Introduktion till Schmitt Trigger

Nästan alla digitala kretsar som används i modern höghastighetsdatakommunikation behöver någon form av Schmitt-utlösaråtgärd på sina ingångar.

Varför Schmitt Trigger används

Huvudsyftet med en Schmitt-utlösare här är att eliminera brus och störningar på datalinjer och ge en fin, ren digital utgång med snabba kantövergångar.

Stignings- och falltiderna måste vara tillräckligt låga i en digital utgång för att den kan användas som ingångar till följande steg i en krets. (Många IC har begränsningar för vilken typ av kantövergång som kan visas på en ingång.)

Den största fördelen med Schmitt triggers här är att de rensar upp bullriga signaler samtidigt som de bibehåller en hög dataflöde, till skillnad från filter, vilket kan filtrera bort brus men sakta ner datahastigheten avsevärt.

Schmitt-utlösare finns också ofta i kretsar som behöver en vågform med långsamma övergångar för att översättas till en digital vågform med snabba, rena kantövergångar.

En Schmitt-utlösare kan omvandla nästan vilken analog vågform som en sinus- eller sågtandvågform till en ON-OFF digital signal med snabba kantövergångar. Schmitt-utlösare är aktiva digitala enheter med en ingång och en utgång, som en buffert eller inverterare.

Under drift kan den digitala utgången antingen vara hög eller låg, och denna utgång ändrar tillstånd endast när dess ingångsspänning går över eller under två förinställda tröskelvärden. Om utgången råkar vara låg ändras inte utgången till hög om inte insignalen går över en viss övre tröskelgräns.

På samma sätt, om utgången råkar vara hög, kommer utgången inte att ändras till låg förrän insignalen går under en viss nedre tröskelgräns.

Den nedre tröskeln är något lägre än den övre tröskelgränsen. Varje typ av vågform kan appliceras på ingången (sinusformade vågor, sågtänder, ljudvågformer, pulser etc.) så länge dess amplitud ligger inom driftsspänningsområdet.

Diagarm för att förklara Schmitt Trigger

Diagrammet nedan visar hysteresen till följd av de övre och nedre tröskelvärdena för ingångsspänning. Varje gång ingången är över den övre tröskelgränsen är utgången hög.

När ingången är under det nedre tröskelvärdet är utgången låg och när insignalspänningen råkar ligga mellan de övre och nedre tröskelgränserna behåller utgången sitt tidigare värde, vilket kan vara antingen högt eller lågt.

Avståndet mellan den nedre tröskeln och den övre tröskeln kallas hysteresgapet. Utgången behåller alltid sitt tidigare tillstånd tills ingången ändras tillräckligt för att utlösa den till förändring. Detta är anledningen till 'trigger' -beteckningen i namnet.

Schmitt-utlösaren fungerar på ungefär samma sätt som en bistabil spärrkrets eller en bistabil multivibrator, eftersom den har ett internt 1-bitars minne och ändrar dess tillstånd beroende på utlösningsförhållanden.

Använda IC 74XX-serien för Schmitt Trigger-drift

Texas Instruments tillhandahåller Schmitt-utlösarfunktioner i nästan alla dess teknologifamiljer, från den gamla 74XX-familjen till den senaste AUP1T-familjen.

Dessa IC kan förpackas med antingen en inverterande eller icke-inverterande Schmitt-utlösare. De flesta Schmitt-utlösningsenheter, till exempel 74HC14, har tröskelnivåer i ett fast förhållande av Vcc.

Detta kan vara tillräckligt för de flesta applikationer, men ibland måste tröskelnivåerna ändras beroende på ingångssignalförhållandena.

Exempelvis kan ingångssignalområdet vara mindre än det fasta hysteresgapet. Tröskelnivåerna kan ändras i IC som 74HC14 genom att ansluta ett negativt återkopplingsmotstånd från utgång till ingång tillsammans med ett annat motstånd som ansluter ingångssignalen till enhetens ingång.

Detta ger den positiva återkopplingen som behövs för hysteres, och hysteresgapet kan nu justeras genom att ändra värdena på de två tillagda motstånden eller genom att använda en potentiometer. Motstånden bör ha tillräckligt stort värde för att hålla ingångsimpedansen på en hög nivå.

En Schmitt-utlösare är ett enkelt koncept, men det uppfanns inte förrän 1934, medan en amerikansk forskare vid namn Otto H. Schmitt fortfarande var doktorand.

Om Otto H. Schmitt

Han var inte elektrotekniker, eftersom hans studier fokuserade på biologisk teknik och biofysik. Han kom på idén om en Schmitt-utlösare när han försökte konstruera en anordning som skulle replikera mekanismen för neural impulsutbredning i bläckfisknerver.

Hans avhandling beskriver en ”termionisk utlösare” som gör det möjligt att konvertera en analog signal till en digital signal, som antingen är full på eller av (‘1’ eller ‘0’).

Han visste inte att stora elektronikföretag som Microsoft, Texas Instruments och NXP Semiconductors inte kunde existera som de är idag utan denna unika uppfinning.

Schmitt-utlösaren visade sig vara en så viktig uppfinning att den används i inmatningsmekanismerna för praktiskt taget alla digitala elektroniska enheter på marknaden.

Vad är en Schmitt Trigger

Konceptet med en Schmitt-utlösare är baserad kring idén om positiv återkoppling, och det faktum att vilken som helst aktiv krets eller enhet kan fås att fungera som en Schmitt-utlösare genom att tillämpa den positiva återkopplingen så att slingförstärkningen är större än en.

Den aktiva anordningens utspänning dämpas med en bestämd mängd och appliceras som positiv återkoppling till ingången, vilket effektivt adderar insignalen till den dämpade utspänningen. Detta skapar en hysteresåtgärd med övre och nedre tröskelvärden för ingångsspänning.

De flesta standardbuffertar, växelriktare och komparatorer använder bara ett tröskelvärde. Utgången ändrar tillstånd så snart ingångsvågformen passerar denna tröskel i vardera riktningen.

Hur Schmitt Trigger fungerar

En bullrig insignal eller en signal med långsam vågform skulle visas på utgången som en serie bruspulser.

En Schmitt-utlösare rensar detta är uppe - efter att utgången ändrar tillstånd när dess ingång passerar ett tröskelvärde ändras också tröskeln i sig, så nu måste ingångsspänningen röra sig längre i motsatt riktning för att ändra tillstånd igen.

Buller eller störningar på ingången visas inte på utgången om dess amplitud råkar vara större än skillnaden mellan de två tröskelvärdena.

Alla analoga signaler, sådana sinusformade vågformer eller ljudsignaler, kan översättas till en serie PÅ-AV-pulser med snabba, rena kantövergångar. Det finns tre metoder för att implementera den positiva återkopplingen för att bilda en Schmitt-utlösarkrets.

Hur feedback fungerar i Schmitt Trigger

I den första konfigurationen adderas återkopplingen direkt till ingångsspänningen, så spänningen måste förskjutas mer i motsatt riktning för att orsaka ytterligare en förändring i utgången.

Detta är allmänt känt som parallell positiv feedback.

I den andra konfigurationen subtraheras återkopplingen från tröskelspänningen, vilket har samma effekt som att lägga till återkoppling till ingångsspänningen.

Detta bildar en serie positiv återkopplingskrets och kallas ibland en dynamisk tröskelkrets. Ett motståndsdelningsnätverk ställer vanligtvis in tröskelspänningen, som ingår i ingångssteget.

De två första kretsarna kan enkelt implementeras med användning av en enda opamp eller två transistorer tillsammans med några motstånd. Den tredje tekniken är lite mer komplex och är annorlunda eftersom den inte har någon feedback till någon del av inmatningssteget.

Denna metod använder två separata komparatorer för de två tröskelgränsvärdena och en flip-flop som ett 1-bitars minneselement. Det finns ingen positiv feedback som används på komparatorerna, eftersom de finns i minneselementet. Var och en av dessa tre metoder förklaras mer detaljerat i följande stycken.

Alla Schmitt-utlösare är aktiva enheter som förlitar sig på positiv feedback för att uppnå sin hysteresåtgärd. Utgången går till 'hög' när ingången stiger över en viss förinställd övre tröskelgräns och går till 'låg' när ingången sjunker under en nedre tröskelgräns.

Utgången behåller sitt tidigare värde (låg eller hög) när ingången ligger mellan de två tröskelgränserna.

Denna typ av krets används ofta för att städa upp bullriga signaler och konvertera en analog vågform till en digital vågform (1 och 0) med rena, snabba kantövergångar.

Typer av återkoppling i Schmitt-utlösarkretsar

Det finns tre metoder som vanligtvis används för att implementera positiv feedback för att bilda en Schmitt-triggerkrets. Dessa metoder är Parallel Feedback, Series Feedback och Internal Feedback och diskuteras enligt följande.

Parallell- och serieåterkopplingsteknikerna är faktiskt dubbla versioner av samma typ av återkopplingskrets. Parallell återkoppling En parallell återkopplingskrets kallas ibland en modifierad ingångsspänningskrets.

I denna krets läggs återkopplingen direkt till ingångsspänningen och påverkar inte tröskelspänningen. När återkopplingen läggs till ingången när utgången ändras, måste ingångsspänningen förskjutas med en större mängd i motsatt riktning för att orsaka ytterligare förändring i utgången.

Om utgången är låg och insignalen ökar till den punkt där den passerar tröskelspänningen och utgången ändras till hög.

En del av denna utgång appliceras direkt på ingången genom en återkopplingsslinga, som 'hjälper' utspänningen att hålla sig i sitt nya tillstånd.

Detta ökar effektivt ingångsspänningen, vilket har samma effekt som att sänka tröskelspänningen.

Tröskelspänningen i sig ändras inte, men ingången måste nu gå längre nedåt för att ändra utgången till lågt tillstånd. När produktionen är låg upprepas samma process för att återgå till högt tillstånd.

Den här kretsen behöver inte använda en differentialförstärkare, eftersom alla enstaka icke-inverterande förstärkare fungerar.

Både insignalen och utgångsåterkopplingen appliceras på förstärkarens icke-inverterande ingång genom motstånd, och dessa två motstånd bildar en viktad parallell sommar. Om det finns en inverterande ingång är den inställd på en konstant referensspänning.

Exempel på parallella återkopplingskretsar är en kollektorbaskopplad Schmitt-utlösarkrets eller en icke-inverterande op-amp-krets, som visas:

Seriens återkoppling

En dynamisk tröskel (serieåterkoppling) krets fungerar på i princip samma sätt som en parallell återkopplingskrets, förutom att återkopplingen från utgången direkt ändrar tröskelspänningen istället för ingångsspänningen.

Återkopplingen subtraheras från tröskelspänningen, vilket har samma effekt som att lägga till återkoppling till ingångsspänningen. Så snart ingången passerar tröskelspänningsgränsen ändras tröskelspänningen till det motsatta värdet.

Ingången måste nu ändras i större utsträckning i motsatt riktning för att ändra utgångstillståndet igen. Utgången är isolerad från ingångsspänningen och påverkar endast tröskelspänningen.

Därför kan ingångsmotståndet göras mycket högre för denna seriekrets jämfört med en parallellkrets. Denna krets är vanligtvis baserad på en differentialförstärkare där ingången är ansluten till den inverterande ingången och utgången är ansluten till den icke-inverterande ingången via en motståndsspänningsdelare.

Spänningsdelaren ställer in tröskelvärdena och slingan fungerar som en seriens spänningssommar. Exempel på denna typ är den klassiska emitterkopplade Schmitt-utlösaren och en inverterande op-amp-krets, som visas här:

Intern feedback

I den här konfigurationen skapas en Schmitt-trigger genom att använda två separata komparatorer (utan hysteres) för de två tröskelgränserna.

Utgångarna från dessa komparatorer är anslutna till inställnings- och återställningsingångarna på en RS-flip-flop. Den positiva återkopplingen finns i flip-flop, så det finns ingen feedback till komparatorerna. Utgången från RS-flip-flop växlar högt när ingången går över den övre tröskeln och växlar låg när ingången går under den nedre tröskeln.

När ingången är mellan övre och nedre tröskelvärden bibehåller utgången sitt tidigare tillstånd. Ett exempel på en enhet som använder denna teknik är 74HC14 tillverkad av NXP Semiconductors och Texas Instruments.

Denna del består av en övre tröskeljämförare och en nedre tröskeljämförelse, som används för att ställa in och återställa en RS-vippa. 74HC14 Schmitt-utlösaren är en av de mest populära enheterna för gränssnitt mellan verkliga världssignaler och digital elektronik.

De två tröskelgränserna i denna enhet är inställda på ett fast förhållande av Vcc. Detta minimerar delantalet och håller kretsen enkel, men ibland behöver tröskelnivåerna ändras för olika typer av insignalförhållanden.

Exempelvis kan ingångssignalområdet vara mindre än det fasta hysteresspänningsområdet. Tröskelnivåerna kan ändras i 74HC14 genom att ansluta ett negativt återkopplingsmotstånd från utgången till ingången, och ett annat motstånd som ansluter ingångssignalen till ingången.

Detta minskar effektivt den fasta 30% positiva återkopplingen till något lägre värde, till exempel 15%. Det är viktigt att använda motstånd med högt värde för detta (Mega-Ohm-intervall) för att hålla ingångsmotståndet högt.

Fördelar med Schmitt trigger

Schmitt-utlösare tjänar ett syfte i alla slags höghastighetsdatakommunikationssystem med någon form av digital signalbehandling. Egentligen tjänar de ett dubbelt syfte: att rensa upp brus och störningar på datalinjer samtidigt som en hög dataflöde bibehålls, och att konvertera en slumpmässig analog vågform till en ON-OFF digital vågform med snabba, rena kantövergångar.

Detta ger en fördel jämfört med filter, som kan filtrera bort brus men sakta ner datahastigheten avsevärt på grund av deras begränsade bandbredd. Standardfilter kan inte heller ge en fin, ren digital utgång med snabba kantövergångar när en långsam ingångsvågform tillämpas.

Dessa två fördelar med Schmitt-utlösare förklaras mer detaljerat enligt följande: Bullriga signalingångar Effekterna av brus och störningar är ett stort problem i digitala system eftersom längre och längre kablar används och högre och högre datahastigheter krävs.

Några av de vanligaste sätten att minska buller är att använda skärmade kablar, använda tvinnade ledningar, matcha impedanser och minska utgångsimpedanser.

Dessa tekniker kan vara effektiva för att reducera brus, men det kommer fortfarande att finnas något brus kvar på en ingångsledning och det kan utlösa oönskade signaler i en krets.

De flesta standardbuffertar, växelriktare och komparatorer som används i digitala kretsar har bara ett tröskelvärde på ingången. Så utgången ändrar tillstånd så snart ingångsvågformen passerar denna tröskel i vardera riktningen.

Om en slumpmässig brussignal passerar denna tröskelpunkt på en ingång flera gånger kommer den att ses på utgången som en serie pulser. En vågform med långsamma kantövergångar kan också visas på utgången som en serie oscillerande bruspulser.

Ibland används ett filter för att minska detta extra brus, till exempel i ett RC-nätverk. Men när som helst ett filter som detta används på databanan saktar det ner den maximala datahastigheten avsevärt. Filter blockerar brus, men de blockerar också högfrekventa digitala signaler.

Schmitt triggerfilter

En Schmitt-utlösare rensar detta är upp. Efter att utgången ändrar sitt tillstånd när dess ingång passerar ett tröskelvärde, ändras också tröskeln i sig, så då måste ingången röra sig längre i motsatt riktning för att orsaka ytterligare en förändring i utgången.

På grund av denna hystereseffekt är användning av Schmitt-utlösare förmodligen det mest effektiva sättet att minska brus- och störningsproblem i en digital krets. Problem med störningar och störningar kan vanligtvis lösas, om de inte elimineras, genom att lägga till hysteres på inmatningslinjen i form av en Schmitt-utlösare.

Så länge amplituden för bruset eller störningarna på ingången är mindre än bredden på hysteresgapet för Schmitt-utlösaren, kommer det inte att ha några effekter av brus på utgången.

Även om amplituden är något större bör den inte påverka utgången om inte insignalen är centrerad på hysteresgapet. Tröskelnivåerna kan behöva justeras för att uppnå maximal bruseliminering.

Detta kan enkelt göras genom att ändra värdena på ett motstånd i det positiva återkopplingsnätverket eller genom att använda en potentiometer.

Den största fördelen som en Schmitt-trigger ger över filter är att den inte saktar ner datahastigheten och faktiskt påskyndar den i vissa fall via omvandling av långsamma vågformer till snabba vågformer (snabbare kantövergångar). marknaden idag använder någon form av Schmitt trigger-åtgärd (hysteres) på sina digitala ingångar.

Dessa inkluderar MCU: er, minneschips, logiska grindar och så vidare. Även om dessa digitala IC-apparater kan ha hysteres på sina ingångar, har många av dem också begränsningar för deras ingångs uppgångs- och nedgångstider som visas på deras specifikationsblad, och dessa måste beaktas. En idealisk Schmitt-utlösare har inga begränsningar för att stiga eller falla på sin ingång.

Långsamma ingångsvågformer ibland är hysteresgapet för litet, eller det finns bara ett tröskelvärde (en icke-Schmitt-utlösningsenhet) där utgången blir hög om ingången stiger över tröskeln och utgången blir låg om insignalen faller under den.

I fall som dessa finns det ett marginellt område runt tröskeln, och en långsam insignal kan lätt orsaka svängningar eller överflödig ström att strömma genom kretsen, vilket till och med kan skada enheten. Dessa långsamma insignaler kan ibland hända även i snabb digital kretsar under uppstartsförhållanden eller andra förhållanden där ett filter (t.ex. ett RC-nätverk) används för att mata signaler till ingångarna.

Problem av denna typ uppstår ofta inom 'avstängning' -kretsarna för manuella omkopplare, långa kablar eller ledningar och kraftigt laddade kretsar.

Till exempel, om en långsam rampsignal (integrator) appliceras på en buffert och den korsar den enda tröskelpunkten på ingången, kommer utgången att ändra sitt tillstånd (från låg till hög, till exempel). Denna utlösande åtgärd kan orsaka extra ström från strömförsörjningen tillfälligt och också sänka VCC-effektnivån något.

Denna förändring kan vara tillräcklig för att få utgången att ändra sitt tillstånd igen från högt till lågt, eftersom bufferten känner att ingången korsade tröskeln igen (trots att ingången förblir densamma). Detta kan upprepas igen i motsatt riktning, så en serie av oscillerande puls visas på utgången.

Att använda en Schmitt-utlösare i det här fallet kommer inte bara att eliminera svängningarna utan det kommer också att översätta de långsamma kantövergångarna till en ren serie av PÅ-AV-pulser med nästan vertikala kantövergångar. Utgången från en Schmitt-utlösare kan sedan användas som en ingång till följande enhet enligt dess specifikationer för uppgång och fall.

(Även om svängningar kan elimineras med hjälp av en Schmitt-utlösare kan det fortfarande finnas överflödigt strömflöde i en övergång, vilket kan behöva korrigeras på annat sätt.)

Schmitt-utlösaren finns också i fall där en analog ingång, såsom en sinusformad vågform, ljudvågform eller sågtandvågform, behöver konverteras till en fyrkantig våg eller någon annan typ av ON-OFF digital signal med snabba kantövergångar.