Wprowadzenie do wyzwalacza Schmitta

Prawie każdy obwód cyfrowy używany w nowoczesnej szybkiej transmisji danych wymaga jakiejś formy wyzwalania Schmitta na swoich wejściach.

Dlaczego używany jest wyzwalacz Schmitt

Głównym celem wyzwalacza Schmitta jest tutaj eliminacja szumów i zakłóceń na liniach danych oraz zapewnienie ładnego, czystego wyjścia cyfrowego z szybkimi przejściami krawędzi.

Czasy narastania i opadania muszą być na tyle niskie na wyjściu cyfrowym, aby można je było zastosować jako dane wejściowe w kolejnych stopniach obwodu. (Wiele układów scalonych ma ograniczenia dotyczące typu przejścia krawędzi, które może wystąpić na wejściu).

Główną zaletą wyzwalaczy Schmitta jest to, że oczyszczają zaszumione sygnały, jednocześnie utrzymując wysokie natężenie przepływu danych, w przeciwieństwie do filtrów, które mogą odfiltrować szum, ale znacznie spowalniają szybkość transmisji.

Wyzwalacze Schmitta są również powszechnie spotykane w obwodach, które wymagają przebiegu z wolnymi przejściami zboczy, aby przekształcić go w cyfrowy przebieg z szybkimi, czystymi przejściami krawędzi.

Wyzwalacz Schmitta może przekształcić prawie każdy przebieg analogowy - taki jak przebieg sinusoidalny lub przebieg piłokształtny - w sygnał cyfrowy ON-OFF z szybkimi przejściami zboczy. Wyzwalacze Schmitta to aktywne urządzenia cyfrowe z jednym wejściem i jednym wyjściem, takie jak bufor lub falownik.

Podczas pracy wyjście cyfrowe może być wysokie lub niskie, a stan tego wyjścia zmienia się tylko wtedy, gdy jego napięcie wejściowe przekroczy lub spadnie poniżej dwóch wstępnie ustawionych progów napięcia progowego. Jeśli wyjście jest niskie, wyjście nie zmieni się na wysokie, chyba że sygnał wejściowy przekroczy pewien górny próg.

Podobnie, jeśli stan wyjściowy będzie wysoki, sygnał wyjściowy nie zmieni się na niski, dopóki sygnał wejściowy nie spadnie poniżej pewnego dolnego progu.

Dolny próg jest nieco niższy niż górny próg. Na wejściu można zastosować dowolny rodzaj przebiegu (sinusoidalne, piłokształtne, przebiegi audio, impulsy itp.), O ile jego amplituda mieści się w zakresie napięcia roboczego.

Diagarm, aby wyjaśnić wyzwalacz Schmitta

Poniższy wykres przedstawia histerezę wynikającą z górnego i dolnego progu napięcia wejściowego. Za każdym razem, gdy wejście przekracza górną granicę progową, poziom wyjścia jest wysoki.

Gdy wejście jest poniżej dolnego progu, wyjście jest niskie, a gdy napięcie sygnału wejściowego znajduje się między górną i dolną granicą progową, wyjście zachowuje swoją poprzednią wartość, która może być wysoka lub niska.

Odległość między dolnym progiem a górnym progiem nazywana jest luką histerezy. Wyjście zawsze zachowuje swój poprzedni stan, dopóki wejście nie zmieni się na tyle, aby spowodować zmianę. Z tego powodu w nazwie znajduje się oznaczenie „wyzwalacz”.

Wyzwalacz Schmitta działa podobnie jak bistabilny obwód zatrzaskowy lub bistabilny multiwibrator, ponieważ ma wewnętrzną 1-bitową pamięć i zmienia swój stan w zależności od warunków wyzwalania.

Używanie serii IC 74XX do działania wyzwalacza Schmitta

Texas Instruments zapewnia funkcje wyzwalania Schmitta w prawie wszystkich rodzinach technologii, od starej rodziny 74XX do najnowszej rodziny AUP1T.

Te układy scalone mogą być wyposażone w odwracający lub nieodwracający wyzwalacz Schmitta. Większość urządzeń wyzwalających Schmitta, takich jak 74HC14, ma poziomy progowe przy stałym stosunku Vcc.

Może to być wystarczające dla większości aplikacji, ale czasami poziomy progowe muszą zostać zmienione w zależności od warunków sygnału wejściowego.

Na przykład zakres sygnału wejściowego może być mniejszy niż ustalona luka histerezy. Poziomy progowe można zmieniać w układach scalonych, takich jak 74HC14, podłączając rezystor ujemnego sprzężenia zwrotnego od wyjścia do wejścia wraz z innym rezystorem łączącym sygnał wejściowy z wejściem urządzenia.

Zapewnia to dodatnie sprzężenie zwrotne potrzebne dla histerezy, a odstęp histerezy można teraz regulować, zmieniając wartości dwóch dodanych rezystorów lub za pomocą potencjometru. Rezystory powinny mieć dostatecznie dużą wartość, aby utrzymać impedancję wejściową na wysokim poziomie.

Wyzwalacz Schmitta to prosta koncepcja, ale została wynaleziona dopiero w 1934 r., Kiedy amerykański naukowiec Otto H. Schmitt był jeszcze absolwentem.

O Otto H. Schmitcie

Nie był inżynierem elektrykiem, ponieważ jego studia koncentrowały się na inżynierii biologicznej i biofizyce. Wpadł na pomysł wyzwalacza Schmitta, gdy próbował skonstruować urządzenie, które będzie replikować mechanizm propagacji impulsów nerwowych w nerwach kałamarnic.

Jego praca magisterska opisuje „wyzwalacz termiczny”, który umożliwia konwersję sygnału analogowego na sygnał cyfrowy, który jest albo całkowicie włączony, albo wyłączony („1” lub „0”).

Nie wiedział, że duże firmy elektroniczne, takie jak Microsoft, Texas Instruments i NXP Semiconductors, nie mogłyby istnieć bez tego unikalnego wynalazku.

Wyzwalacz Schmitta okazał się na tyle ważnym wynalazkiem, że znajduje zastosowanie w mechanizmach wejściowych praktycznie każdego cyfrowego urządzenia elektronicznego na rynku.

Co to jest wyzwalacz Schmitta

Koncepcja wyzwalacza Schmitta opiera się na idei dodatniego sprzężenia zwrotnego oraz na fakcie, że każdy aktywny obwód lub urządzenie może działać jak wyzwalacz Schmitta, stosując dodatnie sprzężenie zwrotne, tak że wzmocnienie pętli jest większe niż jeden.

Napięcie wyjściowe urządzenia aktywnego jest tłumione o określoną wielkość i podawane jako dodatnie sprzężenie zwrotne na wejście, co skutecznie dodaje sygnał wejściowy do tłumionego napięcia wyjściowego, tworząc histerezę z górną i dolną wartością progową napięcia wejściowego.

Większość standardowych buforów, falowników i komparatorów używa tylko jednej wartości progowej. Wyjście zmienia stan, gdy tylko przebieg wejściowy przekracza ten próg w dowolnym kierunku.

Jak działa wyzwalacz Schmitta

Zakłócony sygnał wejściowy lub sygnał o wolnym przebiegu pojawiłby się na wyjściu jako seria impulsów szumu.

Wyzwalacz Schmitta czyści to w górę - po zmianie stanu wyjścia, gdy jego wejście przekracza próg, sam próg również się zmienia, więc teraz napięcie wejściowe musi przesunąć się dalej w przeciwnym kierunku, aby ponownie zmienić stan.

Szum lub zakłócenia na wejściu nie pojawią się na wyjściu, chyba że jego amplituda okaże się większa niż różnica między dwoma wartościami progowymi.

Każdy sygnał analogowy, taki jak sinusoidalne przebiegi falowe lub sygnały dźwiękowe, może zostać przekształcony w serię impulsów ON-OFF z szybkimi, czystymi przejściami zboczy. Istnieją trzy metody implementacji dodatniego sprzężenia zwrotnego w celu utworzenia obwodu wyzwalającego Schmitta.

Jak działa sprzężenie zwrotne w wyzwalaczu Schmitta

W pierwszej konfiguracji sprzężenie zwrotne jest dodawane bezpośrednio do napięcia wejściowego, więc napięcie musi przesunąć się o większą wartość w przeciwnym kierunku, aby spowodować kolejną zmianę na wyjściu.

Jest to powszechnie znane jako równoległe pozytywne sprzężenie zwrotne.

W drugiej konfiguracji sprzężenie zwrotne jest odejmowane od napięcia progowego, co daje taki sam efekt, jak dodanie sprzężenia zwrotnego do napięcia wejściowego.

Tworzy to szeregowy obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego i jest czasami nazywany dynamicznym obwodem progowym. Sieć rezystor-dzielnik zwykle ustawia napięcie progowe, które jest częścią stopnia wejściowego.

Pierwsze dwa obwody można łatwo zrealizować za pomocą pojedynczego wzmacniacza operacyjnego lub dwóch tranzystorów wraz z kilkoma rezystorami. Trzecia technika jest nieco bardziej złożona i różni się tym, że nie ma żadnej informacji zwrotnej na żadną część etapu wejściowego.

Ta metoda wykorzystuje dwa oddzielne komparatory dla dwóch progowych wartości granicznych i przerzutnik jako 1-bitowy element pamięci. Nie ma pozytywnego sprzężenia zwrotnego zastosowanego do komparatorów, ponieważ są one zawarte w elemencie pamięci. Każda z tych trzech metod została bardziej szczegółowo wyjaśniona w kolejnych akapitach.

Wszystkie wyzwalacze Schmitta są urządzeniami aktywnymi, których działanie histerezy zależy od pozytywnego sprzężenia zwrotnego. Sygnał wyjściowy przechodzi w stan „wysoki”, gdy wartość wejściowa wzrośnie powyżej określonego, ustawionego górnego progu progowego, i przechodzi w stan „niski”, gdy wartość wejściowa spada poniżej dolnej wartości progowej.

Wyjście zachowuje swoją poprzednią wartość (niską lub wysoką), gdy wejście znajduje się między dwoma granicami progowymi.

Ten typ obwodu jest często używany do usuwania zaszumionych sygnałów i konwertowania analogowego przebiegu na cyfrowy (1 i 0) z czystymi, szybkimi przejściami zboczy.

Rodzaje sprzężenia zwrotnego w obwodach wyzwalających Schmitta

Istnieją trzy metody zwykle używane do implementacji dodatniego sprzężenia zwrotnego w celu utworzenia obwodu wyzwalającego Schmitta. Te metody to równoległe sprzężenie zwrotne, szeregowe sprzężenie zwrotne i wewnętrzne sprzężenie zwrotne.

Techniki sprzężenia zwrotnego równoległego i szeregowego są w rzeczywistości podwójnymi wersjami tego samego typu obwodu sprzężenia zwrotnego. Równoległe sprzężenie zwrotne Równoległy obwód sprzężenia zwrotnego jest czasami nazywany zmodyfikowanym obwodem napięcia wejściowego.

W tym obwodzie sprzężenie zwrotne jest dodawane bezpośrednio do napięcia wejściowego i nie wpływa na napięcie progowe. Ponieważ sprzężenie zwrotne jest dodawane do wejścia, gdy stan wyjścia zmienia się, napięcie wejściowe musi przesunąć się o większą wartość w przeciwnym kierunku, aby spowodować dalszą zmianę na wyjściu.

Jeśli wyjście jest niskie, a sygnał wejściowy wzrasta do punktu, w którym przekracza napięcie progowe, a wyjście zmienia się na wysokie.

Część tego wyjścia jest podawana bezpośrednio na wejście poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego, co „pomaga” utrzymać napięcie wyjściowe w nowym stanie.

To skutecznie zwiększa napięcie wejściowe, co ma taki sam efekt, jak obniżenie napięcia progowego.

Samo napięcie progowe nie jest zmieniane, ale wejście musi teraz przesunąć się dalej w kierunku w dół, aby zmienić wyjście na stan niski. Gdy wyjście jest niskie, ten sam proces powtarza się, aby powrócić do stanu wysokiego.

Ten obwód nie musi wykorzystywać wzmacniacza różnicowego, ponieważ będzie działał każdy wzmacniacz nieodwracający single-ended.

Zarówno sygnał wejściowy, jak i wyjściowe sprzężenie zwrotne są podawane na nieodwracające wejście wzmacniacza poprzez rezystory, a te dwa rezystory tworzą ważone równoległe lato. Jeśli jest wejście odwracające, jest ustawione na stałe napięcie odniesienia.

Przykłady równoległych obwodów sprzężenia zwrotnego to obwód wyzwalający Schmitta sprzężony z kolektorem lub nieodwracający obwód wzmacniacza operacyjnego, jak pokazano:

Seria opinii

Obwód dynamicznego progu (szeregowe sprzężenie zwrotne) działa zasadniczo w ten sam sposób, co równoległy obwód sprzężenia zwrotnego, z tym wyjątkiem, że sprzężenie zwrotne z wyjścia bezpośrednio zmienia napięcie progowe zamiast napięcia wejściowego.

Sprzężenie zwrotne jest odejmowane od napięcia progowego, co daje taki sam efekt, jak dodanie sprzężenia zwrotnego do napięcia wejściowego. Gdy tylko wejście przekroczy granicę napięcia progowego, napięcie progowe zmieni się na przeciwną wartość.

Wejście musi teraz zmienić się w większym stopniu w przeciwnym kierunku, aby ponownie zmienić stan wyjścia. Wyjście jest izolowane od napięcia wejściowego i wpływa tylko na napięcie progowe.

Dlatego rezystancja wejściowa może być znacznie wyższa dla tego obwodu szeregowego w porównaniu z obwodem równoległym. Ten obwód jest zwykle oparty na wzmacniaczu różnicowym, w którym wejście jest połączone z wejściem odwracającym, a wyjście jest połączone z wejściem nieodwracającym przez dzielnik napięcia rezystora.

Dzielnik napięcia ustawia wartości progowe, a pętla działa jak szeregowe napięcie letnie. Przykładami tego typu są klasyczny tranzystorowy wyzwalacz Schmitta sprzężony z emiterem i odwracający obwód wzmacniacza operacyjnego, jak pokazano tutaj:

Opinia wewnętrzna

W tej konfiguracji wyzwalacz Schmitta jest tworzony przy użyciu dwóch oddzielnych komparatorów (bez histerezy) dla dwóch granic progowych.

Wyjścia tych komparatorów są podłączone do wejść ustawiania i resetowania przerzutnika RS. Pozytywne sprzężenie zwrotne jest zawarte w przerzutniku, więc nie ma sprzężenia zwrotnego do komparatorów. Sygnał wyjściowy przerzutnika RS przełącza się w stan wysoki, gdy sygnał wejściowy przekracza górny próg, i przełącza się w stan niski, gdy wartość wejściowa spada poniżej dolnego progu.

Gdy wejście znajduje się między górnym i dolnym progiem, wyjście zachowuje swój poprzedni stan. Przykładem urządzenia wykorzystującego tę technikę jest 74HC14 firmy NXP Semiconductors i Texas Instruments.

Ta część składa się z komparatora górnego progu i komparatora dolnego progu, które służą do ustawiania i resetowania przerzutnika RS. Wyzwalacz 74HC14 Schmitt jest jednym z najpopularniejszych urządzeń do łączenia sygnałów świata rzeczywistego z elektroniką cyfrową.

Dwa granice progowe w tym urządzeniu są ustawione na stały stosunek Vcc. Minimalizuje to liczbę części i utrzymuje obwód w prostocie, ale czasami poziomy progowe muszą zostać zmienione dla różnych rodzajów warunków sygnału wejściowego.

Na przykład zakres sygnału wejściowego może być mniejszy niż ustalony zakres napięcia histerezy. Poziomy progowe można zmienić w 74HC14, podłączając rezystor ujemnego sprzężenia zwrotnego od wyjścia do wejścia, a drugi rezystor podłączając sygnał wejściowy do wejścia.

To skutecznie zmniejsza ustalone 30% pozytywne sprzężenie zwrotne do pewnej niższej wartości, na przykład 15%. W tym celu ważne jest stosowanie rezystorów o wysokiej wartości (zakres Mega-Ohm), aby utrzymać wysoką rezystancję wejściową.

Zalety spustu Schmitta

Wyzwalacze Schmitta służą do dowolnego rodzaju szybkich systemów transmisji danych z pewną formą cyfrowego przetwarzania sygnału. W rzeczywistości służą dwóm celom: usuwaniu szumów i zakłóceń na liniach danych, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego natężenia przepływu danych, oraz przekształcaniu losowego przebiegu analogowego w cyfrowy przebieg ON-OFF z szybkimi, czystymi przejściami krawędzi.

Zapewnia to przewagę nad filtrami, które mogą odfiltrować szum, ale znacznie spowalniają szybkość transmisji danych ze względu na ograniczoną przepustowość. Ponadto standardowe filtry nie są w stanie zapewnić ładnego, czystego wyjścia cyfrowego z szybkimi przejściami zboczy, gdy zastosowany jest wolny przebieg wejściowy.

Te dwie zalety wyzwalaczy Schmitta są wyjaśnione bardziej szczegółowo w następujący sposób: Wejścia sygnału z szumem Skutki szumów i interferencji są głównym problemem w systemach cyfrowych, ponieważ używane są coraz dłuższe kable i wymagane są coraz wyższe szybkości transmisji danych.

Niektóre z bardziej powszechnych sposobów redukcji szumów obejmują użycie ekranowanych kabli, użycie skręconych przewodów, dopasowanie impedancji i zmniejszenie impedancji wyjściowej.

Techniki te mogą być skuteczne w zmniejszaniu szumów, ale na linii wejściowej nadal pozostanie pewien szum, który może wyzwalać niepożądane sygnały w obwodzie.

Większość standardowych buforów, falowników i komparatorów stosowanych w obwodach cyfrowych ma tylko jedną wartość progową na wejściu. Zatem wyjście zmienia stan, gdy tylko przebieg wejściowy przekracza ten próg w dowolnym kierunku.

Jeśli losowy sygnał szumu przekracza ten punkt progowy na wejściu wiele razy, będzie widoczny na wyjściu jako seria impulsów. Ponadto na wyjściu może pojawić się przebieg z wolnymi przejściami zboczy jako seria oscylujących impulsów szumu.

Czasami stosuje się filtr, aby zmniejszyć ten dodatkowy szum, na przykład w sieci RC. Jednak za każdym razem, gdy taki filtr jest używany w ścieżce danych, znacznie spowalnia maksymalną szybkość transmisji danych. Filtry blokują szum, ale także blokują sygnały cyfrowe o wysokiej częstotliwości.

Filtry wyzwalające Schmitta

Wyzwalacz Schmitta czyści to. Po zmianie stanu wyjścia, gdy jego wejście przekracza próg, zmienia się również sam próg, więc wejście musi przesunąć się dalej w przeciwnym kierunku, aby spowodować kolejną zmianę na wyjściu.

Z powodu tego efektu histerezy, użycie wyzwalaczy Schmitta jest prawdopodobnie najbardziej skutecznym sposobem na zmniejszenie szumów i problemów z interferencją w obwodzie cyfrowym. Problemy z szumami i zakłóceniami można zwykle rozwiązać, jeśli nie wyeliminować, przez dodanie histerezy na linii wejściowej w postaci wyzwalacza Schmitta.

Dopóki amplituda szumu lub interferencji na wejściu jest mniejsza niż szerokość szczeliny histerezy wyzwalacza Schmitta, nie będzie żadnego wpływu szumu na wyjście.

Nawet jeśli amplituda jest nieco większa, nie powinna wpływać na wyjście, chyba że sygnał wejściowy jest wyśrodkowany w szczelinie histerezy. Poziomy progowe mogą wymagać regulacji w celu osiągnięcia maksymalnej eliminacji szumów.

Można to łatwo zrobić, zmieniając wartości rezystora w sieci z dodatnim sprzężeniem zwrotnym lub używając potencjometru.

Główną korzyścią, jaką zapewnia wyzwalacz Schmitta w porównaniu z filtrami, jest to, że nie spowalnia on szybkości transmisji danych, a nawet przyspiesza ją w niektórych przypadkach poprzez konwersję wolnych przebiegów na szybkie przebiegi (szybsze przejścia krawędzi). Rynek używa dziś jakiejś formy wyzwalania Schmitta (histerezy) na swoich wejściach cyfrowych.

Należą do nich MCU, chipy pamięci, bramki logiczne i tak dalej. Chociaż te cyfrowe układy scalone mogą mieć histerezę na wejściach, wiele z nich ma również ograniczenia dotyczące czasów narastania i opadania sygnału wejściowego wyświetlanych na arkuszach specyfikacji, które należy wziąć pod uwagę. Idealny wyzwalacz Schmitta nie ma żadnych ograniczeń czasu narastania ani opadania na wejściu.

Wolne przebiegi wejściowe czasami luka histerezy jest zbyt mała lub istnieje tylko jedna wartość progowa (urządzenie wyzwalające inne niż Schmitta), w której sygnał wyjściowy jest wysoki, jeśli wartość wejściowa wzrośnie powyżej progu, a wartość wyjściowa spada, jeśli sygnał wejściowy spada poniżej to.

W takich przypadkach istnieje margines wokół progu, a wolny sygnał wejściowy może łatwo powodować oscylacje lub przepływ nadmiaru prądu przez obwód, co może nawet uszkodzić urządzenie. Te wolne sygnały wejściowe mogą czasami wystąpić nawet w szybkich sygnałach cyfrowych. obwody w warunkach włączenia zasilania lub w innych warunkach, w których filtr (taki jak sieć RC) jest używany do dostarczania sygnałów do wejść.

Tego typu problemy często występują w obwodach „odbijających” przełączników ręcznych, długich kablach lub okablowaniu oraz mocno obciążonych obwodach.

Na przykład, jeśli powolny sygnał rampy (integrator) zostanie przyłożony do bufora i przekroczy pojedynczy punkt progowy na wejściu, wyjście zmieni stan (na przykład z niskiego na wysoki). To wyzwalanie może spowodować chwilowe pobranie dodatkowego prądu z zasilacza, a także nieznaczne obniżenie poziomu mocy VCC.

Ta zmiana mogłaby wystarczyć, aby ponownie zmienić stan wyjścia z wysokiego na niski, ponieważ bufor wykryje, że wejście ponownie przekroczyło próg (pomimo tego, że wejście pozostaje takie samo). Mogłoby to powtórzyć się w przeciwnym kierunku, więc na wyjściu pojawiłby się szereg oscylujących impulsów.

Użycie wyzwalacza Schmitta w tym przypadku nie tylko wyeliminuje oscylacje, ale również przekształci wolne przejścia zboczy na czystą serię impulsów ON-OFF z prawie pionowymi przejściami krawędzi. Wyjście wyzwalacza Schmitta może być następnie wykorzystane jako wejście do kolejnego urządzenia zgodnie z jego specyfikacją czasu narastania i opadania.

(Chociaż oscylacje można wyeliminować za pomocą wyzwalacza Schmitta, nadal może występować nadmierny przepływ prądu w przejściu, który może wymagać skorygowania w inny sposób).

Wyzwalacz Schmitta występuje również w przypadkach, gdy wejście analogowe, takie jak przebieg sinusoidalny, przebieg audio lub przebieg piłokształtny, wymaga konwersji na przebieg prostokątny lub inny typ sygnału cyfrowego ON-OFF z szybkimi przejściami zboczy.