Schmitt Trigger: Hvad er det, og hvordan fungerer det?

Felt: Grundlæggende elektricitet

China

Hvad er en Schmitt Trigger?

En Schmitt Trigger er en sammenligningskreds med hystereese, der implementeres ved at anvende positiv feedback til den ikke-inverterende indgang på en sammenligner eller differential forstærker. En Schmitt Trigger bruger to forskellige terskel spænding niveauer for at undgå støj i inputsignalet. Handlingen fra denne dobbelte terskel kaldes hystereese.

Schmitt Trigger blev opfundet af den amerikanske videnskmand Otto H Schmitt i 1934.

Den normale sammenligner indeholder kun ét terskel-signal. Og den sammenligner terskel-signalet med et input-signal. Men, hvis input-signalet har støj, kan det påvirke output-signalet. a schmitt trigger.png

I ovenstående figur krydser input-signalet (V1) pga. støj ved placeringerne A og B nivået af referencesignalet (V2). Under denne periode er V1 mindre end V2, og outputtet er lavt.

Derfor påvirkes outputtet af sammenligner af støj i input-signalet. Og sammenligner er ikke beskyttet mod støj.

"Trigger" i navnet "Schmitt Trigger" kommer af, at outputtet beholder sin værdi, indtil inputtet varierer tilstrækkeligt for at "trigger" en ændring.

Hvordan fungerer en Schmitt Trigger?

Schmitt Trigger giver korrekte resultater, selvom input-signalet er støjende. Den bruger to terskel-spændinger; den ene er den øvre terskel-spænding (VUT) og den anden er den nedre terskel-spænding (VLT).

Outputtet fra Schmitt Trigger forbliver lavt, indtil input-signalet krydser VUT. Når input-signalet krydser denne grænse VUT, forbliver output-signalet højt, indtil input-signalet er under niveauet af VLT.

Lad os forstå arbejdet med Schmitt Trigger med et eksempel. Her antager vi, at det initiale input er nul.

Støj effekt med Schmitt Trigger

Her har vi antaget, at den initielle input-signal er nul og stiger gradvist, som vist på figuren ovenfor.

Udgangssignalet fra Schmitt trigger forbliver lavt indtil punkt A. I punkt A krydser input-signalet niveauet for det øvre tærskel (VUT) og skaber et højt udgangssignal.

Udgangssignalet forbliver højt indtil punkt B. I punkt B krydser input-signalet under det nedre tærskel. Dette gør udgangssignalet lavt.

Og igen, i punkt C, når input-signalet krydser over det øvre tærskel, bliver udgangen høj.

Under disse omstændigheder kan vi se, at input-signalet er støjende. Men støj påvirker ikke udgangssignalet.

Schmitt Trigger Kredsløb

Schmitt trigger-kredsløbet bruger positiv feedback. Derfor kaldes dette kredsløb også for regenerativ sammenligningskreds. Schmitt Trigger-kredsløbet kan designes med hjælp fra Op-Amp og Transistor. Og det inddeles som følgende:

Op-amp baseret Schmitt trigger
Transistor baseret Schmitt trigger

Op-Amp baseret Schmitt Trigger

Schmitt trigger-kredsløbet kan designes ved hjælp af Op-Amp på to måder. Hvis input-signalet er forbundet til inverterende terminalen på Op-Amp, kaldes det Inverterende Schmitt Trigger. Og hvis input-signalet er forbundet til den ikke-inverterende terminal på Op-Amp, kaldes det Ikke-inverterende Schmitt Trigger.

Inverterende Schmitt Trigger

I denne type Schmitt-trigger gives inputtet ved inverteringsindgangen på forstærkeren. Og der er positiv feedback fra output til input.

Lad os nu forstå, hvordan denne kredsløb fungerer. Ved punkt A er spændingen V, og det anvendte spænding (inputspænding) er Vin. Hvis den anvendte spænding Vin er større end V, vil outputtet af kredsløbet være lavt. Og hvis den anvendte spænding Vin er mindre end V, vil outputtet af kredsløbet være højt.

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

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

Nu, beregn ligningen for V.

Ved at anvende Kirchhoffs strømlaw (KCL),

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

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

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

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

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

Lad os nu antage, at udgangen fra Schmitt-triggeret er høj. I denne situation

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

Så, fra den ovenstående ligning;

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

Når inputsignalet er større end V1, vil udgangen af Schmitt-triggeret blive lav. Derfor er V1 en øvre tærskelspænding (VUT).

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

Udgangen vil forblive lav, indtil inputsignalet er mindre end V. Når udgangen af Schmitt-triggeret er lav, i denne situation,

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

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

Nu er outputtet højt, indtil inputsignalet er mindre end V2. Derfor kaldes V2 for en lav terskelspænding (VLT).

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

Ikke-inverterende Schmitt-trigger

I ikke-inverterende Schmitt-trigger anvendes inputsignalet på den ikke-inverterende terminal af Op-Amp. Positiv feedback anvendes fra output til input. Den inverterende terminal af Op-Amp er forbundet til jordterminalen. Kredsløbsdiagrammet for ikke-inverterende Schmitt-trigger vises nedenfor.

I denne kredsløb vil outputtet fra Schmitt-trigger være højt, når spændingen V er større end nul. Og outputtet vil være lavt, når spændingen V er mindre end nul.

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

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

Lad os nu finde ligningen for spændingen V. For det gør vi ved at anvende KCL på den node.

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

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

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

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

Antag nu, at outputtet fra Op-Amp er lavt. Derfor er udgangsspændingen for Schmitt-triggeren VL. Og spændingen V er lig med V1.

Under disse omstændigheder,

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

Fra den ovenstående ligning,

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

Når spændingen V1 er større end nul, vil udgangen være høj. Under denne betingelse,

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

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

Når ovenstående betingelse er opfyldt, vil udgangen være høj. derfor giver denne ligning værdien af den øvre tærskelspænding (VUT).

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

Antag nu, at udgangen fra Schmitt-triggeret er høj. Og spændingen V er lig med V2.

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

Fra spændingsligningen V.

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

Output fra Schmitt-triggeren bliver lav, når spændingen V2 er mindre end nul. Under denne betingelse,

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

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

Den ovenstående ligning giver værdien af den nedre terskelspænding (VLT).

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

Transistor baseret Schmitt Trigger

Schmitt trigger-kredsløbet kan designes med hjælp fra to transistorer. Kredsløbsdiagrammet for den transistorbaserede Schmitt trigger vises i nedenstående kredsløb.

Vin = indgangsspænding
Vref = Referensespænding = 5V

Lad os antage, at ved starten er en indgangsspænding Vin nul. Indgangsspændingen gives til basen af transistor T1. Derfor opererer transistor T1 i afskæringsoverfladen og bliver ikkeledende.

Va og Vb er knudepunktsspændinger. Referensespændingen er givet som 5V. Så kan vi beregne værdien af Va og Vb ved hjælp af spændingsdelelser.

Spændingen Vb gives til basen af transistor T2. Og den er 1,98V. Derfor er transistor T2 i konduktions tilstand. På grund af dette, er udgangen fra Schmitt trigger lav. Faldet ved emitteren er omkring 0,7V. Så spændingen ved basen af transistoren er 1,28V.

Emitteren af transistor T2 er forbundet med emitteren af transistor T1. Derfor opererer begge transistorer på samme niveau på 1,28V.

Det betyder, at transistor T1 vil operere, når indgangsspændingen er 0,7V over 1,28V eller mere end 1,98V (1,28V + 0,7V).

Nu øger vi indgangsspændingen mere end 1,98V, og transistor T1 vil starte at konduere. Dette forårsager et fald i basens spænding af transistor T2 og det vil skære af transistor T2. På grund af dette, er udgangen fra Schmitt trigger høj.

Indgangsspændingen starter med at falde. Transistor T1 vil skæres af, når indgangsspændingen er 0,7V under 1,98V, og det er 1,28V. I denne situation, får transistor T2 tilstrækkelig spænding fra referencespændingen, og den vil tændes. Dette gør udgangen fra Schmitt trigger lav.

Derfor har vi i denne situation to terskler, en lav terskel på 1,28V og en høj terskel på 1,98V.

Schmitt Trigger Oscillator

Schmitt Trigger kan bruges som en oscil l ator ved at forbinde en enkelt RC-integreret kredsløb. Kredssløjdsdiagrammet for Schmitt trigger oscillator er vist nedenfor.

Kredsløbets output er en kontinuerlig firkantbølge. Bølgens frekvens afhænger af værdien af R, C og tærskelpunktet for Schmitt Trigger.

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

Hvor k er en konstant, der ligger mellem 0,2 og 1.

CMOS Schmitt Trigger

Et simpelt signalinverteringskredsløb giver et modsat udgangssignal fra indgangssignalet. For eksempel, hvis indgangssignalet er højt, vil udgangssignalet være lavt for et simpelt inverteringskredsløb. Men hvis indgangssignalet har støj (spidser), vil udgangssignalet reagere på disse spidser. Dette ønsker vi ikke. Derfor bruges CMOS Schmitt trigger.

Bølgeform for et simpelt signalinverteringskredsløb

I den første bølgeform har indgangssignalet ingen støj. Derfor er udgangen perfekt. Men i den anden figur har indgangssignalet nogle støj. Udgaenderne reagerer også på denne støj. For at undgå dette bruges CMOS Schmitt trigger.

Nedenstående kredsløbsdiagram viser opbygningen af CMOS Schmitt trigger. CMOS Schmitt Trigger består af 6 transistorer, herunder PMOS og NMOS transistorer.

Først skal vi vide, hvad PMOS og NMOS transistorer er? Symbolerne for PMOS og NMOS transistorer er vist i nedenstående figur.

NMOS transistor leder, når VG er større end VS eller VD. Og PMOS transistor leder, når VG er mindre end VS eller VD. I CMOS Schmitt trigger er en PMOS og en NMOS transistor tilføjet til et simpelt inverteringskredsløb.

I det første tilfælde er indgangsspændingen høj. Under denne betingelse er PN-transistoren TIL og NN-transistoren FRA. Det skaber en vej til jord for node-A. Derfor vil udgangen af CMOS Schmitt-triggeren være nul.

I det andet tilfælde er indgangsspændingen høj. Under denne betingelse er NN-transistoren TIL og PN-transistoren FRA. Det vil skabe en vej til spændingen VDD (høj) for node-B. Derfor vil udgangen af CMOS Schmitt-triggeren være høj.

Schmitt Trigger Anvendelser

Anvendelserne af Schmitt-triggeren er som følger.

Schmitt-trigger bruges til at omdanne sinus- og trekantsbølger til firkantbølger.
Den vigtigste anvendelse af Schmitt-triggerne er at fjerne støj i digitale kredsløb.
Den bruges også som funktionsgenerator.
Den anvendes til at implementere en oscillator.
Schmitt-trigger sammen med RC-kredsløb bruges til switch debouncing.

Kilde: Electrical4u.

Erklæring: Respekter det originale, godt indhold er værd at dele. Hvis der er overtrædelse, kontakt venligst for sletning.

Giv en gave og opmuntre forfatteren

Emner:

Kredsløbsteori

Schmitt Trigger

Om eksperter

Electrical4u

China