Ievads Schmitt Trigger

Gandrīz jebkurai digitālajai shēmai, ko izmanto mūsdienu ātrgaitas datu komunikācijās, ir nepieciešama sava veida Schmitt iedarbība uz tās ievadiem.

Kāpēc tiek izmantots Schmitt trigeris

Galvenais Schmitt sprūda mērķis ir novērst troksni un traucējumus datu līnijās un nodrošināt jauku tīru digitālo izvadi ar ātru malu pāreju.

Pieauguma un krituma laikam jābūt pietiekami zemam digitālajā izvadā, lai to varētu izmantot kā ievadi nākamajos ķēdes posmos. (Daudziem IC ir malu pārejas veida ierobežojumi, kas var parādīties ievadā.)

Šeit galvenā Schmitt iedarbināšanas priekšrocība ir tā, ka tie attīra trokšņainus signālus, vienlaikus saglabājot augstu datu plūsmas ātrumu, atšķirībā no filtriem, kas var filtrēt troksni, bet ievērojami palēnināt datu ātrumu.

Schmitt izraisītājus parasti atrod arī ķēdēs, kurām nepieciešama viļņu forma ar lēnas malu pārejas, lai to pārveidotu digitālā viļņu formā ar ātru, tīru malu pāreju.

Schmitt trigeris var pārveidot gandrīz jebkuru analogo viļņu formu, piemēram, sinusa vai zāģa zobu viļņu formu, par ON-OFF digitālo signālu ar ātru malu pāreju. Schmitt trigeri ir aktīvas digitālās ierīces ar vienu ieeju un vienu izeju, piemēram, buferis vai invertors.

Darbības laikā digitālā izeja var būt vai nu augsta, vai zema, un šī izeja maina stāvokli tikai tad, ja tās ieejas spriegums pārsniedz vai pārsniedz divas iepriekš iestatītās sliekšņa sprieguma robežas. Ja izeja ir zema, izeja nemainīsies uz augstu, ja vien ieejas signāls nepārsniegs noteiktu augšējo sliekšņa robežu.

Tāpat, ja izeja ir liela, izeja nemainīsies uz zemu, kamēr ieejas signāls nebūs zemāks par noteiktu zemāko sliekšņa robežu.

Zemākais slieksnis ir nedaudz zemāks par augšējo sliekšņa robežu. Ieejai var piemērot jebkura veida viļņu formu (sinusoidālie viļņi, zāģa zobi, audio viļņu formas, impulsi utt.), Ja vien tā amplitūda ir darba sprieguma diapazonā.

Diagarm, lai izskaidrotu Šmita trigeri

Zemāk redzamā diagramma parāda histerēzi, kas izriet no augšējā un apakšējā ieejas sprieguma sliekšņa vērtībām. Jebkurā brīdī, kad ievade pārsniedz augšējo sliekšņa robežu, izeja ir augsta.

Kad ieeja ir zem zemākā sliekšņa, izeja ir zema, un, ja ieejas signāla spriegums ir starp augšējo un apakšējo sliekšņa robežu, izeja saglabā savu iepriekšējo vērtību, kas var būt vai nu augsta, vai zema.

Attālumu starp apakšējo slieksni un augšējo slieksni sauc par histerēzes spraugu. Izeja vienmēr saglabā iepriekšējo stāvokli, līdz ievade mainās pietiekami, lai iedarbinātu to mainīt. Tas ir iemesls nosaukuma “trigera” apzīmējumam.

Schmitt trigeris darbojas gandrīz tāpat kā bistabila fiksatora ķēde vai bistabils multivibrators, jo tam ir iekšēja 1 bitu atmiņa, un tas maina stāvokli atkarībā no sprūda apstākļiem.

IC 74XX sērijas izmantošana Schmitt trigera darbībai

Texas Instruments nodrošina Schmitt trigera funkcijas gandrīz visās tās tehnoloģiju grupās, sākot no vecās 74XX saimes līdz jaunākajai AUP1T saimei.

Šos IC var iepakot vai nu ar invertējošu, vai neinvertējošu Schmitt trigeri. Lielākajai daļai Schmitt sprūda ierīču, piemēram, 74HC14, sliekšņa līmeņi ir pie fiksētas Vcc attiecības.

Tas varētu būt piemērots lielākajai daļai lietojumu, taču dažreiz sliekšņa līmeņi ir jāmaina atkarībā no ieejas signāla apstākļiem.

Piemēram, ieejas signāla diapazons var būt mazāks par fiksēto histerēzes atstarpi. Sliekšņa līmeņus var mainīt tādās IC, kā 74HC14, pievienojot negatīvu atgriezeniskās saites rezistoru no izejas uz ieeju kopā ar citu rezistoru, kas ieejas signālu savieno ar ierīces ieeju.

Tas nodrošina pozitīvu atgriezenisko saiti, kas nepieciešama histerēzei, un histerēzes atstarpi tagad var pielāgot, mainot divu pievienoto rezistoru vērtības vai izmantojot potenciometru. Rezistoriem jābūt pietiekami lieliem, lai ieejas pretestība būtu augstā līmenī.

Šmita sprūda ir vienkāršs jēdziens, taču tas tika izgudrots tikai 1934. gadā, savukārt amerikāņu zinātnieks ar Otto H. Šmita vārdu joprojām bija aspirants.

Par Oto H. Šmitu

Viņš nebija elektroinženieris, jo studijas bija vērstas uz bioloģisko inženieriju un biofiziku. Viņš nāca klajā ar Šmita sprūda ideju, mēģinot izstrādāt ierīci, kas atkārtotu neironu impulsu izplatīšanās mehānismu kalmāru nervos.

Viņa disertācija apraksta “termionisko sprūdu”, kas ļauj analogo signālu pārveidot par ciparu signālu, kas ir vai nu pilnībā ieslēgts, vai izslēgts (“1” vai “0”).

Viņš nemaz nezināja, ka lielākās elektronikas kompānijas, piemēram, Microsoft, Texas Instruments un NXP Semiconductors, nevarētu pastāvēt, kā tas ir šodien, bez šī unikālā izgudrojuma.

Schmitt sprūda izrādījās tik svarīgs izgudrojums, ka to izmanto praktiski visu tirgū esošo digitālo elektronisko ierīču ievades mehānismos.

Kas ir Šmita trigeris

Šmita sprūda jēdziena pamatā ir pozitīvu atgriezenisko saikņu ideja un fakts, ka jebkuru aktīvo ķēdi vai ierīci var likt rīkoties kā Šmita trigeri, piemērojot pozitīvo atgriezenisko saiti tā, lai cilpas pieaugums būtu lielāks par vienu.

Aktīvās ierīces izejas spriegums tiek vājināts ar noteiktu daudzumu un tiek izmantots kā pozitīva atgriezeniskā saite uz ieeju, kas efektīvi pievieno ievades signālu novājinātajam izejas spriegumam. Tas rada histerēzes darbību ar augšējo un apakšējo ieejas sprieguma sliekšņa vērtību.

Lielākā daļa standarta buferu, invertoru un salīdzinātāju izmanto tikai vienu sliekšņa vērtību. Izvade mainās stāvoklī, tiklīdz ieejas viļņu forma šķērso šo slieksni jebkurā virzienā.

Kā darbojas Schmitt Trigger

Trokšņains ieejas signāls vai signāls ar lēnu viļņu formu uz izejas parādīsies kā trokšņa impulsu sērija.

Šmita sprūda to notīra - pēc izejas stāvokļa maiņas, kad tā ieeja šķērso slieksni, mainās arī pats slieksnis, tāpēc tagad ieejas spriegumam jāpārvietojas tālāk pretējā virzienā, lai atkal mainītu stāvokli.

Troksnis vai iejaukšanās ieejā neparādās izejā, ja vien tā amplitūda nav lielāka par starpību starp divām sliekšņa vērtībām.

Jebkuru analogo signālu, piemēram, sinusoidālas viļņu formas vai audio signālus, var pārveidot par ON-OFF impulsu sērijām ar ātru, tīru malu pāreju. Pozitīvas atgriezeniskās saites ieviešanai ir trīs metodes, lai izveidotu Schmitt sprūda ķēdi.

Kā darbojas atgriezeniskā saite Schmitt Trigger

Pirmajā konfigurācijā atgriezeniskā saite tiek pievienota tieši ieejas spriegumam, tāpēc spriegumam ir jāmainās par lielāku daudzumu pretējā virzienā, lai izraisītu citas izejas izmaiņas.

To parasti sauc par paralēli pozitīvu atgriezenisko saiti.

Otrajā konfigurācijā atgriezeniskā saite tiek atņemta no sliekšņa sprieguma, kam ir tāds pats efekts kā atgriezeniskās saites pievienošanai ieejas spriegumam.

Tas veido virkni pozitīvas atgriezeniskās saites ķēdi, un to dažreiz sauc par dinamiskā sliekšņa ķēdi. Rezistoru dalītāju tīkls parasti nosaka sliekšņa spriegumu, kas ir daļa no ieejas posma.

Pirmās divas ķēdes var viegli ieviest, izmantojot vienu opampu vai divus tranzistorus kopā ar dažiem rezistoriem. Trešais paņēmiens ir nedaudz sarežģītāks un atšķiras ar to, ka tam nav atsauksmes par nevienu ievades posma daļu.

Šī metode izmanto divus atsevišķus salīdzinātājus divām sliekšņa robežvērtībām un flip-flop kā 1 bitu atmiņas elementu. Salīdzinātājiem nav pozitīvas atsauksmes, jo tās ir atmiņas elementā. Katra no šīm trim metodēm sīkāk ir paskaidrota nākamajos punktos.

Visi Schmitt trigeri ir aktīvas ierīces, kuru histerēzes darbība ir atkarīga no pozitīvām atsauksmēm. Izeja kļūst “augsta” ikreiz, kad ieeja pārsniedz noteiktu iepriekš iestatītu augšējo sliekšņa robežu, un “zema”, kad ieeja nokrītas zem zemākās sliekšņa robežas.

Izvade saglabā savu iepriekšējo vērtību (zemu vai augstu), kad ievade ir starp divām sliekšņa robežām.

Šāda veida shēmu bieži izmanto, lai attīrītu trokšņainus signālus un pārveidotu analogo viļņu formu digitālā viļņu formā (1 un 0) ar tīru, ātru malu pāreju.

Atsauksmes veidi Schmitt sprūda ķēdēs

Ir trīs metodes, ko parasti izmanto pozitīvas atgriezeniskās saites ieviešanai, lai izveidotu Schmitt sprūda ķēdi. Šīs metodes ir paralēla atgriezeniskā saite, sērijas atgriezeniskā saite un iekšējā atgriezeniskā saite, un tās tiek apspriestas šādi.

Paralēlās un sērijveida atgriezeniskās saites paņēmieni faktiski ir viena un tā paša atgriezeniskās saites ķēdes tipa divējādas versijas. Paralēlā atgriezeniskā saite Paralēlās atgriezeniskās saites ķēdi dažreiz sauc par modificētu ieejas sprieguma ķēdi.

Šajā ķēdē atgriezeniskā saite tiek pievienota tieši ieejas spriegumam un neietekmē sliekšņa spriegumu. Tā kā atgriezeniskā saite tiek pievienota ieejai, kad izeja mainās stāvoklī, ieejas spriegumam ir jāmainās par lielāku daudzumu pretējā virzienā, lai izraisītu turpmākas izejas izmaiņas.

Ja izeja ir zema, un ieejas signāls palielinās līdz vietai, kur tā šķērso sliekšņa spriegumu, un izeja mainās uz augstu.

Daļa šīs izejas tiek tieši pievienota ieejai, izmantojot atgriezenisko saiti, kas “palīdz” izejas spriegumam palikt jaunajā stāvoklī.

Tas efektīvi palielina ieejas spriegumu, kam ir tāda pati ietekme kā sliekšņa sprieguma pazemināšanai.

Pats sliekšņa spriegums netiek mainīts, bet ieejai tagad ir jāvirzās tālāk lejup, lai izeju mainītu uz zemu stāvokli. Kad izejas ir maz, šis pats process atkārtojas, lai atgrieztos augstajā stāvoklī.

Šai shēmai nav jāizmanto diferenciālis pastiprinātājs, jo darbosies jebkurš vienpusējs neinvertējošs pastiprinātājs.

Gan ieejas signāls, gan izejas atgriezeniskā saite tiek pielietota pastiprinātāja neinvertējošajai ieejai caur rezistoriem, un šie divi rezistori veido svērto paralēlo vasaru. Ja ir apgriezta ieeja, tā tiek iestatīta uz nemainīgu atskaites spriegumu.

Paralēlu atgriezenisko saites ķēžu piemēri ir kolektora-bāzes savienota Schmitt sprūda ķēde vai neinvertējoša op-amp ķēde, kā parādīts:

Sērija Atsauksmes

Dinamiskā sliekšņa (sērijveida atgriezeniskās saites) ķēde darbojas būtībā tāpat kā paralēlās atgriezeniskās saites ķēde, izņemot to, ka atgriezeniskā saite no izejas tieši maina sliekšņa spriegumu ieejas sprieguma vietā.

Atsauksmes tiek atņemtas no sliekšņa sprieguma, kam ir tāds pats efekts kā atgriezeniskās saites pievienošanai ieejas spriegumam. Tiklīdz ieeja šķērso sliekšņa sprieguma robežu, sliekšņa spriegums mainās uz pretējo vērtību.

Ieejai tagad ir jāmainās lielākā mērā pretējā virzienā, lai atkal mainītu izejas stāvokli. Izeja ir izolēta no ieejas sprieguma un ietekmē tikai sliekšņa spriegumu.

Tādēļ ieejas pretestību šai sērijas ķēdei var padarīt daudz lielāku, salīdzinot ar paralēlo ķēdi. Šīs ķēdes pamatā parasti ir diferenciālis pastiprinātājs, kur ieeja ir savienota ar invertējošo ieeju un izeja ir savienota ar neinvertējošo ieeju caur rezistora sprieguma dalītāju.

Sprieguma dalītājs nosaka sliekšņa vērtības, un cilpa darbojas kā sērijveida sprieguma vasara. Šāda veida piemēri ir klasiskais tranzistora emitētāja savienots Schmitt sprūda un apgrieztā op-amp ķēde, kā parādīts šeit:

Iekšējā atgriezeniskā saite

Šajā konfigurācijā Schmitt trigeris tiek izveidots, izmantojot divus atsevišķus salīdzinātājus (bez histerēzes) divām sliekšņa robežām.

Šo salīdzinājumu izejas ir savienotas ar RS flip-flop iestatītajām un atiestatītajām ieejām. Pozitīvās atsauksmes ir ietvertas flip-flop, tāpēc salīdzinātājiem nav atgriezeniskās saites. RS flip-flop izeja pārslēdzas augstu, ja ievade pārsniedz augšējo slieksni, un zemu, ja ieeja ir zemāka par zemāko slieksni.

Kad ievade ir starp augšējo un apakšējo slieksni, izeja saglabā savu iepriekšējo stāvokli. Ierīces, kurā tiek izmantota šī tehnika, piemērs ir NXP Semiconductors un Texas Instruments izgatavotais 74HC14.

Šī daļa sastāv no augšējā sliekšņa salīdzinātāja un zemākā sliekšņa salīdzinātāja, kurus izmanto, lai iestatītu un atiestatītu RS flip-flop. Trigger 74HC14 Schmitt ir viena no populārākajām ierīcēm reālās pasaules signālu sasaistei ar digitālo elektroniku.

Divas sliekšņa robežas šajā ierīcē ir noteiktas ar fiksētu Vcc attiecību. Tas samazina detaļu skaitu un padara ķēdi vienkāršu, bet dažreiz dažāda veida ieejas signāla apstākļiem ir jāmaina sliekšņa līmeņi.

Piemēram, ieejas signāla diapazons var būt mazāks par fiksēto histerēzes sprieguma diapazonu. Sliekšņa līmeņus var mainīt 74HC14, pievienojot negatīvās atgriezeniskās saites rezistoru no izejas uz ieeju un citu rezistoru, kas ieejas signālu savieno ar ieeju.

Tas efektīvi samazina fiksēto 30% pozitīvo atgriezenisko saiti līdz zemākai vērtībai, piemēram, 15%. Šim nolūkam (Mega-Ohm diapazons) ir svarīgi izmantot augstas vērtības rezistorus, lai ieejas pretestība būtu augsta.

Šmita sprūda priekšrocības

Schmitt trigeri kalpo mērķim jebkura veida ātrgaitas datu sakaru sistēmā ar kāda veida digitālu signālu apstrādi. Faktiski tiem ir divējāds mērķis: attīrīt troksni un traucējumus datu līnijās, vienlaikus saglabājot augstu datu plūsmas ātrumu, un pārveidot nejaušu analogo viļņu formu ON-OFF digitālā viļņu formā ar ātru, tīru malu pāreju.

Tas nodrošina priekšrocības salīdzinājumā ar filtriem, kas var filtrēt troksni, bet ierobežotā joslas platuma dēļ ievērojami palēnina datu pārraides ātrumu. Arī standarta filtri nespēj nodrošināt jauku, tīru digitālo izvadi ar ātru malu pāreju, ja tiek lietota lēna ievades viļņu forma.

Šīs divas Schmitt iedarbināšanas priekšrocības sīkāk izskaidro šādi: Trokšņaini signāla ieejas Trokšņa un traucējumu ietekme ir galvenā digitālo sistēmu problēma, jo tiek izmantoti arvien ilgāki kabeļi un nepieciešami arvien lielāki datu pārraides ātrumi.

Daži no izplatītākajiem trokšņa samazināšanas veidiem ir ekranētu kabeļu izmantošana, savītu vadu izmantošana, pretestību saskaņošana un izejas pretestību samazināšana.

Šie paņēmieni var efektīvi samazināt troksni, taču uz ievades līnijas joprojām būs palicis zināms troksnis, kas ķēdē var izraisīt nevēlamus signālus.

Lielākajai daļai digitālajās ķēdēs izmantoto standarta buferu, invertoru un salīdzinātāju ieejā ir tikai viena sliekšņa vērtība. Tātad, izeja maina stāvokli, tiklīdz ieejas viļņu forma šķērso šo slieksni jebkurā virzienā.

Ja nejaušs trokšņa signāls vairākas reizes šķērso šo ieejas sliekšņa punktu, tas uz izejas tiks uztverts kā impulsu virkne. Arī viļņu forma ar lēnas malas pārejām uz izejas varētu parādīties kā svārstīgu trokšņu impulsu sērija.

Dažreiz šī papildu trokšņa samazināšanai tiek izmantots filtrs, piemēram, RC tīklā. Bet ikreiz, kad datu ceļā tiek izmantots šāds filtrs, tas ievērojami palēnina maksimālo datu pārraides ātrumu. Filtri bloķē troksni, bet arī augstfrekvences digitālos signālus.

Šmita sprūda filtri

Šmita sprūda to notīra. Pēc tam, kad izeja maina stāvokli, kad tā ieeja šķērso slieksni, mainās arī pats slieksnis, tāpēc tad ieejai ir jāpārvietojas tālāk pretējā virzienā, lai izraisītu citas izejas izmaiņas.

Šī histerēzes efekta dēļ Schmitt trigeru izmantošana, iespējams, ir visefektīvākais veids, kā samazināt trokšņa un traucējumu problēmas digitālajā ķēdē. Trokšņa un traucējumu problēmas parasti var atrisināt, ja tās netiek novērstas, pievienojot histerēzi ievades līnijā Šmita trigera veidā.

Kamēr trokšņa vai traucējumu amplitūda uz ieeju ir mazāka par Šmita trigera histerēzes spraugas platumu, troksnis neietekmēs izeju.

Pat ja amplitūda ir nedaudz lielāka, tam nevajadzētu ietekmēt izeju, ja vien ieejas signāls nav centrēts uz histerēzes spraugu. Lai sasniegtu maksimālu trokšņa līmeni, sliekšņa līmeņi var būt jāpielāgo.

To var viegli izdarīt, mainot rezistora vērtības pozitīvās atgriezeniskās saites tīklā vai izmantojot potenciometru.

Galvenais ieguvums, ko Schmitt trigeris nodrošina pāri filtriem, ir tas, ka tas nepalēnina datu pārraides ātrumu un dažos gadījumos to paātrina, lēno viļņu formas pārveidojot par ātrām viļņu formām (ātrākas malu pārejas). Gandrīz jebkurš digitālais IC tirgus šodien izmanto sava veida Schmitt trigera darbību (histerēzi) savās digitālajās ieejās.

Tie ietver MCU, atmiņas mikroshēmas, loģiskos vārtus un tā tālāk. Lai gan šiem digitālajiem IC var būt histerēze uz ievadiem, daudziem no tiem ir arī ierobežojumi attiecībā uz ieejas pieauguma un krituma laiku, kas parādīts viņu specifikāciju lapās, un tie ir jāņem vērā. Ideālam Schmitt trigeram nav ieejas laika pieauguma vai krituma laika ierobežojumu.

Lēnas ievades viļņu formas dažreiz histerēzes atstarpe ir pārāk maza, vai ir tikai viena sliekšņa vērtība (ne-Schmitt sprūda ierīce), kur izeja ir augsta, ja ieeja paaugstinās virs sliekšņa, un izeja ir zema, ja ieejas signāls nokrītas zemāk to.

Šādos gadījumos ap slieksni ir margināls laukums, un lēns ieejas signāls var viegli izraisīt svārstības vai pārmērīgu strāvu, kas plūst caur ķēdi, kas pat var sabojāt ierīci. Šie lēni ieejas signāli dažreiz var notikt pat ātrā digitālā formātā. ķēdes ieslēgšanas apstākļos vai citos apstākļos, kad signālu ievadīšanai ieejās tiek izmantots filtrs (piemēram, RC tīkls).

Šāda veida problēmas bieži rodas manuālo slēdžu, garu kabeļu vai elektroinstalāciju un ļoti noslogotu ķēžu “atlēciena” shēmā.

Piemēram, ja buferim tiek piemērots lēns rampas signāls (integrators) un tas šķērso vienu ieejas sliekšņa punktu, izeja mainīs savu stāvokli (piemēram, no zema uz augstu). Šī iedarbināšanas darbība var izraisīt īslaicīgu papildu strāvas padevi no barošanas avota, kā arī nedaudz pazemināt VCC jaudas līmeni.

Šīs izmaiņas varētu būt pietiekamas, lai izvade atkal mainītu stāvokli no augsta uz zemu, jo buferis nojauš, ka ieeja atkal pārsniedza slieksni (neskatoties uz to, ka ieeja paliek nemainīga). Tas varētu atkārtoties atkal pretējā virzienā, tāpēc uz izejas parādīsies virkne svārstīgu impulsu.

Šimita trigera izmantošana šajā gadījumā ne tikai novērsīs svārstības, bet arī pārveidos lēno malu pārejas tīrā ON-OFF impulsu sērijā ar gandrīz vertikālām malu pārejām. Pēc tam Schmitt trigera izvadi var izmantot kā ieeju šai ierīcei atbilstoši tās pieauguma un krituma laika specifikācijām.

(Lai gan svārstības var novērst, izmantojot Schmitt trigeri, pārejas laikā joprojām var būt pārmērīga strāvas plūsma, kas, iespējams, būs jālabo citā veidā.)

Schmitt trigeris ir atrodams arī gadījumos, kad analogā ieeja, piemēram, sinusoidālā viļņu forma, audio viļņu forma vai zāģa zobu viļņu forma, jāpārvērš par kvadrātveida viļņu vai kāda cita veida ON-OFF digitālo signālu ar ātru malu pāreju.