Κίνητρο Schmitt: Τι είναι και πώς λειτουργεί;

Πεδίο: Βασική ηλεκτροτεχνία

China

Τι είναι ένας Schmitt Trigger?

Ένας Schmitt Trigger είναι ένα σύμπλεγμα συγκρίσεων με υστέρηση που υλοποιείται με την εφαρμογή θετικής ανάδρασης στην αντίστροφη είσοδο ενός συγκρίτη ή διαφορικού ενισχυτή. Ο Schmitt Trigger χρησιμοποιεί δύο διαφορετικά κατώφλια εισόδου τάσης για να αποφύγει το θόρυβο στο σήμα εισόδου. Η λειτουργία αυτή με δύο κατώφλια είναι γνωστή ως υστέρηση.

Ο Schmitt Trigger εφηύρθη από τον Αμερικανό επιστήμονα Otto H Schmitt το 1934.

Ο φυσικός συγκρίτης περιέχει μόνο ένα κατώφλιο σήμα. Και συγκρίνει το κατώφλιο σήμα με ένα σήμα εισόδου. Ωστόσο, αν το σήμα εισόδου έχει θόρυβο, μπορεί να επηρεάσει το σήμα εξόδου. a schmitt trigger.png

Στο παραπάνω σχήμα, λόγω του θορύβου στις θέσεις A και B, το σήμα εισόδου (V1) ξεπερνά το επίπεδο του σημείου αναφοράς (V2). Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το V1 είναι μικρότερο από το V2 και το εξαρτημένο είναι χαμηλό.

Επομένως, το εξαρτημένο του συγκρίτη επηρεάζεται από το θόρυβο στο σήμα εισόδου. Και ο συγκρίτης δεν προστατεύεται από το θόρυβο.

Η «διακίνηση» στο όνομα «Schmitt Trigger» προέρχεται από το γεγονός ότι το εξαρτημένο διατηρεί την τιμή του μέχρι το σήμα εισόδου να μεταβάλλεται επαρκώς για να «διακινήσει» μια αλλαγή.

Πώς λειτουργεί ένας Schmitt Trigger?

Ο Schmitt trigger παρέχει σωστά αποτελέσματα ακόμη και αν το σήμα εισόδου είναι θορυβώδες. Χρησιμοποιεί δύο κατώφλια τάσης· το ένα είναι το ανώτερο κατώφλιο τάσης (VUT) και το δεύτερο είναι το κατώτερο κατώφλιο τάσης (VLT).

Το εξαρτημένο του Schmitt trigger παραμένει χαμηλό μέχρι το σήμα εισόδου να ξεπεράσει το VUT. Μόλις το σήμα εισόδου ξεπεράσει αυτό το όριο VUT, το εξαρτημένο σήμα του Schmitt trigger παραμένει υψηλό μέχρι το σήμα εισόδου να βρίσκεται κάτω από το επίπεδο του VLT.

Ας κατανοήσουμε τη λειτουργία του Schmitt trigger με ένα παράδειγμα. Υποθέτουμε ότι η αρχική είσοδος είναι μηδέν.

Επίδραση θορύβου με Schmitt Trigger

Εδώ, έχουμε υποθέσει ότι το αρχικό εισερχόμενο σήμα είναι μηδέν και αυξάνεται σταδιακά, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.

Το εξερχόμενο σήμα του Schmitt trigger παραμένει χαμηλό μέχρι το σημείο A. Στο σημείο A, το εισερχόμενο σήμα ξεπερνά το επίπεδο του άνω ορίου (VUT) και δημιουργεί ένα υψηλό εξερχόμενο σήμα.

Το εξερχόμενο σήμα παραμένει υψηλό μέχρι το σημείο B. Στο σημείο B, το εισερχόμενο σήμα ξεπερνά κάτω από το κάτω ορίο. Και αυτό κάνει το εξερχόμενο σήμα χαμηλό.

Και ξανά, στο σημείο C, όταν το εισερχόμενο σήμα ξεπερνά το άνω ορίο, το εξερχόμενο σήμα είναι υψηλό.

Σε αυτή τη συνθήκη, μπορούμε να δούμε ότι το εισερχόμενο σήμα είναι θορυβώδες. Ωστόσο, ο θόρυβος δεν επηρεάζει το εξερχόμενο σήμα.

Κύκλωμα Schmitt Trigger

Το κύκλωμα Schmitt trigger χρησιμοποιεί θετική ανατροφοδότηση. Επομένως, αυτό το κύκλωμα είναι επίσης γνωστό ως κύκλωμα αναγεννητικού συγκριτή. Το κύκλωμα Schmitt Trigger μπορεί να σχεδιαστεί με τη βοήθεια Op-Amp και Transistor. Και κατατάσσεται ως;

Schmitt trigger με βάση Op-amp
Schmitt trigger με βάση Transistor

Schmitt Trigger με βάση Op-Amp

Το κύκλωμα Schmitt trigger μπορεί να σχεδιαστεί με τη χρήση Op-Amp με δύο τρόπους. Αν το εισερχόμενο σήμα είναι συνδεδεμένο στο αντιστροφό σημείο του Op-Amp, είναι γνωστό ως Inverting Schmitt Trigger. Και αν το εισερχόμενο σήμα είναι συνδεδεμένο στο μη αντιστροφό σημείο του Op-Amp, είναι γνωστό ως Non-inverting Schmitt Trigger.

Inverting Schmitt Trigger

Σε αυτόν τον τύπο Schmitt trigger, η είσοδος δίνεται στο αντιστροφό πλάκα του ενισχυτή. Και η θετική ανατροφοδότηση από την έξοδο στην είσοδο.

Τώρα, ας κατανοήσουμε πώς λειτουργεί αυτό το κύκλωμα. Στο σημείο A, η τάση είναι V και η εφαρμοσμένη τάση (τάση εισόδου) είναι Vin. Αν η εφαρμοσμένη τάση Vin είναι μεγαλύτερη από τη V, η έξοδος του κυκλώματος θα είναι χαμηλή. Και αν η εφαρμοσμένη τάση Vin είναι μικρότερη από τη V, η έξοδος του κυκλώματος θα είναι υψηλή.

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

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

Τώρα, υπολογίζουμε την εξίσωση της V.

Εφαρμόζοντας το Κύριο Νόμο του Ρεύματος του Kirchhoff (KCL),

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

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

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

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

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

Τώρα, ας υποθέσουμε ότι η έξοδος του Schmitt trigger είναι υψηλή. Σε αυτή τη συνθήκη,

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

Άρα, από την παραπάνω εξίσωση

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

Όταν το εισερχόμενο σήμα είναι μεγαλύτερο από το V1, η έξοδος του Schmitt trigger γίνεται χαμηλή. Άρα, το V1 είναι η άνω θυρακωτή τάση (VUT).

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

Η έξοδος θα παραμείνει χαμηλή μέχρι το εισερχόμενο σήμα να είναι μικρότερο από το V. Όταν η έξοδος του Schmitt trigger είναι χαμηλή, σε αυτή τη συνθήκη,

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

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

Τώρα, η εξόδος παρέχει υψηλή τιμή μέχρι ο σήμανση είναι λιγότερη από V2. Συνεπώς, το V2 είναι γνωστό ως κατώτερη θερμοκρασία προσαρμογής (VLT).

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

Μη αναστρεφόμενος Μηχανισμός Schmitt

Στον μη αναστρεφόμενο μηχανισμό Schmitt, το σήμα εισόδου εφαρμόζεται στον μη αναστρεφόμενο πίνακα του Op-Amp. Και ισχύει θετική ανάδραση από την έξοδο προς την είσοδο. Ο αναστρεφόμενος πίνακας του Op-Amp συνδέεται με τον πίνακα γης. Το σχεδιαγράμμα του μη αναστρεφόμενου μηχανισμού Schmitt είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Σε αυτό το πλήρες, η έξοδος του μηχανισμού Schmitt θα είναι υψηλή όταν η τάση V είναι μεγαλύτερη από μηδέν. Και η έξοδος θα είναι χαμηλή όταν η τάση V είναι μικρότερη από μηδέν.

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

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

Τώρα, ας βρούμε την εξίσωση της τάσης V. Για αυτό, εφαρμόζουμε το ΚΧΛ σε αυτό το κόμβο.

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

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

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

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

Τώρα, υποθέτουμε ότι η εξόδος του Op-Amp είναι χαμηλή. Επομένως, η εξοδική τάση του Schmitt trigger είναι VL. Και η τάση V είναι ίση με V1.

Σε αυτή τη συνθήκη,

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

Από την παραπάνω εξίσωση,

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

Όταν η τάση V1 είναι μεγαλύτερη από μηδέν, η έξοδος θα είναι υψηλή. Σε αυτή τη συνθήκη,

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

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

Όταν ικανοποιείται η παραπάνω συνθήκη, η έξοδος θα είναι υψηλή. Άρα, αυτή η εξίσωση δίνει την τιμή της κατώτερης ορίου τάσης (VUT).

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

Τώρα υποθέτουμε ότι η έξοδος του Schmitt trigger είναι υψηλή. Και η τάση V είναι ίση με V2.

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

Από την εξίσωση της τάσης V.

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

Η εξόδου του Schmitt trigger θα γίνει χαμηλή όταν η τάση V2 είναι μικρότερη από μηδέν. Σε αυτή τη συνθήκη,

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

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

Η παραπάνω εξίσωση δίνει την τιμή της κατώτερης ορίου έντασης (VLT).

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

Μεταβλητός Schmitt Trigger με βάση τον τρανζίστορ

Ο κύκλος Schmitt trigger μπορεί να σχεδιαστεί με τη βοήθεια δύο τρανζίστορ. Το σχήμα του κυκλώματος Schmitt trigger με βάση τον τρανζίστορ δίνεται στο παρακάτω κύκλωμα.

Vin = εισερχόμενη ένταση
Vref = Παραδεκτή ένταση = 5V

Υποθέτουμε ότι, στην αρχή, η εισερχόμενη ένταση Vin είναι μηδέν. Η εισερχόμενη ένταση δίνεται στη βάση του τρανζίστορ T1. Συνεπώς, σε αυτή τη συνθήκη, ο τρανζίστορ T1 λειτουργεί στην περιοχή κόπης και παραμένει μη συνεκτικός.

Va και Vb είναι οι έντασης σημείων. Η παραδεκτή ένταση είναι 5V. Επομένως, μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή της Va και Vb με τον κανόνα της διαίρεσης της έντασης.

Η τάση Vb δίνεται στη βάση του τρανζιστορ T2. Και είναι 1,98V. Επομένως, ο τρανζιστορ T2 είναι σε συνέχεια. Και λόγω αυτού, η έξοδος του Schmitt trigger είναι χαμηλή. Η πτώση στο εκτροχιστήρα είναι περίπου 0,7V. Έτσι, η τάση στη βάση του τρανζιστορ είναι 1,28V.

Ο εκτροχιστήρας του τρανζιστορ T2 είναι συνδεδεμένος με τον εκτροχιστήρα του τρανζιστορ T1. Συνεπώς, και οι δύο τρανζιστορες λειτουργούν στο ίδιο επίπεδο 1,28V.

Αυτό σημαίνει ότι ο τρανζιστορ T1 θα λειτουργήσει όταν η εισερχόμενη τάση είναι 0,7V πάνω από 1,28V ή περισσότερο από 1,98V (1,28V + 0,7V).

Τώρα, αυξάνουμε την εισερχόμενη τάση περισσότερο από 1,98V, και ο τρανζιστορ T1 θα ξεκινήσει να λειτουργεί. Αυτό προκαλεί την πτώση της τάσης στη βάση του τρανζιστορ T2 και θα αποσυνδεθεί ο τρανζιστορ T2. Και λόγω αυτού, η έξοδος του Schmitt trigger είναι υψηλή.

Η εισερχόμενη τάση ξεκινά να μειώνεται. Ο τρανζιστορ T1 θα αποσυνδεθεί όταν η εισερχόμενη τάση είναι 0,7V λιγότερο από 1,98V και είναι 1,28V. Σε αυτή τη συνθήκη, ο τρανζιστορ T2 παίρνει επαρκή τάση από την αναφορική τάση, και θα ενεργοποιηθεί. Αυτό κάνει την έξοδο του Schmitt trigger χαμηλή.

Επομένως, σε αυτή τη συνθήκη, έχουμε δύο κατώτατα, ένα χαμηλό κατώτατο στα 1,28V και ένα υψηλό κατώτατο στα 1,98V.

Κύκλωμα Ταλαντωτής Schmitt Trigger

Ο Schmitt Trigger μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ταλαντωτής με τη σύνδεση ενός μοναδικού RC κυκλώματος. Το σχήμα του κυκλώματος του Schmitt trigger oscillator είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Η εξόδος του κυκλώματος είναι μια συνεχής τετράγωνη κύμα. Και η συχνότητα του κυματοσχεδίου εξαρτάται από την τιμή του R, C και το σημείο ορίου του Schmitt Trigger.

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

Όπου k είναι μια σταθερά και περιλαμβάνεται μεταξύ 0.2 και 1.

CMOS Schmitt Trigger

Το απλό κύκλωμα αντιστροφής σήματος παράγει ένα αντίθετο εξοδικό σήμα από το εισαγωγικό σήμα. Για παράδειγμα, αν το εισαγωγικό σήμα είναι υψηλό, το εξοδικό σήμα είναι χαμηλό για ένα απλό κύκλωμα αντιστροφής. Αλλά αν το εισαγωγικό σήμα έχει σπάσιμα (θόρυβο), το εξοδικό σήμα θα αντιδράσει σε αυτό το σπάσιμο. Αυτό δεν θέλουμε. Συνεπώς, χρησιμοποιείται ο CMOS Schmitt trigger.

Κύμα του απλού κυκλώματος αντιστροφής σήματος

Στο πρώτο κύμα, το εισαγωγικό σήμα δεν έχει θόρυβο. Οπότε, το εξοδικό σήμα είναι τέλειο. Αλλά στο δεύτερο σχήμα, το εισαγωγικό σήμα έχει κάποιο θόρυβο. Το εξοδικό σήμα αντιδρά επίσης σε αυτόν τον θόρυβο. Για να αποφύγουμε αυτή τη συνθήκη, χρησιμοποιείται ο CMOS Schmitt trigger.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει την κατασκευή του CMOS Schmitt trigger. Ο CMOS Schmitt Trigger αποτελείται από 6 τρανζίστορ, συμπεριλαμβανομένων PMOS και NMOS τρανζίστορ.

Πρώτα, πρέπει να γνωρίσουμε, τι είναι PMOS και NMOS τρανζίστορ. Τα σύμβολα των PMOS και NMOS τρανζίστορ είναι στο παρακάτω σχήμα.

Το NMOS τρανζίστορ διαχειρίζεται όταν το VG είναι μεγαλύτερο από το VS ή VD. Και το PMOS τρανζίστορ διαχειρίζεται όταν το VG είναι μικρότερο από το VS ή VD. Στο CMOS Schmitt trigger, προστίθενται ένα PMOS και ένα NMOS τρανζίστορ σε ένα απλό κύκλωμα αντιστροφής.

Στην πρώτη περίπτωση, η εισαγόμενη τάση είναι υψηλή. Σε αυτή τη συνθήκη, το διάτροφο PN είναι ΑΝΟΙΚΤΟ και το διάτροφο NN είναι ΚΛΕΙΣΤΟ. Και δημιουργεί μια διαδρομή προς τη γη για το κόμβο-A. Συνεπώς, η εξόδος του CMOS Schmitt trigger θα είναι μηδέν.

Στη δεύτερη περίπτωση, η εισαγόμενη τάση είναι χαμηλή. Σε αυτή τη συνθήκη, το διάτροφο NN είναι ΑΝΟΙΚΤΟ και το διάτροφο PN είναι ΚΛΕΙΣΤΟ. Θα δημιουργήσει μια διαδρομή προς την τάση VDD (Υψηλή) για το κόμβο-B. Συνεπώς, η εξόδος του CMOS Schmitt trigger θα είναι υψηλή.

Εφαρμογές Schmitt Trigger

Οι εφαρμογές του Schmitt trigger είναι όπως ακολουθεί.

Το Schmitt trigger χρησιμοποιείται για τη μετατροπή κύκλων ημιτόνου και τριγωνικών κύκλων σε τετραγωνικούς κύκλους.
Η πιο σημαντική χρήση των Schmitt trigger είναι η αφαίρεση θορύβου σε ψηφιακά κύκλωμα.
Χρησιμοποιείται επίσης ως γεννήτρια λειτουργιών.
Χρησιμοποιείται για την εφαρμογή ενός ταλαντωτή.
Το Schmitt trigger με το RC κύκλωμα χρησιμοποιείται για την εξάλειψη των κλίκ σε επιλεκτήρες.

Πηγή: Electrical4u.

Δήλωση: Αξιώματα το αρχικό, καλά άρθρα αξίζει να μοιραστούν, εάν υπάρχει παραβίαση πνευματικών δικαιωμάτων παρακαλώ επικοινωνήστε για διαγραφή.

Δώστε μια δωροδοσία και ενθαρρύνετε τον συγγραφέα

Θέματα:

Θεωρία Κυκλώματος

Τριγγωτή Σχμίτ

Σχετικά με τους εμπειρογνώμονες

Electrical4u

China