Grundlæggende om Schmitt Trigger | Hvordan virker Schmitt Trigger?
I denne tutorial vil vi lære om Schmitt Trigger, nogle grundlæggende implementeringer ved hjælp af transistorer, Op-Amp, hvordan en Schmitt Trigger virker og også nogle få vigtige applikationer. I en tidligere tutorial har vi set, hvordan 555 Timer kan konfigureres som Schmitt Trigger.
Outline
Introduktion
Ved drift af en Op-Amp i open loop-tilstand, hvor der ikke anvendes en tilbagekobling, f.eks. i et grundlæggende komparatorkredsløb, vil Op-Amp’ens meget store open loop-forstærkning medføre, at den mindste støjspænding udløser komparatoren.
Hvis komparatoren anvendes som en nulpunktsdetektor, kan en sådan falsk udløsning give mange problemer. Den kan give en forkert indikation af nulkrydsning på grund af støjens nulkrydsning i stedet for de faktiske indgangssignalers nulkrydsning.
For at undgå sådanne unødvendige skift mellem høje og lave tilstande i udgangen anvendes et særligt kredsløb kaldet Schmitt Trigger, som indebærer en positiv tilbagekobling.
Hvad er Schmitt Trigger?
Schmitt Trigger blev opfundet af Otto Schmitt i begyndelsen af 1930’erne. Det er et elektronisk kredsløb, der tilføjer hysterese til tærsklen for indgangs-udgangsovergangen ved hjælp af positiv feedback. Hysterese betyder her, at den giver to forskellige tærskelspændingsniveauer for stigende og faldende flanke.
En Schmitt Trigger er i princippet en bi-stabil multivibrator, og dens udgang forbliver i en af de stabile tilstande på ubestemt tid. For at outputtet kan skifte fra den ene stabile tilstand til den anden, skal indgangssignalet ændres (eller udløses) på passende vis.
Denne Bistabile drift af Schmitt Trigger kræver en forstærker med positiv feedback (eller regenerativ feedback) med en loop gin større end én. Derfor er Schmitt Trigger også kendt som regenerativ komparator.
Til eksempel, hvis vi har et støjende indgangssignal som vist nedenfor, vil de to tærskelværdier i Schmitt Trigger-kredsløbet bestemme impulserne korrekt. Derfor er den grundlæggende funktion af en Schmitt Trigger at konvertere støjende firkantede, sinus-, trekantede eller andre periodiske signaler til rene firkantede impulser med skarpe for- og bagkanter.
Schmitt Trigger ved hjælp af transistorer
Som tidligere nævnt er en Schmitt Trigger grundlæggende et bistabilt kredsløb, hvis udgangsstatus styres af indgangssignalet. Derfor kan det bruges som et niveaudetekteringskredsløb. Det følgende kredsløb viser et simpelt design af en transistorbaseret Schmitt Trigger.
Selv om dette kredsløb ligner et typisk bistabilt multivibrator-kredsløb, er det faktisk anderledes, da dette kredsløb mangler koblingen fra Q2’s kollektor til Q1’s indgang. Emitterne af Q1 og Q2 er forbundet med hinanden og er jordet gennem RE. RE fungerer også som en tilbagekoblingsvej.
Kredsløbets funktion
Når VIN er nul, er Q1 afbrudt, og Q2 er i mætning. Som følge heraf er udgangsspændingen VO LOW. Hvis VCE(SAT) antages at være 0, er spændingen over RE givet ved:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Denne spænding er også emitterspændingen for Q1. Så for at Q1 kan lede, skal indgangsspændingen VIN være større end summen af emitterspændingen og 0,7 V, dvs.
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Når VIN er større end denne spænding, begynder Q1 at lede, og Q2 afbrydes på grund af regenererende virkning. Som følge heraf går udgangen VO til HIGH. Nu ændres spændingen over RE til en ny værdi og er givet ved:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Transistor Q1 vil lede, så længe indgangsspændingen VIN er større end eller lig med følgende:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Hvis VIN falder under denne værdi, kommer Q1 ud af mætning, og resten af kredsløbet fungerer på grund af regenerativ virkning af Q1, der går til afbrydelse og Q2 til mætning.
Udgangstilstandene HIGH og LOW er afhængige af indgangsspændingsniveauerne givet ved ligningerne
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 og (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7.7
Overførselskarakteristikken for en Schmitt-trigger udviser hysterese og er styret af det nedre udløsningspunkt (nedre tærskelspænding) og det øvre udløsningspunkt (øvre tærskelspænding) givet ved VLT og VUT.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Gennem ændring af værdierne for RC1 og RC2 kan hysteresens størrelse styres, mens værdien af RE kan bruges til at øge den øvre tærskelspænding.
Op Amp-baserede Schmitt Trigger-kredsløb
Da et Schmitt trigger-kredsløb i det væsentlige er en forstærker med positiv feedback, er det muligt at gennemføre denne opsætning ved hjælp af operationsforstærkere eller blot Op Amps. Afhængigt af, hvor indgangen påføres, kan de Op-Amp-baserede kredsløb yderligere opdeles i inverterende og ikke-inverterende Schmitt Triggers.
Inverterende Schmitt Trigger-kredsløb
Som navnet antyder, påføres indgangen i en inverterende Schmitt Trigger til den inverterende terminal af Op-Amp’en. I denne tilstand er det producerede output af modsat polaritet. Dette output påføres den ikke-inverterende terminal for at sikre positiv feedback.
Når VIN er lidt større end VREF, bliver output -VSAT, og hvis VIN er lidt mindre end -VREF (mere negativ end -VREF), bliver output VSAT. Derfor er udgangsspændingen VO enten på VSAT eller -VSAT, og den indgangsspænding, ved hvilken disse tilstandsændringer finder sted, kan styres ved hjælp af R1 og R2.
Værdierne for VREF og -VREF kan formuleres som følger:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Derfor er VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Derfor er -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
Referencespændingen VREF og -VREF kaldes øvre tærskelspænding VUT og nedre tærskelspænding VLT. Det følgende billede viser udgangsspændingen i forhold til indgangsspændingsgrafen, også kendt som Transferkarakteristik for Schmitt Trigger.
For et rent sinusformet indgangssignal er udgangen af et inverterende Schmitt Trigger-kredsløb vist på følgende billede.
Ikke-inverterende Schmitt Trigger-kredsløb
Kommende til Ikke-inverterende Schmitt Trigger, påføres indgangen i dette tilfælde til den ikke-inverterende terminal på Op-Amp’en. Udgangsspændingen føres tilbage til den ikke-inverterende terminal gennem modstanden R1.
Lad os antage, at udgangsspændingen i begyndelsen er på VSAT. Indtil VIN bliver mindre end VLT, forbliver udgangen på dette mætningsniveau. Når indgangsspændingen krydser det nedre tærskelspændingsniveau, skifter udgangen tilstand til -VSAT.
Udgangen forbliver i denne tilstand, indtil indgangen stiger over den øvre tærskelspænding.
Følgende billede viser overførselsegenskaberne for det ikke-inverterende Schmitt Trigger-kredsløb.
Hvis et rent sinusformet signal anvendes som indgang, ser udgangssignalerne nogenlunde sådan her ud.
Anvendelser
- En vigtig anvendelse af Schmitt Trigger er at omdanne sinusbølger til firkantede bølger.
- De kan bruges til at fjerne chatter i komparatorer (et fænomen, hvor der produceres flere udgangsovergange på grund af svingning af indgangssignalet gennem tærskelområdet).
- De kan også fungere som simple ON / OFF-styringer (f.eks. temperaturbaserede afbrydere).