Introduktion til Schmitt Trigger

Introduktion til Schmitt Trigger

Næsten ethvert digitalt kredsløb, der bruges i moderne højhastighedsdatakommunikation, har brug for en eller anden form for Schmitt-trigger-handling på dens indgange.



Hvorfor Schmitt Trigger bruges

Hovedformålet med en Schmitt-trigger her er at eliminere støj og interferens på datalinjer og give en flot, ren digital output med hurtige kantovergange.

Stignings- og faldtiderne skal være lave nok i en digital udgang til, at den kan anvendes som input til de følgende trin i et kredsløb. (Mange IC'er har begrænsninger for den type kantovergang, der kan vises på et input.)





Den største fordel ved Schmitt-udløsere her er, at de rydder op i støjende signaler, mens de stadig opretholder en høj datastrømningshastighed, i modsætning til filtre, som kan filtrere støj ud, men nedsætte datahastigheden betydeligt.

Schmitt-udløsere findes også almindeligt i kredsløb, der har brug for en bølgeform med langsomme kantovergange, der skal oversættes til en digital bølgeform med hurtige, rene kantovergange.



En Schmitt-trigger kan transformere næsten enhver analog bølgeform - såsom en sinusbølge eller savtandbølgeform - til et ON-OFF digitalt signal med hurtige kantovergange. Schmitt-udløsere er aktive digitale enheder med en indgang og en udgang, som en buffer eller inverter.

Under drift kan den digitale udgang enten være høj eller lav, og denne udgang ændrer kun tilstand, når dens indgangsspænding går over eller under to forudindstillede tærskelspændingsgrænser. Hvis udgangen tilfældigvis er lav, ændres udgangen ikke til høj, medmindre indgangssignalet går over en bestemt øvre tærskelgrænse.

Ligeledes, hvis udgangen tilfældigvis er høj, ændres udgangen ikke til lav, før indgangssignalet går under en bestemt nedre tærskelgrænse.

Den nedre tærskel er noget lavere end den øvre tærskelgrænse. Enhver form for bølgeform kan anvendes på indgangen (sinusformede bølger, savtænder, lydbølgeformer, impulser osv.), Så længe dens amplitude er inden for driftsspændingsområdet.

Diagarm for at forklare Schmitt Trigger

Diagrammet nedenfor viser hysteresen som følge af de øvre og nedre tærskelværdier for indgangsspænding. Hver gang input er over den øvre tærskelgrænse, er outputen høj.

Når indgangen er under den nedre tærskel, er udgangen lav, og når indgangssignalspændingen tilfældigvis er mellem de øvre og nedre tærskelgrænser, bevarer udgangen sin tidligere værdi, som kan være enten høj eller lav.

Afstanden mellem den nedre tærskel og den øvre tærskel kaldes hysteresegabet. Outputtet bevarer altid sin tidligere tilstand, indtil input ændres tilstrækkeligt til at udløse det til at ændre sig. Dette er grunden til 'trigger' -betegnelsen i navnet.

Schmitt-udløseren fungerer på samme måde som et bistabilt låsekredsløb eller en bistabil multivibrator, da den har en intern 1-bit hukommelse og ændrer dens tilstand afhængigt af udløserbetingelser.

Brug af IC 74XX-serien til Schmitt-udløserdrift

Texas Instruments leverer Schmitt-triggerfunktioner i næsten alle sine teknologifamilier, fra den gamle 74XX-familie til den nyeste AUP1T-familie.

Disse IC'er kan pakkes med enten en inverterende eller ikke-inverterende Schmitt-trigger. De fleste Schmitt trigger-enheder, såsom 74HC14, har tærskelniveauer i et fast forhold på Vcc.

Dette kan være tilstrækkeligt til de fleste applikationer, men undertiden skal tærskelniveauerne ændres afhængigt af indgangssignalforholdene.

For eksempel kan indgangssignalområdet være mindre end det faste hysteresegap. Tærskelniveauerne kan ændres i IC'er som 74HC14 ved at forbinde en negativ feedback-modstand fra output til input sammen med en anden modstand, der forbinder indgangssignalet til enhedens input.

Dette giver den positive feedback, der er nødvendig til hysterese, og hysteresegabet kan nu justeres ved at ændre værdierne for de to tilføjede modstande eller ved hjælp af et potentiometer. Modstandene skal have stor nok værdi til at holde indgangsimpedansen på et højt niveau.

En Schmitt-udløser er et simpelt koncept, men det blev ikke opfundet før i 1934, mens en amerikansk videnskabsmand ved navn Otto H. Schmitt stadig var en kandidatstuderende.

Om Otto H. Schmitt

Han var ikke en elektroingeniør, da hans studier var fokuseret på biologisk teknik og biofysik. Han kom på ideen om en Schmitt-udløser, da han forsøgte at konstruere en enhed, der ville replikere mekanismen for neural impulsudbredelse i blækspruttenerver.

Hans afhandling beskriver en 'termionisk trigger', der gør det muligt at konvertere et analogt signal til et digitalt signal, som enten er fuldt til eller fra ('1' eller '0').

Han vidste ikke, at store elektronikvirksomheder som Microsoft, Texas Instruments og NXP Semiconductors ikke kunne eksistere som de er i dag uden denne unikke opfindelse.

Schmitt-udløseren viste sig at være en så vigtig opfindelse, at den bruges i inputmekanismerne til stort set alle digitale elektroniske enheder på markedet.

Hvad er en Schmitt Trigger

Konceptet med en Schmitt-trigger er baseret på ideen om positiv feedback, og det faktum, at ethvert aktivt kredsløb eller enhed kan fås til at fungere som en Schmitt-trigger ved at anvende den positive feedback, således at loopforstærkningen er større end en.

Den aktive enheds udgangsspænding dæmpes med en bestemt mængde og anvendes som positiv feedback til indgangen, hvilket effektivt føjer indgangssignalet til den dæmpede udgangsspænding. Dette skaber en hysteresehandling med øvre og nedre indgangsspændingstærskelværdier.

De fleste standardbuffere, invertere og komparatorer bruger kun en tærskelværdi. Outputtet skifter tilstand, så snart inputbølgeformen krydser denne tærskel i begge retninger.

Sådan fungerer Schmitt Trigger

Et støjende indgangssignal eller et signal med en langsom bølgeform vises på udgangen som en række støjimpulser.

En Schmitt-udløser renser dette er op - efter at output skifter tilstand, da dets input krydser en tærskel, ændres selve tærsklen også, så nu skal indgangsspændingen bevæge sig længere i den modsatte retning for at ændre tilstand igen.

Støj eller interferens på indgangen vises ikke på udgangen, medmindre dens amplitude tilfældigvis er større end forskellen mellem de to tærskelværdier.

Ethvert analogt signal, sådan en sinusformet bølgeform eller lydsignal, kan oversættes til en række ON-OFF-impulser med hurtige, rene kantovergange. Der er tre metoder til implementering af den positive feedback til dannelse af et Schmitt-udløserkredsløb.

Sådan fungerer feedback i Schmitt Trigger

I den første konfiguration tilføjes feedback direkte til indgangsspændingen, så spændingen skal forskydes med en større mængde i den modsatte retning for at forårsage en anden ændring i output.

Dette er almindeligt kendt som parallel positiv feedback.

I den anden konfiguration trækkes feedbacken fra tærskelspændingen, hvilket har samme effekt som tilføjelse af feedback til indgangsspændingen.

Dette danner et serie positivt feedback kredsløb og kaldes undertiden et dynamisk tærskel kredsløb. Et modstandsdelernetværk indstiller normalt tærskelspændingen, som er en del af indgangstrinnet.

De to første kredsløb kan let implementeres ved brug af en enkelt opamp eller to transistorer sammen med et par modstande. Den tredje teknik er lidt mere kompleks og er forskellig ved, at den ikke har nogen feedback til nogen del af inputtrinnet.

Denne metode bruger to separate komparatorer til de to grænseværdier og en flip-flop som et 1-bit hukommelseselement. Der er ingen positiv feedback anvendt på komparatorerne, da de er indeholdt i hukommelseselementet. Hver af disse tre metoder forklares mere detaljeret i de følgende afsnit.

Alle Schmitt-udløsere er aktive enheder, der er afhængige af positiv feedback for at opnå deres hysterese-handling. Outputtet går til 'højt', hver gang indgangen stiger over en bestemt forudindstillet øvre tærskelgrænse og går til 'lav', hver gang indgangen falder til under en nedre tærskelgrænse.

Outputtet bevarer sin tidligere værdi (lav eller høj), når input er mellem de to tærskelgrænser.

Denne type kredsløb bruges ofte til at rydde op i støjende signaler og konvertere en analog bølgeform til en digital bølgeform (1 og 0) med rene, hurtige kantovergange.

Typer af feedback i Schmitt-udløserkredsløb

Der er tre metoder, der typisk anvendes til implementering af positiv feedback til dannelse af et Schmitt-udløserkredsløb. Disse metoder er Parallel Feedback, Seriefeedback og Intern feedback og diskuteres som følger.

Parallelle feedback- og seriefeedbackteknikker er faktisk dobbeltversioner af samme feedback-kredsløbstype. Parallel feedback Et parallelt feedback-kredsløb kaldes undertiden et modificeret indgangsspændingskredsløb.

I dette kredsløb føjes feedbacken direkte til indgangsspændingen og påvirker ikke tærskelspændingen. Da tilbagemeldingen føjes til indgangen, når udgangen skifter tilstand, skal indgangsspændingen forskydes større i den modsatte retning for at forårsage yderligere ændring i udgangen.

Hvis udgangen er lav, og indgangssignalet stiger til det punkt, hvor det krydser tærskelspændingen, og udgangen skifter til høj.

En del af dette output tilføres direkte til indgangen via en feedback-loop, som 'hjælper' udgangsspændingen med at forblive i sin nye tilstand.

Dette øger effektivt indgangsspændingen, hvilket har samme effekt som at sænke tærskelspændingen.

Selve tærskelspændingen ændres ikke, men indgangen skal nu bevæge sig længere nedad for at ændre udgangen til en lav tilstand. Når output er lavt, gentager den samme proces sig selv for at komme tilbage til høj tilstand.

Dette kredsløb behøver ikke at bruge en differensforstærker, da enhver ikke-inverterende forstærker med en ende fungerer.

Både indgangssignalet og outputfeedbacken påføres den ikke-inverterende indgang på forstærkeren gennem modstande, og disse to modstande danner en vægtet parallel sommer. Hvis der er en inverterende indgang, indstilles den til en konstant referencespænding.

Eksempler på parallelle feedback-kredsløb er et kollektorbaseret koblet Schmitt trigger-kredsløb eller et ikke-inverterende op-amp-kredsløb, som vist:

Seriefeedback

Et dynamisk tærskel- (seriefeedback) kredsløb fungerer stort set på samme måde som et parallelt feedback-kredsløb, bortset fra at feedback fra udgangen direkte ændrer tærskelspændingen i stedet for indgangsspændingen.

Feedbacken trækkes fra tærskelspændingen, hvilket har den samme effekt som at tilføje feedback til indgangsspændingen. Så snart indgangen krydser tærskelspændingsgrænsen, ændres tærskelspændingen til den modsatte værdi.

Indgangen skal nu ændres i højere grad i den modsatte retning for at ændre outputtilstanden igen. Outputtet er isoleret fra indgangsspændingen og påvirker kun tærskelspændingen.

Derfor kan inputmodstanden gøres meget højere for dette seriekredsløb sammenlignet med et parallel kredsløb. Dette kredsløb er normalt baseret på en differentialforstærker, hvor indgangen er forbundet til den inverterende indgang, og udgangen er forbundet til den ikke-inverterende indgang via en modstandsspændingsdeler.

Spændingsdeleren indstiller tærskelværdierne, og sløjfen fungerer som en seriens spændingssommer. Eksempler på denne type er den klassiske transistoremitterkoblede Schmitt-trigger og et inverterende op-amp-kredsløb, som vist her:

Intern feedback

I denne konfiguration oprettes en Schmitt-trigger ved hjælp af to separate komparatorer (uden hysterese) til de to tærskelgrænser.

Udgangene fra disse komparatorer er forbundet til indstillingen og reset af en RS-flip-flop. Den positive feedback er indeholdt i flip-flop, så der er ingen feedback til komparatorerne. Output fra RS-flip-flop skifter højt, når input går over den øvre tærskel, og skifter lavt, når input går under den nedre tærskel.

Når indgangen er mellem øvre og nedre tærskelværdier, bevarer udgangen sin tidligere tilstand. Et eksempel på en enhed, der bruger denne teknik, er 74HC14 lavet af NXP Semiconductors og Texas Instruments.

Denne del består af en komparator for den øvre tærskel og en komparator for den nedre tærskel, som bruges til at indstille og nulstille en RS-flip-flop. 74HC14 Schmitt-udløseren er en af ​​de mest populære enheder til interfacering af signaler fra den virkelige verden med digital elektronik.

De to tærskelgrænser i denne enhed er indstillet til et fast forhold på Vcc. Dette minimerer delantalet og holder kredsløbet enkelt, men undertiden skal tærskelniveauerne ændres for forskellige former for indgangssignalbetingelser.

For eksempel kan indgangssignalområdet være mindre end det faste hysteresespændingsområde. Tærskelniveauerne kan ændres i 74HC14 ved at forbinde en negativ feedback-modstand fra udgangen til indgangen, og en anden modstand, der forbinder indgangssignalet til indgangen.

Dette reducerer effektivt den faste 30% positive feedback til en eller anden lavere værdi, såsom 15%. Det er vigtigt at bruge modstande med høj værdi til dette (Mega-Ohm-område) for at holde inputmodstanden høj.

Fordele ved Schmitt trigger

Schmitt-udløsere tjener et formål i enhver form for højhastigheds datakommunikationssystem med en eller anden form for digital signalbehandling. Faktisk tjener de et dobbelt formål: at rydde op i støj og interferens på datalinjer, mens de stadig opretholder en høj datastrømningshastighed, og at konvertere en tilfældig analog bølgeform til en ON-OFF digital bølgeform med hurtige, rene kantovergange.

Dette giver en fordel i forhold til filtre, som kan filtrere støj ud, men nedsætte datahastigheden betydeligt på grund af deres begrænsede båndbredde. Standardfiltre er heller ikke i stand til at give et flot, rent digitalt output med hurtige kantovergange, når der anvendes en langsom inputbølgeform.

Disse to fordele ved Schmitt-udløsere forklares mere detaljeret som følger: Støjende signalindgange Effekterne af støj og interferens er et stort problem i digitale systemer, da der bruges længere og længere kabler, og der kræves højere og højere datahastigheder.

Nogle af de mere almindelige måder til at reducere støj inkluderer brug af afskærmede kabler, brug af snoede ledninger, matchende impedanser og reducering af outputimpedanser.

Disse teknikker kan være effektive til at reducere støj, men der er stadig noget støj tilbage på en indgangslinje, og det kan udløse uønskede signaler i et kredsløb.

De fleste af de standardbuffere, invertere og komparatorer, der anvendes i digitale kredsløb, har kun en tærskelværdi på indgangen. Så output ændrer tilstand, så snart inputbølgeformen krydser denne tærskel i begge retninger.

Hvis et tilfældigt støjsignal krydser dette tærskelpunkt på en indgang flere gange, vil det ses på udgangen som en række pulser. En bølgeform med langsomme kantovergange kunne også vises på udgangen som en række oscillerende støjimpulser.

Nogle gange bruges et filter til at reducere denne ekstra støj, f.eks. I et RC-netværk. Men når som helst et filter som dette bruges på datastien, nedsætter det den maksimale datahastighed betydeligt. Filtre blokerer for støj, men de blokerer også høyfrekvente digitale signaler.

Schmitt trigger-filtre

En Schmitt-udløser renser dette er op. Når udgangen ændrer sin tilstand, når dens input krydser en tærskel, ændres tærsklen i sig selv også, så derefter skal indgangen bevæge sig længere i den modsatte retning for at forårsage en anden ændring i output.

På grund af denne hystereseeffekt er brugen af ​​Schmitt-udløsere sandsynligvis den mest effektive måde at reducere støj- og interferensproblemer i et digitalt kredsløb på. Støj- og interferensproblemer kan normalt løses, hvis de ikke elimineres, ved at tilføje hysterese på inputlinjen i form af en Schmitt-trigger.

Så længe amplituden af ​​støj eller interferens på indgangen er mindre end bredden af ​​hysteresespalten på Schmitt-triggeren, vil der ikke være nogen støjeffekter på output.

Selvom amplituden er lidt større, bør det ikke påvirke output, medmindre indgangssignalet er centreret om hysteresegabet. Tærskelværdierne skal muligvis justeres for at opnå maksimal støjeliminering.

Dette kan let gøres ved at ændre værdierne for en modstand i det positive feedback-netværk eller ved hjælp af et potentiometer.

Den største fordel, som en Schmitt-trigger giver over filtre, er, at den ikke sænker datahastigheden og faktisk fremskynder den i nogle tilfælde via konvertering af langsomme bølgeformer til hurtige bølgeformer (hurtigere kantovergange). Næsten enhver digital IC på markedet i dag bruger en eller anden form for Schmitt trigger-handling (hysterese) på sine digitale indgange.

Disse inkluderer MCU'er, hukommelseschips, logiske porte og så videre. Selvom disse digitale IC'er muligvis har hysterese på deres input, har mange af dem også begrænsninger for deres inputstigning og faldtider, der vises på deres specifikationsark, og disse skal tages i betragtning. En ideel Schmitt-udløser har ikke nogen stigning eller faldtidsbegrænsning på dens input.

Langsomme inputbølgeformer undertiden er hysteresegabet for lille, eller der er kun en tærskelværdi (en ikke-Schmitt-udløserenhed), hvor output går højt, hvis input stiger over tærsklen, og output går lavt, hvis indgangssignalet falder under det.

I tilfælde som disse er der et marginalt område omkring tærsklen, og et langsomt indgangssignal kan let forårsage svingninger eller overskydende strøm til at strømme gennem kredsløbet, hvilket endda kan skade enheden. Disse langsomme indgangssignaler kan undertiden ske selv i hurtig digital kredsløb under opstartsforhold eller andre forhold, hvor et filter (såsom et RC-netværk) bruges til at føde signaler til indgangene.

Problemer af denne type opstår ofte inden for 'afbøjning' -kredsløbet for manuelle afbrydere, lange kabler eller ledninger og stærkt belastede kredsløb.

For eksempel, hvis et langsomt rampesignal (integrator) påføres en buffer, og det krydser det enkelte tærskelpunkt på indgangen, vil output ændre sin tilstand (for eksempel fra lav til høj). Denne udløsende handling kan medføre, at der straks trækkes ekstra strøm fra strømforsyningen og også sænke VCC-strømniveauet lidt.

Denne ændring kunne være tilstrækkelig til at få output til at ændre sin tilstand igen fra høj til lav, da bufferen registrerer, at indgangen krydsede tærsklen igen (på trods af at indgangen forbliver den samme). Dette kunne gentages igen i den modsatte retning, så en række svingende impulser vises på udgangen.

Brug af en Schmitt-trigger i dette tilfælde vil ikke kun eliminere svingningerne, men det vil også oversætte de langsomme kantovergange til en ren serie af ON-OFF-impulser med næsten lodrette kantovergange. Output fra en Schmitt-udløser kan derefter bruges til at være en input til følgende enhed i henhold til dens specifikationer for stigning og faldtid.

(Selvom svingninger kan elimineres ved hjælp af en Schmitt-udløser, kan der stadig være overskydende strømflow i en overgang, som muligvis skal rettes på en anden måde.)

Schmitt-udløseren findes også i tilfælde, hvor en analog indgang, såsom en sinusformet bølgeform, lydbølgeform eller savtandbølgeform, skal konverteres til en firkantbølge eller en anden type ON-OFF digitalt signal med hurtige kantovergange.




Forrige: Enkel spænding-til-strøm og strøm-til-spændingsteknikker - Af James H. Reinholm Næste: Batteri afskåret opladerkredsløb ved hjælp af et enkelt relæ