Introduksjon til Schmitt Trigger

Nesten enhver digital krets som brukes i moderne høyhastighets datakommunikasjon trenger en eller annen form for Schmitt trigger-handling på inngangene.

Hvorfor Schmitt Trigger brukes

Hovedformålet med en Schmitt-utløser her er å eliminere støy og interferens på datalinjer og gi en fin, ren digital utgang med raske kantoverganger.

Stignings- og falltidene må være lave nok i en digital utgang til at den kan brukes som innganger til følgende trinn i en krets. (Mange IC-er har begrensninger for typen kantovergang som kan vises på en inngang.)

Den største fordelen med Schmitt utløser her er at de rydder opp i støyende signaler mens de fremdeles opprettholder en høy datastrømningshastighet, i motsetning til filtre, som kan filtrere ut støy, men redusere datahastigheten betydelig.

Schmitt-utløsere finnes også ofte i kretser som trenger en bølgeform med langsomme kantoverganger for å bli oversatt til en digital bølgeform med raske, rene kantoverganger.

En Schmitt-utløser kan transformere nesten hvilken som helst analog bølgeform - for eksempel en sinus- eller sagtannbølgeform - til et ON-OFF digitalt signal med raske kantoverganger. Schmitt-utløsere er aktive digitale enheter med en inngang og en utgang, som en buffer eller inverter.

Under drift kan den digitale utgangen enten være høy eller lav, og denne utgangen endrer bare tilstand når inngangsspenningen går over eller under to forhåndsinnstilte terskelspenningsgrenser. Hvis utgangen tilfeldigvis er lav, vil ikke utgangen endres til høy med mindre inngangssignalet går over en viss øvre terskelgrense.

På samme måte, hvis utgangen tilfeldigvis er høy, vil ikke utgangen endres til lav før inngangssignalet går under en viss nedre terskelgrense.

Den nedre terskelen er noe lavere enn den øvre terskelgrensen. Enhver form for bølgeform kan brukes på inngangen (sinusformede bølger, sagtenner, lydbølgeformer, pulser osv.) Så lenge amplituden er innenfor driftsspenningsområdet.

Diagarm for å forklare Schmitt Trigger

Diagrammet nedenfor viser hysteresen som følge av de øvre og nedre terskelverdiene for inngangen. Hver gang inngangen er over den øvre terskelgrensen, er utgangen høy.

Når inngangen er under den nedre terskelen, er utgangen lav, og når inngangssignalspenningen tilfeldigvis er mellom de øvre og nedre terskelgrensene, beholder utgangen sin forrige verdi, som kan være enten høy eller lav.

Avstanden mellom nedre terskel og øvre terskel kalles hysteresegapet. Utgangen beholder alltid sin forrige tilstand til inngangen endres tilstrekkelig til at den blir endret. Dette er grunnen til 'trigger' -betegnelsen i navnet.

Schmitt-utløseren fungerer på omtrent samme måte som en bistabil låsekrets eller en bistabil multivibrator, da den har et internt 1-biters minne, og endrer tilstanden avhengig av utløserforholdene.

Bruker IC 74XX-serien for bruk av Schmitt Trigger

Texas Instruments tilbyr Schmitt-utløserfunksjoner i nesten alle teknologifamiliene, fra den gamle 74XX-familien til den nyeste AUP1T-familien.

Disse IC-ene kan pakkes med enten en inverterende eller ikke-inverterende Schmitt-utløser. De fleste Schmitt trigger-enheter, for eksempel 74HC14, har terskelnivåer i et fast forhold på Vcc.

Dette kan være tilstrekkelig for de fleste applikasjoner, men noen ganger må terskelnivåene endres avhengig av inngangssignalforholdene.

For eksempel kan inngangssignalområdet være mindre enn det faste hysteresegapet. Terskelnivåene kan endres i ICs som 74HC14 ved å koble en negativ tilbakemeldingsmotstand fra utgang til inngang sammen med en annen motstand som kobler inngangssignalet til enhetens inngang.

Dette gir den positive tilbakemeldingen som trengs for hysterese, og hysteresegapet kan nå justeres ved å endre verdiene til de to tilførte motstandene, eller ved å bruke et potensiometer. Motstandene skal ha stor nok verdi til å holde inngangsimpedansen på et høyt nivå.

En Schmitt-utløser er et enkelt konsept, men det ble ikke oppfunnet før i 1934, mens en amerikansk forsker ved navn Otto H. Schmitt fremdeles var utdannet student.

Om Otto H. Schmitt

Han var ikke elektroingeniør, ettersom studiene hans fokuserte på biologisk ingeniørfag og biofysikk. Han kom på ideen om en Schmitt-utløser da han prøvde å konstruere en enhet som skulle replikere mekanismen for nevral impulsutbredelse i blekksprutnervene.

Hans avhandling beskriver en “termionisk trigger” som gjør det mulig å konvertere et analogt signal til et digitalt signal, som enten er fullt på eller av (‘1’ eller ‘0’).

Lite visste han at store elektronikkbedrifter som Microsoft, Texas Instruments og NXP Semiconductors ikke kunne eksistere som de er i dag uten denne unike oppfinnelsen.

Schmitt-utløseren viste seg å være en så viktig oppfinnelse at den brukes i inngangsmekanismene til praktisk talt alle digitale elektroniske enheter på markedet.

Hva er en Schmitt Trigger

Konseptet med en Schmitt-utløser er basert på ideen om positiv tilbakemelding, og det faktum at en hvilken som helst aktiv krets eller enhet kan få seg til å fungere som en Schmitt-utløser ved å bruke den positive tilbakemeldingen slik at løkkeforsterkningen er større enn en.

Utgangsspenningen til den aktive enheten dempes med en bestemt mengde og påføres som positiv tilbakemelding på inngangen, som effektivt tilfører inngangssignalet til den dempede utgangsspenningen. Dette skaper en hysteresehandling med øvre og nedre terskelverdier for inngangen.

De fleste standard buffere, omformere og komparatorer bruker bare en terskelverdi. Utgangen endrer tilstand så snart inngangsbølgeformen krysser denne terskelen i begge retninger.

Hvordan Schmitt Trigger fungerer

Et støyende inngangssignal eller et signal med langsom bølgeform vises på utgangen som en serie støyimpulser.

En Schmitt-utløser renser dette er oppe - etter at utgangen endrer tilstand når inngangen krysser en terskel, endres også selve terskelen, så nå må inngangsspenningen bevege seg lenger i motsatt retning for å endre tilstand igjen.

Støy eller forstyrrelser på inngangen vil ikke vises på utgangen med mindre amplituden tilfeldigvis er større enn forskjellen mellom de to terskelverdiene.

Ethvert analogt signal, for eksempel en sinusformet bølgeform eller lydsignaler, kan oversettes til en serie PÅ-AV-pulser med raske, rene kantoverganger. Det er tre metoder for å implementere den positive tilbakemeldingen for å danne en Schmitt-utløserkrets.

Hvordan tilbakemelding fungerer i Schmitt Trigger

I den første konfigurasjonen legges tilbakemeldingen direkte til inngangsspenningen, slik at spenningen må forskyves større i motsatt retning for å forårsake en annen endring i utgangen.

Dette er ofte kjent som parallell positiv tilbakemelding.

I den andre konfigurasjonen blir tilbakemeldingen trukket fra terskelspenningen, som har samme effekt som å legge til tilbakemelding på inngangsspenningen.

Dette danner en serie positiv tilbakemeldingskrets, og kalles noen ganger en dynamisk terskelkrets. Et motstandsdelernettverk setter vanligvis terskelspenningen, som er en del av inngangstrinnet.

De to første kretsene kan enkelt implementeres ved bruk av en enkelt opamp eller to transistorer sammen med noen få motstander. Den tredje teknikken er litt mer kompleks, og er annerledes ved at den ikke har noen tilbakemelding til noen del av inngangstrinnet.

Denne metoden bruker to separate komparatorer for de to terskelgrenseverdiene og en flip-flop som et 1-biters minneelement. Det er ingen positiv tilbakemelding brukt på komparatorene, da de er inneholdt i minneelementet. Hver av disse tre metodene er forklart mer detaljert i de følgende avsnittene.

Alle Schmitt-utløsere er aktive enheter som stoler på positive tilbakemeldinger for å oppnå sin hysteresehandling. Utgangen går til 'høy' hver gang inngangen stiger over en viss forhåndsinnstilt øvre terskelgrense, og går til 'lav' når inngangen faller under en nedre terskelgrense.

Utgangen beholder sin forrige verdi (lav eller høy) når inngangen er mellom de to terskelgrensene.

Denne typen krets brukes ofte til å rydde opp i støyende signaler, og konvertere en analog bølgeform til en digital bølgeform (1 og 0) med rene, raske kantoverganger.

Typer av tilbakemelding i Schmitt-utløserkretser

Det er tre metoder som vanligvis brukes til å implementere positiv tilbakemelding for å danne en Schmitt-utløserkrets. Disse metodene er Parallell Feedback, Series Feedback og Internal Feedback, og diskuteres som følger.

Parallell- og serietilbakemeldingsteknikkene er faktisk to versjoner av samme type tilbakemeldingskrets. Parallell tilbakemelding En parallell tilbakemeldingskrets kalles noen ganger en modifisert inngangsspenningskrets.

I denne kretsen legges tilbakemeldingen direkte til inngangsspenningen, og påvirker ikke terskelspenningen. Når tilbakemeldingen legges til inngangen når utgangen endrer tilstand, må inngangsspenningen forskyves større i motsatt retning for å forårsake ytterligere endring i utgangen.

Hvis utgangen er lav, og inngangssignalet øker til det punktet der det krysser terskelspenningen og utgangen endres til høy.

En del av denne utgangen påføres direkte på inngangen gjennom en tilbakemeldingssløyfe, som 'hjelper' utgangsspenningen med å holde seg i sin nye tilstand.

Dette øker effektivt inngangsspenningen, noe som har samme effekt som å senke terskelspenningen.

Selve terskelspenningen endres ikke, men inngangen må nå bevege seg lenger nedover for å endre utgangen til lav tilstand. Når produksjonen er lav, gjentar den samme prosessen seg for å komme tilbake til høy tilstand.

Denne kretsen trenger ikke bruke en differensialforsterker, da en ikke-inverterende forsterker med en ende vil fungere.

Både inngangssignalet og utgangsfeedbacken påføres den ikke-inverterende inngangen til forsterkeren gjennom motstander, og disse to motstandene danner en vektet parallell sommer. Hvis det er en inverterende inngang, settes den til en konstant referansespenning.

Eksempler på parallelle tilbakemeldingskretser er en kollektorbasert Schmitt-utløserkrets eller en ikke-inverterende op-amp-krets, som vist:

Serietilbakemelding

En dynamisk terskel (serie tilbakemelding) krets fungerer i utgangspunktet på samme måte som en parallell tilbakemeldingskrets, bortsett fra at tilbakemeldingen fra utgangen direkte endrer terskelspenningen i stedet for inngangsspenningen.

Tilbakemeldingen trekkes fra terskelspenningen, som har samme effekt som å legge til tilbakemelding på inngangsspenningen. Så snart inngangen krysser terskelspenningsgrensen, endres terskelspenningen til motsatt verdi.

Inngangen må nå endres i større grad i motsatt retning for å endre utgangstilstanden igjen. Utgangen er isolert fra inngangsspenningen og påvirker bare terskelspenningen.

Derfor kan inngangsmotstanden gjøres mye høyere for denne seriekretsen sammenlignet med en parallellkrets. Denne kretsen er vanligvis basert på en differensialforsterker der inngangen er koblet til den inverterende inngangen og utgangen er koblet til den ikke-inverterende inngangen gjennom en motstandsspenningsdeler.

Spenningsdeleren setter terskelverdiene, og sløyfen fungerer som en seriespenningssommer. Eksempler på denne typen er den klassiske transistoremitterkoblede Schmitt-utløseren og en inverterende op-amp-krets, som vist her:

Intern tilbakemelding

I denne konfigurasjonen opprettes en Schmitt-utløser ved å bruke to separate komparatorer (uten hysterese) for de to terskelgrensene.

Utgangene til disse komparatorene er koblet til sett- og tilbakestillingsinngangene til en RS-flip-flop. Den positive tilbakemeldingen er inneholdt i flip-flop, så det er ingen tilbakemelding til komparatorene. Utgangen fra RS flip-flop veksles høyt når inngangen går over den øvre terskelen, og veksles lav når inngangen går under den nedre terskelen.

Når inngangen er mellom øvre og nedre terskel, beholder utgangen sin forrige tilstand. Et eksempel på en enhet som bruker denne teknikken er 74HC14 laget av NXP Semiconductors og Texas Instruments.

Denne delen består av en øvre terskel komparator og en nedre terskel komparator, som brukes til å stille og tilbakestille en RS flip-flop. 74HC14 Schmitt-utløseren er en av de mest populære enhetene for å koble signaler fra den virkelige verden til digital elektronikk.

De to terskelgrensene i denne enheten er satt til et fast forhold på Vcc. Dette minimerer deltellingen og holder kretsen enkel, men noen ganger må terskelnivåene endres for forskjellige typer inngangssignalforhold.

For eksempel kan inngangssignalområdet være mindre enn det faste hysteresespenningsområdet. Terskelnivåene kan endres i 74HC14 ved å koble en negativ tilbakemeldingsmotstand fra utgangen til inngangen, og en annen motstand som kobler inngangssignalet til inngangen.

Dette reduserer effektivt den faste 30% positive tilbakemeldingen til noen lavere verdi, for eksempel 15%. Det er viktig å bruke motstander av høy verdi for dette (Mega-Ohm-området) for å holde inngangsmotstanden høy.

Fordeler med Schmitt trigger

Schmitt-utløsere tjener et formål i alle slags høyhastighets datakommunikasjonssystem med en eller annen form for digital signalbehandling. Egentlig tjener de et dobbelt formål: å rydde opp i støy og interferens på datalinjer mens du fortsatt opprettholder en høy datastrømningshastighet, og å konvertere en tilfeldig analog bølgeform til en ON-OFF digital bølgeform med raske, rene kantoverganger.

Dette gir en fordel i forhold til filtre, som kan filtrere ut støy, men reduserer datahastigheten betydelig på grunn av deres begrensede båndbredde. Standardfiltre er heller ikke i stand til å gi en fin, ren digital utgang med raske kantoverganger når en langsom inngangsbølgeform påføres.

Disse to fordelene med Schmitt-utløsere forklares mer detaljert som følger: Støyende signalinnganger Effektene av støy og forstyrrelser er et stort problem i digitale systemer, ettersom lengre og lengre kabler brukes og høyere og høyere datahastigheter kreves.

Noen av de vanligste måtene å redusere støy inkluderer bruk av skjermede kabler, bruk av vridde ledninger, samsvarende impedanser og redusering av utgangsimpedanser.

Disse teknikkene kan være effektive for å redusere støy, men det vil fortsatt være noe støy igjen på en inngangslinje, og det kan utløse uønskede signaler i en krets.

De fleste av standard buffere, omformere og komparatorer som brukes i digitale kretser, har bare en terskelverdi på inngangen. Så, utgangen endrer tilstand så snart inngangsbølgeformen krysser denne terskelen i begge retninger.

Hvis et tilfeldig støysignal krysser dette terskelpunktet på en inngang flere ganger, vil det bli sett på utgangen som en serie pulser. Dessuten kan en bølgeform med langsomme kantoverganger vises på utgangen som en serie oscillerende støypulser.

Noen ganger brukes et filter for å redusere denne ekstra støyen, for eksempel i et RC-nettverk. Men når som helst et filter som dette brukes på datastien, reduserer det den maksimale datahastigheten betydelig. Filtre blokkerer støy, men de blokkerer også høyfrekvente digitale signaler.

Schmitt trigger-filtre

En Schmitt-utløser renser dette er oppe. Etter at utgangen endrer sin tilstand når inngangen krysser en terskel, endres også terskelen, så da må inngangen bevege seg lenger i motsatt retning for å forårsake en annen endring i utgangen.

På grunn av denne hystereseeffekten er bruk av Schmitt-utløsere sannsynligvis den mest effektive måten å redusere støy- og interferensproblemer i en digital krets. Problemer med støy og forstyrrelser kan vanligvis løses, hvis de ikke elimineres, ved å legge til hysterese på inngangslinjen i form av en Schmitt-utløser.

Så lenge amplituden til støyen eller interferensen på inngangen er mindre enn bredden på hysteresegapet til Schmitt-utløseren, vil det ikke være noen effekt av støy på utgangen.

Selv om amplituden er litt større, bør det ikke påvirke utgangen med mindre inngangssignalet er sentrert på hysteresegapet. Terskelnivåene må kanskje justeres for å oppnå maksimal støyeliminering.

Dette kan enkelt gjøres ved å endre verdiene til en motstand i det positive tilbakemeldingsnettverket, eller ved å bruke et potensiometer.

Den største fordelen som en Schmitt-trigger gir over filtre er at den ikke reduserer datahastigheten, og faktisk fremskynder den i noen tilfeller via konvertering av langsomme bølgeformer til raske bølgeformer (raskere kantoverganger). Nesten enhver digital IC på markedet i dag bruker noen form for Schmitt trigger-handling (hysterese) på sine digitale innganger.

Disse inkluderer MCUer, minnebrikker, logiske porter og så videre. Selv om disse digitale IC-ene kan ha hysterese på inngangene sine, har mange av dem også begrensninger for deres økning og falltid for input som vises på spesifikasjonsarkene, og disse må tas i betraktning. En ideell Schmitt-utløser har ingen begrensninger for økning eller fall på inngangen.

Sakte inngangsbølgeformer noen ganger er hysteresegapet for lite, eller det er bare en terskelverdi (en ikke-Schmitt-utløserenhet) der utgangen går høyt hvis inngangen stiger over terskelen, og utgangen blir lav hvis inngangssignalet faller under den.

I tilfeller som disse er det et marginalt område rundt terskelen, og et tregt inngangssignal kan lett føre til at svingninger eller overflødig strøm strømmer gjennom kretsen, noe som til og med kan skade enheten. Disse sakte inngangssignalene kan noen ganger skje selv i rask digital kretser under oppstartsforhold eller andre forhold der et filter (for eksempel et RC-nettverk) brukes til å mate signaler til inngangene.

Problemer av denne typen oppstår ofte innenfor kretsløpene 'manuell bryter', manuelle brytere, lange kabler eller ledninger og tungt belastede kretser.

For eksempel, hvis et sakte rampesignal (integrator) påføres en buffer og den krysser det eneste terskelpunktet på inngangen, vil utgangen endre tilstanden (fra lav til høy, for eksempel). Denne utløsende handlingen kan føre til at ekstra strøm blir trukket fra strømforsyningen et øyeblikk, og også senke VCC-strømnivået litt.

Denne endringen kan være nok til å få utgangen til å endre sin tilstand igjen fra høy til lav, ettersom bufferen registrerer at inngangen krysset terskelen igjen (til tross for at inngangen var den samme). Dette kan gjenta seg i motsatt retning, så en serie med svingende puls vises på utgangen.

Å bruke en Schmitt-utløser i dette tilfellet vil ikke bare eliminere svingningene, men det vil også oversette langsomme kantoverganger til en ren serie med PÅ-AV-pulser med nesten vertikale kantoverganger. Utgangen fra en Schmitt-utløser kan deretter brukes til å inngå til følgende enhet i henhold til spesifikasjonene for stigning og falltid.

(Selv om svingninger kan elimineres ved å bruke en Schmitt-utløser, kan det fortsatt være overflødig strøm i en overgang, som kanskje må korrigeres på annen måte.)

Schmitt-utløseren finnes også i tilfeller der en analog inngang, for eksempel en sinusformet bølgeform, lydbølgeform eller sagtannbølgeform, må konverteres til en firkantbølge eller en annen type ON-OFF digitalt signal med raske kantoverganger.