Schmitt trigger - γενική άποψη

Κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού του κυκλώματος παλμών, ο προγραμματιστής μπορεί να χρειαστεί συσκευή κατωφλίου που θα μπορούσε να σχηματίσει ένα καθαρό ορθογώνιο σήμα με ορισμένες τιμές στάθμης υψηλής και χαμηλής τάσης από το σήμα εισόδου ενός μη ορθογώνιου σχήματος (πριονωτό ή ημιτονοειδές).

Η σκανδάλη Schmitt, ένα κύκλωμα με ένα ζεύγος σταθερών καταστάσεων εξόδου, το οποίο υπό την επίδραση του σήματος εισόδου, αντικαθιστά το ένα σε άλμα, είναι κατάλληλο για αυτό το ρόλο, δηλαδή, η έξοδος είναι ένα ορθογώνιο σήμα.

Χαρακτηριστικό γνώρισμα της σκανδάλης Schmitt είναι η παρουσία μιας συγκεκριμένης περιοχής μεταξύ των επιπέδων τάσης για το σήμα εισόδου, όταν η τάση εξόδου του σήματος εισόδου μεταβαίνει στην έξοδο αυτής της σκανδάλης από ένα χαμηλό επίπεδο σε ένα υψηλό και αντίστροφα.

Αυτή η ιδιότητα της σκανδάλης Schmitt ονομάζεται υστέρηση και το τμήμα του χαρακτηριστικού μεταξύ των τιμών εισόδου κατωφλίου ονομάζεται περιοχή υστέρησης. Η διαφορά μεταξύ των ανώτερων τιμών κατωφλίου για την είσοδο σκανδαλισμού Schmitt καθορίζει το πλάτος της περιοχής της υστέρησης, η οποία χρησιμεύει ως μέτρο της ευαισθησίας της σκανδάλης. Όσο ευρύτερη είναι η περιοχή υστέρησης - όσο λιγότερο ευαίσθητη είναι η σκανδάλη Schmitt, τόσο πιο περιορισμένη είναι η περιοχή υστέρησης - τόσο μεγαλύτερη είναι η ευαισθησία της.

Οι ενεργοποιητές Schmitt είναι διαθέσιμες με τη μορφή εξειδικευμένων μικροκυκλωμάτων, όπου μπορούν να τοποθετηθούν ταυτόχρονα μερικές χωριστές σκανδάλες. Τέτοια μικροκυκλώματα έχουν ένα ορισμένο κανονικοποιημένο κατώφλι μεταγωγής και δίνουν απότομα μέτωπα στην έξοδο, παρά το σήμα εισόδου που απέχει πολύ από ένα ορθογώνιο σχήμα. Επιπλέον, η σκανδάλη Schmitt μπορεί επίσης να κατασκευαστεί με βάση λογικά στοιχεία, οπότε ο προγραμματιστής έχει την ευκαιρία να ρυθμίσει και να ρυθμίσει με ακρίβεια το εύρος της περιοχής υστέρησης της συσκευής κατωφλίου του.

Δώστε προσοχή στο σχήμα, και σκεφθείτε πιο προσεκτικά την αρχή του σκανδάλη Schmitt.

Παρακάτω παρουσιάζεται μια σχηματική απεικόνιση ενός στοιχείου σκανδαλισμού, καθώς και τα χαρακτηριστικά μεταφοράς και χρόνου του. Όπως βλέπετε, όταν η στάθμη του σήματος εισόδου Uin είναι χαμηλότερη από το κατώτατο όριο Ufor.n, η έξοδος σκανδαλισμού Schmitt έχει επίσης, κατά συνέπεια, χαμηλή στάθμη U0 κοντά στο μηδέν.

Στη διαδικασία αύξησης της τάσης του σήματος εισόδου Uin, η τιμή του αρχικά φθάνει στο κατώτερο όριο της περιοχής υστέρησης Upor. N, το κατώτερο όριο, ενώ η έξοδος, όπως και πριν, δεν αλλάζει τίποτα. Ακόμη και όταν η τάση εισόδου Uin εισέρχεται στην περιοχή υστέρησης και για κάποιο χρονικό διάστημα είναι μέσα της, τότε δεν συμβαίνει τίποτα στην έξοδο - η έξοδος είναι ακόμα χαμηλή τάση U0.

Αλλά μόλις συγκριθεί η στάθμη της τάσης εισόδου Uin με το ανώτερο κατώφλι της περιοχής υδρόλυσης Ufor.in (περιοχή απόκρισης), η έξοδος σκανδαλισμού μεταβαίνει στην κατάσταση στάθμης υψηλής τάσης U1. Εάν η τάση εισόδου Uin συνεχίσει να αυξάνεται περαιτέρω (εντός των ορίων που επιτρέπονται για τον μικροκυκλώνα), η τάση εξόδου Uout δεν θα αλλάξει πια, καθώς επιτυγχάνεται μια από τις δύο σταθερές καταστάσεις - ένα υψηλό επίπεδο U1.

Τώρα, ας πούμε ότι η τάση εισόδου Uin άρχισε να μειώνεται. Όταν επιστρέφετε στην περιοχή υστέρησης, δεν υπάρχουν αλλαγές στην έξοδο, το επίπεδο είναι ακόμα υψηλό U1. Αλλά μόλις η τάση του σήματος εισόδου Uin ισούται με το κατώτερο όριο της περιοχής υστέρησης Uпн.η - η έξοδος σκανδαλισμού Schmitt μεταβαίνει στην κατάσταση με χαμηλή στάθμη τάσης U0. Το έργο της σκανδάλης Schmitt βασίζεται σε αυτό.

Μερικές φορές οι σκανδάλες Schmitt αποδεικνύονται χρήσιμες, όπου το λογικό στοιχείο "I" εφαρμόζεται στο εσωτερικό του μικροκυκλώματος και ο μετατροπέας "NOT" είναι εγκατεστημένος στην έξοδο (Schmitt inverting trigger).Σε αυτή την περίπτωση, το χαρακτηριστικό μεταφοράς θα δείχνει το αντίστροφο: όταν η τάση υπερβαίνει το ανώτερο όριο της περιοχής υστέρησης, εμφανίζεται ένα χαμηλό επίπεδο στην έξοδο του σκανδάλη Schmitt και όταν επιστρέφει κάτω από την περιοχή υστέρησης εμφανίζεται ένα υψηλό επίπεδο στην έξοδο. Αυτό είναι ουσιαστικά ένα στοιχείο AND-NOT με υστέρηση.

Η σκανδάλη Schmitt μπορεί να συναρμολογηθεί και σε λειτουργικό ενισχυτή (ενισχυτής op). Ας δούμε μια από τις επιλογές για την εφαρμογή της σε γενικές γραμμές. Η αντιστρεπτή είσοδος του op-amp είναι γειωμένη και το σήμα εισόδου τροφοδοτείται μέσω της αντίστασης R1 στην είσοδο που δεν αντιστρέφει τον ενισχυτή. Η έξοδος του ενισχυτή-ενισχυτή κατά μήκος της αλυσίδας ανάδρασης μέσω της αντίστασης R2 συνδέεται με την είσοδο μη αντιστροφής του ενισχυτή. Η ορθογώνια τάση αφαιρείται από την έξοδο ενισχυτή op.

Η τάση στην έξοδο του λειτουργικού ενισχυτή καθορίζεται παραδοσιακά από τον τύπο Uout = K * Ua. Συνήθως το Uout.max είναι ίσο με την τάση τροφοδοσίας op-amp (ας το δηλώνουμε από το οξυγόνο E), και K είναι το κέρδος opamp, είναι της τάξης των 1.000.000.Η τάση εξόδου μπορεί να κυμαίνεται από + E έως -E. Εδώ δεν θα πάμε σε συγκεκριμένες λεπτομέρειες, και για να απλοποιήσουμε την κατανόηση, θα εξετάσουμε ένα ζωντανό παράδειγμα όπου η αντίσταση εισόδου και η αντίσταση στο κύκλωμα ανάδρασης είναι ίσες μεταξύ τους: R1 = R2.

Έτσι, στην αρχή, όταν Uin = 0, ως εκ τούτου Ua = 0, τότε Uout = 0, δεδομένου ότι η τάση στην μη αντιστρέψιμη είσοδο του op-amp δεν υπερβαίνει την τάση στην ανάστροφη είσοδο.

Αν τώρα Uvh είναι ελαφρώς αυξημένη, τότε Ua θα αυξηθεί ελαφρώς. Στη συνέχεια, το Uout θα αυξηθεί σημαντικά (σύμφωνα με την τιμή του K), καθώς η τάση στην είσοδο που δεν αντιστρέφει το op-amp θα υπερβεί την τάση στην αντίστροφη είσοδο, η οποία, όπως αποφασίσαμε, είναι γειωμένη. Στη συνέχεια, λόγω του γεγονότος ότι το σημείο Ua βρίσκεται μεταξύ των αντιστάσεων που συνδέονται σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα, στο σημείο Ua η τάση θα αυξηθεί σημαντικά, θα γίνει περίπου Uout / 2, και λόγω της χιονοστιβάδας θετικής ανατροφοδότησης, σταθερή τάση Uout OS = Ε). Έτσι, ο op-ενισχυτής πήγε σε μια σταθερή κατάσταση με ένα υψηλό επίπεδο τάσης εξόδου. Επιπλέον, Ua = (E + Uin) / 2.

Αν σε αυτή την κατάσταση αρχίσουμε να μειώσουμε το Uin, τότε ακόμα και όταν γίνει ίσο με μηδέν, τότε στο σημείο Ua θα υπάρχει E / 2, και στην έξοδο του op-amp θα εξακολουθεί να υπάρχει μια τάση υψηλού επιπέδου Uout = E.

Μόνο όταν ο Uin γίνει ίσος με -E, μόνο τότε το Ua γίνεται ίσο με το μηδέν και η έξοδος op-ενισχυτή μεταβαίνει σε κατάσταση χαμηλής τάσης (-E). Σε αυτή την περίπτωση θα προκύψει ξανά μια χιονοστιβάδα ανατροφοδότησης - τώρα Uout = -E, Ua = (Uin-E) / 2, και αυτό είναι πολύ χαμηλότερο από ό, τι στην είσοδο μη-αναστροφής του op-amp. Η σκανδάλη έχει εισέλθει σε σταθερή κατάσταση με χαμηλό επίπεδο παραγωγής. Προκειμένου η έξοδος op ενισχυτή να επιστρέψει σε υψηλή κατάσταση τώρα, είναι απαραίτητο το Uin να γίνει πάλι ίσο με το Ε, το οποίο θα προκαλέσει μια άλλη χιονοστιβάδα ανατροφοδότησης. Η επιστροφή στο μηδενικό σημείο δεν θα γίνεται πλέον.