Schmitt Trigger: Co to je a jak funguje?

Pole: Základní elektrotechnika

China

Co je Schmitt Trigger?

Schmitt Trigger je srovnávací obvod s hysterézí implementovanou aplikací kladné zpětné vazby na neinverzní vstup srovnávače nebo diferenciálního posilovače. Schmitt Trigger používá dva různé prahové úrovně napětí pro odstranění šumu ve vstupním signálu. Tento dvojprahový mechanismus se nazývá hysteréza.

Schmitt Trigger byl vynalezen americkým vědcem Otto H Schmittem v roce 1934.

Normální srovnávač obsahuje pouze jeden prahový signál a porovnává tento prahový signál s vstupním signálem. Pokud však vstupní signál obsahuje šum, může to ovlivnit výstupní signál. a schmitt trigger.png

V následujícím obrázku, kvůli šumu v místech A a B, vstupní signál (V1) překračuje hranici referenčního signálu (V2). Během tohoto období je V1 nižší než V2 a výstup je nízký.

Tedy výstup srovnávače je ovlivněn šumem v vstupním signálu a srovnávač není chráněn před šumem.

Slovo „trigger“ v názvu „Schmitt Trigger“ pochází z faktu, že výstup udržuje svou hodnotu, dokud se vstup nedostatečně změní, aby „spustil“ změnu.

Jak funguje Schmitt Trigger?

Schmitt Trigger poskytuje správné výsledky i tehdy, pokud je vstupní signál šumivý. Používá dvě prahové napětí; jedno je horní prahové napětí (VUT) a druhé je spodní prahové napětí (VLT).

Výstup Schmitt Triggeru zůstává nízký, dokud vstupní signál nepřekročí VUT. Jakmile vstupní signál překročí tuto hranici VUT, výstupní signál Schmitt Triggeru zůstává vysoký, dokud vstupní signál není pod úrovní VLT.

Pojďme si ukázat funkci Schmitt Triggeru na příkladu. Předpokládejme, že počáteční vstup je nulový.

Efekt šumu s Schmittovým přepínačem

Zde jsme předpokládali, že počáteční vstupní signál je nulový a postupně roste, jak je znázorněno na obrázku výše.

Výstupní signál Schmittova přepínače zůstává nízký až do bodu A. V bodě A vstupní signál překročí hranici horního prahu (VUT) a vygeneruje vysoký výstupní signál.

Výstupní signál zůstává vysoký až do bodu B. V bodě B vstupní signál klesne pod dolní prah a to způsobí, že výstupní signál se stane nízkým.

A opět, v bodě C, když vstupní signál překročí horní prah, výstupní signál se stane vysokým.

V této situaci můžeme vidět, že vstupní signál obsahuje šum. Avšak tento šum neovlivňuje výstupní signál.

Obvod Schmittova přepínače

Obvod Schmittova přepínače využívá pozitivní zpětnou vazbu. Proto je tento obvod také znám jako regenerační porovnávací obvod. Obvod Schmittova přepínače lze navrhnout pomocí Operacionálního zesilovače a Tranzistoru. A třídí se jako:

Obvod Schmittova přepínače založený na operacionálním zesilovači
Obvod Schmittova přepínače založený na tranzistoru

Obvod Schmittova přepínače založený na operacionálním zesilovači

Obvod Schmittova přepínače lze navrhnout pomocí operacionálního zesilovače dvěma způsoby. Pokud je vstupní signál připojen k inverznímu vstupu operacionálního zesilovače, nazývá se Inverzní Schmittův přepínač. Pokud je vstupní signál připojen k neinverznímu vstupu operacionálního zesilovače, nazývá se Neinverzní Schmittův přepínač.

Inverzní Schmittův přepínač

V tomto typu spínacího obvodu Schmitt je vstup přiveden na inverzní vstup operátoru. A kladný zpětný vazební signál je přiveden od výstupu zpět na vstup.

Nyní si ukážeme, jak tento obvod funguje. V bodě A je napětí V a aplikované napětí (vstupní napětí) je Vin. Pokud je aplikované napětí Vin vyšší než V, bude výstup obvodu nízký. Pokud je aplikované napětí Vin nižší než V, bude výstup obvodu vysoký.

$V_{in} > V \quad V_{out} = V_L$

$V_{in} < V \quad V_{out} = V_H$

Nyní spočítáme rovnici pro V.

Použitím Kirchhoffova zákona o toku proudu (KCL),

$\frac{V-0}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V (\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{out}$

Nyní předpokládejme, že výstup Schmittova spínače je vysoký. V této podmínce,

$V_{out} = V_H \quad and \quad V=V_1$

Tedy z výše uvedené rovnice;

$V_1 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

Když je signál vstupu větší než V1, výstup Schmittova spínače se stane nízký. Tedy V1 je horní prahové napětí (VUT).

$V_{UT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

Výstup zůstane nízký, dokud není signál vstupu menší než V. Když je výstup Schmittova spínače nízký, v této situaci,

$V_{out} = V_L \quad and \quad V=V_2$

$V_2 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

Nyní zůstává výstup vysoký, dokud je signál na vstupu menší než V2. Proto se V2 nazývá dolní prahové napětí (VLT).

$V_{LT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

Nevyvracející Schmittův spouštěč

U nevyvracejícího Schmittova spouštěče se signál aplikuje na nevyvracející terminál operačního zesilovače. Kladná zpětná vazba je aplikována od výstupu k vstupu. Vyvracející terminál operačního zesilovače je spojen s zemí. Schematický obrazec nevyvracejícího Schmittova spouštěče je znázorněn níže.

V tomto obvodu bude výstup Schmittova spouštěče vysoký, pokud je napětí V větší než nula. Výstup bude nízký, pokud je napětí V menší než nula.

$V>0 , V_{out} = V_H$

$V<0 , V_{out} = V_L$

Nyní najděme rovnici pro napětí V. Pro to použijeme KCL v tomto uzlu.

$\frac{V-V_{in}}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} - \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V \left(\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2} \right) = \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{out}$

Nyní předpokládejme, že výstup operačního zesilovače je nízký. Tedy, výstupní napětí Schmittového spínacího obvodu je VL. A napětí V je rovno V1.

V této situaci,

$V_{out} = V_L \quad and \quad V = V_1$

Z výše uvedené rovnice,

$V_1 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

Když je napětí V1 větší než nula, bude výstup vysoký. V této podmínce,

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} > - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

$V_{in} > -\frac{R_1}{R_2} V_L$

Když je tato podmínka splněna, bude výstup vysoký. Tedy, tato rovnice dává hodnotu horního prahového napětí (VUT).

$V_{UT} = - \frac{R_1}{R_2} V_L$

Nyní předpokládejme, že výstup Schmittova spínače je vysoký. A napětí V je rovno V2.

$V_{out} = V_H \quad and \quad V = V_2$

Z rovnice pro napětí V.

$V2 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

Výstup Schmittova spínače se stane nízkým, když je napětí V2 menší než nula. V této podmínce,

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} < - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

$\[ V_{in} < -\frac{R_1}{R_2} V_H$

Výše uvedená rovnice dává hodnotu dolního prahového napětí (VLT).

$V_{LT} = -\frac{R_1}{R_2} V_H$

Schmittův spínač založený na tranzistorech

Schmittův spínač lze navrhnout s využitím dvou tranzistorů. Schéma Schmittova spínače založeného na tranzistorech je uvedeno v následujícím obvodu.

Vin = vstupní napětí
Vref = referenční napětí = 5V

Předpokládejme, že na začátku je vstupní napětí Vin nulové. Vstupní napětí je přivedeno na bází tranzistoru T1. V této situaci tedy tranzistor T1 funguje v regionu odříznutí a zůstává nevedoucí.

Va a Vb jsou uzlová napětí. Referenční napětí je 5V. Proto můžeme vypočítat hodnoty Va a Vb pomocí pravidla dělení napětí.

Napětí Vb je předáno na bází tranzistoru T2. A toto napětí činí 1,98 V. Proto tranzistor T2 vede proud. A kvůli tomu je výstup Schmittova spínacího obvodu nízký. Pád napětí na emitoru je přibližně 0,7 V. Takže napětí na bázi tranzistoru činí 1,28 V.

Emitor tranzistoru T2 je spojen s emitořem tranzistoru T1. Proto oba tranzistory pracují na stejné úrovni 1,28 V.

To znamená, že tranzistor T1 bude fungovat, když je vstupní napětí 0,7 V nad 1,28 V nebo více než 1,98 V (1,28 V + 0,7 V).

Teď zvýšíme vstupní napětí nad 1,98 V a tranzistor T1 začne vést proud. To způsobí pád napětí na bázi tranzistoru T2 a ten bude odpojen. A kvůli tomu bude výstup Schmittova spínacího obvodu vysoký.

Vstupní napětí začne klesat. Tranzistor T1 bude odpojen, když bude vstupní napětí 0,7 V nižší než 1,98 V, což je 1,28 V. V této podmínce tranzistor T2 získá dostatečné napětí ze zdroje referenčního napětí a zapne se. To způsobí, že výstup Schmittova spínacího obvodu bude nízký.

Tedy v této podmínce máme dvě hranice, nižší hranici 1,28 V a vyšší hranici 1,98 V.

Oscilátor Schmittova spínacího obvodu

Schmittův spínací obvod lze použít jako oscil l átor tím, že se připojí jedna integrovaná obvodová součástka RC. Schéma oscilátoru Schmittova spínacího obvodu je znázorněno na následujícím obrázku.

Výstup obvodu je spojitý čtvercový signál. Frekvence tohoto signálu závisí na hodnotách R, C a prahovém bodu Schmitt Triggeru.

$f = \frac{k}{RC}$

Kde k je konstanta a pohybuje se v rozmezí od 0,2 do 1.

CMOS Schmitt Trigger

Jednoduchý inverzní obvod dává opačný výstupní signál oproti vstupnímu signálu. Například, pokud je vstupní signál vysoký, výstupní signál pro jednoduchý inverzní obvod bude nízký. Pokud však vstupní signál obsahuje špičky (šum), výstupní signál na tyto špičky reaguje. To nechceme. Proto se používá CMOS Schmitt trigger.

Tvar signálu jednoduchého inverzního obvodu

V prvním tvaru signálu nemá vstupní signál žádný šum. Proto je výstup perfektní. V druhém obrázku má vstupní signál nějaký šum. Výstup reaguje i na tento šum. Abychom toto zabránili, používáme CMOS Schmitt trigger.

Následující schéma ukazuje konstrukci CMOS Schmitt triggeru. CMOS Schmitt Trigger se skládá ze 6 tranzistorů, včetně PMOS a NMOS tranzistorů.

Nejprve musíme vědět, co jsou PMOS a NMOS tranzistory. Symboly PMOS a NMOS tranzistorů jsou na následujícím obrázku.

NMOS tranzistor přivodí proud, když VG je větší než VS nebo VD. PMOS tranzistor přivodí proud, když VG je menší než VS nebo VD. V CMOS Schmitt triggeru jsou do jednoduchého inverzního obvodu přidány jeden PMOS a jeden NMOS tranzistor.

V prvním případě je vstupní napětí vysoké. V této podmínce je tranzistor PN zapnutý a tranzistor NN vypnutý. Tím se vytvoří cesta k zemi pro uzel A. Proto bude výstup CMOS Schmittova spínače nulový.

Ve druhém případě je vstupní napětí vysoké. V této podmínce je tranzistor NN zapnutý a tranzistor PN vypnutý. Tím se vytvoří cesta k napětí VDD (vysoké) pro uzel B. Proto bude výstup CMOS Schmittova spínače vysoký.

Aplikace Schmittova spínače

Aplikace Schmittova spínače jsou následující.

Schmittův spínač se používá k převodu sinusových a trojúhelníkových vln na čtvercové vlny.
Nejdůležitější použití Schmittových spínačů je odstranění šumu v digitálních obvodech.
Používá se také jako generátor funkcí.
Je využíván k implementaci oscilátoru.
Schmittovy spínače s RC obvodem se používají k deprekací tlačítek.

Zdroj: Electrical4u.

Poznámka: Respektujte originál, dobré články stojí za sdílení, pokud dojde k porušení autorských práv, obraťte se prosím na nás pro odstranění.

Dát spropitné a povzbudit autora

Témata:

Teorie obvodů

Trigger Schmittova hranice

O odbornících

Electrical4u

China