poput sinusnih valnih oblika ili audio signala, može se prevesti u niz ON-OFF impulsa s brzim, čistim prijelazima ruba. Postoje tri metode primjene pozitivne povratne sprege kako bi se formirao Schmittov okidački krug.

Kako povratne informacije djeluju u Schmitt Triggeru

U prvoj se konfiguraciji povratna informacija dodaje izravno na ulazni napon, pa se napon mora pomaknuti za veći iznos u suprotnom smjeru da bi se izazvala nova promjena na izlazu.

To je obično poznato kao paralelne pozitivne povratne informacije.

U drugoj konfiguraciji povratna sprega se oduzima od praga napona, što ima isti učinak kao dodavanje povratne informacije ulaznom naponu.

To tvori serijski krug pozitivne povratne sprege, a ponekad se naziva dinamičkim krugom praga. Otporničko-djeliteljska mreža obično postavlja prag napona, koji je dio ulaznog stupnja.

Prva dva sklopa mogu se lako implementirati pomoću jednog opampera ili dva tranzistora zajedno s nekoliko otpornika. Treća je tehnika malo složenija i drugačija je po tome što nema povratne informacije ni na jedan dio ulazne faze.

Ova metoda koristi dva odvojena komparatora za dvije granične vrijednosti praga i flip-flop kao 1-bitni memorijski element. Ne postoje pozitivne povratne informacije primijenjene na komparatore, jer su sadržane u memorijskom elementu. Svaka od ove tri metode detaljnije je objašnjena u sljedećim odlomcima.

Svi Schmittovi okidači aktivni su uređaji koji se oslanjaju na pozitivne povratne informacije kako bi postigli svoje djelovanje histereze. Izlaz prelazi na 'visoku' kad god se ulaz pređe iznad određene unaprijed zadane gornje granice praga, a ide na 'nisku' kad god ulaz padne ispod donje granice praga.

Izlaz zadržava prethodnu vrijednost (nisku ili visoku), kada je ulaz između dviju graničnih vrijednosti.

Ova vrsta sklopa često se koristi za čišćenje bučnih signala i pretvaranje analognog valnog oblika u digitalni valni oblik (1 i 0) s čistim, brzim prijelazima ruba.

Vrste povratnih informacija u Schmittovim krugovima okidača

Postoje tri metode koje se obično koriste u provođenju pozitivnih povratnih informacija za formiranje Schmittova okidačkog kruga. Te su metode paralelne povratne informacije, povratne informacije o serijama i unutarnje povratne informacije, a raspravlja se o njima kako slijedi.

Paralelne i serijske tehnike povratnih veza zapravo su dvostruke verzije istog tipa kruga povratne sprege. Paralelna povratna veza Paralelni povratni krug ponekad se naziva modificiranim ulaznim naponskim krugom.

U ovom se krugu povratna informacija dodaje izravno na ulazni napon i ne utječe na prag napona. Kako se povratna informacija dodaje na ulaz kada se izlaz promijeni u stanju, ulazni napon mora se pomaknuti za veći iznos u suprotnom smjeru da bi se izazvale daljnje promjene u izlazu.

Ako je izlaz nizak, a ulazni signal se povećava do točke kada prelazi prag napona i izlaz se mijenja na visoki.

Dio ovog izlaza primjenjuje se izravno na ulaz kroz povratnu petlju, koja 'pomaže' izlaznom naponu da ostane u novom stanju.

To učinkovito povećava ulazni napon, što ima isti učinak kao i snižavanje praga napona.

Sam prag napona se ne mijenja, ali ulaz se sada mora pomicati dalje u smjeru prema dolje da bi se izlaz promijenio u nisko stanje. Jednom kada je izlaz nizak, taj se isti postupak ponavlja da bi se vratio u visoko stanje.

Ovaj krug ne mora koristiti diferencijalno pojačalo, jer će raditi svako neinvertirajuće pojačalo s jednim završećem.

I ulazni signal i izlazna povratna informacija primjenjuju se na neinvertirajući ulaz pojačala kroz otpornike, a ta dva otpornika čine ponderirano paralelno ljeto. Ako postoji invertirani ulaz, on se postavlja na konstantni referentni napon.

Primjeri paralelnih krugova povratne sprege su Schmittov okidački sklop povezan s bazom kolektora ili neinvertirajući op-amp krug, kao što je prikazano:

Povratne informacije o seriji

Krug dinamičkog praga (serijska povratna sprega) djeluje u osnovi na isti način kao i paralelni krug povratne sprege, osim što povratna veza s izlaza izravno mijenja napon praga umjesto ulaznog napona.

Povratna informacija oduzima se od praga napona, što ima isti učinak kao dodavanje povratne informacije ulaznom naponu. Čim ulaz prijeđe granični napon, prag se mijenja na suprotnu vrijednost.

Ulaz se sada mora promijeniti u većoj mjeri u suprotnom smjeru da bi se ponovno promijenilo stanje izlaza. Izlaz je izoliran od ulaznog napona i utječe samo na prag napona.

Stoga se ulazni otpor može učiniti mnogo većim za ovaj serijski krug u usporedbi s paralelnim krugom. Ovaj se sklop obično temelji na diferencijalnom pojačalu gdje je ulaz povezan s invertirajućim ulazom, a izlaz povezan s neinvertirajućim ulazom kroz otpornički djelitelj napona.

Dijelnik napona postavlja granične vrijednosti, a petlja djeluje poput serijskog napona ljeta. Primjeri ove vrste su klasični Schmittov okidač povezan s tranzistorskim emiterom i invertirajući op-amp krug, kao što je ovdje prikazano:

Interne povratne informacije

U ovoj se konfiguraciji stvara Schmittov okidač korištenjem dvaju zasebnih komparatora (bez histereze) za dvije granične vrijednosti.

Izlazi ovih usporednika povezani su na postavljene i resetirane ulaze RS flip-flopa. Pozitivne povratne informacije nalaze se u flip-flopu, tako da nema povratnih informacija za usporednike. Izlaz RS flip-flopa prebacuje se visoko kad ulaz prijeđe gornji prag, a prebacuje se nisko kada ulaz ulazi ispod donjeg praga.

Kad je ulaz između gornjeg i donjeg praga, izlaz zadržava prethodno stanje. Primjer uređaja koji koristi ovu tehniku ​​je 74HC14 proizvođača NXP Semiconductors i Texas Instruments.

Ovaj se dio sastoji od usporednika gornjeg praga i usporednika donjeg praga, koji se koriste za postavljanje i resetiranje RS flip-flopa. Okidač 74HC14 Schmitt jedan je od najpopularnijih uređaja za povezivanje signala iz stvarnog svijeta s digitalnom elektronikom.

Dvije granične vrijednosti u ovom uređaju postavljene su na fiksni omjer Vcc. To smanjuje broj dijelova i održava krug jednostavnim, ali ponekad je potrebno promijeniti granične vrijednosti za različite vrste ulaznih signala.

Na primjer, domet ulaznog signala može biti manji od fiksnog raspona napona histereze. Razine praga mogu se mijenjati u 74HC14 spajanjem otpora negativne povratne sprege s izlaza na ulaz i drugog otpora koji povezuje ulazni signal na ulaz.

To učinkovito smanjuje fiksne pozitivne povratne informacije od 30% na neku nižu vrijednost, poput 15%. Za to je važno koristiti otpore velike vrijednosti (opseg Mega-Ohma) kako bi se zadržao visok ulazni otpor.

Prednosti Schmittova okidača

Schmittovi okidači imaju svrhu u bilo kojoj vrsti sustava brze komunikacije podataka s nekim oblikom digitalne obrade signala. Zapravo, imaju dvostruku svrhu: očistiti buku i smetnje na podatkovnim linijama, a da pritom održavaju visoku brzinu protoka podataka, i pretvoriti slučajni analogni valni oblik u ON-OFF digitalni valni oblik s brzim, čistim prijelazima ruba.

To pruža prednost u odnosu na filtre koji mogu filtrirati buku, ali usporavaju brzinu prijenosa podataka zbog njihove ograničene propusnosti. Također, standardni filtri nisu u mogućnosti pružiti lijep, čist digitalni izlaz s brzim prijelazima ruba kada se primijeni polagani ulazni valni oblik.

Ove dvije prednosti Schmittovih okidača detaljnije su objašnjene kako slijedi: Ulazi bučnih signalaUčinci buke i smetnji glavni su problem u digitalnim sustavima jer se koriste sve dulji i duži kabeli i potrebne su sve veće i veće brzine prijenosa podataka.

Neki od najčešćih načina smanjenja buke uključuju upotrebu zaštićenih kabela, upotrebu upletenih žica, podudaranje impedancija i smanjenje izlaznih impedancija.

Te tehnike mogu biti učinkovite u smanjenju šuma, ali na ulaznoj liniji i dalje će ostati nešto šuma, što bi moglo pokrenuti neželjene signale u krugu.

Većina standardnih međuspremnika, pretvarača i komparatora koji se koriste u digitalnim krugovima imaju samo jednu graničnu vrijednost na ulazu. Dakle, izlaz mijenja stanje čim ulazni valni oblik prijeđe ovaj prag u bilo kojem smjeru.

Ako slučajni signal šuma više puta prijeđe ovu graničnu točku na ulazu, na izlazu će se vidjeti kao niz impulsa. Također, valni oblik s polaganim prijelazima ruba mogao bi se pojaviti na izlazu kao niz oscilirajućih impulsa šuma.

Ponekad se koristi filtar za smanjenje ove dodatne buke, na primjer u RC mreži. Ali svaki put kad se na putu podataka koristi ovakav filtar, on usporava maksimalnu brzinu podataka. Filteri blokiraju buku, ali također blokiraju i visokofrekventne digitalne signale.

Schmittovi okidači Filteri

Schmittov okidač očisti ovo. Nakon što izlaz promijeni svoje stanje kad njegov ulaz prijeđe prag, mijenja se i sam prag, pa se ulaz mora pomaknuti dalje u suprotnom smjeru da bi se izazvala nova promjena u izlazu.

Zbog ovog učinka histereze, korištenje Schmittovih okidača vjerojatno je najučinkovitiji način za smanjenje šuma i smetnji u digitalnom krugu. Problemi s bukom i smetnjama obično se mogu riješiti, ako ne i eliminirati, dodavanjem histereze na ulaznoj liniji u obliku Schmittova okidača.

Sve dok je amplituda šuma ili smetnji na ulazu manja od širine razmaka za histerezu Schmittova okidača, neće biti učinka buke na izlazu.

Čak i ako je amplituda malo veća, to ne bi trebalo utjecati na izlaz, osim ako je ulazni signal centriran na prazninu histereze. Razine pragova možda će se trebati prilagoditi kako bi se postigla maksimalna eliminacija šuma.

To se lako može učiniti promjenom vrijednosti otpornika u mreži pozitivnih povratnih informacija ili pomoću potenciometra.

Glavna prednost koju Schmittov okidač pruža preko filtara je ta što ne usporava brzinu prijenosa podataka, a zapravo je ubrzava u nekim slučajevima pretvaranjem sporih valnih oblika u brze valne oblike (brži prijelazi rubova). Gotovo bilo koji digitalni IC na tržište danas koristi neki oblik Schmittove okidačke akcije (histereza) na svojim digitalnim ulazima.

To uključuje MCU-ove, memorijske čipove, logičke izlaze i tako dalje. Iako bi ti digitalni IC mogli imati histerezu na ulazima, mnogi od njih također imaju ograničenja za vrijeme porasta i pada unosa koja su prikazana na njihovim specifikacijama, i to treba uzeti u obzir. Idealan Schmittov okidač nema nikakvih vremenskih ograničenja uspona ili pada.

Spori ulazni valni oblici ponekad su razmaci histereze premali ili postoji samo jedna vrijednost praga (ne-Schmittov okidački uređaj) kod kojih je izlaz visok ako se ulaz digne iznad praga, a izlaz padne ako ulazni signal padne ispod to.

U slučajevima poput ovih postoji rubno područje oko praga, a spor ulazni signal može lako uzrokovati oscilacije ili prekomjernu struju kroz strujni krug, što čak može oštetiti uređaj. Ovi spori ulazni signali ponekad se mogu dogoditi čak i u brzom digitalnom krugovi u uvjetima napajanja ili drugim uvjetima u kojima se filtar (poput RC mreže) koristi za napajanje signala na ulazima.

Problemi ove vrste često se javljaju u krugu 'odbijanja' ručnih prekidača, dugih kabela ili ožičenja i jako opterećenih krugova.

Na primjer, ako se na međuspremnik primijeni signal usporene rampe (integrator) i on prijeđe pojedinu točku praga na ulazu, izlaz će promijeniti svoje stanje (na primjer, od niskog do visokog). Ova pokretačka akcija može uzrokovati trenutno povlačenje dodatne struje iz napajanja, a također lagano smanjiti razinu snage VCC.

Ova bi promjena mogla biti dovoljna da uzrokuje da izlaz ponovno promijeni svoje stanje s visokog na niski, jer me uspremnik osjeti da je ulaz ponovno prešao prag (unatoč tome što je ulaz ostao isti). To bi se moglo ponoviti u suprotnom smjeru, pa bi se na izlazu pojavio niz oscilirajućih impulsa.

Upotreba Schmittova okidača u ovom slučaju ne samo da će eliminirati oscilacije, već će također prevesti prijelaze sporih rubova u čisti niz impulsa ON-OFF s gotovo okomitim prijelazima ruba. Izlaz Schmittovog okidača tada se može koristiti kao ulaz za sljedeći uređaj prema njegovim vremenskim specifikacijama uspona i pada.

(Iako se oscilacije mogu eliminirati upotrebom Schmittova okidača, u prijelazu i dalje može postojati višak struje, što će možda trebati ispraviti na neki drugi način.)

Schmittov okidač nalazi se i u slučajevima kada analogni ulaz, poput sinusoidnog valnog oblika, audio valnog oblika ili pilastog valnog oblika, treba pretvoriti u kvadratni val ili neku drugu vrstu ON-OFF digitalnog signala s brzim prijelazima ruba.