Schmitt Trigger'a Giriş

Modern yüksek hızlı veri iletişiminde kullanılan hemen hemen her dijital devre, girişlerinde bir tür Schmitt tetikleme eylemine ihtiyaç duyar.

Schmitt Trigger Neden Kullanılır?

Buradaki bir Schmitt tetikleyicisinin temel amacı, veri hatlarındaki gürültüyü ve paraziti ortadan kaldırmak ve hızlı kenar geçişleriyle güzel ve temiz bir dijital çıktı sağlamaktır.

Bir devrede aşağıdaki aşamalara girişler olarak uygulanabilecek bir dijital çıkışta yükselme ve düşme süreleri yeterince düşük olmalıdır. (Çoğu IC, bir girişte görünebilecek kenar geçişi türüne ilişkin sınırlamalara sahiptir.)

Schmitt tetikleyicilerin buradaki ana avantajı, gürültüyü filtreleyebilen ancak veri hızını önemli ölçüde yavaşlatan filtrelerin aksine, yüksek veri akış hızını korurken gürültülü sinyalleri temizlemesidir.

Schmitt tetikleyicileri, hızlı, temiz kenar geçişleriyle dijital bir dalga biçimine çevrilmesi için yavaş kenar geçişlerine sahip bir dalga biçimine ihtiyaç duyan devrelerde de yaygın olarak bulunur.

Bir Schmitt tetiği, sinüs dalgası veya testere dişi dalga formu gibi hemen hemen her analog dalga biçimini hızlı kenar geçişlerine sahip bir ON-OFF dijital sinyale dönüştürebilir. Schmitt tetikleyicileri, tampon veya invertör gibi tek girişli ve tek çıkışlı aktif dijital cihazlardır.

Çalışma sırasında, dijital çıkış yüksek veya düşük olabilir ve bu çıkış, yalnızca giriş voltajı önceden belirlenmiş iki eşik voltaj limitinin üstüne veya altına düştüğünde durumunu değiştirir. Çıkış düşük olursa, giriş sinyali belirli bir üst eşik sınırının üzerine çıkmadıkça çıkış yüksek olarak değişmeyecektir.

Benzer şekilde, çıkış yüksek olursa, giriş sinyali belirli alt eşik sınırının altına düşene kadar çıkış düşük olarak değişmeyecektir.

Alt eşik, üst eşik sınırından biraz daha düşüktür. Genliği çalışma voltajı aralığında olduğu sürece girişe (sinüzoidal dalgalar, testere dişi, ses dalga formları, darbeler vb.) Her türlü dalga formu uygulanabilir.

Diagarm, Schmitt Tetikleyicisini Açıklayacak

Aşağıdaki diyagram, üst ve alt giriş voltajı eşik değerlerinden kaynaklanan histereziyi göstermektedir. Giriş üst eşik sınırının üzerine çıktığında, çıkış yüksektir.

Giriş alt eşiğin altında olduğunda, çıkış düşüktür ve giriş sinyali voltajı üst ve alt eşik limitleri arasında olduğunda, çıkış yüksek veya düşük olabilen önceki değerini korur.

Alt eşik ile üst eşik arasındaki mesafeye histerezis aralığı denir. Çıkış, girişin değişmesini tetikleyecek kadar yeterince değişene kadar her zaman önceki durumunu korur. İsimdeki 'tetikleme' tanımının nedeni budur.

Schmitt tetiği, dahili 1 bit belleğe sahip olduğu ve tetikleme koşullarına bağlı olarak durumunu değiştirdiği için iki durumlu bir mandal devresi veya iki kararlı bir multivibratör ile hemen hemen aynı şekilde çalışır.

Schmitt Tetikleme İşlemi için IC 74XX Serisini Kullanma

Texas Instruments, eski 74XX ailesinden en yeni AUP1T ailesine kadar neredeyse tüm teknoloji ailelerinde Schmitt tetikleme işlevleri sağlar.

Bu IC'ler, tersine çevrilen veya tersine çevrilemeyen bir Schmitt tetikleyicisi ile paketlenebilir. 74HC14 gibi çoğu Schmitt tetikleme cihazı, sabit bir Vcc oranında eşik seviyelerine sahiptir.

Bu çoğu uygulama için yeterli olabilir, ancak bazen giriş sinyali koşullarına bağlı olarak eşik seviyelerinin değiştirilmesi gerekebilir.

Örneğin, giriş sinyali aralığı, sabit histerezis aralığından daha küçük olabilir. 74HC14 gibi IC'lerde eşik seviyeleri, giriş sinyalini cihaz girişine bağlayan başka bir dirençle birlikte çıkıştan girişe negatif bir geri besleme direnci bağlanarak değiştirilebilir.

Bu, histerezis için gereken pozitif geribildirimi sağlar ve histerezis aralığı artık eklenen iki direncin değerleri değiştirilerek veya bir potansiyometre kullanılarak ayarlanabilir. Dirençler, giriş empedansını yüksek bir seviyede tutmak için yeterince büyük değere sahip olmalıdır.

Schmitt tetiği basit bir kavramdır, ancak 1934 yılına kadar icat edilmemiştir, oysa Otto H. Schmitt adındaki Amerikalı bir bilim adamı hala bir yüksek lisans öğrencisidir.

Otto H. Schmitt Hakkında

Çalışmaları biyolojik mühendislik ve biyofizik üzerine odaklandığı için elektrik mühendisi değildi. Kalamar sinirlerinde sinirsel dürtü yayılma mekanizmasını kopyalayacak bir cihaz geliştirmeye çalışırken bir Schmitt tetiği fikrini ortaya attı.

Tezi, bir analog sinyalin tam açık veya kapalı ('1' veya '0') olan bir dijital sinyale dönüştürülmesini sağlayan 'termiyonik tetikleyiciyi' açıklar.

Microsoft, Texas Instruments ve NXP Semiconductors gibi büyük elektronik şirketlerinin bu benzersiz buluş olmadan bugün olduğu gibi var olamayacağını çok az biliyordu.

Schmitt tetiğinin, piyasadaki hemen hemen her dijital elektronik cihazın giriş mekanizmalarında kullanıldığı önemli bir buluş olduğu ortaya çıktı.

Schmitt Tetikleyicisi nedir

Schmitt tetiklemesi kavramı, pozitif geri besleme fikrine ve herhangi bir aktif devrenin veya cihazın, döngü kazancının birden fazla olacağı şekilde pozitif geri besleme uygulayarak bir Schmitt tetikleyicisi gibi davranacak şekilde yapılabileceği gerçeğine dayanmaktadır.

Aktif cihazın çıkış voltajı, belirlenen bir miktarda zayıflatılır ve giriş sinyalini zayıflatılmış çıkış voltajına etkin bir şekilde ekleyen girişe pozitif geri besleme olarak uygulanır.Bu, üst ve alt giriş voltajı eşik değerleri ile bir histerezis eylemi oluşturur.

Standart tamponların, invertörlerin ve karşılaştırıcıların çoğu yalnızca bir eşik değeri kullanır. Giriş dalga formu her iki yönde de bu eşiği geçer geçmez çıkış durumunu değiştirir.

Schmitt Trigger Nasıl Çalışır?

Gürültülü bir giriş sinyali veya yavaş dalga biçimine sahip bir sinyal, çıkışta bir dizi gürültü darbesi olarak görünecektir.

Bir Schmitt tetiği, bunun yukarı olduğunu temizler - çıktı bir eşiği geçerken çıkış durumunu değiştirdikten sonra eşiğin kendisi de değişir, bu nedenle şimdi durumu tekrar değiştirmek için giriş voltajının ters yönde daha uzağa hareket etmesi gerekir.

Girişteki gürültü veya parazit, genliği iki eşik değeri arasındaki farktan daha büyük olmadıkça çıkışta görünmeyecektir.

Herhangi bir analog sinyal, böyle bir sinüzoidal dalga formları veya ses sinyalleri, hızlı, temiz kenar geçişleriyle bir dizi AÇIK-KAPALI darbeye çevrilebilir.Bir Schmitt tetik devresi oluşturmak için pozitif geri bildirimi uygulamanın üç yöntemi vardır.

Schmitt Trigger'da Geri Bildirim Nasıl Çalışır?

İlk konfigürasyonda, geri besleme doğrudan giriş voltajına eklenir, bu nedenle çıkışta başka bir değişikliğe neden olmak için voltajın ters yönde daha büyük miktarda kayması gerekir.

Bu genellikle paralel pozitif geri bildirim olarak bilinir.

İkinci konfigürasyonda geri besleme, giriş gerilimine geri besleme eklemekle aynı etkiye sahip olan eşik geriliminden çıkarılır.

Bu, bir dizi pozitif geri besleme devresi oluşturur ve bazen dinamik eşik devresi olarak adlandırılır. Bir direnç bölücü ağ, genellikle giriş aşamasının bir parçası olan eşik voltajını ayarlar.

İlk iki devre, birkaç dirençle birlikte tek bir opamp veya iki transistör kullanılarak kolayca uygulanabilir. Üçüncü teknik biraz daha karmaşıktır ve giriş aşamasının herhangi bir kısmına herhangi bir geri bildirimde bulunmaması açısından farklıdır.

Bu yöntem, iki eşik sınır değeri için iki ayrı karşılaştırıcı ve 1 bit bellek elemanı olarak bir iki duraklılık kullanır. Karşılaştırıcılara uygulanan olumlu geribildirim yoktur, çünkü bunlar bellek öğesinin içinde yer alır. Bu üç yöntemin her biri aşağıdaki paragraflarda daha ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

Tüm Schmitt tetikleyicileri, histerezis eylemlerini gerçekleştirmek için pozitif geri beslemeye dayanan aktif cihazlardır. Giriş belirli bir önceden belirlenmiş üst eşik sınırının üzerine çıktığında çıkış 'yüksek', giriş alt eşik sınırının altına düştüğünde ise 'düşük' olur.

Giriş, iki eşik limiti arasında olduğunda çıkış önceki değerini (düşük veya yüksek) korur.

Bu tip devre genellikle gürültülü sinyalleri temizlemek ve bir analog dalga biçimini temiz, hızlı kenar geçişleriyle dijital bir dalga biçimine (1'ler ve 0'lar) dönüştürmek için kullanılır.

Schmitt tetikleme devrelerinde Geri Bildirim Türleri

Bir Schmitt tetikleme devresi oluşturmak için pozitif geri besleme uygulamasında tipik olarak kullanılan üç yöntem vardır. Bu yöntemler Paralel Geri Besleme, Seri Geri Besleme ve Dahili Geri Beslemedir ve aşağıda açıklanmıştır.

Paralel ve seri geri besleme teknikleri aslında aynı geri besleme devresi tipinin ikili versiyonlarıdır. Paralel Geri Besleme Bir paralel geri besleme devresine bazen değiştirilmiş giriş voltaj devresi adı verilir.

Bu devrede, geri besleme doğrudan giriş voltajına eklenir ve eşik voltajını etkilemez. Çıkışın durumu değiştiğinde geri besleme girişe eklendiğinde, çıkışta daha fazla değişikliğe neden olmak için giriş voltajının ters yönde daha büyük miktarda kayması gerekir.

Çıkış düşükse ve giriş sinyali eşik voltajını geçtiği noktaya kadar yükselir ve çıkış yüksek olarak değişir.

Bu çıktının bir kısmı, çıkış voltajının yeni durumunda kalmasına 'yardımcı olan' bir geri besleme döngüsü aracılığıyla doğrudan girişe uygulanır.

Bu, eşik voltajını düşürmekle aynı etkiye sahip olan giriş voltajını etkili bir şekilde artırır.

Eşik voltajının kendisi değişmez, ancak çıkışı düşük bir duruma değiştirmek için şimdi girişin aşağı yönde daha fazla hareket etmesi gerekir. Çıktı düşük olduğunda, bu aynı süreç yüksek duruma geri dönmek için kendini tekrar eder.

Herhangi bir tek uçlu ters çevirmeyen amplifikatör çalışacağından, bu devrenin bir diferansiyel amplifikatör kullanması gerekmez.

Hem giriş sinyali hem de çıkış geri bildirimi, amplifikatörün ters çevirmeyen girişine dirençler yoluyla uygulanır ve bu iki direnç, ağırlıklı bir paralel yaz oluşturur. Ters bir giriş varsa, sabit bir referans voltajına ayarlanır.

Paralel geri besleme devrelerinin örnekleri, gösterildiği gibi, bir kollektör tabanlı bağlı Schmitt tetikleme devresi veya tersine çevrilemeyen bir op-amp devresidir:

Seri Geri Bildirimi

Dinamik bir eşik (seri geri besleme) devresi, temelde paralel bir geri besleme devresi ile aynı şekilde çalışır, ancak çıkıştan gelen geri beslemenin giriş voltajı yerine doğrudan eşik voltajını değiştirmesi dışında.

Geri besleme, giriş voltajına geri besleme eklemekle aynı etkiye sahip olan eşik voltajından çıkarılır. Giriş, eşik voltaj sınırını geçer geçmez, eşik voltajı zıt değere değişir.

Çıkış durumunu tekrar değiştirmek için artık girdinin ters yönde daha büyük ölçüde değişmesi gerekir. Çıkış, giriş voltajından izole edilmiştir ve yalnızca eşik voltajını etkiler.

Bu nedenle, bu seri devre için giriş direnci bir paralel devreye kıyasla çok daha yüksek yapılabilir. Bu devre genellikle, girişin ters çevirme girişine bağlandığı ve çıkışın bir direnç voltaj bölücü vasıtasıyla ters çevirmeyen girişe bağlandığı bir diferansiyel amplifikatöre dayanır.

Voltaj bölücü eşik değerlerini ayarlar ve döngü bir seri voltaj yaz gibi davranır. Bu tipin örnekleri, klasik transistör yayıcı bağlı Schmitt tetiği ve burada gösterildiği gibi ters çeviren bir op-amp devresidir:

Dahili Geri Bildirim

Bu konfigürasyonda, iki eşik sınırı için iki ayrı karşılaştırıcı (histerezsiz) kullanılarak bir Schmitt tetikleyici oluşturulur.

Bu karşılaştırıcıların çıkışları bir RS flip-flopun set ve reset girişlerine bağlanır. Olumlu geri bildirim, flip-flop'ta bulunur, bu nedenle karşılaştırıcılara geri bildirim yoktur. RS flip-flop'un çıkışı, giriş üst eşiğin üzerine çıktığında yüksek geçiş yapar ve giriş alt eşiğin altına düştüğünde düşük geçiş yapar.

Giriş, üst ve alt eşikler arasında olduğunda, çıkış önceki durumunu korur. Bu tekniği kullanan bir cihaz örneği, NXP Semiconductors ve Texas Instruments tarafından üretilen 74HC14'tür.

Bu kısım, bir RS flip-flop'u ayarlamak ve sıfırlamak için kullanılan bir üst eşik karşılaştırıcısı ve bir alt eşik karşılaştırıcısından oluşur. 74HC14 Schmitt tetikleyicisi, gerçek dünya sinyallerini dijital elektroniklerle arayüzlemek için en popüler cihazlardan biridir.

Bu cihazdaki iki eşik sınırı, sabit bir Vcc oranında ayarlanmıştır. Bu, parça sayısını en aza indirir ve devreyi basit tutar, ancak bazen farklı türde giriş sinyali koşulları için eşik seviyelerinin değiştirilmesi gerekir.

Örneğin, giriş sinyali aralığı sabit histerezis voltaj aralığından daha küçük olabilir. Eşik seviyeleri, 74HC14'te çıkıştan girişe negatif bir geri besleme direnci ve giriş sinyalini girişe bağlayan başka bir direnç bağlanarak değiştirilebilir.

Bu, sabit% 30 olumlu geri bildirimi% 15 gibi daha düşük bir değere etkili bir şekilde düşürür. Giriş direncini yüksek tutmak için bunun için yüksek değerli dirençler (Mega-Ohm aralığı) kullanmak önemlidir.

Schmitt tetikleyicisinin avantajları

Schmitt tetikleyicileri, bir tür dijital sinyal işleme ile her türlü yüksek hızlı veri iletişim sisteminde bir amaca hizmet eder. Aslında, ikili bir amaca hizmet ederler: yüksek veri akış oranını korurken veri hatlarındaki gürültüyü ve paraziti temizlemek ve rastgele bir analog dalga formunu hızlı, temiz kenar geçişleriyle AÇIK-KAPALI dijital dalga formuna dönüştürmek.

Bu, gürültüyü filtreleyebilen, ancak sınırlı bant genişlikleri nedeniyle veri hızını önemli ölçüde düşüren filtrelere göre bir avantaj sağlar. Ayrıca, standart filtreler, yavaş bir giriş dalga formu uygulandığında hızlı kenar geçişlerine sahip güzel, temiz bir dijital çıktı sağlayamaz.

Schmitt tetikleyicilerin bu iki avantajı aşağıda daha ayrıntılı olarak açıklanmıştır: Gürültülü Sinyal Girişleri Daha uzun ve daha uzun kablolar kullanıldığı ve daha yüksek ve daha yüksek veri hızları gerektiği için gürültü ve parazit etkileri dijital sistemlerde büyük bir sorundur.

Gürültüyü azaltmanın en yaygın yollarından bazıları, korumalı kablolar kullanmak, bükülmüş kablolar kullanmak, empedansları eşleştirmek ve çıkış empedanslarını azaltmaktır.

Bu teknikler gürültünün azaltılmasında etkili olabilir, ancak yine de bir giriş hattında kalan bir miktar gürültü olacaktır ve bu, bir devre içinde istenmeyen sinyalleri tetikleyebilir.

Dijital devrelerde kullanılan standart arabellek, inverter ve karşılaştırıcıların çoğu, girişte yalnızca bir eşik değerine sahiptir. Bu nedenle, giriş dalga formu her iki yönde bu eşiği geçer geçmez çıkış durumunu değiştirir.

Rastgele bir gürültü sinyali, bir girişte bu eşik noktasını birden çok kez geçerse, çıkışta bir dizi darbe olarak görülecektir. Ayrıca, yavaş kenar geçişlerine sahip bir dalga formu, çıktıda bir dizi salınımlı gürültü atımı olarak görünebilir.

Bazen, RC ağında olduğu gibi, bu ekstra gürültüyü azaltmak için bir filtre kullanılır. Ancak veri yolunda bunun gibi bir filtre kullanıldığında, maksimum veri hızını önemli ölçüde yavaşlatır. Filtreler gürültüyü engeller, ancak aynı zamanda yüksek frekanslı dijital sinyalleri de engeller.

Schmitt tetikleyici Filtreler

Bir Schmitt tetiği, bunun yukarı olduğunu temizler. Çıktı, girişi bir eşiği geçtikçe durumunu değiştirdikten sonra, eşiğin kendisi de değişir, bu nedenle, çıktıda başka bir değişikliğe neden olmak için girdinin ters yönde daha uzağa hareket etmesi gerekir.

Bu histerezis etkisi nedeniyle, Schmitt tetikleyicilerini kullanmak muhtemelen dijital bir devrede gürültü ve parazit sorunlarını azaltmanın en etkili yoludur. Gürültü ve parazit sorunları, ortadan kaldırılmasa bile, genellikle giriş satırına bir Schmitt tetikleyici şeklinde histerezis eklenerek çözülebilir.

Girişteki gürültünün veya parazitin genliği, Schmitt tetikleyicisinin histerez boşluğunun genişliğinden daha az olduğu sürece, gürültünün çıktı üzerinde hiçbir etkisi olmayacaktır.

Genlik biraz daha büyük olsa bile, giriş sinyali histerezis boşluğuna ortalanmadıkça çıkışı etkilememelidir. Maksimum gürültü giderimi elde etmek için eşik seviyelerinin ayarlanması gerekebilir.

Bu, pozitif geri besleme ağındaki bir direncin değerlerini değiştirerek veya bir potansiyometre kullanarak kolayca yapılabilir.

Bir Schmitt tetikleyicisinin filtreler üzerinde sağladığı temel fayda, veri hızını yavaşlatmaması ve aslında bazı durumlarda yavaş dalga formlarının hızlı dalga formlarına dönüştürülmesi yoluyla (daha hızlı kenar geçişleri) hızlandırmasıdır. Bugün piyasası, dijital girişlerinde bir tür Schmitt tetikleme eylemi (histerezis) kullanmaktadır.

Bunlar arasında MCU'lar, bellek yongaları, mantık geçitleri vb. Bu dijital IC'lerin girişlerinde gecikme olabilir, ancak birçoğunun özellik sayfalarında görüntülenen giriş yükselme ve düşme süreleri için de sınırlamaları vardır ve bunların dikkate alınması gerekir. İdeal bir Schmitt tetikleyicisinin girişinde herhangi bir yükselme veya düşme süresi sınırlaması yoktur.

Yavaş Giriş Dalga Formları bazen histerezis aralığı çok küçüktür veya giriş eşiğin üzerine çıkarsa çıkışın yüksek olduğu ve giriş sinyali altına düştüğünde çıkışın düştüğü yalnızca bir eşik değeri (Schmitt olmayan tetikleme cihazı) vardır. o.

Bu gibi durumlarda, eşiğin etrafında marjinal bir alan vardır ve yavaş bir giriş sinyali, kolayca salınımlara veya aşırı akımın devreden akmasına neden olabilir, bu da cihaza bile zarar verebilir. Bu yavaş giriş sinyalleri bazen hızlı dijitalde bile olabilir. Girişlere sinyal beslemek için bir filtrenin (RC ağı gibi) kullanıldığı güç açma koşulları veya diğer koşullar altındaki devreler.

Bu tür problemler genellikle manuel anahtarların, uzun kabloların veya kabloların ve ağır yüklü devrelerin 'geri sıçrama' devresinde meydana gelir.

Örneğin, yavaş bir rampa sinyali (entegratör) bir tampona uygulanırsa ve girişteki tek eşik noktasını geçerse, çıkış durumunu değiştirir (örneğin düşükten yükseğe). Bu tetikleme eylemi, güç kaynağından anlık olarak ekstra akım çekilmesine neden olabilir ve ayrıca VCC güç seviyesini biraz düşürür.

Bu değişiklik, tampon, girişin eşiği tekrar geçtiğini algıladığından (giriş aynı kalmasına rağmen) çıktının durumunu yeniden yüksekten düşüğe doğru değiştirmesine neden olabilir. Bu, ters yönde tekrar tekrarlayabilir, böylece çıktıda bir dizi salınımlı darbe görünecektir.

Bu durumda bir Schmitt tetiği kullanmak sadece salınımları ortadan kaldırmakla kalmaz, aynı zamanda yavaş kenar geçişlerini neredeyse dikey kenar geçişlerine sahip temiz bir AÇIK-KAPALI darbeleri serisine çevirir. Bir Schmitt tetikleyicisinin çıktısı, yükselme ve düşme süresi özelliklerine göre aşağıdaki cihaza bir girdi olarak kullanılabilir.

(Salınımlar bir Schmitt tetiği kullanılarak ortadan kaldırılabilse de, bir geçişte yine de aşırı akım akışı olabilir ve bunun başka bir şekilde düzeltilmesi gerekebilir.)

Schmitt tetiği, sinüzoidal dalga formu, ses dalga formu veya testere dişi dalga formu gibi bir analog girişin kare dalgaya veya hızlı kenar geçişlerine sahip başka bir ON-OFF dijital sinyale dönüştürülmesi gerektiği durumlarda da bulunur.