Podstawy wyzwalania Schmitta | Jak działa wyzwalacz Schmitta?
W tym poradniku nauczymy się o wyzwalaczu Schmitta, kilku podstawowych implementacjach z użyciem tranzystorów, Op-Amp, jak działa wyzwalacz Schmitta i kilku ważnych zastosowaniach. We wcześniejszym tutorialu zobaczyliśmy jak Timer 555 może być skonfigurowany jako wyzwalacz Schmitta.
Zarys
Wprowadzenie
Podczas pracy Op-Ampa w trybie pętli otwartej, gdzie nie jest używane sprzężenie zwrotne, na przykład w podstawowym układzie komparatora, bardzo duże wzmocnienie Op-Ampa w pętli otwartej spowoduje, że najmniejsze napięcie szumu wyzwoli komparator.
Jeżeli komparator jest używany jako detektor przejścia przez zero, to takie fałszywe wyzwolenie może spowodować wiele problemów. Może ono dać błędne wskazanie przejścia przez zero z powodu przejścia przez zero szumu, a nie rzeczywistego przejścia przez zero sygnałów wejściowych.
Aby uniknąć takiego niepotrzebnego przełączania między stanami wysokim i niskim wyjścia, stosuje się specjalny układ zwany wyzwalaczem Schmitta, w którym występuje dodatnie sprzężenie zwrotne.
Co to jest wyzwalacz Schmitta?
Schmitt Trigger został wynaleziony przez Otto Schmitta na początku lat 30-tych XX wieku. Jest to układ elektroniczny, który dodaje histerezę do progu przejścia między wejściem a wyjściem za pomocą dodatniego sprzężenia zwrotnego. Histereza oznacza tutaj, że układ zapewnia dwa różne poziomy napięcia progowego dla zbocza narastającego i opadającego.
Podsumowując, wyzwalacz Schmitta jest multiwibratorem bistabilnym i jego wyjście pozostaje w jednym z tych stabilnych stanów w nieskończoność. Aby wyjście zmieniło się z jednego stabilnego stanu na drugi, sygnał wejściowy musi się odpowiednio zmienić (lub wyzwolić).
Ta bistabilna praca wyzwalacza Schmitta wymaga wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym (lub regeneracyjnym sprzężeniem zwrotnym) o współczynniku gin pętli większym niż jeden. Dlatego też układ wyzwalania Schmitta jest również znany jako komparator regeneracyjny.
Na przykład, jeśli mamy zaszumiony sygnał wejściowy, jak pokazano poniżej, dwa progi układu wyzwalania Schmitta prawidłowo określą impulsy. Stąd, podstawową funkcją wyzwalacza Schmitta jest przekształcenie zaszumionego sygnału kwadratowego, sinusoidalnego, trójkątnego lub jakiegokolwiek innego sygnału okresowego w czyste impulsy kwadratowe z ostrymi krawędziami początkowymi i końcowymi.
Wyzwalacz Schmitta przy użyciu tranzystorów
Jak wspomniano wcześniej, wyzwalacz Schmitta jest w zasadzie układem bistabilnym, którego stany wyjściowe są kontrolowane przez sygnał wejściowy. Stąd, może on być użyty jako obwód wykrywający poziom. Poniższy obwód pokazuje prostą konstrukcję tranzystorowego wyzwalacza Schmitta.
Nawet jeśli ten obwód wygląda jak typowy obwód multiwibratora bistabilnego, jest on w rzeczywistości inny, ponieważ w tym obwodzie brakuje sprzężenia z kolektora Q2 do wejścia Q1. Emitery Q1 i Q2 są połączone ze sobą i uziemione przez RE. Ponadto, RE działa jako ścieżka sprzężenia zwrotnego.
Działanie układu
Gdy VIN wynosi zero, Q1 jest odcięty, a Q2 jest w nasyceniu. W wyniku tego napięcie wyjściowe VO jest NISKIE. Jeśli przyjmiemy, że VCE(SAT) jest równe 0, to napięcie na RE wynosi:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Napięcie to jest również napięciem emitera Q1. Tak więc, aby Q1 mógł przewodzić, napięcie wejściowe VIN musi być większe od sumy napięcia emitera i 0,7 V, czyli
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Gdy VIN jest większe od tego napięcia, Q1 zaczyna przewodzić, a Q2 zostaje odcięty na skutek działania regeneracyjnego. W wyniku tego napięcie wyjściowe VO przechodzi w stan HIGH. Teraz napięcie na RE zmienia się do nowej wartości i wynosi:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Tranzystor Q1 będzie przewodził tak długo, jak długo napięcie wejściowe VIN będzie większe lub równe następującej zależności:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Jeśli VIN spadnie poniżej tej wartości, to Q1 wychodzi z nasycenia, a reszta obwodu działa dzięki regeneracyjnemu działaniu Q1 przechodzącego do odcięcia i Q2 do nasycenia.
Stany wyjściowe HIGH i LOW są zależne od poziomów napięć wejściowych podanych równaniami
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7 i (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Charakterystyki przenoszenia wyzwalacza Schmitta wykazują histerezę i są regulowane przez dolny punkt zadziałania (Lower Threshold Voltage) i górny punkt zadziałania (Upper Threshold Voltage) określone przez VLT i VUT.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Zmieniając wartości RC1 i RC2 można kontrolować wielkość histerezy, podczas gdy wartość RE może być użyta do zwiększenia górnego napięcia progowego.
Op Amp based Schmitt Trigger Circuits
Ponieważ układ wyzwalania Schmitta jest zasadniczo wzmacniaczem z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, możliwe jest zaimplementowanie tej konfiguracji przy użyciu wzmacniaczy operacyjnych lub po prostu wzmacniaczy operacyjnych. W zależności od miejsca przyłożenia wejścia, obwody oparte na wzmacniaczach operacyjnych można dalej podzielić na odwracające i nieodwracające układy wyzwalające Schmitta.
Odwracający układ wyzwalający Schmitta
Jak sama nazwa wskazuje, w odwracającym układzie wyzwalającym Schmitta, wejście jest przyłożone do odwracającego zacisku wzmacniacza operacyjnego. W tym trybie, wytwarzane wyjście ma przeciwną polaryzację. Wyjście to jest przykładane do zacisku nieodwracającego, aby zapewnić dodatnie sprzężenie zwrotne.
Gdy VIN jest nieco większe niż VREF, wyjście staje się -VSAT, a gdy VIN jest nieco mniejsze niż -VREF (bardziej ujemne niż -VREF), wyjście staje się VSAT. Stąd, napięcie wyjściowe VO jest albo na VSAT albo -VSAT i napięcie wejściowe, przy którym te zmiany stanu występują mogą być kontrolowane za pomocą R1 i R2.
Wartości VREF i -VREF mogą być sformułowane w następujący sposób:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Stąd, VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Stąd, -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
Napięcia odniesienia VREF i -VREF są nazywane górnym napięciem progowym VUT i dolnym napięciem progowym VLT. Poniższy rysunek przedstawia wykres napięcia wyjściowego względem napięcia wejściowego, znany również jako charakterystyka przenoszenia wyzwalacza Schmitta.
Dla czystego sinusoidalnego sygnału wejściowego, wyjście odwracającego układu wyzwalania Schmitta jest pokazane na poniższym rysunku.
Nieodwracający układ wyzwalania Schmitta
Jeśli chodzi o nieodwracający układ wyzwalania Schmitta, w tym przypadku sygnał wejściowy jest przyłożony do nieodwracającego zacisku wzmacniacza operacyjnego. Napięcie wyjściowe jest podawane z powrotem do nieodwracającego zacisku przez rezystor R1.
Załóżmy, że początkowo napięcie wyjściowe jest na poziomie VSAT. Dopóki VIN nie stanie się mniejsze od VLT, wyjście pozostaje na tym poziomie nasycenia. Gdy napięcie wejściowe przekroczy poziom dolnego napięcia progowego, wyjście zmienia stan na -VSAT.
Wyjście pozostaje w tym stanie do momentu, gdy napięcie wejściowe wzrośnie powyżej górnego napięcia progowego.
Następny obrazek pokazuje charakterystykę przenoszenia nieodwracającego układu Schmitt Trigger.
Jeśli czysty sygnał sinusoidalny jest zastosowany jako wejście, to sygnały wyjściowe wyglądają mniej więcej tak.
Zastosowania
- Jednym z ważnych zastosowań wyzwalacza Schmitta jest konwersja fal sinusoidalnych na fale kwadratowe.
- Mogą być używane do eliminacji chatter w komparatorach (zjawisko, w którym wielokrotne przejścia na wyjściu są produkowane z powodu kołysania sygnału wejściowego przez obszar progowy).
- Mogą również działać jako proste kontrolery ON / OFF (na przykład przełączniki oparte na temperaturze).
.