Introducere în Schmitt Trigger

Aproape orice circuit digital utilizat în comunicațiile moderne de date de mare viteză are nevoie de o acțiune declanșatoare Schmitt asupra intrărilor sale.

De ce este utilizat Schmitt Trigger

Scopul principal al unui declanșator Schmitt aici este de a elimina zgomotul și interferențele de pe liniile de date și de a oferi o ieșire digitală curată și plăcută, cu tranziții de margine rapide.

Timpii de creștere și cădere trebuie să fie suficient de mici într-o ieșire digitală încât să poată fi aplicată ca intrări la următoarele etape ale unui circuit. (Multe IC-uri au limitări ale tipului de tranziție de margine care poate apărea pe o intrare.)

Principalul avantaj al declanșatorilor Schmitt aici este că curăță semnalele zgomotoase, menținând în același timp o rată de flux de date ridicată, spre deosebire de filtre, care pot filtra zgomotul, dar încetinesc semnificativ rata de date.

Declanșatoarele Schmitt se găsesc, de asemenea, în mod obișnuit în circuite care au nevoie de o formă de undă cu tranziții de margine lentă pentru a fi traduse într-o formă de undă digitală cu tranziții de margine curate și rapide.

Un declanșator Schmitt poate transforma aproape orice formă de undă analogică - cum ar fi o undă sinusoidală sau o formă de undă din dinte de ferăstrău - într-un semnal digital PORNIT-OPRIT cu tranziții de margine rapide.

În timpul funcționării, ieșirea digitală poate fi fie ridicată, fie scăzută, iar această ieșire se schimbă de stare numai atunci când tensiunea sa de intrare depășește sau sub două limite de tensiune prag predefinite. Dacă ieșirea se întâmplă să fie scăzută, ieșirea nu se va schimba la mare, cu excepția cazului în care semnalul de intrare depășește o anumită limită superioară de prag.

La fel, dacă ieșirea este ridicată, ieșirea nu se va schimba la scăzută până când semnalul de intrare nu va depăși anumite limite limită inferioare.

Pragul inferior este oarecum mai mic decât limita pragului superior. Orice fel de formă de undă poate fi aplicată la intrare (unde sinusoidale, dinți de ferăstrău, forme de undă audio, impulsuri etc.) atâta timp cât amplitudinea sa se încadrează în intervalul de tensiune de funcționare.

Diagarm pentru a explica Schmitt Trigger

Diagrama de mai jos prezintă histerezisul rezultat din valorile pragului de tensiune de intrare superior și inferior. De fiecare dată când intrarea este peste limita superioară a pragului, ieșirea este ridicată.

Când intrarea este sub pragul inferior, ieșirea este scăzută și când tensiunea semnalului de intrare se află între limitele pragului superior și inferior, ieșirea își păstrează valoarea anterioară, care poate fi fie ridicată, fie scăzută.

Distanța dintre pragul inferior și pragul superior se numește gap de histerezis. Ieșirea își păstrează întotdeauna starea anterioară până când intrarea se modifică suficient pentru a o determina să se schimbe. Acesta este motivul denumirii „declanșator” în nume.

Declanșatorul Schmitt funcționează în același mod ca un circuit de blocare bistabil sau un multivibrator bistabil, deoarece are o memorie internă de 1 bit și își schimbă starea în funcție de condițiile de declanșare.

Utilizarea IC 74XX Series pentru Schmitt Trigger Operation

Texas Instruments oferă funcții de declanșare Schmitt în aproape toate familiile sale de tehnologie, de la vechea familie 74XX până la cea mai recentă familie AUP1T.

Aceste circuite integrate pot fi ambalate fie cu un declanșator Schmitt inversor, fie fără inversare. Majoritatea dispozitivelor de declanșare Schmitt, cum ar fi 74HC14, au niveluri de prag la un raport fix de Vcc.

Acest lucru ar putea fi adecvat pentru majoritatea aplicațiilor, dar uneori nivelurile de prag trebuie modificate în funcție de condițiile semnalului de intrare.

De exemplu, intervalul semnalului de intrare ar putea fi mai mic decât decalajul de histerezis fix. Nivelurile de prag pot fi modificate în circuite integrate precum 74HC14 prin conectarea unui rezistor de feedback negativ de la ieșire la intrare împreună cu un alt rezistor care conectează semnalul de intrare la intrarea dispozitivului.

Aceasta oferă feedback-ul pozitiv necesar pentru histerezis, iar diferența de histerezis poate fi acum ajustată prin schimbarea valorilor celor două rezistențe adăugate sau prin utilizarea unui potențiometru. Rezistențele ar trebui să aibă o valoare suficient de mare pentru a menține impedanța de intrare la un nivel ridicat.

Un declanșator Schmitt este un concept simplu, dar nu a fost inventat până în 1934, în timp ce un om de știință american pe nume Otto H. Schmitt era încă student.

Despre Otto H. Schmitt

Nu era inginer electric, deoarece studiile sale se concentrau pe ingineria biologică și biofizică. El a venit cu ideea unui declanșator Schmitt în timp ce încerca să proiecteze un dispozitiv care să replice mecanismul de propagare a impulsului neuronal în nervii calmarilor.

Teza sa descrie un „declanșator termionic” care permite convertirea unui semnal analog într-un semnal digital, care este fie complet pornit, fie oprit („1” sau „0”).

Nu știa puțin că marile companii electronice precum Microsoft, Texas Instruments și NXP Semiconductors nu ar putea exista așa cum sunt astăzi fără această invenție unică.

Declanșatorul Schmitt s-a dovedit a fi o invenție atât de importantă, încât este utilizat în mecanismele de intrare ale tuturor dispozitivelor electronice digitale de pe piață.

Ce este un declanșator Schmitt

Conceptul de declanșator Schmitt se bazează în jurul ideii de feedback pozitiv și a faptului că orice circuit sau dispozitiv activ poate fi făcut să acționeze ca un declanșator Schmitt prin aplicarea feedback-ului pozitiv astfel încât câștigul buclei să fie mai mare decât unul.

Tensiunea de ieșire a dispozitivului activ este atenuată de o cantitate determinată și aplicată ca feedback pozitiv la intrare, ceea ce adaugă efectiv semnalul de intrare la tensiunea de ieșire atenuată. Aceasta creează o acțiune de histerezis cu valori prag de tensiune de intrare superioare și inferioare.

Majoritatea bufferelor, invertoarelor și comparatoarelor standard utilizează o singură valoare prag. Ieșirea se schimbă de îndată ce forma de undă de intrare trece acest prag în ambele direcții.

Cum funcționează Schmitt Trigger

Un semnal de intrare zgomotos sau un semnal cu o formă de undă lentă ar apărea la ieșire ca o serie de impulsuri de zgomot.

Un declanșator Schmitt curăță acest lucru - după ce ieșirea schimbă starea pe măsură ce intrarea sa trece de un prag, se modifică și pragul, așa că acum tensiunea de intrare trebuie să se deplaseze mai departe în direcția opusă pentru a schimba din nou starea.

Zgomotul sau interferențele de pe intrare nu vor apărea pe ieșire decât dacă amplitudinea sa se întâmplă să fie mai mare decât diferența dintre cele două valori prag.

Orice semnal analogic, astfel de forme de undă sinusoidale sau semnale audio, poate fi tradus într-o serie de impulsuri ON-OFF cu tranziții de margine rapide și curate. Există trei metode de implementare a feedback-ului pozitiv pentru a forma un circuit de declanșare Schmitt.

Cum funcționează feedback-ul în Schmitt Trigger

În prima configurație, feedback-ul este adăugat direct la tensiunea de intrare, astfel încât tensiunea trebuie să se deplaseze cu o cantitate mai mare în direcția opusă pentru a provoca o altă modificare a ieșirii.

Acest lucru este cunoscut sub numele de feedback pozitiv paralel.

În a doua configurație, feedback-ul este scăzut din tensiunea de prag, care are același efect ca și adăugarea de feedback la tensiunea de intrare.

Acesta formează un circuit de reacție pozitivă în serie și este uneori numit circuit de prag dinamic. O rețea de rezistență-divizor setează de obicei tensiunea de prag, care face parte din etapa de intrare.

Primele două circuite pot fi ușor implementate prin utilizarea unui singur opamp sau a două tranzistoare împreună cu câteva rezistențe. A treia tehnică este puțin mai complexă și este diferită prin faptul că nu are feedback la nicio parte a etapei de introducere.

Această metodă utilizează doi comparatori separați pentru cele două valori limită de prag și un flip-flop ca element de memorie de 1 bit. Nu există feedback pozitiv aplicat comparatoarelor, deoarece acestea sunt conținute în elementul de memorie. Fiecare dintre aceste trei metode este explicată mai detaliat în paragrafele următoare.

Toți declanșatorii Schmitt sunt dispozitive active care se bazează pe feedback pozitiv pentru a-și realiza acțiunea de histerezis. Ieșirea merge la „înalt” ori de câte ori intrarea crește peste o anumită limită prag superioară prestabilită și merge la „scăzut” ori de câte ori intrarea scade sub o limită prag inferior.

Ieșirea își păstrează valoarea anterioară (scăzută sau ridicată), atunci când intrarea este între cele două limite prag.

Acest tip de circuit este adesea folosit pentru a curăța semnalele zgomotoase și pentru a converti o formă de undă analogică într-o formă de undă digitală (1 și 0) cu tranziții de margine curate și rapide.

Tipuri de feedback în circuitele de declanșare Schmitt

Există trei metode utilizate în mod obișnuit în implementarea feedback-ului pozitiv pentru a forma un circuit de declanșare Schmitt. Aceste metode sunt Feedback paralel, Feedback de serie și Feedback intern și sunt discutate după cum urmează.

Tehnicile de feedback paralel și de serie sunt de fapt versiuni duale ale aceluiași tip de circuit de feedback. Feedback paralel Un circuit de feedback paralel este uneori numit circuit modificat de tensiune de intrare.

În acest circuit, feedback-ul este adăugat direct la tensiunea de intrare și nu afectează tensiunea de prag. Pe măsură ce feedback-ul este adăugat la intrare atunci când ieșirea schimbă starea, tensiunea de intrare trebuie să se deplaseze cu o cantitate mai mare în direcția opusă pentru a provoca schimbări suplimentare în ieșire.

Dacă ieșirea este scăzută, iar semnalul de intrare crește până la punctul în care trece tensiunea de prag și ieșirea se schimbă la mare.

O parte din această ieșire se aplică direct la intrare printr-o buclă de feedback, care „ajută” tensiunea de ieșire să rămână în noua sa stare.

Aceasta crește efectiv tensiunea de intrare, care are același efect ca și scăderea tensiunii de prag.

Tensiunea pragului în sine nu este modificată, dar intrarea trebuie acum să se deplaseze mai departe în direcția descendentă pentru a schimba ieșirea într-o stare joasă. Odată ce ieșirea este redusă, același proces se repetă pentru a reveni la starea înaltă.

Acest circuit nu trebuie să utilizeze un amplificator diferențial, deoarece orice amplificator fără inversare cu un singur capăt va funcționa.

Atât semnalul de intrare, cât și feedback-ul de ieșire sunt aplicate intrării non-inversoare a amplificatorului prin rezistențe, iar aceste două rezistențe formează o vară paralelă ponderată. Dacă există o intrare inversă, aceasta este setată la o tensiune de referință constantă.

Exemple de circuite de feedback paralel sunt un circuit de declanșare Schmitt cuplat pe bază de colector sau un circuit de amplificator opțional fără inversare, așa cum se arată:

Feedback de serie

Un circuit de prag dinamic (feedback de serie) funcționează practic în același mod ca un circuit de feedback paralel, cu excepția faptului că feedback-ul de la ieșire modifică direct tensiunea de prag în loc de tensiunea de intrare.

Feedback-ul este scăzut din tensiunea de prag, care are același efect ca și adăugarea feedback-ului la tensiunea de intrare. De îndată ce intrarea depășește limita de tensiune prag, tensiunea prag se schimbă la valoarea opusă.

Intrarea trebuie acum să se schimbe într-o măsură mai mare în direcția opusă pentru a schimba din nou starea de ieșire. Ieșirea este izolată de tensiunea de intrare și afectează doar tensiunea de prag.

Prin urmare, rezistența de intrare poate fi făcută mult mai mare pentru acest circuit de serie comparativ cu un circuit paralel. Acest circuit se bazează de obicei pe un amplificator diferențial în care intrarea este conectată la intrarea inversantă și ieșirea este conectată la intrarea care nu inversează printr-un divizor de tensiune al rezistorului.

Divizorul de tensiune setează valorile pragului, iar bucla acționează ca o vară de tensiune în serie. Exemple de acest tip sunt declanșatorul clasic Schmitt cuplat cu emițător de tranzistoare și un circuit inversat de amplificator op, așa cum se arată aici:

Feedback intern

În această configurație, un declanșator Schmitt este creat prin utilizarea a două comparatoare separate (fără histerezis) pentru cele două limite prag.

Ieșirile acestor comparatoare sunt conectate la intrările setate și resetate ale unui flip-flop RS. Feedback-ul pozitiv este conținut în flip-flop, deci nu există feedback pentru comparatori. Ieșirea flip-flop-ului RS se comută înalt atunci când intrarea depășește pragul superior și se comută jos când intrarea se situează sub pragul inferior.

Când intrarea este între pragurile superioare și inferioare, ieșirea își păstrează starea anterioară. Un exemplu de dispozitiv care utilizează această tehnică este 74HC14 realizat de NXP Semiconductors și Texas Instruments.

Această parte constă dintr-un comparator de prag superior și un comparator de prag inferior, care sunt utilizate pentru setarea și resetarea unui flip-flop RS. Declanșatorul 74HC14 Schmitt este unul dintre cele mai populare dispozitive pentru interfața semnalelor din lumea reală cu electronica digitală.

Cele două limite de prag ale acestui dispozitiv sunt setate la un raport fix de Vcc. Acest lucru minimizează numărul de piese și menține circuitul simplu, dar uneori nivelurile de prag trebuie modificate pentru diferite tipuri de condiții de semnal de intrare.

De exemplu, intervalul semnalului de intrare ar putea fi mai mic decât domeniul fix de tensiune de histerezis. Nivelurile de prag pot fi modificate în 74HC14 prin conectarea unui rezistor de feedback negativ de la ieșire la intrare și un alt rezistor care conectează semnalul de intrare la intrare.

Acest lucru reduce efectiv feedbackul pozitiv de 30% la o valoare mai mică, cum ar fi 15%. Este important să utilizați rezistențe de înaltă valoare pentru aceasta (gama Mega-Ohm) pentru a menține rezistența de intrare ridicată.

Avantajele declanșatorului Schmitt

Declanșatoarele Schmitt au un scop în orice fel de sistem de comunicații de date de mare viteză, cu o formă de procesare digitală a semnalului. De fapt, ele au un scop dublu: curățarea zgomotului și a interferențelor de pe liniile de date, menținând în același timp o rată de flux de date ridicată, și transformarea unei forme de undă analogice aleatorii într-o formă de undă digitală ON-OFF cu tranziții de margine curate rapide.

Acest lucru oferă un avantaj față de filtre, care pot filtra zgomotul, dar încetinesc semnificativ rata de date din cauza lățimii lor de bandă limitate. De asemenea, filtrele standard nu sunt capabile să ofere o ieșire digitală drăguță și curată, cu tranziții de margine rapide atunci când se aplică o formă de undă de intrare lentă.

Aceste două avantaje ale declanșatoarelor Schmitt sunt explicate mai detaliat după cum urmează: Intrări de semnal zgomotoase Efectele zgomotului și interferențelor sunt o problemă majoră în sistemele digitale, deoarece sunt utilizate cabluri din ce în ce mai lungi și sunt necesare rate de date din ce în ce mai mari.

Unele dintre modalitățile cele mai frecvente de reducere a zgomotului includ utilizarea cablurilor ecranate, utilizarea firelor răsucite, potrivirea impedanțelor și reducerea impedanțelor de ieșire.

Aceste tehnici pot fi eficiente în reducerea zgomotului, dar vor rămâne unele zgomote pe o linie de intrare și care ar putea declanșa semnale nedorite într-un circuit.

Majoritatea bufferelor, invertoarelor și comparatoarelor standard utilizate în circuitele digitale au o singură valoare prag la intrare. Deci, ieșirea schimbă starea imediat ce forma de undă de intrare trece acest prag în ambele direcții.

Dacă un semnal aleatoriu de zgomot trece acest punct de prag pe o intrare de mai multe ori, va fi văzut pe ieșire ca o serie de impulsuri. De asemenea, o formă de undă cu tranziții de margini lente ar putea apărea pe ieșire ca o serie de impulsuri de zgomot oscilant.

Uneori se folosește un filtru pentru a reduce acest zgomot suplimentar, cum ar fi într-o rețea RC. Dar de fiecare dată când un filtru de acest fel este utilizat pe calea datelor, acesta încetinește semnificativ rata maximă de date. Filtrele blochează zgomotul, dar blochează și semnalele digitale de înaltă frecvență.

Filtre de declanșare Schmitt

Un declanșator Schmitt curăță acest lucru. După ce ieșirea își schimbă starea pe măsură ce intrarea sa trece de un prag, pragul în sine se schimbă și el, astfel încât intrarea trebuie să se deplaseze mai departe în direcția opusă pentru a provoca o altă modificare a ieșirii.

Datorită acestui efect de histerezis, utilizarea declanșatoarelor Schmitt este probabil cel mai eficient mod de a reduce problemele de zgomot și interferențe într-un circuit digital. Problemele de zgomot și interferențe pot fi de obicei rezolvate, dacă nu eliminate, prin adăugarea de histerezis pe linia de intrare sub forma unui declanșator Schmitt.

Atâta timp cât amplitudinea zgomotului sau a interferenței la intrare este mai mică decât lățimea gap-ului de histerezis al declanșatorului Schmitt, nu vor exista efecte de zgomot asupra ieșirii.

Chiar dacă amplitudinea este puțin mai mare, nu ar trebui să afecteze ieșirea decât dacă semnalul de intrare este centrat pe decalajul de histerezis. Este posibil ca nivelurile de prag să fie ajustate pentru a obține eliminarea maximă a zgomotului.

Acest lucru se poate face cu ușurință prin schimbarea valorilor unui rezistor din rețeaua de feedback pozitiv sau prin utilizarea unui potențiometru.

Principalul avantaj pe care îl oferă un declanșator Schmitt asupra filtrelor este că nu încetinește rata de date și, de fapt, îl accelerează, în unele cazuri, prin conversia formelor de undă lente în forme de undă rapide (tranziții de margine mai rapide). Aproape orice IC digital de pe piața utilizează astăzi o formă de acțiune de declanșare Schmitt (histerezis) pe intrările sale digitale.

Acestea includ MCU-uri, cipuri de memorie, porți logice și așa mai departe. Deși aceste circuite integrate digitale ar putea avea istereză asupra intrărilor lor, multe dintre ele au, de asemenea, limitări pentru timpii de creștere și scădere a intrărilor afișate pe foile de specificații, iar acestea trebuie luate în considerare. Un declanșator ideal Schmitt nu are limitări de timp de creștere sau de cădere la intrarea sa.

Forme de undă de intrare lentă, uneori, diferența de histerezis este prea mică sau există o singură valoare prag (un dispozitiv de declanșare non-Schmitt) în care ieșirea crește dacă intrarea crește deasupra pragului, iar ieșirea scade dacă semnalul de intrare scade sub aceasta.

În astfel de cazuri, există o zonă marginală în jurul pragului, iar un semnal de intrare lent poate provoca cu ușurință oscilații sau curent în exces să circule prin circuit, ceea ce ar putea chiar deteriora dispozitivul. Aceste semnale de intrare lentă se pot întâmpla uneori chiar și în format digital rapid circuite în condiții de alimentare sau alte condiții în care un filtru (cum ar fi o rețea RC) este utilizat pentru a alimenta semnale la intrări.

Probleme de acest tip apar adesea în cadrul circuitului de „deconectare” al comutatoarelor manuale, cablurilor lungi sau cablajelor și circuitelor încărcate puternic.

De exemplu, dacă un semnal de rampă lentă (integrator) este aplicat unui tampon și acesta traversează punctul de prag unic pe intrare, ieșirea își va schimba starea (de la scăzut la înalt, de exemplu). Această acțiune de declanșare ar putea provoca momentan curent suplimentar din sursa de alimentare și, de asemenea, să scadă ușor nivelul de putere VCC.

Această modificare ar putea fi suficientă pentru a determina ieșirea să-și schimbe din nou starea de la mare la scăzut, deoarece tamponul simte că intrarea a trecut din nou pragul (în ciuda intrării rămânând la fel). Acest lucru se poate repeta din nou în direcția opusă, astfel încât o serie de impulsuri oscilante ar apărea pe ieșire.

Utilizarea unui declanșator Schmitt în acest caz nu numai că va elimina oscilațiile, dar va traduce și tranzițiile de margine lentă într-o serie curată de impulsuri ON-OFF cu tranziții de margine aproape verticale. Ieșirea unui declanșator Schmitt poate fi apoi utilizată ca intrare la următorul dispozitiv, în funcție de specificațiile sale de timp de creștere și cădere.

(Deși oscilațiile pot fi eliminate prin utilizarea unui declanșator Schmitt, ar putea exista în continuare un flux de curent în exces într-o tranziție, care ar putea fi necesar să fie corectat în alt mod.)

Declanșatorul Schmitt se găsește și în cazurile în care o intrare analogică, cum ar fi o formă de undă sinusoidală, o formă de undă audio sau o formă de undă din dinte de ferăstrău, trebuie să fie convertită într-o undă pătrată sau un alt tip de semnal digital ON-OFF cu tranziții de margine rapide.