Johdanto Schmitt Triggeriin

Lähes kaikki nykyaikaisessa nopeassa tietoliikenteessä käytettävät digitaaliset piirit tarvitsevat jonkinlaisen Schmitt-liipaisutoiminnon tuloillaan.

Miksi Schmitt-liipaisinta käytetään

Schmitt-liipaisimen päätarkoitus on poistaa melua ja häiriöitä datalinjoilta ja tarjota mukava puhdas digitaalilähtö nopeilla reuna-siirtymillä.

Nousu- ja laskuaikojen on oltava riittävän alhaiset digitaalisessa lähdössä, jotta sitä voidaan käyttää tulona piirin seuraaviin vaiheisiin. (Monilla IC: llä on rajoituksia sen tyypin reunasiirtymälle, joka voi näkyä syötteessä.)

Schmitt-liipaisujen tärkein etu on tässä, että ne puhdistavat meluiset signaalit säilyttäen silti korkean tiedonsiirtonopeuden, toisin kuin suodattimet, jotka voivat suodattaa melua, mutta hidastaa tiedonsiirtonopeutta huomattavasti.

Schmitt-liipaisimia esiintyy yleisesti myös piireissä, jotka tarvitsevat hitaiden reunojen siirtymien aaltomuodon muunnettavaksi digitaaliseksi aaltomuodoksi, jolla on nopeat, puhtaat reuna-siirtymät.

Schmitt-liipaisin voi muuttaa melkein minkä tahansa analogisen aaltomuodon - kuten siniaallon tai sahanterän - aaltomuodoksi ON-OFF-digitaalisignaaliksi, jolla on nopeat reunasiirtymät.

Käynnissä digitaalilähtö voi olla joko korkea tai matala, ja tämä lähtö vaihtaa tilaa vain, kun sen tulojännite ylittää tai alittaa kaksi ennalta asetettua kynnysjänniterajaa. Jos lähtö sattuu olemaan matala, lähtö ei muutu suureksi, ellei tulosignaali ylitä tietyn ylärajan ylärajaa.

Samoin, jos lähtö sattuu olemaan korkea, lähtö ei muutu matalaksi, ennen kuin tulosignaali menee tietyn alarajan alle.

Alempi kynnys on jonkin verran alempi kuin yläraja. Tuloon voidaan käyttää mitä tahansa aaltomuotoa (sinimuotoiset aallot, sahanterät, ääniaaltomuodot, pulssit jne.), Kunhan sen amplitudi on käyttöjännitealueella.

Diagarm Schmitt-liipaisimen selittämiseksi

Alla olevassa kaaviossa näkyy hystereesi, joka johtuu tulojännitteen ylä- ja alaraja-arvoista. Aina kun tulo on ylärajan yläpuolella, lähtö on korkea.

Kun tulo on alemman kynnyksen alapuolella, lähtö on matala, ja kun tulosignaalin jännite sattuu olemaan ylemmän ja alemman kynnysrajan välillä, lähtö säilyttää edellisen arvonsa, joka voi olla joko korkea tai matala.

Alemman ja ylemmän kynnyksen välistä etäisyyttä kutsutaan hystereesiväliksi. Lähtö säilyttää aina edellisen tilansa, kunnes tulo muuttuu riittävästi käynnistääkseen sen muuttumaan. Tämä on syy nimessä olevaan 'laukaisuun'.

Schmitt-liipaisin toimii samalla tavalla kuin bistabiili salpa- tai bistabiili multivibraattori, koska sillä on sisäinen 1-bittinen muisti ja se muuttaa tilaansa liipaisuolosuhteiden mukaan.

IC 74XX -sarjan käyttäminen Schmitt-liipaisukäyttöön

Texas Instruments tarjoaa Schmitt-liipaisutoiminnot melkein kaikissa sen teknologiaperheissä vanhasta 74XX-perheestä uusimpaan AUP1T-perheeseen.

Nämä IC: t voidaan pakata joko käänteiseen tai ei-käänteiseen Schmitt-liipaisimeen. Useimmilla Schmitt-liipaisulaitteilla, kuten 74HC14, on kynnysarvot kiinteällä Vcc-suhteella.

Tämä saattaa olla sopiva useimmille sovelluksille, mutta joskus kynnysarvoja on muutettava tulosignaalin olosuhteista riippuen.

Esimerkiksi tulosignaalin alue voi olla pienempi kuin kiinteä hystereesiväli. Kynnystasoja voidaan muuttaa IC: ssä kuten 74HC14 kytkemällä negatiivinen takaisinkytkentävastus vastuksesta lähdöstä tuloon yhdessä toisen vastuksen kanssa, joka yhdistää tulosignaalin laitetuloon.

Tämä antaa hystereesille tarvittavan positiivisen palautteen, ja hystereesiväliä voidaan nyt säätää muuttamalla kahden lisätyn vastuksen arvoja tai käyttämällä potentiometriä. Vastusten tulisi olla riittävän suuria pitämään tuloimpedanssi korkealla tasolla.

Schmitt-laukaisu on yksinkertainen käsite, mutta se keksittiin vasta vuonna 1934, kun taas amerikkalainen tiedemies Otto H.Schmitt oli vielä jatko-opiskelija.

Tietoja Otto H. Schmittistä

Hän ei ollut sähköinsinööri, koska opinnot keskittyivät biologiseen tekniikkaan ja biofysiikkaan. Hän keksi ajatuksen Schmitt-liipaisimesta yrittäessään suunnitella laitetta, joka toistaa hermoimpulssin etenemismekanismin kalmarihermoissa.

Hänen väitöskirjansa kuvaa 'termionisen liipaisimen', jonka avulla analoginen signaali voidaan muuntaa digitaaliseksi signaaliksi, joka on joko kokonaan päällä tai pois päältä ('1' tai '0').

Hän ei tiennyt, että suuret elektroniikkayritykset, kuten Microsoft, Texas Instruments ja NXP Semiconductors, eivät voisi olla olemassa nykyään ilman tätä ainutlaatuista keksintöä.

Schmitt-liipaisin osoittautui niin tärkeäksi keksinnöksi, että sitä käytetään käytännössä jokaisen markkinoilla olevan digitaalisen elektronisen laitteen syöttömekanismeissa.

Mikä on Schmitt-liipaisin

Schmitt-liipaisimen käsite perustuu positiivisen palautteen ajatukseen ja siihen tosiasiaan, että mikä tahansa aktiivinen piiri tai laite voidaan saada toimimaan kuin Schmitt-liipaisin soveltamalla positiivista palautetta siten, että silmukan vahvistus on suurempi kuin yksi.

Aktiivisen laitteen lähtöjännitettä vaimennetaan määrätyllä määrällä ja syötetään positiivisena palautteena sisääntuloon, mikä lisää tulosignaalin tehokkaasti vaimennettuun lähtöjännitteeseen.Tämä luo hystereesitoiminnon tulojännitteen ylemmän ja alemman kynnysarvon kanssa.

Suurin osa vakiopuskureista, inverttereistä ja vertailijoista käyttää vain yhtä kynnysarvoa. Lähtö muuttuu heti, kun tulon aaltomuoto ylittää tämän kynnyksen kumpaankin suuntaan.

Kuinka Schmitt-laukaisin toimii

Meluisa tulosignaali tai signaali, jolla on hidas aaltomuoto, ilmestyy lähtöön sarjana meluimpulsseja.

Schmitt-liipaisin puhdistaa tämän. - Kun lähtö muuttaa tilaa, kun sen tulo ylittää kynnyksen, myös kynnys itse muuttuu, joten tulojännitteen on nyt siirryttävä kauemmas vastakkaiseen suuntaan vaihtaakseen tilan uudelleen.

Melu tai häiriö tulossa ei näy lähdössä, ellei sen amplitudi ole suurempi kuin kahden kynnysarvon ero.

Mikä tahansa analoginen signaali, kuten sinimuotoiset aaltomuodot tai audiosignaalit, voidaan kääntää sarjaksi ON-OFF-pulsseja, joissa on nopeat, puhtaat reunansiirrot. Positiivisen takaisinkytkennän toteuttamiseksi on kolme tapaa muodostaa Schmitt-liipaisupiiri.

Kuinka palaute toimii Schmitt Triggerissä

Ensimmäisessä kokoonpanossa takaisinkytkentä lisätään suoraan tulojännitteeseen, joten jännitteen on siirryttävä suuremmalla määrällä vastakkaiseen suuntaan, jotta uusi lähtö muuttuu.

Tätä kutsutaan yleisesti rinnakkaiseksi positiiviseksi palautteeksi.

Toisessa kokoonpanossa takaisinkytkentä vähennetään kynnysjännitteestä, jolla on sama vaikutus kuin palautteen lisäämällä tulojännitteeseen.

Tämä muodostaa sarjan positiivisen takaisinkytkentäpiirin, ja sitä kutsutaan joskus dynaamiseksi kynnyspiiriksi. Vastusjakajaverkko asettaa yleensä kynnysjännitteen, joka on osa tulovaihetta.

Kaksi ensimmäistä piiriä voidaan helposti toteuttaa käyttämällä yhtä opampia tai kahta transistoria muutaman vastuksen kanssa. Kolmas tekniikka on hieman monimutkaisempi ja eroaa siitä, että sillä ei ole palautetta mihinkään syöttövaiheen osaan.

Tässä menetelmässä käytetään kahta erillistä vertailijaa kahdelle kynnysraja-arvolle ja kiikku 1-bittisenä muistielementtinä. Vertailijoihin ei ole kohdistettu positiivista palautetta, koska ne sisältyvät muistielementtiin. Kukin näistä kolmesta menetelmästä on selitetty tarkemmin seuraavissa kappaleissa.

Kaikki Schmitt-liipaisimet ovat aktiivisia laitteita, jotka luottavat positiiviseen palautteeseen hystereesitoimintansa saavuttamiseksi. Lähtö menee 'korkealle' aina, kun tulo nousee tietyn ennalta asetetun ylärajan yli, ja menee 'matalaksi' aina, kun tulo putoaa alemman kynnysrajan alle.

Lähtö säilyttää edellisen arvonsa (matala tai korkea), kun tulo on kahden kynnysrajan välillä.

Tämän tyyppistä virtapiiriä käytetään usein meluisten signaalien puhdistamiseen ja analogisen aaltomuodon muuntamiseen digitaaliseksi aaltomuodoksi (1: n ja 0: n) puhtailla, nopeilla reuna-siirtymillä.

Palaute tyypit Schmitt-liipaisupiireissä

Schmitt-liipaisupiirin muodostamiseksi käytetään tyypillisesti kolmea menetelmää positiivisen palautteen toteuttamiseksi. Nämä menetelmät ovat Rinnakkaispalaute, Sarjapalaute ja Sisäinen Palaute, ja niitä käsitellään seuraavasti.

Rinnakkais- ja sarjapalautustekniikat ovat itse asiassa saman version takaisinkytkentäpiirin kaksoisversioita. Rinnakkaispalaute Rinnakkaista takaisinkytkentäpiiriä kutsutaan joskus muunnetuksi tulojännitepiiriksi.

Tässä piirissä palaute lisätään suoraan tulojännitteeseen, eikä se vaikuta kynnysjännitteeseen. Kun palaute lisätään tuloon, kun lähtö muuttuu, tulojännitteen on muututtava suuremmalla määrällä vastakkaiseen suuntaan, jotta lähtö muuttuu edelleen.

Jos lähtö on matala ja tulosignaali kasvaa pisteeseen, jossa se ylittää kynnysjännitteen ja lähtö muuttuu suureksi.

Osa tästä lähdöstä kohdistetaan suoraan tuloon takaisinkytkentäsilmukan kautta, mikä 'auttaa' lähtöjännitettä pysymään uudessa tilassa.

Tämä lisää tulojännitettä tehokkaasti, jolla on sama vaikutus kuin kynnysjännitteen alentamisella.

Itse kynnysjännitettä ei muuteta, mutta tulon on nyt siirryttävä alaspäin alaspäin, jotta lähtö muuttuu matalaksi. Kun lähtö on alhainen, sama prosessi toistaa itsensä palatakseen korkeaan tilaan.

Tämän piirin ei tarvitse käyttää differentiaalivahvistinta, koska mikä tahansa yksipäinen ei-invertoiva vahvistin toimii.

Sekä tulosignaali että lähtösignaali syötetään vahvistimen ei-invertoivaan tuloon vastusten kautta, ja nämä kaksi vastusta muodostavat painotetun rinnakkaisen kesän. Jos on käänteinen tulo, se asetetaan vakiovirtajännitteelle.

Esimerkkejä rinnakkaisista takaisinkytkentäpiireistä ovat kollektoripohjaan kytketty Schmitt-liipaisupiiri tai ei-invertoiva op-amp-piiri, kuten on esitetty:

Sarjan palaute

Dynaaminen kynnyspiiri (sarjapalaute) toimii periaatteessa samalla tavalla kuin rinnakkainen takaisinkytkentäpiiri, paitsi että lähdön takaisinkytkentä muuttaa suoraan kynnysjännitettä tulojännitteen sijaan.

Palaute vähennetään kynnysjännitteestä, jolla on sama vaikutus kuin palautteen lisäämisellä tulojännitteeseen. Heti kun tulo ylittää kynnysjänniterajan, kynnysjännite muuttuu vastakkaiseen arvoon.

Tulon on nyt muututtava suuremmassa määrin vastakkaiseen suuntaan, jotta lähtötila muuttuu uudelleen. Lähtö on eristetty tulojännitteestä ja vaikuttaa vain kynnysjännitteeseen.

Siksi tulovastus voidaan tehdä tälle sarjapiirille paljon suuremmaksi kuin rinnakkaispiiri. Tämä piiri perustuu yleensä differentiaalivahvistimeen, jossa tulo on kytketty invertoivaan tuloon ja lähtö on kytketty ei-invertoivaan tuloon vastuksen jännitteenjakajan kautta.

Jännitteenjakaja asettaa kynnysarvot, ja silmukka toimii kuin sarjajännitteen kesä. Esimerkkejä tämän tyyppisistä ovat klassinen transistori-emitterikytketty Schmitt-liipaisin ja käänteinen op-amp-piiri, kuten tässä on esitetty:

Sisäinen palaute

Tässä kokoonpanossa Schmitt-liipaisin luodaan käyttämällä kahta erillistä vertailijaa (ilman hystereesiä) kahdelle kynnysrajalle.

Näiden vertailijoiden lähdöt on kytketty RS-kiikun asetettuihin ja palautettuihin tuloihin. Positiivinen palaute sisältyy kiikaan, joten vertailijoille ei ole palautetta. RS-kiikun lähtö vaihtuu korkeaksi, kun tulo ylittää ylemmän kynnyksen, ja vaihtelee matalaksi, kun tulo menee alemman kynnyksen alapuolelle.

Kun tulo on ylemmän ja alemman kynnyksen välillä, lähtö säilyttää edellisen tilansa. Esimerkki tätä tekniikkaa käyttävästä laitteesta on NXP Semiconductors ja Texas Instrumentsin valmistama 74HC14.

Tämä osa koostuu ylemmän kynnyksen vertailijasta ja alemman kynnyksen vertailusta, joita käytetään RS-kiikun asettamiseen ja nollaamiseen. 74HC14 Schmitt -liipaisin on yksi suosituimmista laitteista reaalimaailman signaalien liittämiseksi digitaaliseen elektroniikkaan.

Tämän laitteen kaksi kynnysrajaa on asetettu kiinteään Vcc-suhteeseen. Tämä minimoi osamäärän ja pitää piirin yksinkertaisena, mutta joskus kynnysarvoja on muutettava erilaisille tulosignaaliolosuhteille.

Esimerkiksi tulosignaalin alue voi olla pienempi kuin kiinteä hystereesijännitealue. Kynnysarvoja voidaan muuttaa 74HC14: ssä kytkemällä negatiivinen takaisinkytkentävastus vastuksesta lähdöstä tuloon ja toinen vastus liittämällä tulosignaali tuloon.

Tämä vähentää tehokkaasti kiinteää 30% positiivista palautetta pienempään arvoon, kuten 15%. Tähän on tärkeää käyttää arvokkaita vastuksia (Mega-Ohmin alue), jotta tulovastus pysyy korkeana.

Schmitt-liipaisun edut

Schmitt-liipaisimet palvelevat tarkoitusta missä tahansa suuressa nopeudessa tietoliikennejärjestelmässä, jossa on jonkinlainen digitaalinen signaalin käsittely. Itse asiassa niillä on kaksi tarkoitusta: siivoaa kohina ja häiriöt datalinjoista pitäen silti korkea tiedonsiirtonopeus, ja muuntaa satunnainen analoginen aaltomuoto ON-OFF-digitaaliseksi aaltomuodoksi, jolla on nopeat, puhtaat reunansiirtymät.

Tämä tarjoaa edun suodattimiin verrattuna, jotka voivat suodattaa melua, mutta hidastaa tiedonsiirtonopeutta huomattavasti niiden rajoitetun kaistanleveyden vuoksi. Vakiosuodattimet eivät myöskään pysty tarjoamaan mukavaa, puhdasta digitaalilähtöä, jolla on nopeat reunasiirtymät, kun käytetään hitaata tuloaaltomuotoa.

Nämä kaksi Schmitt-liipaisujen etua selitetään yksityiskohtaisemmin seuraavasti: Meluiset signaalitulot Melu ja häiriöt ovat suuri ongelma digitaalisissa järjestelmissä, kun käytetään pidempiä ja pidempiä kaapeleita ja tarvitaan suurempia ja suurempia tiedonsiirtonopeuksia.

Joitakin yleisempiä tapoja vähentää melua ovat suojattujen kaapeleiden käyttö, kierrettyjen johtojen käyttö, impedanssien sovittaminen ja lähtöimpedanssien vähentäminen.

Nämä tekniikat voivat olla tehokkaita melun vähentämisessä, mutta tulojohdolle jää silti jonkin verran melua, joka voi laukaista ei-toivottuja signaaleja piirissä.

Suurimmalla osalla digitaalisissa piireissä käytetyistä vakiopuskureista, inverttereistä ja vertailijoista on vain yksi kynnysarvo tulossa. Joten lähtö muuttuu tilassa heti, kun tulon aaltomuoto ylittää tämän kynnyksen kumpaankin suuntaan.

Jos satunnainen kohinasignaali ylittää tämän kynnyspisteen tulossa useita kertoja, se nähdään lähdössä pulssien sarjana. Myös aaltomuoto, jossa on hidas reuna-siirtymä, saattaa näkyä ulostulossa sarjana värähteleviä kohinapulsseja.

Joskus tämän ylimääräisen kohinan vähentämiseksi käytetään suodatinta, esimerkiksi RC-verkossa. Mutta aina kun tällaista suodatinta käytetään datareitillä, se hidastaa suurinta datanopeutta merkittävästi. Suodattimet estävät melun, mutta myös korkean taajuuden digitaaliset signaalit.

Schmitt-liipaisinsuodattimet

Schmitt-liipaisin puhdistaa tämän. Kun lähtö muuttaa tilaansa, kun tulo ylittää kynnyksen, myös kynnys itse muuttuu, joten sitten tulon on siirryttävä kauemmas vastakkaiseen suuntaan aiheuttaakseen uuden muutoksen lähdössä.

Tämän hystereesivaikutuksen vuoksi Schmitt-liipaisujen käyttö on todennäköisesti tehokkain tapa vähentää kohina- ja häiriöongelmia digitaalisessa piirissä. Melu- ja häiriöongelmat voidaan yleensä ratkaista, ellei niitä eliminoida, lisäämällä hystereesi tulolinjaan Schmitt-liipaisimen muodossa.

Niin kauan kuin kohinan tai häiriön amplitudi tulossa on pienempi kuin Schmitt-liipaisimen hystereesivälin leveys, kohinalla ei ole vaikutuksia lähtöön.

Vaikka amplitudi olisi hiukan suurempi, sen ei pitäisi vaikuttaa lähtöön, ellei tulosignaali keskity hystereesiväliin. Kynnystasoja voidaan joutua säätämään melun maksimaalisen eliminoinnin saavuttamiseksi.

Tämä voidaan helposti tehdä muuttamalla positiivisen takaisinkytkentäverkon vastuksen arvoja tai käyttämällä potentiometriä.

Tärkein etu, jonka Schmitt-liipaisin tarjoaa suodattimien yli, on se, että se ei hidasta tiedonsiirtonopeutta ja tosiasiassa kiihdyttää sitä joissakin tapauksissa muuntamalla hitaat aaltomuodot nopeiksi aaltomuodoiksi (nopeammat reuna-siirtymät). Markkinat käyttävät nykyään jonkinlaista Schmitt-liipaisutoimintaa (hystereesiä) digitaalisissa tuloissaan.

Näitä ovat MCU: t, muistisirut, logiikkaportit ja niin edelleen. Vaikka näillä digitaalisilla mikropiireillä saattaa olla hystereesi tuloillaan, monilla heistä on myös rajoituksia tulon nousu- ja laskuajoille, jotka näkyvät niiden teknisissä arkeissa, ja nämä on otettava huomioon. Ihanteellisella Schmitt-liipaisimella ei ole nousun tai laskun aikarajoituksia tulossa.

Hidas sisääntuloaaltomuoto joskus hystereesiväli on liian pieni tai on vain yksi kynnysarvo (ei-Schmitt-liipaisulaite), jossa lähtö menee korkealle, jos tulo nousee kynnyksen yläpuolelle, ja lähtö laskee matalalle, jos tulosignaali laskee alle se.

Tällaisissa tapauksissa kynnyksen ympärillä on marginaali, ja hidas tulosignaali voi helposti aiheuttaa värähtelyjä tai ylimääräistä virtaa virrata piirin läpi, mikä voi jopa vahingoittaa laitetta. virtapiirit käynnistysolosuhteissa tai muissa olosuhteissa, joissa suodatinta (kuten RC-verkkoa) käytetään syöttämään signaaleja tuloihin.

Tämän tyyppisiä ongelmia esiintyy usein manuaalisten kytkimien, pitkien kaapeleiden tai johdotusten ja voimakkaasti kuormitettujen piirien 'irrotuksen' piirissä.

Esimerkiksi, jos hidas ramppisignaali (integraattori) syötetään puskuriin ja se ylittää yhden kynnyspisteen tulossa, lähtö muuttaa tilaansa (esimerkiksi matalasta korkeaan). Tämä laukaisutoiminto voi aiheuttaa ylimääräisen virran ottamisen virtalähteestä hetkeksi ja myös alentaa VCC-tehotasoa.

Tämä muutos voi olla riittävä saamaan lähdön muuttamaan tilaansa uudelleen suuresta matalaan, koska puskuri tunnistaa, että tulo ylitti kynnyksen uudelleen (vaikka tulo pysyisi samana). Tämä voi toistaa taas vastakkaiseen suuntaan, joten lähtöön ilmestyy sarja värähteleviä pulsseja.

Schmitt-liipaisimen käyttäminen tässä tapauksessa ei vain eliminoi värähtelyjä, vaan myös kääntää hidasreunaiset siirtymät puhtaaksi ON-OFF-pulssisarjaksi, jossa on lähes pystysuorat reunansiirtymät. Schmitt-liipaisimen lähtöä voidaan sitten käyttää tulona seuraavaan laitteeseen sen nousu- ja laskuaikamääritysten mukaan.

(Vaikka värähtelyt voidaan eliminoida käyttämällä Schmitt-liipaisinta, siirtymässä saattaa silti olla ylivirta, joka saattaa olla tarpeen korjata jollakin muulla tavalla.)

Schmitt-liipaisin löytyy myös tapauksissa, joissa analoginen tulo, kuten sinimuotoinen aaltomuoto, ääni-aaltomuoto tai saha-aaltomuoto, on muunnettava neliöaalloksi tai muuntyyppiseksi digitaaliseksi ON-OFF-digitaalisignaaliksi, jolla on nopeat reunansiirrot.