Увод у Сцхмитт Триггер

Готово сваком дигиталном колу које се користи у савременим брзинама преноса података потребан је неки облик Сцхмиттове акције окидача на његовим улазима.

Зашто се користи Сцхмитт Триггер

Главна сврха Сцхмиттовог окидача овде је елиминисање шума и сметњи на линијама података и пружање лепог чистог дигиталног излаза са брзим ивичним прелазима.

Времена успона и пада морају бити довољно мала у дигиталном излазу да се могу применити као улази у следеће фазе у колу. (Многи ИЦ имају ограничења типа ивичног прелаза која се могу појавити на улазу.)

Главна предност Сцхмиттових окидача је у томе што они чисте бучне сигнале, а истовремено одржавају високу брзину протока података, за разлику од филтера, који могу филтрирати буку, али значајно успоравају брзину података.

Сцхмиттови окидачи се такође често налазе у круговима којима је потребан таласни облик са спорим ивичним прелазима да би се превео у дигитални таласни облик са брзим, чистим ивичним прелазима.

Сцхмиттов окидач може трансформисати готово било који аналогни таласни облик - као што је синусни талас или таласасти облик - у ОН-ОФФ дигитални сигнал са брзим ивичним прелазима. Сцхмитт-ови окидачи су активни дигитални уређаји са једним улазом и једним излазом, попут бафера или претварача.

У раду, дигитални излаз може бити висок или низак, а овај излаз мења стање само када његов улазни напон прелази или испод две унапред подешене граничне вредности напона. Ако се догоди да је излаз низак, излаз се неће променити на високи уколико улазни сигнал не пређе одређену горњу граничну вредност.

Исто тако, ако се догоди да је излаз висок, излаз се неће променити на низак све док улазни сигнал не падне испод одређене доње граничне границе.

Доњи праг је нешто нижи од горње границе прага. Било која врста таласног облика може се применити на улаз (синусоидни таласи, тестере, аудио таласни облици, импулси итд.) Све док је његова амплитуда унутар опсега радног напона.

Диагарм да објасни Сцхмитт Триггер-а

Доњи дијаграм приказује хистерезу која је резултат горње и доње вредности прага улазног напона. Сваки пут када је улаз изнад горње границе прага, излаз је висок.

Када је улаз испод доњег прага, излаз је низак, а када се догоди да је напон улазног сигнала између горње и доње границе прага, излаз задржава своју претходну вредност, која може бити висока или ниска.

Растојање између доњег и горњег прага назива се хистерезни размак. Излаз увек задржава претходно стање док се улаз не промени довољно да га покрене да се промени. То је разлог за ознаку „окидач“ у имену.

Сцхмиттов окидач функционише на сличан начин као бистабилни склоп засуна или бистабилни мултивибратор, јер има интерну 1-битну меморију и мења своје стање у зависности од услова окидача.

Коришћење серије ИЦ 74КСКС за Сцхмитт Триггер Оператион

Текас Инструментс пружа Сцхмиттове функције окидача у готово свим својим технолошким породицама, од старе породице 74КСКС до најновије породице АУП1Т.

Ове ИЦ могу бити упаковане са инвертујућим или неинвертујућим Сцхмиттовим окидачем. Већина Сцхмиттових окидачких уређаја, као што је 74ХЦ14, имају граничне нивое при фиксном односу Вцц.

Ово би могло бити довољно за већину апликација, али понекад је потребно променити нивое прагова у зависности од услова улазног сигнала.

На пример, опсег улазног сигнала може бити мањи од фиксног јаза хистерезе. Нивои прага могу се мењати у ИЦ-има попут 74ХЦ14 повезивањем отпорника негативне повратне спреге са излаза на улаз, заједно са другим отпорником који повезује улазни сигнал на улаз уређаја.

Ово даје позитивне повратне информације потребне за хистерезу, а јаз хистерезе се сада може прилагодити променом вредности два додата отпорника или помоћу потенциометра. Отпорници би требало да имају довољно велику вредност да задрже улазну импедансу на високом нивоу.

Сцхмиттов окидач је једноставан концепт, али он је измишљен тек 1934. године, док је амерички научник по имену Отто Х. Сцхмитт још увек био постдипломац.

О Отту Х. Сцхмитту

Није био електроинжењер, јер су његове студије биле усмерене на биолошки инжењеринг и биофизику. Дошао је на идеју о Сцхмиттовом окидачу док је покушавао да конструише уређај који би поновио механизам ширења неуронског импулса у живцима лигње.

Његова теза описује „термички окидач“ који омогућава претварање аналогног сигнала у дигитални сигнал који је или пун или искључен („1“ или „0“).

Мало је знао да велике електронске компаније попут Мицрософт-а, Текас Инструментс-а и НКСП Семицондуцторс-а не би могле постојати као данас без овог јединственог изума.

Испоставило се да је Сцхмиттов окидач толико важан изум да се користи у улазним механизмима готово свих дигиталних електронских уређаја на тржишту.

Шта је Сцхмитт Триггер

Концепт Сцхмитт-овог окидача заснован је на идеји позитивне повратне спреге и чињеници да било који активни круг или уређај могу да се понашају као Сцхмитт-ов окидач применом позитивне повратне спреге тако да је добитак петље већи од једног.

Излазни напон активног уређаја пригушен је за одређену количину и примењен као позитивна повратна спрега на улаз, што ефективно додаје улазни сигнал ослабљеном излазном напону. То ствара акцију хистерезе са горњим и доњим вредностима прага улазног напона.

Већина стандардних међуспремника, претварача и компаратора користи само једну граничну вредност. Излаз мења стање чим улазни таласни облик пређе овај праг у било ком смеру.

Како функционише Сцхмитт Триггер

Бучни улазни сигнал или сигнал са спорим таласним обликом појавио би се на излазу као низ импулса шума.

Сцхмиттов окидач то уклања - након што излаз промени стање када његов улаз пређе праг, мења се и сам праг, па се сада улазни напон мора померати даље у супротном смеру да би поново променио стање.

Бука или сметње на улазу неће се појавити на излазу уколико његова амплитуда није већа од разлике између две вредности прага.

Било који аналогни сигнал, попут синусоидних таласних облика или аудио сигнала, може се превести у низ ОН-ОФФ импулса са брзим, чистим ивичним прелазима. Постоје три методе за примену позитивних повратних информација да би се формирао Сцхмиттов окидачки круг.

Како повратне информације функционишу у Сцхмитт Триггер-у

У првој конфигурацији, повратне информације се додају директно на улазни напон, па се напон мора померати за већи износ у супротном смеру да би изазвао нову промену на излазу.

Ово је обично познато као паралелне позитивне повратне информације.

У другој конфигурацији, повратна спрега се одузима од прага напона, што има исти ефекат као додавање повратне информације улазном напону.

Ово формира серијско коло позитивних повратних информација и понекад се назива коло динамичког прага. Отпорничко-делилна мрежа обично поставља праг напона, који је део улазног степена.

Прва два кола могу се лако имплементирати коришћењем једног опампера или два транзистора заједно са неколико отпорника. Трећа техника је мало сложенија и разликује се по томе што нема повратне информације ни на један део улазне фазе.

Ова метода користи два одвојена компаратора за две граничне вредности прага и флип-флоп као 1-битни меморијски елемент. Не постоје позитивне повратне информације примењене на компараторе, јер се они налазе у меморијском елементу. Свака од ове три методе детаљније је објашњена у следећим пасусима.

Сви Сцхмиттови окидачи су активни уређаји који се ослањају на позитивне повратне информације како би постигли своје деловање хистерезе. Излаз прелази на „високи“ кад год се улаз пређе одређену унапред подешену горњу граничну вредност, а прелази на „најнижи“ кад год улаз падне испод доњег прага.

Излаз задржава претходну вредност (ниску или високу), када је улаз између две граничне вредности.

Ова врста кола се често користи за чишћење бучних сигнала и претварање аналогног таласног облика у дигитални таласни облик (1 и 0) са чистим, брзим ивичним прелазима.

Врсте повратних информација у Сцхмиттовим круговима окидача

Постоје три методе које се обично користе за примену позитивних повратних информација за формирање Сцхмитт-овог окидачког кола. Ови методи су паралелне повратне информације, повратне информације о серијама и интерне повратне спреге, а разматрају се на следећи начин.

Технике паралелне и серијске повратне спреге заправо су двоструке верзије истог типа кола са повратном спрегом. Паралелна повратна спрега Паралелни повратни круг се понекад назива и модификовани круг улазног напона.

У овом колу повратне информације се додају директно на улазни напон и не утичу на праг напона. Како се повратне информације додају на улаз када се излаз мења, улазни напон се мора померати за већи износ у супротном смеру да би изазвао даљу промену на излазу.

Ако је излаз низак, а улазни сигнал се повећава до тачке када прелази праг напона и излаз се мења на висок.

Део овог излаза примењује се директно на улаз кроз повратну везу, која „помаже“ излазном напону да остане у новом стању.

Ово ефикасно повећава улазни напон, што има исти ефекат као смањење прага напона.

Сам праг напона се не мења, али улаз се сада мора померати даље у смеру надоле да би излаз променио у ниско стање. Једном када је излаз низак, тај исти поступак се понавља да би се вратио у високо стање.

Ово коло не мора да користи диференцијално појачало, јер ће свако неинвертујуће појачало са једним завршецима радити.

И улазни сигнал и излазна повратна информација примењују се на неинвертујући улаз појачала кроз отпорнике, а ова два отпорника чине пондерисано паралелно лето. Ако постоји инвертујући улаз, он се поставља на константни референтни напон.

Примери паралелних кругова са повратном спрегом су Сцхмиттово окидачко коло повезано са базом колектора или неинвертујуће оп-амп коло, као што је приказано:

Повратне информације о серији

Круг динамичког прага (серијска повратна спрега) ради у основи на исти начин као и паралелни круг повратне спреге, с тим што повратна спрега са излаза директно мења напон прага уместо улазног напона.

Повратна информација се одузима од прага напона, што има исти ефекат као додавање повратне информације улазном напону. Чим улаз пређе гранични напон, праг се мења на супротну вредност.

Улаз се сада мора променити у већој мери у супротном смеру да би се поново променило стање излаза. Излаз је изолован од улазног напона и утиче само на праг напона.

Стога се улазни отпор може учинити много већим за ово серијско коло у поређењу са паралелним кругом. Ово коло се обично заснива на диференцијалном појачивачу где је улаз повезан на инвертујући улаз, а излаз повезан на неинвертујући улаз кроз отпорнички делилац напона.

Дијелник напона поставља граничне вриједности, а петља дјелује попут серијског напона љета. Примери овог типа су класични Сцхмиттов окидач повезан са транзисторским емитором и инвертујући оп-амп круг, као што је овде приказано:

Интерне повратне информације

У овој конфигурацији се Сцхмиттов окидач креира коришћењем два одвојена компаратора (без хистерезе) за две граничне вредности.

Излази ових компаратора повезани су на постављене и ресетоване улазе РС флип-флопа. Позитивне повратне информације налазе се у флип-флопу, тако да нема повратних информација за упоређиваче. Излаз РС флип-флопа се пребацује високо када улаз прелази горњи праг, а пребацује се ниско када улаз улази испод доњег прага.

Када је улаз између горњег и доњег прага, излаз задржава претходно стање. Пример уређаја који користи ову технику је 74ХЦ14 произвођача НКСП Семицондуцторс и Текас Инструментс.

Овај део се састоји од упоређивача горњег прага и упоређивача доњег прага, који се користе за подешавање и ресетовање РС флип-флопа. Окидач 74ХЦ14 Сцхмитт један је од најпопуларнијих уређаја за повезивање сигнала из стварног света са дигиталном електроником.

Две граничне вредности у овом уређају постављене су на фиксни однос Вцц. Ово минимизира број делова и одржава коло једноставним, али понекад треба променити нивое прагова за различите врсте улазних сигнала.

На пример, опсег улазног сигнала може бити мањи од фиксног опсега напона хистерезе. Нивои прага могу се променити у 74ХЦ14 повезивањем отпорника негативне повратне спреге са излаза на улаз и другог отпорника који повезује улазни сигнал на улаз.

Ово ефикасно смањује фиксне позитивне повратне информације од 30% на неку нижу вредност, као што је 15%. За ово је важно користити отпорнике велике вредности (опсег мега-ома) како би се задржао висок улазни отпор.

Предности Сцхмитт окидача

Сцхмиттови окидачи служе сврси у било којој врсти система за брзу комуникацију података са неким обликом дигиталне обраде сигнала. Заправо, они имају двоструку сврху: да очисте буку и сметње на податковним линијама, а да истовремено одржавају високу брзину протока података, и да претворе случајни аналогни таласни облик у ОН-ОФФ дигитални таласни облик са брзим, чистим прелазима ивица.

Ово пружа предност у односу на филтере, који могу филтрирати шум, али успорити брзину преноса података знатно због њихове ограничене пропусности. Такође, стандардни филтри нису у могућности да обезбеде леп, чист дигитални излаз са брзим ивичним прелазима када се примени спор улазни таласни облик.

Ове две предности Сцхмиттових окидача детаљније су објашњене на следећи начин: Бучни улази сигнала Ефекти буке и сметњи главни су проблем дигиталних система јер се користе све дужи и дужи каблови и захтевају се све веће и веће брзине преноса података.

Неки од најчешћих начина смањења буке укључују употребу заштићених каблова, употребу увијених жица, подударање импеданси и смањење излазних импеданси.

Ове технике могу бити ефикасне у смањењу шума, али на улазној линији ће и даље остати нешто шума, што би могло покренути нежељене сигнале у кругу.

Већина стандардних међуспремника, претварача и компаратора који се користе у дигиталним круговима имају само једну граничну вредност на улазу. Дакле, излаз мења стање чим улазни таласни облик пређе овај праг у било ком смеру.

Ако случајни сигнал шума више пута пређе ову граничну тачку на улазу, на излазу ће се видети као низ импулса. Такође, таласни облик са спорим ивичним прелазима могао би се појавити на излазу као низ осцилирајућих импулса шума.

Понекад се користи филтер за смањење ове додатне буке, на пример у РЦ мрежи. Али сваки пут када се на путу података користи овакав филтер, он значајно успорава максималну брзину преноса података. Филтери блокирају буку, али такође блокирају и високофреквентне дигиталне сигнале.

Сцхмитт окидач Филтери

Сцхмиттов окидач очисти ово. Након што излаз промени своје стање када његов улаз пређе праг, мења се и сам праг, па се улаз мора померити даље у супротном смеру да би изазвао нову промену у излазу.

Због овог ефекта хистерезе, употреба Сцхмиттових окидача је вероватно најефикаснији начин за смањење шума и сметњи у дигиталном колу. Проблеми са буком и сметњама обично се могу решити, ако не и елиминисати, додавањем хистерезе на улазној линији у облику Сцхмитт окидача.

Све док је амплитуда шума или сметњи на улазу мања од ширине размака за хистерезу Сцхмиттовог окидача, неће бити ефеката буке на излазу.

Чак и ако је амплитуда мало већа, то не би требало да утиче на излаз, осим ако је улазни сигнал центриран на празнину хистерезе. Можда ће бити потребно прилагодити нивое прагова како би се постигло максимално уклањање шума.

То се лако може учинити променом вредности отпорника у мрежи позитивних повратних информација или коришћењем потенциометра.

Главна предност коју Сцхмиттов окидач пружа преко филтера је та што не успорава брзину преноса података, а заправо је убрзава у неким случајевима претварањем спорих таласних облика у брзе таласне облике (бржи прелази ивица). Готово било која дигитална ИЦ на тржиште данас користи неки облик Сцхмиттове окидачке акције (хистерезе) на својим дигиталним улазима.

То укључује МЦУ-ове, меморијске чипове, логичке капије и тако даље. Иако би ови дигитални ИЦ могли имати хистерезу на улазима, многи од њих такође имају ограничења за пораст и пад улаза приказана на њиховим спецификацијама, и то треба узети у обзир. Идеалан Сцхмиттов окидач нема никаквих временских ограничења пораста или пада.

Спори улазни таласни облици понекад су хистерезни размаци премали или постоји само једна гранична вредност (не-Сцхмитт-ов окидачки уређај) код којих је излаз висок ако се улаз дигне изнад прага, а излаз падне ако улазни сигнал падне испод то.

У случајевима попут ових постоји рубно подручје око прага, а спор улазни сигнал може лако проузроковати осцилације или прекомерну струју кроз круг, што чак може оштетити уређај. Ови спори улазни сигнали понекад се могу догодити чак и у брзом дигиталном кола у условима напајања или другим условима у којима се филтер (као што је РЦ мрежа) користи за напајање сигнала на улазима.

Проблеми ове врсте често се јављају у кругу „одбијања“ ручних прекидача, дугих каблова или ожичења и јако оптерећених кругова.

На пример, ако се на одбојник примени сигнал успорене рампе (интегратор) и он пређе појединачну тачку прага на улазу, излаз ће променити своје стање (на пример, од ниског до високог). Ова покретачка акција може проузроковати тренутно повлачење додатне енергије из напајања, а такође и лагано спуштање нивоа ВЦЦ снаге.

Ова промена би могла бити довољна да изазове да стање поново промени своје стање са високог на ниско, пошто бафер осећа да је улаз поново прешао праг (упркос томе што је улаз остао исти). Ово би се могло поновити у супротном смеру, па би се на излазу појавио низ осцилирајућег импулса.

Употреба Сцхмитт окидача у овом случају не само да ће елиминисати осцилације, већ ће такође превести споро прелазе ивице у чисту серију ОН-ОФФ импулса са скоро вертикалним прелазима ивице. Излаз Сцхмитт окидача се затим може користити као улаз за следећи уређај у складу са његовим спецификацијама времена успона и пада.

(Иако се осцилације могу елиминисати употребом Сцхмитт-овог окидача, у прелазу и даље може постојати вишак струје, што ће можда требати исправити на неки други начин.)

Сцхмиттов окидач се такође налази у случајевима када аналогни улаз, као што је синусоидни таласни облик, аудио таласни облик или таласасти таласни облик, треба претворити у квадратни талас или неку другу врсту ОН-ОФФ дигиталног сигнала са брзим ивичним прелазима.