Úvod do Schmittova spouště

Téměř jakýkoli digitální obvod používaný v moderní vysokorychlostní datové komunikaci potřebuje nějakou formu Schmittovy spouštěcí akce na svých vstupech.

Proč se používá Schmitt Trigger

Hlavním účelem Schmittova spouště zde je eliminace šumu a interference na datových linkách a zajištění pěkného čistého digitálního výstupu s rychlými přechody hran.

Doby náběhu a doběhu musí být u digitálního výstupu dostatečně nízké, aby mohly být použity jako vstupy do následujících fází v obvodu. (Mnoho integrovaných obvodů má omezení typu přechodu hrany, který se může na vstupu objevit.)

Hlavní výhodou Schmittových spouštěčů je, že čistí hlučné signály při zachování vysoké rychlosti toku dat, na rozdíl od filtrů, které mohou odfiltrovat šum, ale výrazně zpomalit rychlost dat.

Schmittovy spouštěče se také běžně vyskytují v obvodech, které potřebují křivku s pomalými přechody hran, aby byly převedeny do digitálního průběhu s rychlými a čistými přechody hran.

Schmittova spoušť dokáže transformovat téměř jakýkoli analogový průběh - jako je sinusový nebo pilovitý průběh - na digitální signál ON-OFF s rychlými přechody hran. Spouštěče Schmitt jsou aktivní digitální zařízení s jedním vstupem a jedním výstupem, jako je vyrovnávací paměť nebo invertor.

Za provozu může být digitální výstup buď vysoký, nebo nízký a tento výstup změní stav pouze tehdy, když jeho vstupní napětí překročí nebo nedosáhne dvou přednastavených mezních mezních hodnot napětí. Pokud je výstup nízký, výstup se nezmění na vysoký, pokud vstupní signál nepřekročí určitou horní mez.

Podobně, pokud je výstup vysoký, výstup se nezmění na nízký, dokud vstupní signál neklesne pod určitou dolní mezní mez.

Dolní prahová hodnota je o něco nižší než horní prahová mez. Na vstup lze použít jakýkoli tvar vlny (sinusové vlny, pilovité zuby, zvukové vlny, pulsy atd.), Pokud je jeho amplituda v rozsahu provozního napětí.

Diagarmujte, abyste vysvětlili Schmittův spouštěč

Níže uvedený diagram ukazuje hysterezi vyplývající z horní a dolní prahové hodnoty vstupního napětí. Kdykoli je vstup nad horní mezní mezí, je výstup vysoký.

Když je vstup pod spodní prahovou hodnotou, výstup je nízký a když se napětí vstupního signálu nachází mezi horním a dolním prahovým limitem, výstup si zachová svoji předchozí hodnotu, která může být buď vysoká, nebo nízká.

Vzdálenost mezi dolním prahem a horním prahem se nazývá mezera hystereze. Výstup si vždy zachová svůj předchozí stav, dokud se vstup dostatečně nezmění, aby se spustil ke změně. To je důvod pro označení „spouštěče“ v názvu.

Schmittova spoušť funguje podobně jako bistabilní obvod se západkou nebo bistabilní multivibrátor, protože má interní 1 bitovou paměť a mění svůj stav v závislosti na podmínkách spouštění.

Použití řady IC 74XX pro provoz Schmittova spouštění

Společnost Texas Instruments poskytuje spouštěcí funkce Schmitt téměř ve všech svých technologických rodinách, od staré rodiny 74XX až po nejnovější rodinu AUP1T.

Tyto integrované obvody mohou být zabaleny buď s invertující nebo neinvertující Schmittovou spouští. Většina spouštěcích zařízení Schmitt, jako je 74HC14, má prahové úrovně při pevném poměru Vcc.

To může být adekvátní pro většinu aplikací, ale někdy je třeba změnit prahové úrovně v závislosti na podmínkách vstupního signálu.

Rozsah vstupního signálu může být například menší než pevná mezera hystereze. Prahové úrovně lze změnit v integrovaných obvodech, jako je 74HC14, připojením záporného zpětnovazebního rezistoru z výstupu na vstup spolu s dalším rezistorem připojujícím vstupní signál ke vstupu zařízení.

To poskytuje pozitivní zpětnou vazbu potřebnou pro hysterezi a mezeru hystereze lze nyní upravit změnou hodnot dvou přidaných odporů nebo použitím potenciometru. Rezistory by měly mít dostatečně velkou hodnotu, aby udržovaly vstupní impedanci na vysoké úrovni.

Schmittův spouštěč je jednoduchý koncept, ale byl vynalezen až v roce 1934, zatímco americký vědec jménem Otto H. Schmitt byl ještě postgraduální student.

O společnosti Otto H. Schmitt

Nebyl elektrotechnik, protože jeho studium bylo zaměřeno na biologické inženýrství a biofyziku. Přišel s myšlenkou na Schmittovu spoušť, když se pokoušel vytvořit zařízení, které by replikovalo mechanismus šíření nervových impulsů v chobotnicových nervech.

Jeho práce popisuje „termionický spouštěč“, který umožňuje převést analogový signál na digitální signál, který je buď plný, nebo vypnutý („1“ nebo „0“).

Netušil, že hlavní elektronické společnosti jako Microsoft, Texas Instruments a NXP Semiconductors nemohou bez tohoto jedinečného vynálezu existovat tak, jak jsou dnes.

Schmittova spoušť se ukázala být tak důležitým vynálezem, že se používá ve vstupních mechanismech prakticky každého digitálního elektronického zařízení na trhu.

Co je to Schmittův spouštěč

Koncept Schmittova spouště je založen na myšlence pozitivní zpětné vazby a na skutečnosti, že jakýkoli aktivní obvod nebo zařízení lze přimět k tomu, aby fungovalo jako Schmittova spoušť, a to uplatněním pozitivní zpětné vazby tak, aby zisk smyčky byl větší než jeden.

Výstupní napětí aktivního zařízení je zeslabeno o určené množství a aplikováno jako pozitivní zpětná vazba na vstup, což účinně přidává vstupní signál k zeslabenému výstupnímu napětí. To vytváří hysterezní akci s horními a dolními prahovými hodnotami vstupního napětí.

Většina standardních vyrovnávacích pamětí, střídačů a komparátorů používá pouze jednu prahovou hodnotu. Výstup změní stav, jakmile vstupní křivka překročí tuto prahovou hodnotu v obou směrech.

Jak Schmitt Trigger funguje

Na výstupu by se objevil hlučný vstupní signál nebo signál s pomalým průběhem jako řada šumových pulzů.

Schmittova spoušť to vyčistí - poté, co výstup změní stav, když jeho vstup překročí prahovou hodnotu, změní se také samotná prahová hodnota, takže nyní se vstupní napětí musí pohybovat dále v opačném směru, aby se znovu změnil stav.

Šum nebo interference na vstupu by se na výstupu neobjevily, pokud by jeho amplituda nebyla větší než rozdíl mezi dvěma prahovými hodnotami.

Jakýkoli analogový signál, jako jsou sinusové průběhy nebo zvukové signály, lze převést na řadu pulzů ON-OFF s rychlými a čistými přechody hran. Existují tři způsoby implementace pozitivní zpětné vazby pro vytvoření Schmittova spouštěcího obvodu.

Jak funguje zpětná vazba v Schmitt Trigger

V první konfiguraci je zpětná vazba přidána přímo ke vstupnímu napětí, takže napětí se musí posunout o větší množství v opačném směru, aby došlo k další změně výstupu.

Toto se běžně nazývá paralelní pozitivní zpětná vazba.

Ve druhé konfiguraci se zpětná vazba odečte od prahového napětí, což má stejný účinek jako přidání zpětné vazby ke vstupnímu napětí.

Toto tvoří obvod s kladnou zpětnou vazbou řady a někdy se mu říká obvod s dynamickou prahovou hodnotou. Síť odpor-dělič obvykle nastavuje prahové napětí, které je součástí vstupního stupně.

První dva obvody lze snadno implementovat pomocí jediného operační zesilovače nebo dvou tranzistorů spolu s několika odpory. Třetí technika je trochu složitější a liší se tím, že nemá žádnou zpětnou vazbu k žádné části vstupní fáze.

Tato metoda používá dva samostatné komparátory pro dvě mezní mezní hodnoty a klopný obvod jako 1bitový paměťový prvek. Na komparátory se nevztahuje žádná pozitivní zpětná vazba, protože jsou obsaženy v paměťovém prvku. Každá z těchto tří metod je podrobněji vysvětlena v následujících odstavcích.

Všechny spouštěče Schmitt jsou aktivní zařízení, která se při dosažení své hysterezní akce spoléhají na pozitivní zpětnou vazbu. Výstup přejde na „vysokou“, kdykoli vstup stoupne nad určitou přednastavenou horní mezní mez, a přejde na „nízkou“, kdykoli vstup klesne pod dolní mezní mez.

Výstup si zachovává svoji předchozí hodnotu (nízkou nebo vysokou), když je vstup mezi dvěma mezními limity.

Tento typ obvodu se často používá k čištění hlučných signálů ak převodu analogového průběhu na digitální průběh (1 a 0) s čistými a rychlými přechody hran.

Typy zpětné vazby ve spouštěcích obvodech Schmitt

Existují tři metody, které se obvykle používají při implementaci pozitivní zpětné vazby k vytvoření Schmittova spouštěcího obvodu. Tyto metody jsou Parallel Feedback, Series Feedback a Internal Feedback, and are discuss as follows.

Techniky paralelní a sériové zpětné vazby jsou ve skutečnosti duálními verzemi stejného typu zpětnovazebního obvodu. Paralelní zpětná vazba Obvod paralelní zpětné vazby se někdy nazývá upravený obvod vstupního napětí.

V tomto obvodu se zpětná vazba přidává přímo k vstupnímu napětí a nemá vliv na prahové napětí. Jelikož se zpětná vazba přidává ke vstupu, když výstup mění stav, musí se vstupní napětí posunout o větší množství v opačném směru, aby došlo k další změně výstupu.

Pokud je výstup nízký a vstupní signál se zvyšuje do bodu, kde překročí prahové napětí, a výstup se změní na vysoký.

Část tohoto výstupu je přivedena přímo na vstup prostřednictvím zpětnovazební smyčky, která „pomáhá“ výstupnímu napětí zůstat v novém stavu.

To účinně zvyšuje vstupní napětí, což má stejný účinek jako snižování prahového napětí.

Samotné prahové napětí se nezmění, ale vstup se nyní musí posunout dále směrem dolů, aby se výstup změnil na nízký stav. Jakmile je výstup nízký, stejný proces se opakuje, aby se dostal zpět do vysokého stavu.

Tento obvod nemusí používat diferenciální zesilovač, protože bude fungovat jakýkoli neinvertující zesilovač s jedním koncem.

Vstupní signál i výstupní zpětná vazba jsou aplikovány na neinvertující vstup zesilovače prostřednictvím rezistorů a tyto dva rezistory tvoří vážené paralelní léto. Pokud existuje invertující vstup, je nastaven na konstantní referenční napětí.

Příklady paralelních zpětnovazebních obvodů jsou Schmittův spouštěcí obvod spojený s kolektorovou základnou nebo neinvertující operační zesilovač, jak je znázorněno:

Zpětná vazba k sérii

Obvod dynamické prahové hodnoty (sériová zpětná vazba) pracuje v podstatě stejným způsobem jako obvod paralelní zpětné vazby, kromě toho, že zpětná vazba z výstupu přímo mění prahové napětí místo vstupního napětí.

Zpětná vazba se odečte od prahového napětí, což má stejný účinek jako přidání zpětné vazby ke vstupnímu napětí. Jakmile vstup překročí hranici prahového napětí, prahové napětí se změní na opačnou hodnotu.

Vstup se nyní musí změnit ve větší míře v opačném směru, aby se znovu změnil stav výstupu. Výstup je izolován od vstupního napětí a ovlivňuje pouze prahové napětí.

Proto může být vstupní odpor pro tento sériový obvod mnohem vyšší ve srovnání s paralelním obvodem. Tento obvod je obvykle založen na diferenciálním zesilovači, kde je vstup připojen k invertujícímu vstupu a výstup je připojen k neinvertujícímu vstupu přes odporový dělič napětí.

Dělič napětí nastavuje prahové hodnoty a smyčka funguje jako letní sériové napětí. Příkladem tohoto typu je klasická Schmittova spoušť spojená s emitorem tranzistoru a invertující obvod op-amp, jak je znázorněno zde:

Interní zpětná vazba

V této konfiguraci je Schmittova spoušť vytvořena pomocí dvou samostatných komparátorů (bez hystereze) pro dva prahové limity.

Výstupy těchto komparátorů jsou připojeny k nastavovacím a resetovacím vstupům klopného obvodu RS. Pozitivní zpětná vazba je obsažena v klopném obvodu, takže neexistuje žádná zpětná vazba pro komparátory. Výstup klopného obvodu RS se přepíná vysoko, když vstup přesahuje horní prahovou hodnotu, a přepíná nízko, když vstup přesahuje spodní prahovou hodnotu.

Když je vstup mezi horní a dolní prahovou hodnotou, výstup si zachová svůj předchozí stav. Příkladem zařízení, které používá tuto techniku, je 74HC14 od společností NXP Semiconductors a Texas Instruments.

Tato část se skládá z komparátoru horní prahové hodnoty a komparátoru spodní prahové hodnoty, které se používají k nastavení a resetování klopného obvodu RS. Spoušť 74HC14 Schmitt je jedním z nejpopulárnějších zařízení pro propojení signálů reálného světa s digitální elektronikou.

Dva prahové limity v tomto zařízení jsou nastaveny na pevný poměr Vcc. To minimalizuje počet součástí a udržuje obvod jednoduchý, ale někdy je třeba změnit prahové úrovně pro různé druhy podmínek vstupního signálu.

Například rozsah vstupního signálu může být menší než rozsah pevného hysterezního napětí. Prahové úrovně lze změnit v 74HC14 připojením záporného zpětnovazebního rezistoru z výstupu na vstup a dalšího rezistoru připojujícího vstupní signál ke vstupu.

To účinně snižuje pevnou 30% pozitivní zpětnou vazbu na nějakou nižší hodnotu, například 15%. Je důležité pro tento účel použít vysoce hodnotné rezistory (rozsah Mega-Ohm), aby byl vstupní odpor vysoký.

Výhody Schmittova spouště

Schmittovy spouštěče slouží účelu v jakémkoli vysokorychlostním datovém komunikačním systému s nějakou formou digitálního zpracování signálu. Ve skutečnosti slouží dvojímu účelu: vyčistit šum a rušení na datových linkách při zachování vysoké rychlosti toku dat a převést náhodný analogový průběh na digitální průběh ON-OFF s rychlými a čistými přechody hran.

To poskytuje výhodu oproti filtrům, které mohou odfiltrovat šum, ale významně zpomalit rychlost dat kvůli jejich omezené šířce pásma. Standardní filtry také nejsou schopny zajistit pěkný a čistý digitální výstup s rychlými přechody hran, když se použije pomalý vstupní průběh.

Tyto dvě výhody Schmittových spouštěčů jsou vysvětleny podrobněji následovně: Vstupy hlučného signálu Účinky šumu a rušení jsou hlavním problémem digitálních systémů, protože se používají stále delší kabely a jsou vyžadovány vyšší a vyšší přenosové rychlosti.

Mezi nejběžnější způsoby, jak snížit šum, patří použití stíněných kabelů, použití kroucených vodičů, přizpůsobení impedancí a snížení výstupních impedancí.

Tyto techniky mohou být účinné při snižování šumu, ale na vstupní lince stále zůstane nějaký šum, který by mohl spouštět nežádoucí signály v obvodu.

Většina standardních vyrovnávacích pamětí, střídačů a komparátorů používaných v digitálních obvodech má na vstupu pouze jednu prahovou hodnotu. Výstup tedy změní stav, jakmile vstupní křivka překročí tuto prahovou hodnotu v obou směrech.

Pokud náhodný šumový signál překročí tento prahový bod na vstupu několikrát, bude na výstupu viděn jako řada pulzů. Na výstupu by se také mohl objevit průběh s pomalými přechody hran jako řada kmitavých šumových pulzů.

Někdy se ke snížení tohoto zvláštního šumu používá filtr, například v síti RC. Ale kdykoli se takový filtr použije na datové cestě, výrazně zpomalí maximální rychlost přenosu dat. Filtry blokují šum, ale také blokují vysokofrekvenční digitální signály.

Schmittovy spouštěcí filtry

Schmittova spoušť to vyčistí. Poté, co výstup změní svůj stav, když jeho vstup překročí prahovou hodnotu, změní se také samotná prahová hodnota, takže se vstup musí posunout dále v opačném směru, aby došlo k další změně výstupu.

Kvůli tomuto hystereznímu efektu je použití Schmittových spouštěčů pravděpodobně nejúčinnějším způsobem, jak snížit problémy s rušením a rušením v digitálním obvodu. Problémy se šumem a interferencí lze obvykle vyřešit, pokud nejsou odstraněny, přidáním hystereze na vstupní linii ve formě Schmittova spouště.

Pokud je amplituda šumu nebo interference na vstupu menší než šířka hysterezní mezery Schmittova spouště, nebude na výstup působit žádný šum.

I když je amplituda o něco větší, nemělo by to ovlivnit výstup, pokud není vstupní signál zaměřen na hysterezní mezeru. Pro dosažení maximální eliminace šumu může být nutné upravit prahové úrovně.

To lze snadno provést změnou hodnot rezistoru v síti s kladnou zpětnou vazbou nebo použitím potenciometru.

Hlavní výhodou, kterou Schmittova spoušť poskytuje přes filtry, je to, že nezpomaluje rychlost přenosu dat a v některých případech ji ve skutečnosti zrychluje převodem pomalých průběhů do rychlých průběhů (rychlejší přechody hran). trh dnes používá na svých digitálních vstupech nějakou formu Schmittovy spouštěcí akce (hystereze).

Patří mezi ně MCU, paměťové čipy, logické brány atd. Ačkoli tyto digitální integrované obvody mohou mít na svých vstupech hysterezi, mnoho z nich má také omezení pro doby jejich vzestupu a pádu zobrazené na jejich specifikačních listech, a ty je třeba vzít v úvahu. Ideální Schmittova spoušť nemá na svém vstupu žádná časová omezení náběhu ani doběhu.

Pomalé vstupní vlnové křivky někdy jsou hysterezní mezery příliš malé nebo existuje pouze jedna prahová hodnota (spouštěcí zařízení jiné než Schmitt), kde je výstup vysoký, pokud vstup stoupne nad prahovou hodnotu, a výstup klesne, pokud vstupní signál klesne pod to.

V případech, jako jsou tyto, je kolem prahu okrajová oblast a pomalý vstupní signál může snadno způsobit, že obvodem protékají oscilace nebo nadměrný proud, což by mohlo zařízení dokonce poškodit. Tyto pomalé vstupní signály se někdy mohou vyskytnout i v rychlých digitálních obvody za podmínek zapnutí nebo za jiných podmínek, kdy se k přivádění signálů na vstupy používá filtr (například RC síť).

Problémy tohoto typu se často vyskytují v obvodech „odskakování“ ručních spínačů, dlouhých kabelů nebo kabeláže a silně zatěžovaných obvodech.

Například pokud je na vyrovnávací paměť aplikován pomalý signál rampy (integrátor) a překročí jediný prahový bod na vstupu, výstup změní svůj stav (například z nízkého na vysoký). Tato spouštěcí akce by mohla způsobit okamžitý odběr proudu ze zdroje napájení a také mírné snížení úrovně výkonu VCC.

Tato změna by mohla stačit k tomu, aby výstup znovu změnil svůj stav z vysokého na nízký, protože vyrovnávací paměť cítí, že vstup znovu překročil prahovou hodnotu (navzdory tomu, že vstup zůstává stejný). To by se mohlo opakovat znovu v opačném směru, takže by se na výstupu objevila řada oscilačního pulzu.

Použití Schmittova spouště v tomto případě nejen eliminuje oscilace, ale také převede pomalé přechody hran na čistou sérii impulzů ON-OFF s téměř vertikálními přechody hran. Výstup Schmittova spouště lze poté použít jako vstup do následujícího zařízení podle jeho specifikací doby náběhu a doběhu.

(I když lze oscilace eliminovat pomocí Schmittova spouště, při přechodu může stále docházet k nadměrnému toku proudu, který bude možná třeba upravit jiným způsobem.)

Schmittova spoušť se vyskytuje také v případech, kdy je třeba převést analogový vstup, jako je sinusový průběh, zvukový průběh nebo průběh pilovitého tvaru, na čtvercovou vlnu nebo nějaký jiný typ digitálního signálu ON-OFF s rychlými přechody hran.