Въведение в Schmitt Trigger

Почти всяка цифрова схема, използвана в съвременните високоскоростни комуникации за данни, се нуждае от някаква форма на задействане на Schmitt на входовете си.

Защо се използва Schmitt Trigger

Основната цел на спусъка на Schmitt тук е да елиминира шума и смущения по линиите за данни и да осигури приятен изчистен цифров изход с бързи преходи на ръба.

Времето за нарастване и спадане трябва да бъде достатъчно ниско в цифров изход, за да може да се приложи като вход към следните етапи във верига. (Много интегрални схеми имат ограничения на типа преход на ръба, който може да се появи на вход.)

Основното предимство на задействанията на Schmitt тук е, че те почистват шумните сигнали, като същевременно поддържат висока скорост на поток от данни, за разлика от филтрите, които могат да филтрират шума, но забавят скоростта на данни значително.

Тригерите на Schmitt също често се срещат във вериги, които се нуждаят от форма на вълната с бавни преходи на ръба, за да бъдат преобразувани в цифрова форма на вълната с бързи, чисти преходи на ръба.

Задействането на Schmitt може да трансформира почти всяка аналогова форма на вълната - като синусоида или триъгълна форма на вълната - в ON-OFF цифров сигнал с бързи преходи на ръба. Тригерите на Schmitt са активни цифрови устройства с един вход и един изход, като буфер или инвертор.

По време на работа цифровият изход може да бъде висок или нисък и този изход променя състоянието само когато входното му напрежение надвиши или под две предварително зададени граници на праговото напрежение. Ако изходът се окаже нисък, изходът няма да се промени на висок, освен ако входният сигнал не надвиши определена горна граница на прага.

По същия начин, ако изходът се окаже висок, изходът няма да се промени на нисък, докато входният сигнал не падне под определена граница на долния праг.

Долният праг е малко по-нисък от горния праг. Всякакъв вид форма на вълната може да се приложи към входа (синусоидални вълни, триончета, звукови форми, импулси и т.н.), стига амплитудата му да е в диапазона на работното напрежение.

Diagarm да обясни Шмит Тригер

Диаграмата по-долу показва хистерезис в резултат на горните и долните прагови стойности на входното напрежение. Всеки път, когато входът е над горната граница на прага, изходът е висок.

Когато входът е под долния праг, изходът е нисък и когато напрежението на входния сигнал е между горната и долната граница на прага, изходът запазва предишната си стойност, която може да бъде висока или ниска.

Разстоянието между долния праг и горния праг се нарича хистерезисна празнина. Изходът винаги запазва предишното си състояние, докато входът се промени достатъчно, за да го задейства. Това е причината за обозначението „спусък“ в името.

Спусъкът на Schmitt работи по същия начин като бистабилна верига на резето или бистабилен мултивибратор, тъй като има вътрешна 1 битова памет и променя състоянието си в зависимост от условията на задействане.

Използване на серия IC 74XX за задействане на Schmitt Trigger

Texas Instruments осигурява задействащи функции на Schmitt в почти всички свои технологични семейства, от старото семейство 74XX до най-новото семейство AUP1T.

Тези интегрални схеми могат да бъдат пакетирани с инвертиращ или неинвертиращ спусък на Schmitt. Повечето задействащи устройства на Schmitt, като 74HC14, имат прагови нива при фиксирано съотношение Vcc.

Това може да е подходящо за повечето приложения, но понякога праговите нива трябва да се променят в зависимост от условията на входния сигнал.

Например, обхватът на входния сигнал може да е по-малък от фиксирания интервал на хистерезис. Праговите нива могат да се променят в интегрални схеми като 74HC14 чрез свързване на резистор с отрицателна обратна връзка от изхода към входа заедно с друг резистор, свързващ входния сигнал към входа на устройството.

Това осигурява положителната обратна връзка, необходима за хистерезис, а пропастта на хистерезиса вече може да се регулира чрез промяна на стойностите на двата добавени резистора или чрез използване на потенциометър. Резисторите трябва да имат достатъчно голяма стойност, за да поддържат входния импеданс на високо ниво.

Спусъкът на Schmitt е проста концепция, но той е изобретен едва през 1934 г., докато американски учен на име Otto H. Schmitt все още е аспирант.

Относно Ото Х. Шмит

Той не е бил електроинженер, тъй като изследванията му са били фокусирани върху биологичното инженерство и биофизиката. Той измисли идеята за спусък на Шмит, докато се опитваше да създаде устройство, което да възпроизведе механизма на разпространение на невронния импулс в нервите на калмарите.

Неговата дипломна работа описва „термичен тригер“, който позволява аналоговият сигнал да бъде преобразуван в цифров сигнал, който е или пълен, или изключен (‘1’ или ‘0’).

Почти не знаеше, че големи електронни компании като Microsoft, Texas Instruments и NXP Semiconductors не биха могли да съществуват както днес без това уникално изобретение.

Спусъкът на Schmitt се оказа толкова важно изобретение, че се използва във входните механизми на почти всяко цифрово електронно устройство на пазара.

Какво представлява тригерът на Шмит

Концепцията за задействане на Schmitt се основава на идеята за положителна обратна връзка и факта, че всяка активна верига или устройство може да бъде направено да действа като спусък на Schmitt чрез прилагане на положителната обратна връзка, така че усилването на контура да е по-голямо от единица.

Изходното напрежение на активното устройство се отслабва с определено количество и се прилага като положителна обратна връзка към входа, което ефективно добавя входния сигнал към отслабеното изходно напрежение, Това създава хистерезисно действие с горни и долни прагови стойности на входното напрежение.

Повечето от стандартните буфери, инвертори и компаратори използват само една прагова стойност. Изходът променя състоянието веднага щом входната форма на вълната премине този праг във всяка посока.

Как работи Schmitt Trigger

На изхода като серия от шумови импулси ще се появи шумен входен сигнал или сигнал с бавна форма на вълната.

Задействането на Schmitt почиства това - след като изходът промени състоянието си, когато входът му премине праг, самият праг също се променя, така че сега входното напрежение трябва да се движи по-далеч в обратната посока, за да промени състоянието отново.

Шум или смущения на входа няма да се появят на изхода, освен ако амплитудата му е по-голяма от разликата между двете прагови стойности.

Всеки аналогов сигнал, като синусоидални вълнови форми или аудио сигнали, може да бъде преобразуван в поредица от импулси ON-OFF с бързи, чисти преходи на ръба. Има три метода за реализиране на положителната обратна връзка, за да се образува верига на спусъка на Schmitt.

Как работи обратната връзка в Schmitt Trigger

При първата конфигурация обратната връзка се добавя директно към входното напрежение, така че напрежението трябва да се измести с по-голямо количество в обратна посока, за да предизвика нова промяна в изхода.

Това е известно като паралелна положителна обратна връзка.

Във втората конфигурация обратната връзка се изважда от праговото напрежение, което има същия ефект като добавяне на обратна връзка към входното напрежение.

Това образува последователна верига с положителна обратна връзка и понякога се нарича динамична прагова верига. Резисторно-разделителната мрежа обикновено задава праговото напрежение, което е част от входния етап.

Първите две вериги могат лесно да бъдат изпълнени чрез използване на единичен усилвател или два транзистора заедно с няколко резистора. Третата техника е малко по-сложна и е различна по това, че няма обратна връзка към която и да е част от входния етап.

Този метод използва два отделни компаратора за двете прагови гранични стойности и тригер като 1 битов елемент на паметта. Няма положителна обратна връзка, приложена към сравнителните устройства, тъй като те се съдържат в елемента памет. Всеки от тези три метода е обяснен по-подробно в следващите параграфи.

Всички тригери на Schmitt са активни устройства, които разчитат на положителна обратна връзка, за да постигнат своето хистерезисно действие. Изходът преминава към „висок“, когато входът се издигне над определена предварително зададена горна граница на прага, и преминава към „нисък“, когато входът падне под долния праг.

Изходът запазва предишната си стойност (ниска или висока), когато входът е между двете прагови граници.

Този тип верига често се използва за почистване на шумни сигнали и преобразуване на аналогова форма на вълната в цифрова форма на вълната (1 и 0) с чисти, бързи преходи на ръба.

Видове обратна връзка в задействащите вериги на Schmitt

Има три метода, които обикновено се използват при реализиране на положителна обратна връзка, за да се образува верига на спусъка на Шмит. Тези методи са паралелна обратна връзка, обратна връзка по серии и вътрешна обратна връзка и се обсъждат по следния начин.

Паралелните и последователните техники за обратна връзка всъщност са двойни версии на един и същ тип верига за обратна връзка. Паралелна обратна връзка Паралелната верига за обратна връзка понякога се нарича модифицирана верига на входното напрежение.

В тази схема обратната връзка се добавя директно към входното напрежение и не влияе на праговото напрежение. Тъй като обратната връзка се добавя към входа, когато изходът променя състоянието си, входното напрежение трябва да се измести с по-голямо количество в обратна посока, за да предизвика допълнителна промяна в изхода.

Ако изходът е нисък и входният сигнал се увеличава до точката, в която пресича праговото напрежение и изходът се променя на високо.

Част от този изход се прилага директно към входа чрез контур за обратна връзка, който „помага“ на изходното напрежение да остане в новото си състояние.

Това ефективно увеличава входното напрежение, което има същия ефект като понижаването на праговото напрежение.

Самото прагово напрежение не се променя, но входът сега трябва да се движи по-далеч в посока надолу, за да промени изхода в ниско състояние. След като изходът е нисък, същият процес се повтаря, за да се върне във високо състояние.

Тази схема не трябва да използва диференциален усилвател, тъй като всеки неинвертиращ усилвател с един край ще работи.

И входният сигнал, и изходната обратна връзка се прилагат към неинвертиращия вход на усилвателя чрез резистори и тези два резистора образуват претеглено паралелно лято. Ако има инвертиращ вход, той се настройва на постоянно референтно напрежение.

Примери за вериги за паралелна обратна връзка са свързана към колектор база, задействана верига на Schmitt или неинвертираща верига на усилвател, както е показано:

Обратна връзка за поредицата

Динамичната прагова верига (серийна обратна връзка) работи по същество по същия начин като паралелната верига за обратна връзка, с изключение на това, че обратната връзка от изхода директно променя праговото напрежение вместо входното напрежение.

Обратната връзка се изважда от праговото напрежение, което има същия ефект като добавяне на обратна връзка към входното напрежение. Веднага след като входът премине границата на праговото напрежение, праговото напрежение се променя на противоположната стойност.

Входът сега трябва да се промени в по-голяма степен в обратна посока, за да промени отново състоянието на изхода. Изходът е изолиран от входното напрежение и влияе само на праговото напрежение.

Следователно, входното съпротивление може да бъде значително по-високо за тази последователна верига в сравнение с паралелна верига. Тази схема обикновено се основава на диференциален усилвател, където входът е свързан към инвертиращия вход, а изходът е свързан към неинвертиращия вход чрез резисторен делител на напрежението.

Делителят на напрежението задава праговите стойности и контурът действа като последователно лятно напрежение. Примери за този тип са класическият свързан с транзисторен емитер спусък на Schmitt и инвертираща схема на усилвател, както е показано тук:

Вътрешна обратна връзка

В тази конфигурация се създава тригер на Schmitt чрез използване на два отделни компаратора (без хистерезис) за двете прагови граници.

Изходите на тези компаратори са свързани към зададените и нулирани входове на RS тригер. Положителната обратна връзка се съдържа във флип-флопа, така че няма обратна връзка към сравнителните устройства. Изходът на RS тригера се превключва високо, когато входът надвишава горния праг, и превключва ниско, когато входът отива под долния праг.

Когато входът е между горния и долния праг, изходът запазва предишното си състояние. Пример за устройство, което използва тази техника, е 74HC14, направен от NXP Semiconductors и Texas Instruments.

Тази част се състои от компаратор за горен праг и компаратор за долен праг, които се използват за задаване и нулиране на RS тригер. Спусъкът 74HC14 Schmitt е едно от най-популярните устройства за свързване на сигнали от реалния свят с цифрова електроника.

Двете прагови граници в това устройство са зададени при фиксирано съотношение Vcc. Това свежда до минимум броя на частите и поддържа схемата проста, но понякога праговите нива трябва да се променят за различните видове условия на входния сигнал.

Например, обхватът на входния сигнал може да е по-малък от фиксирания диапазон на напрежението на хистерезиса. Праговите нива могат да се променят в 74HC14 чрез свързване на резистор с отрицателна обратна връзка от изхода към входа и друг резистор, свързващ входния сигнал към входа.

Това ефективно намалява фиксираната 30% положителна обратна връзка до някаква по-ниска стойност, например 15%. За това е важно да се използват резистори с висока стойност (мега-омов диапазон), за да се запази високото входно съпротивление.

Предимства на спусъка на Schmitt

Тригерите на Schmitt имат предназначение във всякакъв вид високоскоростна система за комуникация на данни с някаква форма на цифрова обработка на сигнала. Всъщност те служат с двойна цел: да изчистят шума и смущенията по линиите за данни, като същевременно поддържат висока скорост на поток от данни, и да преобразуват произволна аналогова форма на вълната в ON-OFF цифрова форма на вълната с бързи, чисти преходи на ръба.

Това осигурява предимство пред филтрите, които могат да филтрират шума, но забавят скоростта на предаване на данни значително поради ограничената им честотна лента. Също така, стандартните филтри не могат да осигурят хубав, изчистен цифров изход с бързи преходи на ръба, когато се прилага бавна входна форма на вълната.

Тези две предимства на тригерите на Schmitt са обяснени по-подробно, както следва: Входове за шумен сигнал Ефектите на шума и смущения са основен проблем в цифровите системи, тъй като се използват все по-дълги и по-дълги кабели и се изискват по-високи и по-високи скорости на предаване на данни.

Някои от най-често срещаните начини за намаляване на шума включват използването на екранирани кабели, използване на усукани проводници, съвпадение на импедансите и намаляване на изходните импеданси.

Тези техники могат да бъдат ефективни за намаляване на шума, но все пак ще остане малко шум на входна линия и това може да задейства нежелани сигнали във верига.

Повечето от стандартните буфери, инвертори и компаратори, използвани в цифрови схеми, имат само една прагова стойност на входа. И така, изходът променя състоянието веднага щом входната форма на вълната премине този праг във всяка посока.

Ако случаен шумов сигнал прекоси тази прагова точка на вход няколко пъти, той ще се види на изхода като поредица от импулси. Също така, форма на вълната с бавни преходи на ръба може да се появи на изхода като серия от трептящи шумови импулси.

Понякога се използва филтър за намаляване на този допълнителен шум, например в RC мрежа. Но всеки път, когато филтър като този се използва по пътя на данните, той забавя максималната скорост на данни значително. Филтрите блокират шума, но също така блокират високочестотните цифрови сигнали.

Филтри на спусъка на Шмит

Спусъкът на Schmitt изчиства това. След като изходът промени състоянието си, когато входът му премине праг, самият праг също се променя, така че тогава входът трябва да се движи по-далеч в обратната посока, за да предизвика нова промяна в изхода.

Поради този ефект на хистерезис, използването на тригери на Schmitt е може би най-ефективният начин за намаляване на шума и проблемите с смущения в цифрова схема. Проблемите с шума и смущенията обикновено могат да бъдат решени, ако не елиминирани, чрез добавяне на хистерезис на входния ред под формата на спусък на Шмит.

Докато амплитудата на шума или смущенията на входа е по-малка от ширината на хистерезисната междина на спусъка на Schmitt, няма да има ефекти на шума върху изхода.

Дори ако амплитудата е малко по-голяма, тя не трябва да влияе на изхода, освен ако входният сигнал не е центриран върху пропастта на хистерезиса. Може да се наложи да се коригират праговите нива, за да се постигне максимално премахване на шума.

Това може лесно да стане чрез промяна на стойностите на резистор в мрежата с положителна обратна връзка или чрез използване на потенциометър.

Основната полза, която задействането на Schmitt предоставя над филтрите, е, че не забавя скоростта на предаване на данни и в действителност я ускорява в някои случаи чрез преобразуване на бавни форми на вълната в бързи форми на вълната (по-бързи преходи на ръба). пазарът днес използва някаква форма на тригерно действие на Шмит (хистерезис) върху своите цифрови входове.

Те включват MCU, чипове памет, логически порти и така нататък. Въпреки че тези цифрови интегрални схеми могат да имат хистерезис на входовете си, много от тях също имат ограничения за времето за нарастване и спадане на входа, показани на техническите листове, и те трябва да бъдат взети под внимание. Идеалният спусък на Schmitt няма ограничение във времето за нарастване или спадане на входа си.

Бавни входни форми на вълната понякога интервалът на хистерезиса е твърде малък или има само една прагова стойност (устройство, което не е на Шмит), където изходът се повишава, ако входът се издигне над прага, а изходът се понижи, ако входният сигнал падне под то.

В случаи като тези има прагова зона около прага и бавният входен сигнал може лесно да причини трептения или излишен ток да тече през веригата, което дори може да повреди устройството. Тези бавни входни сигнали понякога могат да се случат дори при бързи цифрови вериги при условия на включване или други условия, при които се използва филтър (като RC мрежа) за подаване на сигнали към входовете.

Проблеми от този тип често възникват в схемата за „отскачане“ на ръчни превключватели, дълги кабели или окабеляване и силно натоварени вериги.

Например, ако към буфер се приложи сигнал за бавна рампа (интегратор) и той пресича единичната прагова точка на входа, изходът ще промени състоянието си (от ниско към високо, например). Това задействащо действие може да доведе до мигновено изтегляне на допълнителен ток от захранването и също така леко да понижи нивото на VCC мощност.

Тази промяна може да бъде достатъчна, за да накара изхода да промени състоянието си отново от високо на ниско, тъй като буферът усеща, че входът отново е преминал прага (въпреки че входът остава същият). Това може да се повтори отново в обратна посока, така че на изхода ще се появи серия от трептящи импулси.

Използването на спусъка на Schmitt в този случай не само ще елиминира трептенията, но и ще превърне бавните преходи на ръбове в чиста поредица от импулси ON-OFF с почти вертикални преходи на ръба. След това изходът на спусъка на Schmitt може да се използва като вход към следващото устройство в съответствие с неговите характеристики на времето за нарастване и спадане.

(Въпреки че трептенията могат да бъдат елиминирани чрез използване на спусъка на Шмит, все пак може да има излишен токов поток при преход, който може да се наложи да се коригира по друг начин.)

Спусъкът на Schmitt се намира и в случаите, когато аналогов вход, като синусоидална форма на вълната, форма на вълна или триъгълна форма на вълната, трябва да бъде преобразуван в квадратна вълна или някакъв друг тип ON-OFF цифров сигнал с бързи преходи на ръба.