Schmitt-Trigger - Gesamtansicht

Während des Entwurfs der Impulsschaltung benötigt der Entwickler möglicherweise eine Schwellenwertvorrichtung, die aus dem Eingangssignal einer nicht rechteckigen Form (z. B. Sägezahn oder Sinus) ein reines Rechtecksignal mit bestimmten Werten für hohe und niedrige Spannungspegel bilden kann.

Der Schmitt-Trigger, eine Schaltung mit zwei stabilen Ausgangszuständen, die sich unter dem Einfluss des Eingangssignals sprunghaft gegenseitig ersetzen, ist für diese Rolle gut geeignet, dh der Ausgang ist ein rechteckiges Signal.

Ein charakteristisches Merkmal des Schmitt-Triggers ist das Vorhandensein eines bestimmten Bereichs zwischen den Spannungspegeln für das Eingangssignal, wenn die Ausgangsspannung des Eingangssignals am Ausgang dieses Triggers von einem niedrigen auf einen hohen Pegel und umgekehrt umgeschaltet wird.

Diese Eigenschaft des Schmitt-Triggers wird als Hysterese bezeichnet, und der Teil der Kennlinie zwischen den Schwellenwerteingangswerten wird als Hysteresebereich bezeichnet. Die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert für den Schmitt-Triggereingang bestimmt die Breite seines Hysteresebereichs, der als Maß für die Empfindlichkeit des Triggers dient. Je breiter der Hysteresebereich ist - je weniger empfindlich der Schmitt-Trigger ist, desto schmaler ist der Hysteresebereich - desto höher ist seine Empfindlichkeit.

Schmitt-Trigger sind in Form von speziellen Mikroschaltungen erhältlich, bei denen mehrere separate Trigger gleichzeitig in einem Gehäuse angeordnet sein können. Solche Mikroschaltungen haben eine bestimmte normalisierte Schaltschwelle und ergeben trotz des Eingangssignals, das weit von einer rechteckigen Form entfernt ist, steile Fronten am Ausgang. Darüber hinaus kann der Schmitt-Trigger auch auf der Grundlage logischer Elemente aufgebaut werden. In diesem Fall hat der Entwickler die Möglichkeit, die Breite des Hysteresebereichs seines Schwellenwertgeräts sehr genau einzustellen und anzupassen.

Achten Sie auf die Abbildung und betrachten Sie das Prinzip des Schmitt-Triggers genauer.

Hier ist eine schematische Darstellung eines Triggerelements sowie seiner Übertragungs- und Zeitcharakteristika. Wie Sie sehen können, hat, wenn der Eingangssignalpegel Uin niedriger als der untere Schwellenwert Ufor.n ist, der Schmitt-Triggerausgang dementsprechend auch einen niedrigen Spannungspegel U0 nahe Null.

Beim Erhöhen der Spannung des Eingangssignals Uin erreicht sein Wert zuerst die untere Grenze des Hysteresebereichs Uпор.н, die untere Schwelle, während der Ausgang wie zuvor nichts ändert. Und selbst wenn die Eingangsspannung Uin in den Hysteresebereich geht und sich einige Zeit darin befindet, passiert am Ausgang nichts - der Ausgang ist immer noch eine niedrige Spannung U0.

Sobald jedoch der Pegel der Eingangsspannung Uin mit der oberen Schwelle des Hysteresebereichs Ufor.in (Antwortbereich) verglichen wird, springt der Triggerausgang in den Zustand eines Hochspannungspegels U1. Wenn die Eingangsspannung Uin weiter ansteigt (innerhalb der für die Mikroschaltung zulässigen Grenzen), ändert sich die Ausgangsspannung Uout nicht mehr, da einer von zwei stabilen Zuständen erreicht ist - ein hoher Pegel von U1.

Nehmen wir nun an, die Eingangsspannung Uin begann abzunehmen. Bei der Rückkehr in den Hysteresebereich treten am Ausgang keine Änderungen auf, der Pegel ist immer noch hoch U1. Sobald jedoch die Spannung des Eingangssignals Uin gleich der unteren Grenze des Hysteresebereichs Uпн.н ist, springt der Schmitt-Triggerausgang in den Zustand mit einem niedrigen Spannungspegel U0. Darauf basiert die Arbeit des Schmitt-Triggers.

Manchmal erweisen sich Schmitt-Trigger als nützlich, wenn das Logikelement „I“ im Mikrokreis implementiert ist und der Wechselrichter „NOT“ am Ausgang installiert ist (Schmitt-Invertierungs-Trigger).In diesem Fall sieht die Übertragungscharakteristik umgekehrt aus: Wenn die Spannung die Obergrenze des Hysteresebereichs überschreitet, erscheint am Ausgang des Schmitt-Triggers ein niedriger Pegel, und wenn sie unter den Hysteresebereich zurückkehrt, erscheint am Ausgang ein hoher Pegel. Dies ist praktisch ein UND-NICHT-Element mit Hysterese.

Schmitt Trigger kann montiert werden und an einem Operationsverstärker (Operationsverstärker). Schauen wir uns eine der Optionen für die allgemeine Implementierung an. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist geerdet und das Eingangssignal wird über den Widerstand R1 dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt. Der Ausgang des Operationsverstärkers entlang der Rückkopplungskette über den Widerstand R2 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Die rechteckige Spannung wird vom Operationsverstärkerausgang entfernt.

Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers wird traditionell durch die Formel Uout = K * Ua bestimmt. Normalerweise ist Uout.max gleich der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers (bezeichnen wir sie mit Buche E), und K ist die Verstärkung des Operationsverstärkers und liegt in der Größenordnung von 1.000.000. Die Ausgangsspannung kann von + E bis -E variieren. Wir werden hier nicht auf bestimmte Details eingehen, und um das Verständnis zu vereinfachen, betrachten wir ein anschauliches Beispiel, bei dem der Eingangswiderstand und der Widerstand in der Rückkopplungsschaltung gleich sind: R1 = R2.

Also ganz am Anfang, wenn Uin = 0, also Ua = 0, dann Uout = 0, da die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers die Spannung an seinem invertierenden Eingang nicht überschreitet.

Wenn jetzt Uvh leicht erhöht wird, wird auch Ua leicht erhöht. Dann steigt Uout signifikant an (entsprechend dem Wert von K), da die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers die Spannung an seinem invertierenden Eingang überschreitet, der, wie wir entschieden haben, geerdet ist. Aufgrund der Tatsache, dass der Punkt Ua zwischen den gemäß dem obigen Diagramm angeschlossenen Widerständen liegt, steigt die Spannung am Punkt Ua signifikant an, wird ungefähr Uout / 2 und aufgrund der Lawine positiver Rückkopplung eine stabile Spannung Uout (gleich der Versorgungsspannung) OS = E). Somit ging der Operationsverstärker in einen stabilen Zustand mit einem hohen Ausgangsspannungspegel über. Darüber hinaus ist Ua = (E + Uin) / 2.

Wenn wir in diesem Zustand beginnen, Uin zu reduzieren, dann gibt es am Punkt Ua, selbst wenn es gleich Null wird, am Punkt Ua immer noch E / 2, und am Ausgang des Operationsverstärkers gibt es immer noch eine Hochspannungsspannung Uout = E.

Erst wenn Uin gleich -E wird, wird Ua gleich Null und der Operationsverstärkerausgang geht in einen Zustand mit einem niedrigen Spannungspegel (-E) über. In diesem Fall tritt erneut eine Rückkopplungslawine auf - jetzt Uout = -E, Ua = (Uin-E) / 2, und dies ist viel niedriger als am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Der Trigger ist in einen stationären Zustand mit niedrigem Ausgangspegel eingetreten. Damit der Operationsverstärkerausgang jetzt in einen hohen Zustand zurückkehrt, muss Uin wieder gleich E werden, was eine weitere Rückkopplungslawine verursacht. Die Rückkehr zum Nullpunkt erfolgt nicht mehr.