Úvod do Schmittovej spúšte

Takmer akýkoľvek digitálny obvod používaný v modernej vysokorýchlostnej dátovej komunikácii vyžaduje určitú formu Schmittovej spúšťacej akcie na jeho vstupoch.

Prečo sa používa Schmitt Trigger

Hlavným účelom Schmittovho spúšťača je tu eliminovať šum a rušenie na dátových linkách a poskytnúť pekný čistý digitálny výstup s rýchlymi prechodmi z okraja.

Časy nábehu a dobehu musia byť na digitálnom výstupe dostatočne nízke, aby ich bolo možné použiť ako vstup do nasledujúcich stupňov obvodu. (Mnoho integrovaných obvodov má obmedzenia týkajúce sa typu prechodu hrany, ktorý sa môže na vstupe vyskytnúť.)

Hlavnou výhodou spúšťačov Schmitt je to, že čistia hlučné signály a stále zachovávajú vysoký dátový tok, na rozdiel od filtrov, ktoré dokážu odfiltrovať šum, ale výrazne spomaliť dátový tok.

Schmittove spúšťače sa tiež bežne vyskytujú v obvodoch, ktoré potrebujú na to, aby sa vlnový priebeh s pomalými prechodmi okrajov preložil do digitálneho tvaru s rýchlymi, čistými prechodmi okrajov.

Schmittov spúšť môže transformovať takmer akýkoľvek analógový priebeh - napríklad sínusový alebo pílový priebeh - na digitálny signál ON-OFF s rýchlymi prechodmi z okraja. Schmittovy spúšťače sú aktívne digitálne zariadenia s jedným vstupom a jedným výstupom, napríklad vyrovnávacou pamäťou alebo invertorom.

Za prevádzky môže byť digitálny výstup buď vysoký, alebo nízky a tento výstup zmení stav iba vtedy, keď jeho vstupné napätie stúpne alebo klesne pod dva prednastavené limity prahového napätia. Ak je výstup nízky, výstup sa nezmení na vysoký, pokiaľ vstupný signál neprekročí určitú hornú prahovú hranicu.

Rovnako, ak je výstup vysoký, výstup sa nezmení na nízky, kým vstupný signál neklesne pod určitú dolnú hraničnú hranicu.

Dolný prah je o niečo nižší ako horný prahový limit. Na vstup možno použiť akýkoľvek tvar vlny (sínusové vlny, pílové zuby, zvukové vlny, impulzy atď.), Pokiaľ je jej amplitúda v rozsahu prevádzkového napätia.

Diagarmujte, aby ste vysvetlili Schmittovu spúšť

Nasledujúci diagram zobrazuje hysteréziu vyplývajúcu z hornej a dolnej prahovej hodnoty vstupného napätia. Kedykoľvek je vstup nad hornou medznou hranicou, je výstup vysoký.

Ak je vstup pod spodnou prahovou hodnotou, výstup je nízky a keď sa napätie vstupného signálu nachádza medzi hornou a spodnou prahovou hranicou, výstup si zachová svoju predchádzajúcu hodnotu, ktorá môže byť buď vysoká, alebo nízka.

Vzdialenosť medzi spodným prahom a horným prahom sa nazýva hysterézna medzera. Výstup si vždy zachová svoj predchádzajúci stav, kým sa vstup nezmení natoľko, aby sa spustil jeho zmena. To je dôvod pre označenie „spúšťača“ v názve.

Schmittova spúšť pracuje rovnako ako bistabilný obvod západky alebo bistabilný multivibrátor, pretože má vnútornú 1 bitovú pamäť a mení svoj stav v závislosti od podmienok spúšťania.

Používanie série IC 74XX na prevádzku spúšťania Schmitt

Spoločnosť Texas Instruments poskytuje spúšťacie funkcie Schmitt takmer vo všetkých svojich technologických rodinách, od starej rodiny 74XX po najnovšiu rodinu AUP1T.

Tieto integrované obvody môžu byť zabalené s invertujúcou alebo neinvertujúcou Schmittovou spúšťou. Väčšina spúšťacích zariadení Schmitt, ako napríklad 74HC14, má prahové úrovne pri pevnom pomere Vcc.

To môže byť dostatočné pre väčšinu aplikácií, ale niekedy je potrebné meniť prahové úrovne v závislosti od podmienok vstupného signálu.

Napríklad rozsah vstupného signálu môže byť menší ako fixná hysterézna medzera. Prahové úrovne je možné meniť v integrovaných obvodoch, ako je 74HC14, pripojením záporného spätnoväzbového odporu z výstupu na vstup spolu s ďalším rezistorom, ktorý spája vstupný signál so vstupom zariadenia.

To poskytuje pozitívnu spätnú väzbu potrebnú pre hysteréziu a rozdiel medzi hysteréziou je možné teraz upraviť zmenou hodnôt dvoch pridaných odporov alebo použitím potenciometra. Rezistory by mali mať dostatočne veľkú hodnotu na to, aby udržali vstupnú impedanciu na vysokej úrovni.

Schmittova spúšť je jednoduchý koncept, ale bol vynájdený až v roku 1934, zatiaľ čo americký vedec menom Otto H. Schmitt bol stále absolventom štúdia.

O spoločnosti Otto H. Schmitt

Nebol to elektrotechnik, pretože jeho štúdium bolo zamerané na biologické inžinierstvo a biofyziku. Prišiel s myšlienkou Schmittovho spúšťača, keď sa pokúšal vytvoriť zariadenie, ktoré by replikovalo mechanizmus šírenia nervových impulzov v chobotnicových nervoch.

Jeho práca popisuje „termionický spúšťač“, ktorý umožňuje previesť analógový signál na digitálny signál, ktorý je buď plný, alebo vypnutý („1“ alebo „0“).

Netušil, že veľké spoločnosti v oblasti elektroniky ako Microsoft, Texas Instruments a NXP Semiconductors nemôžu bez tohto jedinečného vynálezu existovať tak, ako sú dnes.

Schmittova spúšť sa ukázala byť natoľko dôležitým vynálezom, že sa používa vo vstupných mechanizmoch prakticky všetkých digitálnych elektronických zariadení na trhu.

Čo je to Schmittova spúšť

Koncepcia Schmittovho spúšťača je založená na myšlienke pozitívnej spätnej väzby a na skutočnosti, že akýkoľvek aktívny obvod alebo zariadenie je možné donútiť, aby fungovalo ako Schmittov spúšť, uplatnením pozitívnej spätnej väzby tak, aby bol zisk slučky väčší ako jeden.

Výstupné napätie aktívneho zariadenia je o určené množstvo zoslabené a aplikované ako pozitívna spätná väzba na vstup, ktorá efektívne pridáva vstupný signál k zoslabenému výstupnému napätiu. To vytvára hysteréznu akciu s hornými a dolnými prahovými hodnotami vstupného napätia.

Väčšina štandardných vyrovnávacích pamätí, invertorov a komparátorov používa iba jednu prahovú hodnotu. Výstup zmení stav, akonáhle vstupná krivka prekročí túto prahovú hodnotu v obidvoch smeroch.

Ako funguje Schmitt Trigger

Hlučný vstupný signál alebo signál s pomalým tvarom vlny by sa na výstupe javil ako séria šumových impulzov.

Schmittova spúšť vyčistí toto - keď výstup zmení stav, keď jeho vstup prekročí prahovú hodnotu, zmení sa aj samotná prahová hodnota, takže teraz sa vstupné napätie musí pohybovať ďalej v opačnom smere, aby sa stav znova zmenil.

Šum alebo interferencia na vstupe by sa na výstupe neobjavila, pokiaľ by jeho amplitúda nebola väčšia ako rozdiel medzi dvoma prahovými hodnotami.

Akýkoľvek analógový signál, ako sú sínusové tvary vĺn alebo zvukové signály, možno preložiť do série impulzov ON-OFF s rýchlymi a čistými prechodmi okrajov. Existujú tri spôsoby implementácie pozitívnej spätnej väzby na vytvorenie Schmittovho spúšťacieho obvodu.

Ako funguje spätná väzba v Schmitt Trigger

V prvej konfigurácii sa spätná väzba pridáva priamo k vstupnému napätiu, takže sa napätie musí posúvať o väčšie množstvo v opačnom smere, aby došlo k ďalšej zmene výstupu.

Toto sa bežne nazýva paralelná pozitívna spätná väzba.

V druhej konfigurácii sa spätná väzba odčíta od prahového napätia, čo má rovnaký účinok ako pridanie spätnej väzby k vstupnému napätiu.

Toto vytvára sériový obvod s pozitívnou spätnou väzbou a niekedy sa nazýva obvod s dynamickou prahovou hodnotou. Sieť rezistor-delič zvyčajne nastavuje prahové napätie, ktoré je súčasťou vstupného stupňa.

Prvé dva obvody možno ľahko implementovať pomocou jedného operačného zosilňovača alebo dvoch tranzistorov spolu s niekoľkými odpormi. Tretia technika je trochu zložitejšia a líši sa tým, že nemá žiadnu spätnú väzbu k akejkoľvek časti vstupnej fázy.

Táto metóda používa dva samostatné komparátory pre dve prahové limitné hodnoty a klopný obvod ako 1-bitový pamäťový prvok. Na komparátory sa nevzťahuje žiadna pozitívna spätná väzba, pretože sú obsiahnuté v pamäťovom prvku. Každá z týchto troch metód je podrobnejšie vysvetlená v nasledujúcich odsekoch.

Všetky spúšťače Schmitt sú aktívne zariadenia, ktoré sa pri dosiahnutí svojej hysteréznej akcie spoliehajú na pozitívnu spätnú väzbu. Výstup ide na „vysokú“, kedykoľvek vstup stúpne nad určitú prednastavenú hornú prahovú hranicu, a na „nízku“, keď vstup klesne pod dolnú hraničnú hodnotu.

Výstup si zachováva svoju predchádzajúcu hodnotu (nízku alebo vysokú), keď je vstup medzi dvoma prahovými limitmi.

Tento typ obvodu sa často používa na čistenie hlučných signálov a na prevod analógového priebehu na digitálny priebeh (1 a 0) s čistými a rýchlymi prechodmi.

Typy spätnej väzby v spúšťacích obvodoch Schmitta

Pri implementácii pozitívnej spätnej väzby na vytvorenie Schmittovho spúšťacieho obvodu sa zvyčajne používajú tri metódy. Tieto metódy sú Parallel Feedback, Series Feedback a Internal Feedback, a sú diskutované nasledovne.

Techniky paralelnej a sériovej spätnej väzby sú vlastne duálne verzie rovnakého typu spätnoväzbového obvodu. Paralelná spätná väzba Paralelná spätná väzba sa niekedy nazýva upravený obvod vstupného napätia.

V tomto obvode sa spätná väzba pripája priamo k vstupnému napätiu a neovplyvňuje prahové napätie. Keď sa spätná väzba pridá na vstup, keď výstup zmení stav, musí sa vstupné napätie posunúť o väčšie množstvo v opačnom smere, aby došlo k ďalšej zmene výstupu.

Ak je výstup nízky a vstupný signál sa zvyšuje do bodu, kde prekročí prahové napätie, výstup sa zmení na vysoký.

Časť tohto výstupu je privádzaná priamo na vstup cez spätnoväzbovú slučku, ktorá „pomáha“ výstupnému napätiu zostať v novom stave.

To efektívne zvyšuje vstupné napätie, čo má rovnaký účinok ako zníženie prahového napätia.

Samotné prahové napätie sa nemení, ale vstup sa teraz musí pohybovať ďalej v smere nadol, aby sa výstup zmenil na nízky stav. Akonáhle je výstup nízky, tento istý proces sa opakuje, aby sa dostal späť do vysokého stavu.

Tento obvod nemusí používať diferenciálny zosilňovač, pretože bude fungovať akýkoľvek neinvertujúci zosilňovač s jedným koncom.

Vstupný signál aj výstupná spätná väzba sa privádzajú na neinvertujúci vstup zosilňovača cez rezistory a tieto dva odpory tvoria vážené paralelné leto. Ak existuje invertujúci vstup, nastaví sa na konštantné referenčné napätie.

Príklady paralelných spätnoväzbových obvodov sú Schmittov spínací obvod spojený s kolektorovou základňou alebo neinvertujúci obvod op-amp, ako je znázornené:

Spätná väzba k sérii

Obvod s dynamickou prahovou hodnotou (sériová spätná väzba) pracuje v zásade rovnakým spôsobom ako obvod s paralelnou spätnou väzbou, až na to, že spätná väzba z výstupu priamo mení prahové napätie namiesto vstupného napätia.

Spätná väzba sa odčíta od prahového napätia, čo má rovnaký účinok ako pridanie spätnej väzby k vstupnému napätiu. Akonáhle vstup prekročí hranicu prahového napätia, prahové napätie sa zmení na opačnú hodnotu.

Teraz sa musí vstup vo väčšej miere meniť v opačnom smere, aby sa znova zmenil stav výstupu. Výstup je izolovaný od vstupného napätia a ovplyvňuje iba prahové napätie.

Preto môže byť vstupný odpor pre tento sériový obvod vyrobený oveľa vyšší v porovnaní s paralelným obvodom. Tento obvod je zvyčajne založený na diferenciálnom zosilňovači, kde je vstup pripojený k invertujúcemu vstupu a výstup je pripojený k neinvertujúcemu vstupu cez odporový delič napätia.

Delič napätia nastavuje prahové hodnoty a slučka funguje ako sériové letné napätie. Príklady tohto typu sú klasická Schmittova spúšť spojená s emitorom tranzistora a obvod invertujúceho operačného zosilňovača, ako je znázornené tu:

Interná spätná väzba

V tejto konfigurácii sa Schmittov spúšť vytvorí pomocou dvoch samostatných komparátorov (bez hysterézie) pre tieto dve prahové limity.

Výstupy týchto komparátorov sú pripojené k nastavovacím a resetovacím vstupom klopného obvodu RS. Pozitívna spätná väzba je obsiahnutá vo flip-flope, takže neexistuje žiadna spätná väzba pre komparátory. Výstup klopného obvodu RS sa prepína vysoko, keď vstup prekročí hornú prahovú hodnotu, a prepína nízko, keď vstup prekročí spodnú prahovú hodnotu.

Keď je vstup medzi hornou a dolnou prahovou hodnotou, výstup si zachová predchádzajúci stav. Príkladom zariadenia, ktoré využíva túto techniku, je model 74HC14 od spoločností NXP Semiconductors a Texas Instruments.

Táto časť sa skladá z komparátora hornej prahovej hodnoty a komparátora dolnej prahovej hodnoty, ktoré sa používajú na nastavenie a vynulovanie klopného obvodu RS. Spúšť 74HC14 Schmitt je jedným z najpopulárnejších zariadení na prepojenie signálov skutočného sveta s digitálnou elektronikou.

Dva prahové limity v tomto zariadení sú nastavené na pevný pomer Vcc. To minimalizuje počet súčiastok a udržuje obvod jednoduchý, ale niekedy je potrebné zmeniť prahové úrovne pre rôzne druhy podmienok vstupného signálu.

Napríklad rozsah vstupného signálu môže byť menší ako rozsah fixného hysterézneho napätia. Prahové úrovne je možné v modeli 74HC14 zmeniť pripojením záporného spätnoväzbového odporu z výstupu na vstup a ďalším odporom pripojujúcim vstupný signál na vstup.

To efektívne znižuje fixnú 30% pozitívnu spätnú väzbu na nejakú nižšiu hodnotu, napríklad 15%. Pre tento účel je dôležité použiť vysoko hodnotné rezistory (rozsah Mega-Ohm), aby sa udržal vysoký vstupný odpor.

Výhody Schmittovho spúšťača

Schmittove spúšťače slúžia účelu v akomkoľvek druhu vysokorýchlostného dátového komunikačného systému s určitou formou digitálneho spracovania signálu. V skutočnosti slúžia dvojakému účelu: vyčistiť šum a rušenie na dátových linkách pri zachovaní vysokej rýchlosti toku údajov a previesť náhodný analógový priebeh na digitálny priebeh ON-OFF s rýchlymi a čistými prechodmi.

To poskytuje výhodu oproti filtrom, ktoré dokážu odfiltrovať šum, ale kvôli ich obmedzenej šírke pásma výrazne spomalia dátový tok. Štandardné filtre tiež nie sú schopné poskytnúť pekný a čistý digitálny výstup s rýchlymi prechodmi od okraja, keď sa použije pomalý tvar vlny.

Tieto dve výhody spúšťačov Schmitt sú podrobnejšie vysvetlené nasledovne: Vstupy hlučného signálu Účinky šumu a rušenia sú hlavným problémom digitálnych systémov, pretože sa používajú čoraz dlhšie káble a vyžaduje sa vyššia a vyššia rýchlosť prenosu dát.

Niektoré z najbežnejších spôsobov znižovania šumu zahŕňajú použitie tienených káblov, použitie krútených vodičov, prispôsobenie impedancií a zníženie výstupných impedancií.

Tieto techniky môžu byť účinné pri znižovaní šumu, na vstupnom vedení však stále zostane určitý šum, ktorý by mohol spúšťať nežiaduce signály v obvode.

Väčšina štandardných vyrovnávacích pamätí, invertorov a komparátorov používaných v digitálnych obvodoch má na vstupe iba jednu prahovú hodnotu. Takže výstup zmení stav, akonáhle vstupná krivka prekročí túto prahovú hodnotu v obidvoch smeroch.

Ak náhodný šumový signál prekročí tento prahový bod na vstupe niekoľkokrát, bude sa na výstupe považovať za sériu impulzov. Na výstupe by sa tiež mohol objaviť priebeh vlny s pomalými prechodmi hrany ako séria kmitavých šumových impulzov.

Niekedy sa na zníženie tohto nadmerného šumu používa filter, napríklad v sieti RC. Ale kedykoľvek sa na dátovej ceste použije takýto filter, maximálny dátový tok sa výrazne spomalí. Filtre blokujú šum, ale blokujú aj vysokofrekvenčné digitálne signály.

Schmittove spúšťacie filtre

Schmittova spúšť to vyčistí. Keď výstup zmení svoj stav, keď jeho vstup prekročí prahovú hodnotu, zmení sa aj samotná prahová hodnota, takže sa vstup musí posunúť ďalej v opačnom smere, aby spôsobil ďalšiu zmenu výstupu.

Kvôli tomuto hysteréznemu efektu je použitie Schmittových spúšťačov pravdepodobne najefektívnejším spôsobom na zníženie problémov s rušením a rušením v digitálnom obvode. Problémy s hlukom a interferenciou je možné obvykle vyriešiť, pokiaľ nie sú eliminované, pridaním hysterézie na vstupnom vedení vo forme Schmittovho spúšťača.

Pokiaľ je amplitúda šumu alebo rušenia na vstupe menšia ako šírka hysteréznej medzery Schmittovho spúšťača, na výstup nebudú mať žiadny vplyv šumu.

Aj keď je amplitúda o niečo väčšia, nemalo by to mať vplyv na výstup, pokiaľ nie je vstupný signál zameraný na hysteréznu medzeru. Možno bude potrebné upraviť prahové úrovne, aby sa dosiahlo maximálnej eliminácie šumu.

To sa dá ľahko urobiť zmenou hodnôt odporu v sieti s pozitívnou spätnou väzbou alebo použitím potenciometra.

Hlavnou výhodou, ktorú poskytuje Schmittova spúšť cez filtre, je to, že nespomaľuje dátový tok a v niektorých prípadoch ho skutočne zrýchľuje konverziou pomalých kriviek na rýchle krivky (rýchlejšie prechody okrajov). Takmer akýkoľvek digitálny integrovaný obvod na súčasný trh používa na svojich digitálnych vstupoch určitú formu Schmittovej spúšťacej akcie (hysterézie).

Patria sem MCU, pamäťové čipy, logické hradlá atď. Aj keď tieto digitálne integrované obvody môžu mať na svojich vstupoch hysteréziu, mnohé z nich majú tiež obmedzenia týkajúce sa časov stúpania a klesania vstupov zobrazených na ich technických listoch, a tieto je potrebné zohľadniť. Ideálny Schmittov spúšť nemá na svojom vstupe nijaké časové a časové obmedzenie.

Pomalé krivky vstupu sú niekedy hysterézna medzera príliš malá alebo existuje iba jedna prahová hodnota (spúšťacie zariadenie iné ako Schmitt), pri ktorej výstup stúpne, ak vstup stúpne nad prahovú hodnotu, a výstup klesne, ak vstupný signál klesne pod to.

V prípadoch, ako sú tieto, je okolo prahovej hodnoty okrajová oblasť a pomalý vstupný signál môže ľahko spôsobiť, že obvodom pretečú oscilácie alebo prebytočný prúd, čo by mohlo zariadenie dokonca poškodiť. Tieto pomalé vstupné signály sa niekedy môžu vyskytnúť aj v rýchlom digitálnom formáte. obvody za podmienok napájania alebo za iných podmienok, keď sa na napájanie signálov na vstupy používa filter (napríklad sieť RC).

Problémy tohto typu sa často vyskytujú v obvodoch „odskoku“ manuálnych spínačov, dlhých káblov alebo vodičov a vo veľmi zaťažených obvodoch.

Napríklad, ak je na vyrovnávaciu pamäť aplikovaný signál pomalého nábehu (integrátor) a ten prekročí jediný prahový bod na vstupe, výstup zmení svoj stav (napríklad z nízkeho na vysoký). Táto spúšťacia akcia by mohla spôsobiť, že sa z napájacieho zdroja na chvíľu odoberie ďalší prúd a tiež sa mierne zníži úroveň výkonu VCC.

Táto zmena by mohla stačiť na to, aby výstup opäť zmenil svoj stav z vysokého na nízky, pretože vyrovnávacia pamäť sníma, že vstup opäť prekročil prahovú hodnotu (napriek tomu, že vstup zostáva rovnaký). To by sa mohlo opakovať opäť v opačnom smere, takže na výstupe by sa objavila séria oscilačného impulzu.

Použitie Schmittovho spúšťača v tomto prípade nielenže eliminuje oscilácie, ale tiež prevedie pomalé prechody okrajov do čistej série impulzov ON-OFF s takmer zvislými prechodmi okrajov. Výstup Schmittovho spúšťača sa potom môže použiť ako vstup do nasledujúceho zariadenia podľa jeho špecifikácií času nábehu a dobehu.

(Aj keď oscilácie možno eliminovať použitím Schmittovho spúšťača, pri prechode môže stále dochádzať k nadmernému prúdeniu, ktoré bude možno potrebné nejako inak upraviť.)

Schmittov spúšť sa nachádza aj v prípadoch, keď je potrebné previesť analógový vstup, ako je sínusový priebeh, zvukový priebeh alebo pílový tvar, na obdĺžnikový alebo iný typ digitálneho signálu ON-OFF s rýchlymi prechodmi od okraja.