Sissejuhatus Schmitti päästikule

Peaaegu kõik tänapäevases kiires andmesides kasutatavad digitaalsed vooluringid vajavad oma sisenditel mingisugust Schmitti käivitavat tegevust.

Miks Schmitti päästikut kasutatakse?

Schmitti päästiku peamine eesmärk on siin müra ja häirete kõrvaldamine andmeliinidel ja kena puhta digitaalse väljundi loomine kiirete servade üleminekutega.

Tõusmis- ja langusajad peavad olema digitaalväljundis piisavalt madalad, et seda saaks sisendina rakendada vooluahela järgmistesse etappidesse. (Paljudel IC-del on sisendis ilmuvate servade ülemineku tüübi piirangud.)

Schmitti käivitajate peamine eelis on see, et nad puhastavad mürarikkaid signaale, säilitades siiski suure andmevoo kiiruse, erinevalt filtritest, mis suudavad müra välja filtreerida, kuid andmeedastuskiirust oluliselt aeglustada.

Schmitti päästikuid leidub tavaliselt ka vooluringides, mis vajavad aeglase serva üleminekuga lainekuju, et see saaks tõlgitud kiire, puhta serva üleminekuga digitaalseks lainekujuks.

Schmitti päästik võib muuta peaaegu iga analooglainekuju, näiteks siinuslaine või saehamba lainekuju, kiire serva üleminekuga ON-OFF digitaalsignaaliks. Schmitti päästikud on aktiivsed digitaalseadmed, millel on üks sisend ja üks väljund, näiteks puhver või inverter.

Töötamise ajal võib digitaalväljund olla kas kõrge või madal ja see väljund muutub olekuks ainult siis, kui selle sisendpinge läheb üle või alla kahe etteantud künnise pinge piiri. Kui väljund juhtub olema madal, ei muutu väljund suureks, kui sisendsignaal ei ületa teatud ülempiiri piiri.

Samamoodi, kui väljund juhtub olema kõrge, ei muutu väljund madalaks enne, kui sisendsignaal läheb alla teatud alumise künnispiiri.

Alumine künnis on mõnevõrra madalam kui ülemine künnis. Sisendile saab rakendada mis tahes lainekuju (sinusoidlained, saehambad, helilaine vormid, impulsid jne), kui selle amplituud jääb tööpinge vahemikku.

Diagarm Schmitti päästiku selgitamiseks

Allpool olev diagramm näitab hüstereesi, mis tuleneb ülemise ja alumise sisendpinge läviväärtustest. Iga kord, kui sisend ületab ülemise künnise piiri, on väljund kõrge.

Kui sisend on allpool alumist künnist, on väljund madal ja kui sisendsignaali pinge juhtub olema ülemise ja alumise künnispiiri vahel, säilitab väljund oma varasema väärtuse, mis võib olla kas kõrge või madal.

Alumise ja ülemise läve vahelist kaugust nimetatakse hüstereesivaheks. Väljund säilitab alati oma eelmise oleku, kuni sisend muutub piisavalt, et käivitada selle muutumine. See on nimes „päästiku“ tähise põhjus.

Schmitti päästik töötab peaaegu samamoodi nagu bistabiilse riivi ahel või bistabiilne multivibraator, kuna sellel on sisemine 1-bitine mälu ja see muudab olekut sõltuvalt päästikutingimustest.

IC 74XX seeria kasutamine Schmitti käivitamiseks

Texas Instruments pakub Schmitti päästikfunktsioone peaaegu kõigis oma tehnoloogiaperedes, alates vanast 74XX perekonnast kuni uusima AUP1T perekonnani.

Neid IC-sid saab pakkida kas inverteeriva või mitte-inverteeriva Schmitti päästikuga. Enamikul Schmitti käivitusvahenditel, näiteks 74HC14, on lävitasemed fikseeritud Vcc suhtega.

See võib olla enamiku rakenduste jaoks piisav, kuid mõnikord tuleb lävitasemeid muuta sõltuvalt sisendsignaali tingimustest.

Näiteks võib sisendsignaali vahemik olla väiksem kui fikseeritud hüstereesi vahe. Lävetasemeid saab muuta IC-des nagu 74HC14, ühendades negatiivse tagasiside takisti väljundist sisendisse koos teise takisti, mis ühendab sisendsignaali seadme sisendiga.

See annab hüstereesi jaoks vajaliku positiivse tagasiside ja hüstereesi lõhe saab nüüd reguleerida kahe lisatud takisti väärtuste muutmisega või potentsiomeetri abil. Takistid peaksid olema piisavalt suure väärtusega, et hoida sisendi takistus kõrgel tasemel.

Schmitti päästik on lihtne mõiste, kuid see leiutati alles 1934. aastal, samal ajal kui Ameerika teadlane Otto H. Schmitti nime all oli endiselt kraadiõppur.

Kohta Otto H. Schmitt

Ta ei olnud elektriinsener, kuna õpingud olid suunatud biotehnoloogiale ja biofüüsikale. Ta pakkus välja Schmiti päästiku idee, kui ta üritas konstrueerida seadet, mis kordaks kalmaarse närvi närviimpulsside levimise mehhanismi.

Tema väitekiri kirjeldab „termioonilist päästikut”, mis võimaldab analoogsignaali muuta digitaalsignaaliks, mis on kas täis sisse või välja lülitatud (‘1’ või ’0’).

Ta ei teadnudki, et suuremad elektroonikaettevõtted nagu Microsoft, Texas Instruments ja NXP Semiconductors ei saa ilma selle ainulaadse leiutiseta eksisteerida tänapäeval.

Schmitti päästik osutus nii oluliseks leiutiseks, et seda kasutatakse praktiliselt kõigi turul olevate digitaalsete elektroonikaseadmete sisendmehhanismides.

Mis on Schmitti käivitaja

Schmitti päästiku mõiste põhineb positiivse tagasiside ideel ja asjaolul, et mis tahes aktiivse vooluahela või seadme saab panna toimima nagu Schmiti päästik, rakendades positiivset tagasisidet nii, et silmuse võimendus oleks suurem kui üks.

Aktiivse seadme väljundpinge nõrgeneb kindlaksmääratud summa võrra ja rakendatakse sisendile positiivse tagasisidena, mis lisab sisendsignaali tegelikult nõrgestatud väljundpingele. See loob hüstereesitoime ülemise ja alumise sisendpinge läviväärtustega.

Enamik standardsetest puhvritest, muunduritest ja komparaatoritest kasutavad ainult ühte läviväärtust. Väljund muutub olekuks kohe, kui sisendi lainekuju ületab selle läve kummaski suunas.

Kuidas Schmitti käivitaja töötab

Lärmav sisendsignaal või aeglase lainekujuga signaal ilmuks väljundile müraimpulsside seeriana.

Schmitti päästik puhastab selle - see on üleval - kui väljund muudab olekut, kui selle sisend ületab künnise, muutub ka künnis ise, nii et nüüd peab sisendi pinge oleku uuesti muutmiseks vastassuunas kaugemale liikuma.

Müra või häireid sisendis ei ilmneks väljundil, välja arvatud juhul, kui selle amplituud juhtub olema suurem kui kahe läviväärtuse vahe.

Mis tahes analoogsignaali, näiteks sinusoidaalsed lainekuju või helisignaalid, saab tõlkida kiire ja puhta serva üleminekuga ON-OFF-impulsside seeriateks. Positiivse tagasiside rakendamiseks on kolm meetodit Schmiti päästikahela moodustamiseks.

Kuidas tagasiside töötab Schmitti päästikus

Esimeses konfiguratsioonis lisatakse tagasiside otse sisendpingele, seega peab pinge nihkuma suurema summa võrra vastupidises suunas, et tekitada veel üks väljundi muutus.

Seda tuntakse tavaliselt kui paralleelset positiivset tagasisidet.

Teises konfiguratsioonis lahutatakse tagasiside lävipingest, millel on sama efekt kui tagasiside lisamisel sisendpingele.

See moodustab rea positiivse tagasiside ahela ja seda nimetatakse mõnikord dünaamiliseks künnisahelaks. Takisti-jagaja võrk määrab tavaliselt lävipinge, mis on osa sisendastmest.

Kahte esimest vooluahelat saab hõlpsasti rakendada ühe opampi või kahe transistori ja mõne takisti abil. Kolmas tehnika on veidi keerukam ja erineb selle poolest, et sellel pole sisendiastme ühegi osa kohta tagasisidet.

See meetod kasutab kahe künnise piirväärtuse jaoks kahte eraldi võrdlust ja 1-bitise mäluelemendina flip-flop. Võrdlejatele pole rakendatud positiivset tagasisidet, kuna need sisalduvad mäluelemendis. Kõiki neid kolme meetodit on üksikasjalikumalt selgitatud järgmistes lõikudes.

Kõik Schmitti päästikud on aktiivsed seadmed, mis toetuvad hüstereesitoime saavutamiseks positiivsele tagasisidele. Väljund läheb kõrgeks alati, kui sisend tõuseb üle teatud etteantud ülemise künnise piiri, ja madalale, kui sisend langeb alla alumise künnise piiri.

Väljund säilitab oma eelmise väärtuse (madal või kõrge), kui sisend jääb kahe künnispiiri vahele.

Seda tüüpi vooluahelat kasutatakse sageli mürarikaste signaalide puhastamiseks ja analooglainekuju teisendamiseks digitaalseks (1 ja 0), millel on puhas ja kiire serva üleminek.

Tagasiside tüübid Schmitti päästikahelates

Schmiti päästikahela moodustamiseks kasutatakse tavaliselt kolme meetodit positiivse tagasiside rakendamiseks. Need meetodid on paralleelne tagasiside, seeriate tagasiside ja sisemine tagasiside ning neid käsitletakse järgmiselt.

Paralleel- ja jada-tagasiside tehnikad on tegelikult sama tagasisideahela tüübi kaks versiooni. Paralleelne tagasiside Paralleelset tagasisideahelat nimetatakse mõnikord modifitseeritud sisendpingeahelaks.

Selles vooluringis lisatakse tagasiside otse sisendpingele ja see ei mõjuta lävipinget. Kuna tagasiside lisatakse sisendile, kui väljundi olek muutub, peab sisendpinge nihkuma suurema summa võrra vastupidises suunas, et põhjustada väljundis edasisi muutusi.

Kui väljund on madal ja sisendsignaal suureneb punktini, kus see ületab lävipinge ja väljund muutub kõrgeks.

Osa sellest väljundist rakendatakse tagasisideahela kaudu otse sisendile, mis “aitab” väljundpingel uues olekus püsida.

See suurendab sisendpinget tõhusalt, millel on sama mõju kui lävipinge langetamisel.

Lävepinge ise ei muutu, kuid sisend peab nüüd väljundi madalaks muutmiseks allapoole liikuma. Kui väljund on madal, kordub see sama protsess, et jõuda tagasi kõrgesse olekusse.

See vooluahel ei pea kasutama diferentsiaalvõimendit, kuna töötab üks otsaga mitteinverteeriv võimendi.

Nii sisendsignaal kui ka väljundtagasiside rakendatakse võimendi mitteinverteerivale sisendile takistite kaudu ja need kaks takistit moodustavad kaalutud paralleelse suve. Kui on inverteeriv sisend, seatakse see püsivale võrdluspingele.

Paralleelsete tagasisideahelate näited on kollektori ja alusega ühendatud Schmitti päästikulülitus või mitteinverteeruv op-amp-ahel, nagu näidatud:

Seeria tagasiside

Dünaamilise läve (seeria tagasiside) ahel töötab põhimõtteliselt samamoodi nagu paralleelne tagasiside ahel, välja arvatud see, et väljundist saadud tagasiside muudab otseselt sisendpinge asemel lävipinget.

Tagasiside lahutatakse lävipingest, millel on sama efekt kui tagasiside lisamisel sisendpingele. Niipea kui sisend ületab lävipinge piiri, muutub lävipinge vastupidiseks väärtuseks.

Sisend peab nüüd muutuma suuremal määral vastupidises suunas, et väljundi olekut uuesti muuta. Väljund on sisendpingest eraldatud ja mõjutab ainult lävipinget.

Seetõttu saab selle seeriaahela sisendtakistuse muuta paralleelahelaga võrreldes palju suuremaks. See vooluahel põhineb tavaliselt diferentsiaalvõimendil, kus sisend on ühendatud inverteeriva sisendiga ja väljund on ühendatud takisti pingejaguri kaudu mitteinverteeriva sisendiga.

Pingejagur määrab läviväärtused ja silmus toimib nagu jadapinge suvi. Seda tüüpi näideteks on klassikaline transistoriga emitteriga ühendatud Schmitti päästik ja tagurpidi op-amp ahel, nagu siin näidatud:

Sisemine tagasiside

Selles konfiguratsioonis luuakse Schmitti päästik, kasutades kahte lävepiiri jaoks kahte eraldi (ilma hüsterereesita) komparaatorit.

Nende komparaatorite väljundid on ühendatud RS-klapi seadistatud ja lähtestatud sisenditega. Positiivne tagasiside sisaldub flip-flopis, seega pole võrdlejatele tagasisidet. RS flip-flopi väljund lülitub kõrgeks, kui sisend ületab ülemise künnise, ja madal, kui sisend läheb alla alumise künnise.

Kui sisend jääb ülemise ja alumise künnise vahele, säilitab väljund oma eelmise oleku. Seda tehnikat kasutava seadme näiteks on NXP Semiconductors ja Texas Instruments valmistatud 74HC14.

See osa koosneb ülemise läve komparaatorist ja alumise läve komparaatorist, mida kasutatakse RS flip-flopi seadistamiseks ja lähtestamiseks. Päästik 74HC14 Schmitt on üks populaarsemaid seadmeid reaalse maailma signaalide ja digitaalse elektroonika ühendamiseks.

Selle seadme kaks künnispiiri on fikseeritud Vcc suhtega. See minimeerib osade arvu ja hoiab vooluahelat lihtsana, kuid mõnikord tuleb erinevat tüüpi sisendsignaali tingimustes lävetasemeid muuta.

Näiteks võib sisendsignaali vahemik olla väiksem kui fikseeritud hüstereesi pingepiirkond. Lävetasemeid saab 74HC14-s muuta, ühendades väljundist sisendini negatiivse tagasiside takisti ja sisendiga signaali sisendiga teise takisti.

See vähendab fikseeritud 30% positiivset tagasisidet tõhusamalt mõnele madalamale väärtusele, näiteks 15% -le. Selleks, et hoida sisendtakistust, on selle jaoks oluline kasutada suure väärtusega takisteid (mega-oomi vahemik).

Schmitti päästiku eelised

Schmitti päästikud täidavad eesmärki mis tahes kiires andmesidesüsteemis, millel on mingis vormis digitaalne signaalitöötlus. Tegelikult on neil kaks eesmärki: puhastada müra ja häired andmeliinidel, säilitades samal ajal kõrge andmevoo kiirus, ja teisendada juhuslik analooglaine kiire ja puhta serva üleminekuga ON-OFF digitaalseks lainekujuks.

See annab eelise filtrite ees, mis suudavad müra välja filtreerida, kuid aeglustavad andmesidekiirust nende piiratud ribalaiuse tõttu märkimisväärselt. Samuti ei suuda standardsed filtrid pakkuda aeglast sisendi lainekuju rakendades kena ja puhast digitaalset väljundit kiirete servade üleminekutega.

Neid Schmiti päästikute kahte eelist selgitatakse üksikasjalikumalt järgmiselt: Mürarikkad signaalisisendid Müra ja häirete mõjud on digitaalsüsteemides suur probleem, kuna kasutatakse üha pikemaid kaableid ning vajatakse suuremat ja kiiremat andmeedastuskiirust.

Mõned levinumad viisid müra vähendamiseks hõlmavad varjestatud kaablite kasutamist, keerutatud juhtmete kasutamist, impedantside sobitamist ja väljundtakistuste vähendamist.

Need meetodid võivad müra vähendamisel olla tõhusad, kuid sisendjoonele jääb siiski järele müra, mis võib vallandada soovimatuid signaale.

Enamikul digitaalsetes vooluringides kasutatavatest standardsetest puhvritest, muunduritest ja komparaatoritest on sisendis ainult üks läviväärtus. Niisiis, väljund muudab olekut niipea, kui sisendi lainekuju ületab selle läve kummaski suunas.

Kui juhuslik mürasignaal ületab sisendil selle lävepunkti mitu korda, nähakse seda väljundis impulsside jadana. Samuti võib väljundile ilmuda aeglase serva üleminekuga lainekuju võnkuvate müraimpulsside seeriana.

Mõnikord kasutatakse selle lisamüra vähendamiseks filtrit, näiteks RC-võrgus. Kuid igal ajal, kui andmerajal kasutatakse sellist filtrit, pidurdab see maksimaalset andmeedastuskiirust märkimisväärselt. Filtrid blokeerivad müra, kuid blokeerivad ka kõrgsageduslikke digitaalseid signaale.

Schmitti käivitusfiltrid

Schmitti päästik puhastab selle. Pärast seda, kui väljund muudab olekut, kui sisend ületab künnise, muutub ka künnis ise, nii et siis peab sisend liikuma väljundis teise muutuse suunas kaugemale vastassuunas.

Selle hüstereesi efekti tõttu on Schmitti päästikute kasutamine digitaalse vooluahela müra ja häiretega seotud probleemide vähendamiseks tõenäoliselt kõige tõhusam viis. Müra ja häiretega seotud probleeme saab tavaliselt lahendada, kui neid ei ole võimalik kõrvaldada, lisades sisendjoonele hüstereesi Schmitti päästiku kujul.

Niikaua kui sisendi müra või interferentsi amplituud on väiksem kui Schmitti päästiku hüstereesivahe laius, ei mõjuta müra väljundit.

Isegi kui amplituud on veidi suurem, ei tohiks see väljundit mõjutada, välja arvatud juhul, kui sisendsignaal on keskendunud hüstereesi pilule. Müra maksimaalse kõrvaldamise saavutamiseks võib tekkida vajadus lävetasemeid reguleerida.

Seda saab hõlpsasti teha positiivse tagasiside võrgus takisti väärtuste muutmisega või potentsiomeetri abil.

Peamine eelis, mida Schmitti päästik filtrite kaudu pakub, on see, et see ei aeglusta andmeedastuskiirust ja kiirendab seda mõnel juhul aeglaste lainekujude kiireks lainekujuks (kiiremaks servaüleminekuks) teisendamise kaudu. Peaaegu kõik digitaalsed IC-d turg kasutab tänapäeval oma digitaalsisendites mingisugust Schmitti päästikut (hüstereesi).

Nende hulka kuuluvad MCU-d, mälukiibid, loogikaväravad ja nii edasi. Kuigi nende digitaalsete mikroprotsessorite sisenditel võib olla hüsterees, on paljudel neist ka spetsifikatsioonilehtedel kuvatud sisendi tõusu ja languse aja piirangud ning neid tuleb arvestada. Ideaalsel Schmitti päästikul pole sisendil tõusu või languse ajalisi piiranguid.

Aeglase sisendi lainekuju on mõnikord hüstereesi vahe liiga väike või on ainult üks läviväärtus (mitte-Schmitti päästik), kus väljund läheb kõrgeks, kui sisend tõuseb üle künnise, ja väljund läheb madalaks, kui sisendsignaal langeb alla seda.

Sellistel juhtudel on künnise ümber marginaalne ala ja aeglane sisendsignaal võib hõlpsasti põhjustada voolu kaudu võnkeid või liigset voolu, mis võib isegi seadet kahjustada. Need aeglased sisendsignaalid võivad mõnikord juhtuda isegi kiiretes digitaalsetes signaalides vooluringid sisselülitamise tingimustes või muudes tingimustes, kus filtrit (näiteks RC-võrku) kasutatakse signaalide sisestamiseks sisenditesse.

Seda tüüpi probleemid tekivad sageli käsilülitite, pikkade kaablite või juhtmete ning tugevalt koormatud vooluahelate 'põrkest eemaldamise' ahelas.

Näiteks kui puhvrisse rakendatakse aeglane rambisignaal (integraator) ja see ületab sisendi ühe künnispunkti, muudab väljund oma olekut (näiteks madalast kõrgeks). See käivitav toiming võib põhjustada toiteallikast hetkelise lisavoolu ja ka VCC võimsuse taseme mõnevõrra alandamise.

See muudatus võib olla piisav, et panna väljund oma olekut uuesti kõrgelt madalale muutma, kuna puhver tajub, et sisend ületas uuesti künnise (vaatamata sisendi samaks jäämisele). See võib korrata uuesti vastupidises suunas, nii et väljundile ilmuks võnkuvate impulsside jada.

Sellel juhul Schmitti päästiku kasutamine ei kõrvalda mitte ainult võnkumisi, vaid muudab aeglase serva üleminekud puhta vertikaalsete servasiirdega ON-OFF impulsside seeriateks. Schmitti päästiku väljundit saab seejärel kasutada järgmise seadme sisendina vastavalt selle tõusu ja languse aja näitajatele.

(Kuigi võnkeid saab kõrvaldada Schmitti päästiku abil, võib üleminekul siiski olla ülemäärane vooluhulk, mis võib vajada mõnel muul viisil parandamist.)

Schmitti päästik on leitud ka juhtudel, kui analoogsisend nagu sinusoidaalne lainekuju, heli lainekuju või saehamba lainekuju tuleb teisendada ruudukujuliseks laineks või mõneks muuks ON-OFF digitaalsignaaliks, millel on kiire serva üleminek.