Próg Schmitta: Co to jest i jak działa?

Pole: Podstawowe Elektryka

China

Co to jest przekaźnik Schmitta?

Przekaźnik Schmitta to obwód porównawczy z histerezą, zaimplementowany poprzez zastosowanie dodatniej sprzężenia zwrotnego do nieodwracalnego wejścia komparatora lub wzmacniacza różnicowego wzmacniacza. Przekaźnik Schmitta używa dwóch różnych progowych poziomów napięcia, aby uniknąć zakłóceń w sygnale wejściowym. Działanie tego podwójnego progu znane jest jako histereza.

Przekaźnik Schmitta został wynaleziony przez amerykańskiego naukowca Otto H. Schmitta w 1934 roku.

Normalny komparator zawiera tylko jeden sygnał progowy. Porównuje on ten sygnał progowy z sygnałem wejściowym. Jednak, jeśli sygnał wejściowy zawiera zakłócenia, może to wpłynąć na sygnał wyjściowy. a schmitt trigger.png

Na powyższym rysunku, ze względu na zakłócenia w punktach A i B, sygnał wejściowy (V1) przekracza poziom sygnału referencyjnego (V2). W tym okresie V1 jest mniejsze od V2, a sygnał wyjściowy jest niski.

W związku z tym, sygnał wyjściowy komparatora jest wpływany przez zakłócenia w sygnale wejściowym. Komparator nie jest chroniony przed zakłóceniami.

Słowo „trigger” w nazwie „przekaźnik Schmitta” pochodzi stąd, że sygnał wyjściowy zachowuje swoją wartość, dopóki sygnał wejściowy nie zmieni się wystarczająco, aby „wyzwać” zmianę.

Jak działa przekaźnik Schmitta?

Przekaźnik Schmitta daje właściwe wyniki, nawet jeśli sygnał wejściowy jest zakłócony. Używa on dwóch progowych napięć; jedno to górne progiowe napięcie (VUT), a drugie dolne progiowe napięcie (VLT).

Sygnał wyjściowy przekaźnika Schmitta pozostaje niski, dopóki sygnał wejściowy nie przekroczy VUT. Gdy sygnał wejściowy przekroczy ten próg VUT, sygnał wyjściowy przekaźnika Schmitta pozostaje wysoki, dopóki sygnał wejściowy nie spadnie poniżej poziomu VLT.

Rozważmy działanie przekaźnika Schmitta na przykładzie. Załóżmy, że początkowy sygnał wejściowy wynosi zero.

Efekt szumowy z wyzwalaczem Schmitta

Zakładamy, że początkowy sygnał wejściowy wynosi zero i stopniowo zwiększa się, jak pokazano na powyższym rysunku.

Sygnał wyjściowy wyzwalacza Schmitta pozostaje niski do punktu A. W punkcie A sygnał wejściowy przekracza poziom górnej progu (VUT) i generuje wysoki sygnał wyjściowy.

Sygnał wyjściowy pozostaje wysoki do punktu B. W punkcie B sygnał wejściowy spada poniżej dolnego progu, co powoduje, że sygnał wyjściowy staje się niski.

I ponownie, w punkcie C, gdy sygnał wejściowy przekracza górny próg, sygnał wyjściowy jest wysoki.

W tej sytuacji można zauważyć, że sygnał wejściowy jest zakłócony. Jednak zakłócenia nie wpływają na sygnał wyjściowy.

Obwód wyzwalacza Schmitta

Obwód wyzwalacza Schmitta wykorzystuje dodatnią sprzężenie zwrotne. Dlatego ten obwód jest również znany jako obwód regeneracyjny porównawczy. Obwód wyzwalacza Schmitta można zaprojektować przy użyciu Operacyjnika i Tranzystora. I jest klasyfikowany jako:

Wyzwalacz Schmitta oparty na operacyjniku
Wyzwalacz Schmitta oparty na tranzystorze

Wyzwalacz Schmitta oparty na operacyjniku

Obwód wyzwalacza Schmitta można zaprojektować za pomocą operacyjnika na dwa sposoby. Jeśli sygnał wejściowy jest podłączony do inwertującego wejścia operacyjnika, nazywany jest Inverting Schmitt Trigger. A jeśli sygnał wejściowy jest podłączony do nieinwertującego wejścia operacyjnika, nazywany jest Non-inverting Schmitt Trigger.

Inverting Schmitt Trigger

W tym typie wyzwalacza Schmitta sygnał wejściowy podawany jest do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego. Dodatkowo, dodatnia sprzężenie zwrotne z wyjścia do wejścia.

Teraz zrozummy, jak działa ten obwód. W punkcie A napięcie wynosi V, a przyłożone napięcie (napięcie wejściowe) to Vin. Jeśli przyłożone napięcie Vin jest większe niż V, wyjście obwodu będzie niskie. A jeśli przyłożone napięcie Vin jest mniejsze niż V, wyjście obwodu będzie wysokie.

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

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

Teraz obliczmy równanie V.

Stosując Prawo prądów Kirchhoffa (KCL),

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

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

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

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

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

Teraz załóżmy, że wyjście Schmitt triggera jest wysokie. W tej sytuacji,

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

Zatem z powyższego równania wynika

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

Gdy sygnał wejściowy jest większy niż V1, wyjście triggera Schmitta stanie się niskie. Stąd V1 to górny próg napięcia (VUT).

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

Wyjście pozostanie niskie, dopóki sygnał wejściowy nie będzie mniejszy niż V. Gdy wyjście triggera Schmitta jest niskie, w tym przypadku

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

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

Teraz, wyjście pozostaje wysokie, dopóki sygnał wejściowy jest mniejszy niż V2. Stąd, V2 nazywane jest napięciem progowym dolnym (VLT).

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

Nieodwracalny wyzwalacz Schmitta

W nieodwracalnym wyzwalaczu Schmitta sygnał wejściowy podawany jest do nieodwracalnego wejścia wzmacniacza operacyjnego. Dodatkowo zastosowano dodatnią sprzężenie zwrotne od wyjścia do wejścia. Odwracalne wejście wzmacniacza operacyjnego jest połączone z uziemieniem. Schemat obwodu nieodwracalnego wyzwalacza Schmitta przedstawiony jest na poniższym rysunku.

W tym obwodzie, wyjście wyzwalacza Schmitta będzie wysokie, gdy napięcie V będzie większe od zera. Wyjście będzie niskie, gdy napięcie V będzie mniejsze od zera.

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

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

Teraz znajdźmy równanie napięcia V. W tym celu zastosujemy prawo Kirchhoffa dla węzłów (KCL) w tym węźle.

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

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

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

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

Założmy teraz, że wyjście wzmacniacza operacyjnego jest niskie. Stąd, napięcie wyjściowe przetwornika Schmitta wynosi VL. A napięcie V jest równe V1.

W tej sytuacji,

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

Z powyższego równania wynika,

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

Gdy napięcie V1 jest większe od zera, wyjście będzie wysokie. W tym stanie

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

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

Gdy powyższy warunek jest spełniony, wyjście będzie wysokie. Zatem, to równanie podaje wartość górnego progu napięcia (VUT).

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

Założmy teraz, że wyjście triggera Schmitta jest wysokie. I napięcie V jest równe V2.

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

Z równania napięcia V.

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

Wyjście wyzwalacza Schmitta stanie się niskie, gdy napięcie V2 będzie mniejsze niż zero. W tym warunku,

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

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

Powyższe równanie określa wartość napięcia progowego dolnego (VLT).

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

Schmitt Trigger oparty na tranzystorach

Obwód Schmitt Trigger może być zaprojektowany z użyciem dwóch tranzystorów. Schemat obwodu Schmitt Trigger opartego na tranzystorach przedstawiono poniżej.

Vin = napięcie wejściowe
Vref = napięcie odniesienia = 5V

Załóżmy że na początku napięcie wejściowe Vin wynosi zero. Napięcie wejściowe podaje się do bazy tranzystora T1. W tej sytuacji tranzystor T1 działa w strefie cięcia i pozostaje nieprzewodzący.

Va i Vb to napięcia węzłowe. Napięcie odniesienia wynosi 5V. Możemy obliczyć wartości Va i Vb za pomocą reguły podziału napięcia.

Napięcie Vb jest podawane do bazy tranzystora T2. Jest ono równe 1,98V. W związku z tym tranzystor T2 przepuszcza prąd. W rezultacie wyjście wyzwalacza Schmitta jest niskie. Spadek napięcia na emiterze wynosi około 0,7V. Zatem napięcie na bazie tranzystora wynosi 1,28V.

Emiter tranzystora T2 jest połączony z emiterem tranzystora T1. W związku z tym oba tranzystory działają na tym samym poziomie 1,28V.

Oznacza to, że tranzystor T1 będzie działał, gdy napięcie wejściowe będzie o 0,7V wyższe niż 1,28V, czyli więcej niż 1,98V (1,28V + 0,7V).

Teraz zwiększamy napięcie wejściowe powyżej 1,98V, a tranzystor T1 zacznie przepuszczać prąd. To powoduje spadek napięcia na bazie tranzystora T2 i wyłączenie tranzystora T2. W rezultacie wyjście wyzwalacza Schmitta jest wysokie.

Napięcie wejściowe zaczyna się zmniejszać. Tranzystor T1 zostanie wyłączony, gdy napięcie wejściowe będzie o 0,7V niższym niż 1,98V, czyli 1,28V. W tej sytuacji tranzystor T2 otrzyma wystarczające napięcie od napięcia odniesienia i włączy się. To powoduje, że wyjście wyzwalacza Schmitta jest niskie.

W związku z tym mamy dwa progi, dolny próg przy 1,28V i górny próg przy 1,98V.

Oscylator wyzwalacza Schmitta

Wyzwalacz Schmitta może być używany jako oscylator poprzez połączenie jednego układu RC. Schemat obwodu oscylatora wyzwalacza Schmitta przedstawiony jest na poniższym rysunku.

Wyjście obwodu to ciągły sygnał prostokątny. Częstotliwość tego sygnału zależy od wartości R, C oraz punktu progowego przekaźnika Schmitta.

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

Gdzie k jest stałą i mieści się w zakresie od 0,2 do 1.

Przekaźnik Schmitta CMOS

Prosty obwód inwertera sygnałów daje na wyjściu sygnał przeciwny do sygnału wejściowego. Na przykład, jeśli sygnał wejściowy jest wysoki, sygnał wyjściowy dla prostego obwodu inwertera jest niski. Ale jeśli sygnał wejściowy ma szczyty (szum), sygnał wyjściowy będzie reagował na te szczyty. A my tego nie chcemy. Dlatego używa się przekaźnika Schmitta CMOS.

W pierwszej fali, sygnał wejściowy nie ma szumu. Więc, wyjście jest idealne. Ale w drugiej figurze, sygnał wejściowy ma pewien szum. Wyjście również reaguje na ten szum. Aby uniknąć takiej sytuacji, używa się przekaźnika Schmitta CMOS.

Poniższy schemat obwodu pokazuje konstrukcję przekaźnika Schmitta CMOS. Przekaźnik Schmitta CMOS składa się z 6 tranzystorów, w tym tranzystory PMOS i NMOS.

Najpierw musimy wiedzieć, co to są tranzystory PMOS i NMOS? Symbole tranzystorów PMOS i NMOS przedstawia poniższa figura.

Tranzystor NMOS przewodzi, gdy VG jest większe niż VS lub VD. Tranzystor PMOS przewodzi, gdy VG jest mniejsze niż VS lub VD. W przekaźniku Schmitta CMOS dodano jeden tranzystor PMOS i jeden tranzystor NMOS do prostego obwodu inwertera.

W pierwszym przypadku napięcie wejściowe jest wysokie. W takich warunkach tranzystor PN jest włączony, a tranzystor NN jest wyłączony. Tworzy to ścieżkę do masy dla węzła A. Dlatego wyjście CMOSowego wyzwalacza Schmitta będzie równe zero.

W drugim przypadku napięcie wejściowe jest wysokie. W takich warunkach tranzystor NN jest włączony, a tranzystor PN jest wyłączony. Tworzy to ścieżkę do napięcia VDD (wysokiego) dla węzła B. Dlatego wyjście CMOSowego wyzwalacza Schmitta będzie wysokie.

Zastosowania wyzwalacza Schmitta

Zastosowania wyzwalacza Schmitta są następujące.

Wyzwalacz Schmitta służy do przekształcania fali sinusoidalnej i trójkątnej w fale prostokątne.
Najważniejsze zastosowanie wyzwalaczy Schmitta polega na usunięciu zakłóceń w obwodach cyfrowych.
Służą one również jako generator funkcji.
Są wykorzystywane do realizacji oscylatora.
Wyzwalacze Schmitta w połączeniu z obwodem RC są używane do usuwania drgań przełącznika.

Źródło: Electrical4u.

Oświadczenie: Szacunek dla oryginału, dobre artykuły są warte udostępniania, jesli wystąpi naruszenie praw autorskich proszę o kontakt w celu usunięcia.

Daj napiwek i zachęć autora

Tematy:

Teoria obwodów

Próg Schmitta

O ekspertach

Electrical4u

China