„Schmitt Trigger“ įvadas

Beveik bet kuriai šiuolaikinei spartaus duomenų perdavimo skaitmeninei grandinei reikia tam tikros formos Schmitto įvesties veiksmų.

Kodėl naudojamas „Schmitt Trigger“

Pagrindinis „Schmitt“ trigerio tikslas yra pašalinti triukšmą ir trukdžius duomenų linijose ir suteikti gražią švarią skaitmeninę išvestį su greitu krašto perėjimu.

Pakilimo ir kritimo laikas skaitmeniniame išėjime turi būti pakankamai mažas, kad jį būtų galima naudoti kaip įvestį į kitus grandinės etapus. (Daugelyje IC yra krašto perėjimo, kuris gali pasirodyti įvestyje, tipo apribojimai.)

Pagrindinis „Schmitt“ paleidiklių pranašumas yra tas, kad jie valo triukšmingus signalus, vis tiek išlaikydami aukštą duomenų srauto greitį, skirtingai nei filtrai, kurie gali filtruoti triukšmą, tačiau žymiai sulėtinti duomenų greitį.

Schmitto paleidikliai taip pat dažnai randami grandinėse, kurioms reikalinga bangos forma su lėta krašto perėjimais, kad būtų paversta skaitmenine bangos forma su greitu, švariu krašto perėjimu.

„Schmitt“ gaidukas gali paversti beveik bet kokią analoginę bangos formą, pvz., Sinuso ar pjūklo bangos formą, į ON-OFF skaitmeninį signalą su greitais krašto perėjimais. Schmitt trigeriai yra aktyvūs skaitmeniniai prietaisai, turintys vieną įvestį ir vieną išėjimą, pvz., Buferį ar keitiklį.

Veikiant, skaitmeninis išėjimas gali būti didelis arba žemas, ir šis išėjimas keičia būseną tik tada, kai jo įėjimo įtampa viršija arba žemiau dviejų iš anksto nustatytų slenksčio įtampos ribų. Jei išvestis būna maža, išvestis nepasikeis į didelę, nebent įėjimo signalas viršys tam tikrą viršutinę ribinę vertę.

Panašiai, jei išėjimas yra didelis, išėjimas nepasikeis į žemą, kol įėjimo signalas nebus žemesnis už tam tikrą apatinę ribinę vertę.

Apatinė riba yra šiek tiek žemesnė už viršutinę ribą. Įėjimui gali būti taikoma bet kokios rūšies bangos forma (sinusinės bangos, pjūklai, garso bangos formos, impulsai ir kt.), Jei jos amplitudė yra darbinės įtampos diapazone.

Diagarm Schmitt Trigger paaiškinti

Žemiau pateiktoje diagramoje parodyta histerezė, atsirandanti dėl viršutinės ir apatinės įėjimo įtampos ribinių verčių. Bet kuriuo metu, kai įvestis viršija viršutinę ribinę vertę, išvestis yra didelė.

Kai įvestis yra žemesnė už apatinę ribą, išėjimas yra mažas, o kai įėjimo signalo įtampa būna tarp viršutinės ir apatinės ribos, išvestis išlaiko ankstesnę vertę, kuri gali būti aukšta arba žema.

Atstumas tarp apatinio ir viršutinio slenksčio vadinamas histerezės tarpu. Išvestis visada išlaiko ankstesnę būseną, kol įvestis pakankamai pasikeis, kad paskatintų ją keisti. Tai yra pavadinimo „trigerio“ žymėjimo priežastis.

„Schmitt“ gaidukas veikia panašiai kaip bistable fiksatoriaus grandinė arba bistabilus multivibratorius, nes jis turi vidinę 1 bitų atmintį ir keičia savo būseną priklausomai nuo paleidimo sąlygų.

„IC 74XX“ serijos naudojimas „Schmitt Trigger“ valdymui

„Texas Instruments“ teikia „Schmitt“ trigerio funkcijas beveik visose savo technologijų šeimose, pradedant senąja „74XX“ šeima ir baigiant naujausia „AUP1T“ šeima.

Šie IC gali būti supakuoti su invertuojančiu arba neinvertuojančiu „Schmitt“ trigeriu. Daugelio „Schmitt“ įjungimo įtaisų, tokių kaip 74HC14, slenkstiniai lygiai yra fiksuoti Vcc santykiu.

Tai gali būti tinkama daugumai programų, tačiau kartais slenksčio lygius reikia keisti, atsižvelgiant į įėjimo signalo sąlygas.

Pavyzdžiui, įvesties signalo diapazonas gali būti mažesnis už fiksuotą histerezės tarpą. Ribinius lygius galima keisti IC, pavyzdžiui, 74HC14, prijungiant neigiamą grįžtamąjį rezistorių iš išėjimo į įvestį kartu su kitu rezistoriumi, jungiančiu įėjimo signalą su įrenginio įėjimu.

Tai suteikia teigiamą grįžtamąjį ryšį, reikalingą histerezei, o histerezės tarpą dabar galima sureguliuoti pakeitus dviejų pridėtų rezistorių vertes arba naudojant potenciometrą. Rezistoriai turėtų būti pakankamai didelės vertės, kad įvesties varža būtų aukšta.

„Schmitt“ sukėlėjas yra paprasta sąvoka, tačiau ji buvo išrasta tik 1934 m., O amerikiečių mokslininkas, vardu Otto H. Schmittas, vis dar buvo magistrantas.

Apie Otto H. Schmittą

Jis nebuvo elektros inžinierius, nes studijos buvo nukreiptos į biologinę inžineriją ir biofiziką. Jis sugalvojo sukurti Schmitt'ą, kai bandė sukurti prietaisą, kuris atkartotų kalibruotų nervų impulsų sklidimo mechanizmą.

Jo tezėje aprašomas „termioninis paleidiklis“, leidžiantis konvertuoti analoginį signalą į skaitmeninį signalą, kuris yra arba įjungtas, arba išjungtas („1“ arba „0“).

Jis dar nežinojo, kad pagrindinės elektronikos kompanijos, tokios kaip „Microsoft“, „Texas Instruments“ ir „NXP Semiconductors“, be šio unikalaus išradimo negali egzistuoti tokios, kokios yra šiandien.

„Schmitt“ gaidukas pasirodė esąs toks svarbus išradimas, kad jis naudojamas praktiškai kiekvieno rinkoje esančio skaitmeninio elektroninio prietaiso įvesties mechanizmuose.

Kas yra „Schmitt Trigger“

„Schmitt“ trigerio koncepcija grindžiama teigiamo grįžtamojo ryšio idėja ir tuo, kad bet kuri aktyvi grandinė ar įrenginys gali būti veikiamas kaip „Schmitt“ trigeris, taikant teigiamą grįžtamąjį ryšį taip, kad kilpos padidėjimas būtų didesnis nei vienas.

Aktyvaus prietaiso išėjimo įtampa susilpninama nustatytu dydžiu ir naudojama kaip teigiamas grįžtamasis ryšys įėjimui, kuris efektyviai prideda įvesties signalą prie susilpnintos išėjimo įtampos. Tai sukuria histerezės veiksmą su viršutine ir apatine įėjimo įtampos ribinėmis vertėmis.

Daugumoje standartinių buferių, keitiklių ir palygintuvų naudojama tik viena ribinė vertė. Išėjimo būsena pasikeičia, kai tik įėjimo bangos forma peržengia šią ribą bet kuria kryptimi.

Kaip veikia „Schmitt Trigger“

Triukšmingas įvesties signalas arba lėtos bangos formos signalas pasirodys išvestyje kaip triukšmo impulsų serija.

„Schmitt“ gaidukas išvalo tai - pasibaigus išėjimo būsenai, kai jo įėjimas peržengia ribą, keičiasi ir pati riba, todėl dabar įėjimo įtampa turi judėti toliau priešinga kryptimi, kad vėl pakeistų būseną.

Įvesties triukšmas ar trukdžiai nebūtų rodomi išėjime, nebent jo amplitudė būtų didesnė nei skirtumas tarp dviejų ribinių verčių.

Bet kuris analoginis signalas, tokios sinusinės bangos formos arba garso signalai, gali būti paverstas įjungimo-išjungimo impulsų serija su greitu, švariu krašto perėjimu. Yra trys teigiamo grįžtamojo ryšio būdai, kad būtų suformuota „Schmitt“ paleidimo grandinė.

Kaip veikia grįžtamasis ryšys „Schmitt Trigger“

Pirmoje konfigūracijoje grįžtamasis ryšys pridedamas tiesiai prie įėjimo įtampos, todėl įtampa turi pasislinkti didesniu kiekiu priešinga kryptimi, kad sukeltų dar vieną išvesties pokytį.

Tai paprastai vadinama lygiagrečiais teigiamais atsiliepimais.

Antroje konfigūracijoje grįžtamasis ryšys atimamas iš slenksčio įtampos, o tai turi tą patį poveikį kaip grįžtamojo ryšio pridėjimas prie įėjimo įtampos.

Tai sudaro nuoseklų teigiamo grįžtamojo ryšio grandinę ir kartais vadinama dinaminio slenksčio grandine. Rezistoriaus daliklio tinklas paprastai nustato slenkstinę įtampą, kuri yra įvesties pakopos dalis.

Pirmąsias dvi grandines galima lengvai įgyvendinti naudojant vieną opampą arba du tranzistorius kartu su keliais rezistoriais. Trečioji technika yra šiek tiek sudėtingesnė ir skiriasi tuo, kad neturi jokių atsiliepimų nė vienai įvesties stadijos daliai.

Šis metodas naudoja du atskirus dviejų slenksčio ribinių verčių palygintuvus ir „flip-flop“ kaip 1 bitų atminties elementą. Palyginamiesiems nėra teigiamų atsiliepimų, nes jie yra atminties elemente. Kiekvienas iš šių trijų metodų išsamiau paaiškinamas tolesnėse dalyse.

Visi „Schmitt“ trigeriai yra aktyvūs prietaisai, kurie, remdamiesi teigiamais atsiliepimais, pasiekia jų histerezės poveikį. Kai įvestis pakyla virš tam tikros iš anksto nustatytos viršutinės ribos, išėjimas eina į „aukštą“ ir „žemas“, kai įvestis nukrenta žemiau apatinės ribos ribos.

Išvestis išlaiko ankstesnę vertę (žemą ar didelę), kai įvestis yra tarp dviejų ribinių ribų.

Šio tipo grandinės dažnai naudojamos triukšmingiems signalams išvalyti ir analoginę bangos formą paversti skaitmenine (1 ir 0), turinčiomis švarius, greitus perėjimus kraštuose.

Grįžtamojo ryšio tipai „Schmitt“ paleidimo grandinėse

Yra trys metodai, paprastai naudojami įgyvendinant teigiamą grįžtamąjį ryšį, kad būtų suformuota Schmitto paleidimo grandinė. Šie metodai yra lygiagretusis grįžtamasis ryšys, serijos grįžtamasis ryšys ir vidinis grįžtamasis ryšys, ir jie aptariami taip.

Lygiagrečios ir nuoseklios grįžtamojo ryšio technologijos iš tikrųjų yra dvigubos to paties grįžtamojo ryšio grandinės versijos. Lygiagretus grįžtamasis ryšys Lygiagretaus grįžtamojo ryšio grandinė kartais vadinama modifikuota įėjimo įtampos grandine.

Šioje grandinėje grįžtamasis ryšys pridedamas tiesiai prie įėjimo įtampos ir neturi įtakos slenkstinei įtampai. Kai grįžtamasis ryšys pridedamas prie įvesties, kai išėjimo būsena pasikeičia, įėjimo įtampa turi pasikeisti didesniu dydžiu priešinga kryptimi, kad būtų dar labiau pakitusi išvestis.

Jei išėjimas yra mažas, o įvesties signalas padidėja iki taško, kuriame jis kerta slenksčio įtampą, o išėjimas pasikeičia į aukštą.

Dalis šios išvesties yra tiesiogiai naudojama įėjimui per grįžtamąjį ryšį, kuris „padeda“ išėjimo įtampai išlikti naujoje būsenoje.

Tai efektyviai padidina įėjimo įtampą, o tai turi tą patį poveikį kaip ir slenkstinės įtampos sumažinimas.

Pati slenksčio įtampa nekeičiama, tačiau įvestis dabar turi judėti toliau žemyn, kad išvestis būtų pakeista į žemą būseną. Kai išvesties yra mažai, tas pats procesas kartojasi ir grįžta į aukštą būseną.

Ši grandinė neprivalo naudoti diferencinio stiprintuvo, nes veiks bet kuris vieno galo neinvertuojantis stiprintuvas.

Ir įvesties signalas, ir išvesties grįžtamasis ryšys per rezistorius nukreipiamas į neinvertuojančią stiprintuvo įvestį, ir šie du rezistoriai sudaro svertinę lygiagrečią vasarą. Jei yra invertuojantis įėjimas, jis nustatomas į pastovią atskaitos įtampą.

Lygiagrečių grįžtamųjų grandinių pavyzdžiai yra kolektoriaus-pagrindo sujungta „Schmitt“ paleidimo grandinė arba neinvertuojanti op-amp grandinė, kaip parodyta:

Serijos atsiliepimai

Dinaminės slenksčio (nuosekliojo grįžtamojo ryšio) grandinė veikia iš esmės taip pat, kaip lygiagreti grįžtamojo ryšio grandinė, išskyrus tai, kad grįžtamasis ryšys iš išėjimo tiesiogiai keičia ribinę įtampą, o ne įėjimo įtampą.

Grįžtamasis ryšys atimamas iš slenksčio įtampos, o tai turi tą patį poveikį kaip grįžtamojo ryšio pridėjimas prie įėjimo įtampos. Kai tik įvestis peržengia ribinę įtampos ribą, slenkstinė įtampa pasikeičia į priešingą vertę.

Dabar įvestis turi labiau pasikeisti priešinga kryptimi, kad vėl pakeistų išvesties būseną. Išėjimas yra izoliuotas nuo įėjimo įtampos ir veikia tik slenkstinę įtampą.

Todėl šios serijos grandinei įėjimo varža gali būti daug didesnė, lyginant su lygiagrečia grandine. Ši grandinė paprastai yra pagrįsta diferencialiniu stiprintuvu, kai įvestis yra prijungta prie invertuojančios įvesties, o išvestis yra sujungta su nevirtuojančia įvestimi per rezistoriaus įtampos daliklį.

Įtampos daliklis nustato ribines vertes, o kilpa veikia kaip nuosekliosios įtampos vasara. Tokio tipo pavyzdžiai yra klasikinis tranzistoriaus emiterio sujungtas „Schmitt“ paleidiklis ir invertuojanti op-amp grandinė, kaip parodyta čia:

Vidinis atsiliepimas

Šioje konfigūracijoje „Schmitt“ trigeris sukuriamas dviem atskiroms ribinėms vertėms naudojant du atskirus lygintuvus (be histerezės).

Šių komparatorių išėjimai yra prijungti prie RS flip-flop nustatytų ir atstatytų įėjimų. Teigiami atsiliepimai yra „flip-flop“, todėl atsiliepimų palygintojams nėra. RS flip-flop išvestis persijungia aukštai, kai įvestis viršija viršutinį slenkstį, ir persijungia žemai, kai įvestis yra žemesnė už apatinę ribą.

Kai įvestis yra tarp viršutinės ir apatinės ribos, išvestis išlaiko ankstesnę būseną. Įrenginio, kuriame naudojama ši technika, pavyzdys yra „74X14“, pagamintas „NXP Semiconductors“ ir „Texas Instruments“.

Ši dalis susideda iš viršutinio slenksčio palyginamojo ir apatinio slenksčio palyginamojo, kurie naudojami RS flip-flop nustatymui ir atstatymui. 74HC14 „Schmitt“ gaidukas yra vienas iš populiariausių prietaisų, skirtų realaus pasaulio signalams susieti su skaitmenine elektronika.

Dvi slenksčio ribos šiame įrenginyje nustatytos esant fiksuotam Vcc santykiui. Tai sumažina dalių skaičių ir palaiko paprastą grandinę, tačiau kartais reikia pakeisti slenksčio lygius įvairioms įvesties signalo sąlygoms.

Pavyzdžiui, įvesties signalo diapazonas gali būti mažesnis nei fiksuoto histerezės įtampos diapazonas. Slenkstinius lygius galima pakeisti 74HC14, prijungiant neigiamą grįžtamojo ryšio rezistorių iš išėjimo į įvestį ir kitą rezistorių, jungiantį įėjimo signalą su įėjimu.

Tai efektyviai sumažina fiksuotą 30% teigiamą grįžtamąjį ryšį iki mažesnės vertės, pavyzdžiui, 15%. Tam, kad įvesties varža būtų didelė, svarbu naudoti didelės vertės rezistorius („Mega-Ohm“ diapazonas).

Schmitto paleidimo privalumai

„Schmitt“ trigeriai turi tikslą bet kokioje didelės spartos duomenų perdavimo sistemoje, naudojant tam tikrą skaitmeninio signalo apdorojimo formą. Tiesą sakant, jie atlieka dvejopą tikslą: išvalyti triukšmą ir trukdžius duomenų linijose, tuo pačiu išlaikant aukštą duomenų srauto greitį, ir paversti atsitiktinę analoginę bangos formą į ON-OFF skaitmeninę bangos formą su greitu, švariu krašto perėjimu.

Tai suteikia pranašumų prieš filtrus, kurie gali išfiltruoti triukšmą, tačiau žymiai sulėtinti duomenų perdavimo spartą dėl riboto jų pralaidumo. Be to, standartiniai filtrai negali užtikrinti gražios, švarios skaitmeninės išvesties su greitu kraštų perėjimu, kai taikoma lėta įėjimo bangos forma.

Šie du „Schmitt“ trigerių pranašumai išsamiau paaiškinti taip: Triukšmingi signalo įėjimai Triukšmo ir trukdžių poveikis yra pagrindinė skaitmeninių sistemų problema, nes naudojami vis ilgesni kabeliai ir reikalingi vis didesni ir didesni duomenų perdavimo spartos.

Kai kurie iš dažniausių triukšmo mažinimo būdų yra ekranuotų kabelių naudojimas, susuktų laidų naudojimas, impedansų suderinimas ir išėjimo impedansų sumažinimas.

Šie metodai gali būti veiksmingi mažinant triukšmą, tačiau įvesties linijoje vis tiek liks triukšmo, kuris grandinėje gali sukelti nepageidaujamus signalus.

Daugumoje standartinių buferių, keitiklių ir komparatorių, naudojamų skaitmeninėse grandinėse, įėjime yra tik viena ribinė vertė. Taigi, išėjimo būsena pasikeičia, kai tik įėjimo bangos forma peržengia šią ribą bet kuria kryptimi.

Jei atsitiktinis triukšmo signalas kelis kartus peržengia šį įėjimo įėjimo slenkstinį tašką, jis bus matomas išvestyje kaip impulsų serija. Be to, bangos forma su lėtų kraštų perėjimais gali pasirodyti išvestyje kaip svyruojančio triukšmo impulsų serija.

Kartais šiam papildomam triukšmui sumažinti naudojamas filtras, pavyzdžiui, RC tinkle. Bet kai duomenų kelyje naudojamas toks filtras, jis labai sulėtina maksimalų duomenų greitį. Filtrai slopina triukšmą, tačiau taip pat blokuoja aukšto dažnio skaitmeninius signalus.

„Schmitt“ paleidimo filtrai

„Schmitt“ gaidukas išvalo tai. Kai išvestis keičia savo būseną, kai įvestis peržengia slenkstį, keičiasi ir pati riba, todėl įvestis turi judėti toliau priešinga kryptimi, kad sukeltų dar vieną išvesties pokytį.

Dėl šio histerezės efekto Schmitto paleidiklių naudojimas yra bene efektyviausias būdas sumažinti triukšmo ir trukdžių problemas skaitmeninėje grandinėje. Triukšmo ir trukdžių problemas paprastai galima išspręsti, jei jos nėra pašalintos, įvesties linijoje pridedant histerezę Schmitto paleidimo pavidalu.

Kol įvesties triukšmo ar trukdžių amplitudė yra mažesnė nei Schmitto paleidiklio histerezės tarpo plotis, triukšmo poveikis išėjimui nebus.

Net jei amplitudė yra šiek tiek didesnė, ji neturėtų turėti įtakos išvesties, nebent įvesties signalas būtų sutelktas į histerezės tarpą. Norint pasiekti maksimalų triukšmą, gali tekti koreguoti slenksčio lygius.

Tai lengvai galima padaryti pakeitus rezistoriaus reikšmes teigiamo grįžtamojo ryšio tinkle arba naudojant potenciometrą.

Pagrindinis „Schmitt“ gaiduko teikiamas pranašumas per filtrus yra tai, kad jis nesulėtina duomenų perdavimo spartos, o iš tikrųjų kai kuriais atvejais jį pagreitina, lėtas bangų formas paverčiant greitomis (greitesnėmis kraštų perėjomis). Beveik bet koks skaitmeninis IC šiandien rinka savo skaitmeniniuose įėjimuose naudoja tam tikrą Schmitto veiksmo (histerezės) formą.

Tai apima MCU, atminties mikroschemas, loginius vartus ir pan. Nors šie skaitmeniniai IC gali turėti histerezę savo įėjimuose, daugelis jų taip pat turi apribojimus dėl jų įvesties kilimo ir kritimo laiko, rodomo jų specifikacijų lapuose, ir į juos reikia atsižvelgti. Idealus „Schmitt“ paleidiklis neturi jokių įėjimo ar pakilimo laiko apribojimų.

Lėtos įvesties bangos formos kartais histerezės tarpas yra per mažas arba yra tik viena slenksčio reikšmė (ne „Schmitt“ paleidimo įtaisas), kur išėjimas būna aukštas, jei įėjimas pakyla virš slenksčio, o išėjimas būna žemas, jei įėjimo signalas nukrenta žemiau tai.

Tokiais atvejais aplink slenkstį yra ribinė sritis, o lėtas įvesties signalas gali lengvai sukelti virpesius ar perteklinę srovę, kuri gali tekėti per grandinę, o tai netgi gali sugadinti įrenginį. Šie lėti įvesties signalai kartais gali atsitikti net greitai skaitmeniniu būdu. grandinės įjungimo sąlygomis arba kitomis sąlygomis, kai filtras (pvz., RC tinklas) naudojamas signalams tiekti į įėjimus.

Šio tipo problemos dažnai kyla rankinių jungiklių, ilgų kabelių ar laidų ir labai apkrautų grandinių „atšokimo“ grandinėse.

Pvz., Jei buferiui pritaikomas lėtas rampos signalas (integratorius) ir jis peržengia vienintelį įvesties slenkstinį tašką, išvestis pakeis savo būseną (pavyzdžiui, iš žemos į aukštą). Tai gali sukelti momentinę energijos tiekimo srovės ištraukimą ir šiek tiek sumažinti VCC galios lygį.

Šis pokytis gali būti pakankamas, kad išvestis vėl pakeistų savo būseną iš aukštos į žemą, nes buferis pajunta, kad įvestis vėl peržengė slenkstį (nepaisant to, kad įvestis liko ta pati). Tai gali vėl kartotis priešinga kryptimi, todėl ant išėjimo atsiras virpesių pulso serija.

Šiuo atveju naudojant „Schmitt“ gaiduką ne tik pašalinami svyravimai, bet ir paverčiami lėtųjų kraštų perėjimai į švarią ON-OFF impulsų seriją su beveik vertikaliais krašto perėjimais. Tada „Schmitt“ gaiduko išvestis gali būti naudojama kaip įvestis į šį įrenginį atsižvelgiant į jo pakilimo ir kritimo laiko specifikacijas.

(Nors svyravimus galima pašalinti naudojant „Schmitt“ paleidiklį, perėjime vis tiek gali būti perteklinis srovės srautas, kurį gali tekti ištaisyti kitu būdu.)

„Schmitt“ trigeris taip pat randamas tais atvejais, kai analoginę įvestį, pvz., Sinusinę, garso ar pjūklo formos, reikia konvertuoti į kvadratinę bangą arba kitokį ON-OFF skaitmeninį signalą su greitais krašto perėjimais.