Введение в триггер Шмитта

Практически любая цифровая схема, используемая в современной высокоскоростной передаче данных, нуждается в каком-либо триггере Шмитта на своих входах.

Почему используется триггер Шмитта

Основная цель триггера Шмитта здесь - устранить шум и помехи на линиях данных и обеспечить хороший чистый цифровой выход с быстрыми переходами фронтов.

Время нарастания и спада цифрового выхода должно быть достаточно низким, чтобы его можно было использовать в качестве входных сигналов для следующих каскадов в цепи. (Многие ИС имеют ограничения на тип краевого перехода, который может появляться на входе.)

Основное преимущество триггеров Шмитта здесь заключается в том, что они очищают зашумленные сигналы, сохраняя при этом высокую скорость потока данных, в отличие от фильтров, которые могут отфильтровывать шум, но значительно замедляют скорость передачи данных.

Триггеры Шмитта также часто встречаются в схемах, которым требуется преобразование формы сигнала с медленными переходами фронтов в цифровую форму сигнала с быстрыми и чистыми переходами фронтов.

Триггер Шмитта может преобразовать практически любую аналоговую форму волны, например синусоидальную или пилообразную волну, в цифровой сигнал ВКЛ-ВЫКЛ с быстрыми переходами фронтов. Триггеры Шмитта представляют собой активные цифровые устройства с одним входом и одним выходом, такие как буфер или инвертор.

Во время работы на цифровом выходе может быть высокий или низкий уровень, и этот выход меняет состояние только тогда, когда его входное напряжение становится выше или ниже двух предустановленных пороговых значений напряжения. Если выходное значение окажется низким, выходное значение не изменится на высокое, если входной сигнал не превысит определенный верхний пороговый предел.

Аналогично, если выходное значение окажется высоким, выход не изменится на низкий, пока входной сигнал не опустится ниже определенного нижнего порогового значения.

Нижний порог несколько ниже верхнего порогового значения. На вход можно подавать любой вид сигнала (синусоидальные волны, пилообразные, звуковые сигналы, импульсы и т. Д.), Если его амплитуда находится в пределах рабочего диапазона напряжения.

Диагарм для объяснения триггера Шмитта

На диаграмме ниже показан гистерезис, возникающий в результате верхнего и нижнего пороговых значений входного напряжения. Каждый раз, когда входной сигнал выше верхнего порогового значения, выходной сигнал высокий.

Когда входной сигнал ниже нижнего порога, выход низкий, а когда напряжение входного сигнала оказывается между верхним и нижним пороговыми пределами, выход сохраняет свое предыдущее значение, которое может быть высоким или низким.

Расстояние между нижним порогом и верхним порогом называется промежутком гистерезиса. Выход всегда сохраняет свое предыдущее состояние до тех пор, пока вход не изменится достаточно, чтобы вызвать его изменение. Отсюда и обозначение «триггера» в названии.

Триггер Шмитта работает во многом так же, как бистабильная схема защелки или бистабильный мультивибратор, поскольку он имеет внутреннюю 1-битную память и меняет свое состояние в зависимости от условий триггера.

Использование серии IC 74XX для работы триггера Шмитта

Texas Instruments предоставляет триггерные функции Шмитта почти во всех своих технологических семействах, от старого семейства 74XX до последнего семейства AUP1T.

Эти ИС могут иметь инвертирующий или неинвертирующий триггер Шмитта. Большинство триггерных устройств Шмитта, таких как 74HC14, имеют пороговые уровни при фиксированном соотношении Vcc.

Этого может быть достаточно для большинства приложений, но иногда пороговые уровни необходимо изменять в зависимости от условий входного сигнала.

Например, диапазон входного сигнала может быть меньше фиксированного гистерезисного промежутка. Пороговые уровни могут быть изменены в микросхемах, таких как 74HC14, путем подключения резистора отрицательной обратной связи от выхода к входу вместе с другим резистором, соединяющим входной сигнал со входом устройства.

Это обеспечивает положительную обратную связь, необходимую для гистерезиса, и теперь гистерезисный зазор можно регулировать, изменяя значения двух добавленных резисторов или используя потенциометр. Резисторы должны быть достаточно большого номинала, чтобы поддерживать входной импеданс на высоком уровне.

Триггер Шмитта - это простая концепция, но его изобрели только в 1934 году, когда американский ученый по имени Отто Х. Шмитт был еще аспирантом.

Об Отто Х. Шмитте

Он не был инженером-электриком, так как его исследования были сосредоточены на биологической инженерии и биофизике. Он придумал триггер Шмитта, когда пытался создать устройство, которое воспроизводило бы механизм распространения нервных импульсов в нервах кальмара.

Его диссертация описывает «термоэлектронный триггер», который позволяет преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой, который либо полностью включен, либо выключен («1» или «0»).

Он и не подозревал, что крупные производители электроники, такие как Microsoft, Texas Instruments и NXP Semiconductors, не могли бы существовать, как сейчас, без этого уникального изобретения.

Триггер Шмитта оказался настолько важным изобретением, что его используют в механизмах ввода практически всех цифровых электронных устройств, представленных на рынке.

Что такое триггер Шмитта

Концепция триггера Шмитта основана на идее положительной обратной связи и на том факте, что любую активную схему или устройство можно заставить действовать как триггер Шмитта, применяя положительную обратную связь, так что коэффициент усиления контура больше единицы.

Выходное напряжение активного устройства ослабляется на определенную величину и подается как положительная обратная связь на вход, которая эффективно добавляет входной сигнал к ослабленному выходному напряжению. Это создает гистерезисное действие с верхним и нижним пороговыми значениями входного напряжения.

Большинство стандартных буферов, инверторов и компараторов используют только одно пороговое значение. Выход меняет состояние, как только входной сигнал пересекает этот порог в любом направлении.

Как работает триггер Шмитта

Шумный входной сигнал или сигнал с медленной формой волны будут появляться на выходе в виде серии шумовых импульсов.

Триггер Шмитта очищает это состояние - после того, как выход изменяет состояние, когда его вход пересекает порог, сам порог также изменяется, поэтому теперь входное напряжение должно двигаться дальше в противоположном направлении, чтобы снова изменить состояние.

Шум или помехи на входе не появятся на выходе, если их амплитуда не окажется больше разницы между двумя пороговыми значениями.

Любой аналоговый сигнал, такой как синусоидальные сигналы или аудиосигналы, можно преобразовать в серию импульсов включения-выключения с быстрыми и четкими переходами фронтов. Существует три метода реализации положительной обратной связи для формирования схемы триггера Шмитта.

Как работает обратная связь в триггере Шмитта

В первой конфигурации обратная связь добавляется непосредственно к входному напряжению, поэтому напряжение должно сместиться на большую величину в противоположном направлении, чтобы вызвать другое изменение на выходе.

Это обычно известно как параллельная положительная обратная связь.

Во второй конфигурации обратная связь вычитается из порогового напряжения, что имеет тот же эффект, что и добавление обратной связи к входному напряжению.

Это образует последовательную цепь положительной обратной связи, которую иногда называют схемой динамического порога. Схема резистор-делитель обычно устанавливает пороговое напряжение, которое является частью входного каскада.

Первые две схемы можно легко реализовать с помощью одного операционного усилителя или двух транзисторов вместе с несколькими резисторами. Третий метод немного сложнее и отличается тем, что не имеет обратной связи ни с одной из частей этапа ввода.

В этом методе используются два отдельных компаратора для двух пороговых значений и триггер в качестве 1-битного элемента памяти. К компараторам не применяется положительная обратная связь, поскольку они содержатся в элементе памяти. Каждый из этих трех методов более подробно объясняется в следующих параграфах.

Все триггеры Шмитта являются активными устройствами, которые полагаются на положительную обратную связь для достижения своего гистерезисного действия. Выходной сигнал становится «высоким», когда входной сигнал поднимается выше определенного предустановленного верхнего порогового значения, и становится «низким», когда входной сигнал падает ниже нижнего порогового значения.

Выход сохраняет свое предыдущее значение (низкое или высокое), когда вход находится между двумя пороговыми пределами.

Этот тип схемы часто используется для очистки зашумленных сигналов и преобразования аналоговой формы волны в цифровую (единицы и нули) с четкими и быстрыми переходами фронтов.

Типы обратной связи в схемах триггера Шмитта

Существует три метода, которые обычно используются при реализации положительной обратной связи для формирования схемы триггера Шмитта. Эти методы - это параллельная обратная связь, последовательная обратная связь и внутренняя обратная связь, и они обсуждаются ниже.

Методы параллельной и последовательной обратной связи фактически представляют собой двойные версии одного и того же типа цепи обратной связи. Параллельная обратная связь. Параллельная обратная связь иногда называется модифицированной схемой входного напряжения.

В этой схеме обратная связь добавляется непосредственно к входному напряжению и не влияет на пороговое напряжение. Поскольку обратная связь добавляется ко входу, когда выход меняет состояние, входное напряжение должно сместиться на большую величину в противоположном направлении, чтобы вызвать дальнейшее изменение выхода.

Если выходной сигнал низкий, а входной сигнал увеличивается до точки, в которой он пересекает пороговое напряжение, и выходной сигнал изменяется на высокий.

Часть этого выхода подается непосредственно на вход через контур обратной связи, который «помогает» выходному напряжению оставаться в новом состоянии.

Это эффективно увеличивает входное напряжение, что имеет тот же эффект, что и снижение порогового напряжения.

Само пороговое напряжение не изменяется, но теперь вход должен двигаться дальше в нисходящем направлении, чтобы переключить выход в низкое состояние. Как только выход становится низким, этот же процесс повторяется, чтобы вернуться в высокое состояние.

В этой схеме не обязательно использовать дифференциальный усилитель, так как любой несимметричный неинвертирующий усилитель будет работать.

И входной сигнал, и выходная обратная связь подаются на неинвертирующий вход усилителя через резисторы, и эти два резистора образуют взвешенный параллельный сумматор. Если есть инвертирующий вход, он устанавливается на постоянное опорное напряжение.

Примерами параллельных схем обратной связи являются схема триггера Шмитта, связанная с коллектором, или схема неинвертирующего операционного усилителя, как показано:

Обратная связь по серии

Схема динамического порога (последовательная обратная связь) работает в основном так же, как и параллельная схема обратной связи, за исключением того, что обратная связь с выхода напрямую изменяет пороговое напряжение, а не входное напряжение.

Обратная связь вычитается из порогового напряжения, что имеет тот же эффект, что и добавление обратной связи к входному напряжению. Как только вход пересекает границу порогового напряжения, пороговое напряжение изменяется на противоположное значение.

Теперь вход должен измениться в большей степени в противоположном направлении, чтобы снова изменить состояние выхода. Выход изолирован от входного напряжения и влияет только на пороговое напряжение.

Следовательно, входное сопротивление для этой последовательной схемы можно сделать намного выше, чем для параллельной. Эта схема обычно основана на дифференциальном усилителе, где вход подключен к инвертирующему входу, а выход подключен к неинвертирующему входу через резистивный делитель напряжения.

Делитель напряжения устанавливает пороговые значения, а контур действует как сумматор последовательного напряжения. Примерами этого типа являются классический транзисторный триггер Шмитта с эмиттерной связью и схема инвертирующего операционного усилителя, как показано здесь:

Внутренняя обратная связь

В этой конфигурации триггер Шмитта создается с использованием двух отдельных компараторов (без гистерезиса) для двух пороговых значений.

Выходы этих компараторов подключены к входам установки и сброса триггера RS. Положительная обратная связь содержится в триггере, поэтому обратная связь с компараторами отсутствует. Выход триггера RS переключается на высокий уровень, когда входной сигнал превышает верхний порог, и переключается на низкий уровень, когда входной сигнал опускается ниже нижнего порога.

Когда вход находится между верхним и нижним порогами, выход сохраняет свое предыдущее состояние. Примером устройства, использующего эту технику, является 74HC14 производства NXP Semiconductors и Texas Instruments.

Эта часть состоит из компаратора верхнего порога и компаратора нижнего порога, которые используются для установки и сброса триггера RS. Триггер Шмитта 74HC14 - одно из самых популярных устройств для сопряжения реальных сигналов с цифровой электроникой.

Два пороговых предела в этом устройстве установлены на фиксированное соотношение Vcc. Это сводит к минимуму количество деталей и сохраняет схему простой, но иногда пороговые уровни необходимо изменять для различных типов условий входного сигнала.

Например, диапазон входного сигнала может быть меньше фиксированного диапазона напряжения гистерезиса. Пороговые уровни можно изменить в 74HC14, подключив резистор отрицательной обратной связи между выходом и входом и еще один резистор, соединяющий входной сигнал со входом.

Это эффективно снижает фиксированные 30% положительной обратной связи до некоторого более низкого значения, например 15%. Для этого важно использовать резисторы большого номинала (мегаомный диапазон), чтобы поддерживать высокое входное сопротивление.

Преимущества триггера Шмитта

Триггеры Шмитта служат цели в любой системе высокоскоростной передачи данных с некоторой формой цифровой обработки сигналов. Фактически, они служат двойной цели: устранять шум и помехи в линиях передачи данных, сохраняя при этом высокую скорость потока данных, и преобразовывать случайную аналоговую форму волны в цифровую форму сигнала включения-выключения с быстрыми и четкими переходами краев.

Это дает преимущество перед фильтрами, которые могут отфильтровывать шум, но значительно замедляют скорость передачи данных из-за их ограниченной полосы пропускания. Кроме того, стандартные фильтры не могут обеспечить хороший, чистый цифровой выход с быстрыми переходами краев, когда применяется медленная форма входного сигнала.

Эти два преимущества триггеров Шмитта объясняются более подробно следующим образом: Шумные входные сигналы Эффекты шума и помех являются серьезной проблемой в цифровых системах, поскольку используются более длинные и длинные кабели и требуются все более и более высокие скорости передачи данных.

Некоторые из наиболее распространенных способов снижения шума включают использование экранированных кабелей, использование скрученных проводов, согласование импедансов и уменьшение выходных сопротивлений.

Эти методы могут быть эффективными для снижения шума, но на входной линии все равно останется некоторый шум, который может вызвать нежелательные сигналы в цепи.

Большинство стандартных буферов, инверторов и компараторов, используемых в цифровых схемах, имеют только одно пороговое значение на входе. Таким образом, выход меняет состояние, как только входной сигнал пересекает этот порог в любом направлении.

Если сигнал случайного шума пересекает эту пороговую точку на входе несколько раз, он будет виден на выходе как серия импульсов. Кроме того, на выходе может появиться форма волны с медленными переходами по краям в виде серии колеблющихся шумовых импульсов.

Иногда для уменьшения этого дополнительного шума используется фильтр, например, в сети RC. Но каждый раз, когда такой фильтр используется на пути данных, он значительно снижает максимальную скорость передачи данных. Фильтры блокируют шум, но они также блокируют высокочастотные цифровые сигналы.

Фильтры триггера Шмитта

Триггер Шмитта убирает это вверх. После того, как выход изменяет свое состояние, когда его вход пересекает пороговое значение, само пороговое значение также изменяется, поэтому вход должен двигаться дальше в противоположном направлении, чтобы вызвать другое изменение выхода.

Из-за этого эффекта гистерезиса использование триггеров Шмитта, вероятно, является наиболее эффективным способом уменьшения шума и помех в цифровой схеме. Проблемы с шумом и помехами обычно можно решить, если не устранить, добавив гистерезис на входной линии в виде триггера Шмитта.

Пока амплитуда шума или помех на входе меньше ширины гистерезисного промежутка триггера Шмитта, шум на выходе не будет влиять.

Даже если амплитуда немного больше, это не должно повлиять на выход, если входной сигнал не центрирован на зазоре гистерезиса. Пороговые уровни, возможно, придется отрегулировать для достижения максимального устранения шума.

Это можно легко сделать, изменив номиналы резистора в цепи положительной обратной связи или используя потенциометр.

Основное преимущество триггера Шмитта перед фильтрами заключается в том, что он не снижает скорость передачи данных, а фактически ускоряет ее в некоторых случаях за счет преобразования медленных сигналов в быстрые (более быстрые переходы фронтов). Сегодня рынок использует некоторую форму триггерного действия Шмитта (гистерезис) на своих цифровых входах.

К ним относятся микроконтроллеры, микросхемы памяти, логические элементы и т. Д. Хотя эти цифровые ИС могут иметь гистерезис на входах, многие из них также имеют ограничения на время нарастания и спада на входе, отображаемые в их спецификациях, и это необходимо учитывать. Идеальный триггер Шмитта не имеет ограничений по времени нарастания или спада на входе.

Медленные формы входных сигналов Иногда гистерезисный промежуток слишком мал или существует только одно пороговое значение (устройство триггера не Шмитта), при котором выходной сигнал становится высоким, если входной сигнал превышает пороговое значение, и выходной сигнал становится низким, если входной сигнал падает ниже. Это.

В таких случаях вокруг порогового значения есть граничная область, и медленный входной сигнал может легко вызвать колебания или избыточный ток, протекающий по цепи, что может даже повредить устройство. Эти медленные входные сигналы могут иногда возникать даже в быстром цифровом схемы в условиях включения питания или других условиях, когда фильтр (например, RC-сеть) используется для подачи сигналов на входы.

Проблемы этого типа часто возникают в схемах «устранения дребезга» ручных переключателей, длинных кабелей или проводов и сильно нагруженных схем.

Например, если сигнал с медленным нарастанием (интегратор) применяется к буферу и он пересекает единственную пороговую точку на входе, выход изменит свое состояние (например, с низкого на высокое). Это инициирующее действие может привести к мгновенному потреблению дополнительного тока от источника питания, а также к небольшому снижению уровня мощности VCC.

Этого изменения может быть достаточно, чтобы выход снова изменил свое состояние с высокого на низкое, поскольку буфер определяет, что вход снова пересек пороговое значение (несмотря на то, что вход остается прежним). Это может повториться снова в противоположном направлении, поэтому на выходе появится серия колеблющихся импульсов.

Использование триггера Шмитта в этом случае не только устранит колебания, но также преобразует медленные переходы фронтов в чистую серию импульсов включения-выключения с почти вертикальными переходами фронтов. Выход триггера Шмитта можно затем использовать в качестве входа для следующего устройства в соответствии с его характеристиками времени нарастания и спада.

(Хотя колебания могут быть устранены с помощью триггера Шмитта, при переходе все еще может протекать избыточный ток, который, возможно, потребуется исправить другим способом.)

Триггер Шмитта также используется в тех случаях, когда аналоговый вход, такой как синусоидальный сигнал, звуковой сигнал или пилообразный сигнал, необходимо преобразовать в прямоугольный сигнал или какой-либо другой тип цифрового сигнала ВКЛ-ВЫКЛ с быстрыми переходами фронтов.