Schmitt-trigger - algemeen beeld

Tijdens het ontwerp van het pulscircuit heeft de ontwikkelaar mogelijk een drempelapparaat nodig dat een zuiver rechthoekig signaal kan vormen met bepaalde waarden van hoge en lage spanningsniveaus uit het ingangssignaal van een niet-rechthoekige vorm (bijvoorbeeld zaagtand of sinusoïdaal).

De Schmitt-trigger, een circuit met een paar stabiele uitgangstoestanden, die onder invloed van het ingangssignaal elkaar in een sprong vervangen, past goed, dat wil zeggen dat de uitgang een rechthoekig signaal is.

Een karakteristiek kenmerk van de Schmitt-trigger is de aanwezigheid van een bepaald bereik tussen de spanningsniveaus voor het ingangssignaal, wanneer de uitgangsspanning van het ingangssignaal bij de uitgang van deze trigger wordt omgeschakeld van een laag naar een hoog niveau en vice versa.

Deze eigenschap van de Schmitt-trigger wordt hysterese genoemd en het gedeelte van de karakteristiek tussen de drempelinvoerwaarden wordt het hysteresisgebied genoemd. Het verschil tussen de bovenste en onderste drempelwaarde voor de Schmitt-trigger-ingang bepaalt de breedte van het hysteresisgebied, dat dient als een maat voor de gevoeligheid van de trigger. Hoe breder het hysteresisgebied - hoe minder gevoelig de Schmitt-trigger, hoe smaller het hysteresisgebied - hoe hoger de gevoeligheid.

Schmitt-triggers zijn beschikbaar in de vorm van gespecialiseerde microschakelingen, waarbij meerdere afzonderlijke triggers tegelijkertijd in één behuizing kunnen worden geplaatst. Dergelijke microschakelingen hebben een bepaalde genormaliseerde schakeldrempel en geven steile fronten aan de uitgang, ondanks het ingangssignaal dat verre van een rechthoekige vorm is. Bovendien kan de Schmitt-trigger ook worden gebouwd op basis van logische elementen, in welk geval de ontwikkelaar de mogelijkheid heeft om de breedte van het hysteresisgebied van zijn drempelapparaat zeer nauwkeurig in te stellen en aan te passen.

Besteed aandacht aan de figuur en bekijk het principe van de Schmitt-trigger nader.

Hier is een schematische illustratie van een trigger-element, evenals de overdrachts- en tijdseigenschappen. Zoals u kunt zien, wanneer het ingangssignaalniveau Uin lager is dan de onderste drempelwaarde Ufor.n, heeft de Schmitt trigger-uitgang dienovereenkomstig ook een laag spanningsniveau U0 bijna nul.

In het proces van het verhogen van de spanning van het ingangssignaal Uin, bereikt de waarde ervan eerst de ondergrens van het hysteresisgebied Uпор.н, de onderste drempel, terwijl de uitgang, zoals eerder, niets verandert. En zelfs wanneer de ingangsspanning Uin het hysteresisgebied binnengaat en er enige tijd in zit, gebeurt er niets aan de uitgang - de uitgang is nog steeds laag niveau spanning U0.

Maar zodra het niveau van de ingangsspanning Uin wordt vergeleken met de bovenste drempelwaarde van het hysteresisgebied Ufor.in (responsgebied), springt de triggeruitgang in de toestand van een hoogspanningsniveau U1. Als de ingangsspanning Uin verder blijft stijgen (binnen de limieten die zijn toegestaan ​​voor de microschakeling), zal de uitgangsspanning Uout niet meer veranderen, omdat een van de twee stabiele toestanden wordt bereikt - een hoog niveau van U1.

Laten we nu zeggen dat de ingangsspanning Uin begon te dalen. Bij terugkeer naar het hysteresisgebied zijn er geen wijzigingen aan de uitgang; het niveau is nog steeds hoog U1. Maar zodra de spanning van het ingangssignaal Uin gelijk is aan de ondergrens van het hysteresisgebied Uпн.н - springt de Schmitt-triggeruitgang in de toestand met een laag spanningsniveau U0. Het werk van de Schmitt-trigger is hierop gebaseerd.

Soms blijken Schmitt-triggers nuttig te zijn, waarbij het logische element "I" in de microschakeling is geïmplementeerd en de omvormer "NIET" aan de uitgang is geïnstalleerd (Schmitt omkerende trigger).In dit geval zal de overdrachtskarakteristiek omgekeerd kijken: wanneer de spanning de bovengrens van het hysteresisgebied overschrijdt, verschijnt een laag niveau aan de uitgang van de Schmitt-trigger en wanneer deze terugkeert onder het hysteresisgebied, verschijnt een hoog niveau aan de uitgang. Dit is praktisch een EN-NIET-element met hysterese.

Schmitt trigger kan worden geassembleerd en op een operationele versterker (op amp). Laten we een van de opties voor de implementatie ervan in algemene termen bekijken. De inverterende ingang van de op-amp is geaard en het ingangssignaal wordt via de weerstand R1 naar de niet-inverterende ingang van de op-amp geleid. De uitgang van de op-amp langs de terugkoppelketen door de weerstand R2 is verbonden met de niet-inverterende ingang van de op-amp. Rechthoekige spanning wordt verwijderd van de op-amp-uitgang.

De spanning aan de uitgang van de operationele versterker wordt traditioneel bepaald door de formule Uout = K * Ua. Gewoonlijk is Uout.max gelijk aan de voedingsspanning van de op-amp (laten we het aangeven met beuken E), en K is de opamp-versterking, deze is in de orde van 1.000.000. De uitgangsspanning kan variëren van + E tot -E. Hier zullen we niet ingaan op bepaalde details, en om het begrip te vereenvoudigen, zullen we een levendig voorbeeld overwegen waarbij de ingangsweerstand en de weerstand in het feedbackcircuit gelijk zijn aan elkaar: R1 = R2.

Dus, in het begin, wanneer Uin = 0, dus Ua = 0, dan Uout = 0, omdat de spanning op de niet-inverterende ingang van de op-amp de spanning op zijn inverterende ingang niet overschrijdt.

Als nu Uvh iets wordt verhoogd, dan zal Ua ook licht toenemen. Dan zal Uout aanzienlijk toenemen (in overeenstemming met de waarde van K), omdat de spanning op de niet-inverterende ingang van de op-amp de spanning op de inverterende ingang zal overschrijden, die, zoals we besloten hebben, geaard is. Dan, vanwege het feit dat het punt Ua zich tussen de weerstanden bevindt die zijn verbonden volgens het bovenstaande diagram, zal op het punt Ua de spanning aanzienlijk toenemen, het wordt ongeveer Uout / 2, en vanwege de lawine van positieve feedback, een stabiele spanning Uout (gelijk aan de voedingsspanning OS = E). Aldus ging de op-amp in een stabiele toestand met een hoog uitgangsspanningsniveau. Bovendien, Ua = (E + Uin) / 2.

Als we in deze toestand Uin beginnen te verminderen, zelfs wanneer deze gelijk wordt aan nul, dan zal er op het punt Ua nog E / 2 zijn en aan de uitgang van de op-amp zal er nog steeds een hoog niveau spanning Uout = E. zijn.

Alleen wanneer Uin gelijk wordt aan -E, wordt alleen Ua gelijk aan nul en gaat de op-amp-uitgang naar een toestand met een laag spanningsniveau (-E). In dit geval zal er weer een feedbacklawine ontstaan ​​- nu Uout = -E, Ua = (Uin-E) / 2, en dit is veel lager dan bij de niet-inverterende ingang van de op-amp. De trigger is in een stabiele toestand met een laag uitgangsniveau gekomen. Om de uitgang van de op-amp nu te laten terugkeren naar een hoge status, is het noodzakelijk dat Uin weer gelijk wordt aan E, wat een nieuwe lawine van feedback zal veroorzaken. Terug naar het nulpunt zal niet langer plaatsvinden.