Inleiding tot Schmitt Trigger

Bijna elk digitaal circuit dat wordt gebruikt in moderne datacommunicatie met hoge snelheid, heeft een vorm van Schmitt-triggeractie op zijn ingangen nodig.

Waarom Schmitt Trigger wordt gebruikt

Het belangrijkste doel van een Schmitt-trigger hier is om ruis en interferentie op datalijnen te elimineren en een mooie, zuivere digitale output te bieden met snelle randovergangen.

De stijg- en daaltijden moeten laag genoeg zijn in een digitale uitgang zodat deze kan worden toegepast als ingang voor de volgende trappen in een circuit. (Veel IC's hebben beperkingen van het type randovergang dat op een ingang kan verschijnen.)

Het belangrijkste voordeel van Schmitt-triggers hier is dat ze ruisige signalen opruimen terwijl ze toch een hoge gegevensstroom behouden, in tegenstelling tot filters, die ruis kunnen filteren, maar de gegevenssnelheid aanzienlijk vertragen.

Schmitt-triggers worden ook vaak aangetroffen in circuits die een golfvorm met langzame randovergangen nodig hebben om te worden vertaald in een digitale golfvorm met snelle, zuivere randovergangen.

Een Schmitt-trigger kan bijna elke analoge golfvorm - zoals een sinus- of zaagtandgolfvorm - omzetten in een AAN-UIT digitaal signaal met snelle flankovergangen.Schmitt-triggers zijn actieve digitale apparaten met één ingang en één uitgang, zoals een buffer of omvormer.

Tijdens bedrijf kan de digitale uitgang hoog of laag zijn, en deze uitgang verandert alleen van status als de ingangsspanning boven of onder twee vooraf ingestelde drempelspanningslimieten komt. Als de uitvoer toevallig laag is, zal de uitvoer niet naar hoog veranderen, tenzij het invoersignaal een bepaalde bovengrens overschrijdt.

Evenzo, als de uitvoer toevallig hoog is, zal de uitvoer niet naar laag veranderen totdat het invoersignaal onder een bepaalde ondergrens komt.

De ondergrens is iets lager dan de bovengrens. Elke soort golfvorm kan op de ingang worden toegepast (sinusvormige golven, zaagtanden, audiogolfvormen, pulsen, enz.), Zolang de amplitude binnen het bedrijfsspanningsbereik ligt.

Diagarm om Schmitt Trigger uit te leggen

Het onderstaande diagram toont de hysterese die resulteert uit de bovenste en onderste drempelwaarden van de ingangsspanning. Elke keer dat de input boven de bovenste drempelwaarde komt, is de output hoog.

Wanneer de input onder de onderste drempelwaarde is, is de output laag, en wanneer de ingangssignaalspanning tussen de bovenste en onderste drempelwaarden ligt, behoudt de output zijn vorige waarde, die zowel hoog als laag kan zijn.

De afstand tussen de onderste drempel en de bovenste drempel wordt de hysteresekloof genoemd. De output behoudt altijd zijn vorige status totdat de input voldoende verandert om te veranderen. Dit is de reden voor de aanduiding 'trigger' in de naam.

De Schmitt-trigger werkt op vrijwel dezelfde manier als een bistabiele latch-schakeling of een bistabiele multivibrator, aangezien deze een intern 1 bit-geheugen heeft en de status verandert afhankelijk van de triggercondities.

IC 74XX-serie gebruiken voor Schmitt-triggerbediening

Texas Instruments biedt Schmitt-triggerfuncties in bijna al zijn technologiefamilies, van de oude 74XX-familie tot de nieuwste AUP1T-familie.

Deze IC's kunnen worden verpakt met een inverterende of niet-inverterende Schmitt-trigger. De meeste Schmitt-triggerapparaten, zoals de 74HC14, hebben drempelwaarden met een vaste verhouding van Vcc.

Dit is misschien voldoende voor de meeste toepassingen, maar soms moeten de drempelniveaus worden gewijzigd afhankelijk van de condities van het ingangssignaal.

Het ingangssignaalbereik kan bijvoorbeeld kleiner zijn dan de vaste hysterese-opening. De drempelniveaus kunnen worden gewijzigd in IC's zoals de 74HC14 door een negatieve feedbackweerstand van uitgang naar ingang aan te sluiten, samen met een andere weerstand die het ingangssignaal verbindt met de apparaatingang.

Dit zorgt voor de positieve feedback die nodig is voor hysterese, en de hystereseafstand kan nu worden aangepast door de waarden van de twee toegevoegde weerstanden te wijzigen of door een potentiometer te gebruiken. De weerstanden moeten van voldoende waarde zijn om de ingangsimpedantie op een hoog niveau te houden.

Een Schmitt-trigger is een eenvoudig concept, maar het werd pas in 1934 uitgevonden, terwijl een Amerikaanse wetenschapper met de naam Otto H. Schmitt nog een afgestudeerde student was.

Over Otto H. Schmitt

Hij was geen elektrotechnisch ingenieur, want zijn studies waren gericht op biologische engineering en biofysica. Hij kwam op het idee van een Schmitt-trigger terwijl hij probeerde een apparaat te ontwikkelen dat het mechanisme van de voortplanting van neurale impulsen in inktviszenuwen zou repliceren.

Zijn proefschrift beschrijft een 'thermionische trigger' waarmee een analoog signaal kan worden omgezet in een digitaal signaal, dat ofwel volledig aan of uit is (‘1’ of ‘0’).

Hij wist niet dat grote elektronicabedrijven zoals Microsoft, Texas Instruments en NXP Semiconductors niet zouden kunnen bestaan ​​zoals ze nu zijn zonder deze unieke uitvinding.

De Schmitt-trigger bleek zo'n belangrijke uitvinding dat deze wordt gebruikt in de invoermechanismen van vrijwel elk digitaal elektronisch apparaat op de markt.

Wat is een Schmitt-trigger

Het concept van een Schmitt-trigger is gebaseerd op het idee van positieve feedback en het feit dat elk actief circuit of apparaat kan worden gebruikt om als een Schmitt-trigger te werken door de positieve feedback toe te passen, zodat de lusversterking groter is dan één.

De uitgangsspanning van het actieve apparaat wordt verzwakt met een bepaalde hoeveelheid en toegepast als positieve feedback op de ingang, waardoor het ingangssignaal effectief wordt toegevoegd aan de verzwakte uitgangsspanning.Dit creëert een hysterese-actie met bovenste en onderste drempelwaarden voor ingangsspanning.

De meeste standaardbuffers, omvormers en comparatoren gebruiken slechts één drempelwaarde. De uitgang verandert van status zodra de ingangsgolfvorm deze drempel in beide richtingen overschrijdt.

Hoe Schmitt Trigger werkt

Een ingangssignaal met veel ruis of een signaal met een langzame golfvorm zou op de uitgang verschijnen als een reeks ruispulsen.

Een Schmitt-trigger schoont dit op - nadat de uitgang van status verandert wanneer de ingang een drempel overschrijdt, verandert de drempel zelf ook, dus nu moet de ingangsspanning verder in de tegenovergestelde richting bewegen om weer van toestand te veranderen.

Ruis of interferentie op de ingang zou niet op de uitgang verschijnen, tenzij de amplitude groter is dan het verschil tussen de twee drempelwaarden.

Elk analoog signaal, zoals sinusvormige golfvormen of audiosignalen, kan worden vertaald in een reeks AAN-UIT-pulsen met snelle, zuivere flankovergangen. Er zijn drie methoden om de positieve feedback te implementeren om een ​​Schmitt-triggercircuit te vormen.

Hoe feedback werkt in Schmitt Trigger

In de eerste configuratie wordt de feedback direct opgeteld bij de ingangsspanning, dus de spanning moet een grotere hoeveelheid in de tegenovergestelde richting verschuiven om een ​​nieuwe wijziging in de uitgang te veroorzaken.

Dit staat algemeen bekend als parallelle positieve feedback.

In de tweede configuratie wordt de feedback afgetrokken van de drempelspanning, wat hetzelfde effect heeft als het toevoegen van feedback aan de ingangsspanning.

Dit vormt een seriepositief feedbackcircuit en wordt soms een dynamisch drempelcircuit genoemd. Een weerstand-deler-netwerk stelt meestal de drempelspanning in, die deel uitmaakt van de ingangstrap.

De eerste twee circuits kunnen eenvoudig worden geïmplementeerd met behulp van een enkele opamp of twee transistors samen met een paar weerstanden. De derde techniek is iets ingewikkelder en verschilt in die zin dat er geen feedback wordt gegeven op enig deel van de invoertrap.

Deze methode maakt gebruik van twee aparte comparatoren voor de twee drempelwaarden en een flip-flop als 1 bit geheugenelement. Er wordt geen positieve feedback toegepast op de comparatoren, aangezien deze zich in het geheugenelement bevinden. Elk van deze drie methoden wordt in de volgende paragrafen in meer detail uitgelegd.

Alle Schmitt-triggers zijn actieve apparaten die vertrouwen op positieve feedback om hun hysterese-actie te bereiken. De output gaat naar 'hoog' wanneer de input boven een bepaalde vooraf ingestelde bovengrens stijgt, en gaat naar 'laag' wanneer de input onder een ondergrens daalt.

De uitgang behoudt zijn vorige waarde (laag of hoog) wanneer de ingang tussen de twee drempelwaarden ligt.

Dit type schakeling wordt vaak gebruikt om storende signalen op te ruimen en een analoge golfvorm om te zetten in een digitale golfvorm (1'en en 0'en) met zuivere, snelle randovergangen.

Soorten feedback in Schmitt-triggercircuits

Er zijn drie methoden die doorgaans worden gebruikt bij het implementeren van positieve feedback om een ​​Schmitt-triggercircuit te vormen. Deze methoden zijn parallelle feedback, serie-feedback en interne feedback, en worden als volgt besproken.

De parallelle en serie-feedbacktechnieken zijn eigenlijk dubbele versies van hetzelfde feedbackcircuittype. Parallelle feedback Een parallel feedbackcircuit wordt ook wel een gemodificeerd ingangsspanningscircuit genoemd.

In dit circuit wordt de feedback direct toegevoegd aan de ingangsspanning en heeft deze geen invloed op de drempelspanning. Aangezien de feedback wordt toegevoegd aan de ingang wanneer de uitgang van status verandert, moet de ingangsspanning met een grotere hoeveelheid in de tegenovergestelde richting verschuiven om een ​​verdere wijziging in de uitgang te veroorzaken.

Als de uitvoer laag is, en het invoersignaal stijgt tot het punt waarop het de drempelspanning overschrijdt en de uitvoer verandert in hoog.

Een deel van deze output wordt rechtstreeks aan de input toegevoerd via een terugkoppelingslus, die 'helpt' de uitgangsspanning in zijn nieuwe staat te houden.

Dit verhoogt effectief de ingangsspanning, wat hetzelfde effect heeft als het verlagen van de drempelspanning.

De drempelspanning zelf wordt niet veranderd, maar de ingang moet nu verder in neerwaartse richting bewegen om de uitgang naar een lage toestand te veranderen. Zodra de output laag is, herhaalt hetzelfde proces zich om terug te keren naar de hoge status.

Dit circuit hoeft geen differentiële versterker te gebruiken, omdat elke niet-inverterende versterker met één uiteinde werkt.

Zowel het ingangssignaal als de uitgangsfeedback worden via weerstanden aan de niet-inverterende ingang van de versterker toegevoerd en deze twee weerstanden vormen een gewogen parallelle sommering. Als er een inverterende ingang is, wordt deze op een constante referentiespanning ingesteld.

Voorbeelden van parallelle feedbackcircuits zijn een collector-basis gekoppeld Schmitt-triggercircuit of een niet-inverterend opamp-circuit, zoals weergegeven:

Serie-feedback

Een dynamisch drempelcircuit (serieterugkoppeling) werkt in principe hetzelfde als een parallel feedbackcircuit, behalve dat de feedback van de uitgang direct de drempelspanning verandert in plaats van de ingangsspanning.

De feedback wordt afgetrokken van de drempelspanning, wat hetzelfde effect heeft als het toevoegen van feedback aan de ingangsspanning. Zodra de ingang de drempelspanningslimiet overschrijdt, verandert de drempelspanning naar de tegenovergestelde waarde.

De ingang moet nu in grotere mate in tegengestelde richting veranderen om de uitgangstoestand weer te veranderen. De uitgang is geïsoleerd van de ingangsspanning en heeft alleen invloed op de drempelspanning.

Daarom kan de ingangsweerstand voor deze serieschakeling veel hoger worden gemaakt in vergelijking met een parallelschakeling. Dit circuit is meestal gebaseerd op een differentiële versterker waarbij de ingang is verbonden met de inverterende ingang en de uitgang is verbonden met de niet-inverterende ingang via een weerstandsspanningsdeler.

De spanningsdeler stelt de drempelwaarden in en de lus werkt als een seriespanningszomer. Voorbeelden van dit type zijn de klassieke transistor-emitter-gekoppelde Schmitt-trigger en een inverterend op-amp-circuit, zoals hier wordt weergegeven:

Interne feedback

In deze configuratie wordt een Schmitt-trigger gemaakt door twee afzonderlijke comparatoren (zonder hysterese) te gebruiken voor de twee drempelwaarden.

De uitgangen van deze comparatoren zijn verbonden met de set- en reset-ingangen van een RS-flip-flop. De positieve feedback zit in de flip-flop, dus er is geen feedback naar de comparatoren. De uitvoer van de RS-flip-flop schakelt hoog wanneer de invoer boven de bovenste drempel komt en schakelt laag wanneer de invoer onder de onderste drempel komt.

Wanneer de invoer zich tussen de bovenste en onderste drempels bevindt, behoudt de uitvoer zijn vorige toestand. Een voorbeeld van een apparaat dat deze techniek gebruikt, is de 74HC14 gemaakt door NXP Semiconductors en Texas Instruments.

Dit deel bestaat uit een bovendrempelcomparator en een onderdrempelcomparator, die worden gebruikt om een ​​RS-flip-flop in te stellen en te resetten. De 74HC14 Schmitt-trigger is een van de meest populaire apparaten voor het communiceren van echte signalen met digitale elektronica.

De twee drempelwaarden in dit apparaat zijn ingesteld op een vaste verhouding van Vcc. Dit minimaliseert het aantal onderdelen en houdt de schakeling eenvoudig, maar soms moeten de drempelniveaus worden gewijzigd voor verschillende soorten ingangssignaalcondities.

Het ingangssignaalbereik kan bijvoorbeeld kleiner zijn dan het vaste hysteresespanningsbereik. De drempelniveaus kunnen worden gewijzigd in de 74HC14 door een negatieve feedbackweerstand van de uitgang naar de ingang aan te sluiten, en een andere weerstand die het ingangssignaal met de ingang verbindt.

Dit vermindert effectief de vaste 30% positieve feedback tot een lagere waarde, zoals 15%. Het is belangrijk om hiervoor hoogwaardige weerstanden te gebruiken (Mega-Ohm range) om de ingangsweerstand hoog te houden.

Voordelen van Schmitt-trigger

Schmitt-triggers dienen een doel in elk soort hogesnelheidsdatacommunicatiesysteem met een of andere vorm van digitale signaalverwerking. In feite hebben ze een tweeledig doel: ruis en interferentie op datalijnen opruimen met behoud van een hoge datastroom, en een willekeurige analoge golfvorm omzetten in een AAN-UIT digitale golfvorm met snelle, zuivere randovergangen.

Dit biedt een voordeel ten opzichte van filters, die ruis kunnen filteren, maar de datasnelheid aanzienlijk vertragen vanwege hun beperkte bandbreedte. Ook zijn standaardfilters niet in staat om een ​​mooie, zuivere digitale uitvoer te leveren met snelle randovergangen wanneer een langzame invoergolfvorm wordt toegepast.

Deze twee voordelen van Schmitt-triggers worden als volgt nader toegelicht: Signaalingangen met ruis De effecten van ruis en interferentie vormen een groot probleem in digitale systemen, aangezien er steeds langere kabels worden gebruikt en steeds hogere datasnelheden vereist zijn.

Enkele van de meest voorkomende manieren om ruis te verminderen zijn onder meer het gebruik van afgeschermde kabels, het gebruik van getwiste draden, het aanpassen van impedanties en het verminderen van uitgangsimpedanties.

Deze technieken kunnen effectief zijn bij het verminderen van ruis, maar er zal nog steeds wat ruis achterblijven op een ingangslijn, en dat kan ongewenste signalen binnen een circuit activeren.

De meeste standaardbuffers, inverters en comparators die in digitale circuits worden gebruikt, hebben slechts één drempelwaarde op de ingang. De uitgang verandert dus van status zodra de ingangsgolfvorm deze drempel in beide richtingen overschrijdt.

Als een willekeurig ruissignaal dit drempelpunt op een ingang meerdere keren overschrijdt, wordt het op de uitgang gezien als een reeks pulsen. Ook kan een golfvorm met langzame randovergangen op de uitgang verschijnen als een reeks oscillerende ruispulsen.

Soms wordt er een filter gebruikt om deze extra ruis te verminderen, zoals in een RC-netwerk. Maar elke keer dat een filter als dit wordt gebruikt op het datapad, vertraagt ​​het de maximale datasnelheid aanzienlijk. Filters houden ruis buiten, maar ze blokkeren ook hoogfrequente digitale signalen.

Schmitt-triggerfilters

Een Schmitt-trigger maakt dit schoon. Nadat de uitgang van status verandert terwijl de ingang een drempel overschrijdt, verandert de drempel zelf ook, dus moet de ingang verder in de tegenovergestelde richting bewegen om een ​​nieuwe wijziging in de uitgang te veroorzaken.

Vanwege dit hysterese-effect is het gebruik van Schmitt-triggers waarschijnlijk de meest effectieve manier om ruis- en interferentieproblemen in een digitaal circuit te verminderen. Ruis- en interferentieproblemen kunnen meestal worden opgelost, zo niet geëlimineerd, door hysterese op de ingangslijn toe te voegen in de vorm van een Schmitt-trigger.

Zolang de amplitude van de ruis of interferentie op de ingang kleiner is dan de breedte van de hysterese-opening van de Schmitt-trigger, zullen er geen effecten van ruis op de uitgang zijn.

Zelfs als de amplitude iets groter is, zou dit de output niet moeten beïnvloeden, tenzij het inputsignaal gecentreerd is op de hysteresis gap. De drempelniveaus moeten mogelijk worden aangepast om een ​​maximale ruisonderdrukking te bereiken.

Dit kan eenvoudig worden gedaan door de waarden van een weerstand in het positieve feedbacknetwerk te wijzigen of door een potentiometer te gebruiken.

Het belangrijkste voordeel dat een Schmitt-trigger biedt ten opzichte van filters, is dat het de gegevenssnelheid niet vertraagt, en in sommige gevallen zelfs versnelt door omzetting van langzame golfvormen in snelle golfvormen (snellere randovergangen). de huidige markt gebruikt een vorm van Schmitt-triggeractie (hysterese) op zijn digitale ingangen.

Deze omvatten MCU's, geheugenchips, logische poorten enzovoort. Hoewel deze digitale IC's mogelijk een hysterese hebben op hun ingangen, hebben veel van hen ook beperkingen wat betreft de stijg- en daaltijden van de ingang die worden weergegeven op hun specificatiebladen, en hiermee moet rekening worden gehouden. Een ideale Schmitt-trigger heeft geen tijdslimieten voor stijgen of dalen.

Langzame ingangsgolfvormen soms is de hysteresekloof te klein, of is er slechts één drempelwaarde (een niet-Schmitt-triggerapparaat) waarbij de uitgang hoog wordt als de ingang boven de drempel komt en de uitgang laag wordt als het ingangssignaal onder het.

In dergelijke gevallen is er een marginaal gebied rond de drempel en kan een traag ingangssignaal gemakkelijk oscillaties veroorzaken of een te hoge stroom door het circuit laten stromen, wat zelfs het apparaat zou kunnen beschadigen. Deze langzame ingangssignalen kunnen soms zelfs bij snelle digitale signalen optreden. circuits onder opstartcondities of andere condities waarbij een filter (zoals een RC-netwerk) wordt gebruikt om signalen naar de ingangen te sturen.

Problemen van dit type doen zich vaak voor binnen het 'de-bounce' -circuit van handmatige schakelaars, lange kabels of bedrading en zwaarbelaste circuits.

Als bijvoorbeeld een langzaam stijgingsignaal (integrator) wordt toegevoerd aan een buffer en het overschrijdt het enkele drempelpunt op de ingang, zal de uitgang van status veranderen (van laag naar hoog, bijvoorbeeld). Deze activerende actie kan ertoe leiden dat er tijdelijk extra stroom uit de voeding wordt getrokken, en kan ook het VCC-vermogensniveau enigszins verlagen.

Deze wijziging zou voldoende kunnen zijn om ervoor te zorgen dat de uitgang zijn toestand weer verandert van hoog naar laag, omdat de buffer detecteert dat de ingang de drempelwaarde weer overschreed (ondanks dat de ingang hetzelfde blijft). Dit zou zich weer in de tegenovergestelde richting kunnen herhalen, dus een reeks oscillerende pulsen zou op de uitgang verschijnen.

Het gebruik van een Schmitt-trigger in dit geval elimineert niet alleen de oscillaties, maar het vertaalt ook de langzame randovergangen in een schone reeks AAN-UIT-pulsen met bijna verticale randovergangen. De uitvoer van een Schmitt-trigger kan vervolgens worden gebruikt als invoer voor het volgende apparaat volgens de specificaties voor stijg- en daaltijden.

(Hoewel oscillaties kunnen worden geëlimineerd door een Schmitt-trigger te gebruiken, kan er nog steeds een overmatige stroom zijn in een overgang, die mogelijk op een andere manier moet worden gecorrigeerd.)

De Schmitt-trigger wordt ook aangetroffen in gevallen waarin een analoge ingang, zoals een sinusvormige golfvorm, audiogolfvorm of zaagtandgolfvorm, moet worden omgezet in een blokgolf of een ander type AAN-UIT digitaal signaal met snelle flankovergangen.