Pengenalan kepada Schmitt Trigger

Hampir semua litar digital yang digunakan dalam komunikasi data berkelajuan tinggi moden memerlukan beberapa bentuk tindakan pencetus Schmitt pada inputnya.

Mengapa Schmitt Trigger Digunakan

Tujuan utama pencetus Schmitt di sini adalah untuk menghilangkan kebisingan dan gangguan pada talian data dan memberikan output digital bersih yang bagus dengan peralihan yang cepat.

Masa naik dan turun mestilah cukup rendah dalam output digital sehingga dapat diterapkan sebagai input ke tahap berikut dalam rangkaian. (Banyak IC mempunyai batasan jenis peralihan tepi yang dapat muncul pada input.)

Kelebihan utama pencetus Schmitt di sini ialah mereka membersihkan isyarat yang bising sambil tetap mengekalkan kadar aliran data yang tinggi, tidak seperti penapis, yang dapat menyaring kebisingan, tetapi memperlambat kadar data turun dengan ketara.

Pencetus Schmitt juga sering dijumpai di litar yang memerlukan bentuk gelombang dengan peralihan tepi perlahan untuk diterjemahkan ke bentuk gelombang digital dengan peralihan tepi bersih yang cepat.

Pencetus Schmitt dapat mengubah hampir semua bentuk gelombang analog - seperti gelombang sinus atau bentuk gelombang gigi gergaji - menjadi isyarat digital ON-OFF dengan peralihan tepi pantas. Pencetus Schmitt adalah peranti digital aktif dengan satu input dan satu output, seperti penyangga atau penyongsang.

Dalam operasi, output digital boleh menjadi tinggi atau rendah, dan output ini berubah keadaan hanya apabila voltan inputnya berada di atas atau di bawah dua had voltan ambang yang telah ditetapkan. Sekiranya output menjadi rendah, output tidak akan berubah menjadi tinggi kecuali isyarat input melebihi had ambang atas tertentu.

Begitu juga, jika output menjadi tinggi, output tidak akan berubah menjadi rendah sehingga isyarat input berada di bawah had ambang bawah tertentu.

Ambang bawah lebih rendah daripada had ambang atas. Segala bentuk gelombang boleh digunakan pada input (gelombang sinusoidal, gigi gergaji, bentuk gelombang audio, denyutan, dll.) Selagi amplitudnya berada dalam julat voltan operasi.

Diagarm untuk Menjelaskan Pencetus Schmitt

Rajah di bawah menunjukkan histeresis yang dihasilkan dari nilai ambang voltan input atas dan bawah. Bila-bila masa input melebihi had ambang atas, outputnya tinggi.

Apabila input berada di bawah ambang bawah, outputnya rendah, dan apabila voltan isyarat input kebetulan berada di antara had ambang atas dan bawah, output mengekalkan nilai sebelumnya, yang boleh menjadi tinggi atau rendah.

Jarak antara ambang bawah dan ambang atas disebut jurang histeresis. Output selalu mengekalkan keadaan sebelumnya sehingga input berubah secukupnya untuk memicu perubahan. Ini adalah alasan untuk sebutan 'pencetus' dalam nama.

Pencetus Schmitt beroperasi dengan cara yang sama seperti litar selak bistable atau multivibrator bistable, kerana ia mempunyai memori 1 bit dalaman, dan mengubah keadaannya bergantung pada keadaan pencetus.

Menggunakan IC 74XX Series untuk Operasi Pencetus Schmitt

Texas Instruments menyediakan fungsi pencetus Schmitt di hampir semua keluarga teknologinya, dari keluarga 74XX lama hingga keluarga AUP1T terkini.

IC ini boleh dikemas dengan pencetus Schmitt yang terbalik atau tidak terbalik. Sebilangan besar peranti pencetus Schmitt, seperti 74HC14, mempunyai tahap ambang pada nisbah tetap Vcc.

Ini mungkin mencukupi untuk kebanyakan aplikasi, tetapi kadang-kadang tahap ambang perlu diubah bergantung pada keadaan isyarat input.

Sebagai contoh, julat isyarat input mungkin lebih kecil daripada jurang histeresis tetap. Tahap ambang boleh diubah dalam IC seperti 74HC14 dengan menyambungkan perintang maklum balas negatif dari output ke input bersama dengan perintang lain yang menghubungkan isyarat input ke input peranti.

Ini memberikan maklum balas positif yang diperlukan untuk histeresis, dan jurang histeresis kini dapat disesuaikan dengan mengubah nilai dua perintang tambahan, atau dengan menggunakan potensiometer. Perintang harus mempunyai nilai yang cukup besar untuk menjaga impedans input pada tahap tinggi.

Pencetus Schmitt adalah konsep yang mudah, tetapi ia tidak diciptakan sehingga tahun 1934, sementara seorang saintis Amerika dengan nama Otto H. Schmitt masih merupakan pelajar siswazah.

Mengenai Otto H. Schmitt

Dia bukan jurutera elektrik, kerana kajiannya tertumpu pada kejuruteraan biologi dan biofizik. Dia muncul dengan ide pemicu Schmitt ketika dia berusaha untuk merekayasa alat yang akan meniru mekanisme penyebaran impuls saraf di saraf cumi-cumi.

Tesisnya menerangkan tentang 'pemicu termionik' yang membolehkan isyarat analog ditukar menjadi isyarat digital, yang sama ada penuh atau mati ('1' atau '0').

Tidak banyak yang dia tahu bahawa syarikat elektronik utama seperti Microsoft, Texas Instruments, dan NXP Semiconductors tidak dapat wujud seperti sekarang tanpa penemuan unik ini.

Pencetus Schmitt ternyata merupakan penemuan yang sangat penting sehingga digunakan dalam mekanisme input hampir setiap alat elektronik digital di pasaran.

Apa itu Pencetus Schmitt

Konsep pemicu Schmitt didasarkan pada idea maklum balas positif, dan fakta bahawa litar atau peranti aktif apa pun boleh dibuat bertindak seperti pencetus Schmitt dengan menerapkan maklum balas positif sedemikian rupa sehingga perolehan gelung lebih besar daripada satu.

Voltan keluaran peranti aktif dilemahkan oleh jumlah yang ditentukan dan digunakan sebagai maklum balas positif ke input, yang secara berkesan menambahkan isyarat input ke voltan output yang dilemahkan. Ini mewujudkan tindakan histeresis dengan nilai ambang voltan input atas dan bawah.

Sebilangan besar penyangga standard, penyongsang, dan pembanding hanya menggunakan satu nilai ambang. Output berubah keadaan sebaik sahaja bentuk gelombang input melintasi ambang ini ke arah mana pun.

Bagaimana Schmitt Trigger Berfungsi

Isyarat input yang bising atau isyarat dengan bentuk gelombang perlahan akan muncul pada output sebagai rangkaian denyutan bunyi.

Pemicu Schmitt membersihkan ini - setelah output berubah keadaan ketika inputnya melintasi ambang, ambang itu sendiri juga berubah, jadi sekarang voltan input harus bergerak lebih jauh ke arah yang berlawanan untuk mengubah keadaan lagi.

Kebisingan atau gangguan pada input tidak akan muncul pada output kecuali amplitudanya lebih besar daripada perbezaan antara dua nilai ambang.

Sebarang isyarat analog, seperti bentuk gelombang sinusoidal atau isyarat audio, dapat diterjemahkan ke dalam siri denyutan ON-OFF dengan peralihan tepi yang cepat dan bersih. Terdapat tiga kaedah untuk melaksanakan maklum balas positif untuk membentuk litar pencetus Schmitt.

Bagaimana Maklum Balas Berfungsi di Schmitt Trigger

Dalam konfigurasi pertama, maklum balas ditambahkan terus ke voltan input, jadi voltan harus beralih dengan jumlah yang lebih besar ke arah yang berlawanan untuk menyebabkan perubahan output yang lain.

Ini biasanya dikenali sebagai maklum balas positif selari.

Dalam konfigurasi kedua, maklum balas dikurangkan dari voltan ambang, yang mempunyai kesan yang sama dengan menambahkan maklum balas ke voltan input.

Ini membentuk rangkaian maklum balas positif siri, dan kadang-kadang disebut litar ambang dinamik. Rangkaian perintang-pembahagi biasanya menetapkan voltan ambang, yang merupakan bahagian dari tahap input.

Dua litar pertama dapat dilaksanakan dengan mudah melalui penggunaan satu opamp atau dua transistor bersama dengan beberapa perintang. Teknik ketiga sedikit lebih rumit, dan berbeza kerana tidak mempunyai maklum balas ke mana-mana bahagian dari tahap input.

Kaedah ini menggunakan dua pembanding yang berasingan untuk nilai had ambang dua dan flip-flop sebagai elemen memori 1 bit. Tidak ada maklum balas positif yang diterapkan pada pembanding, kerana terdapat dalam elemen memori. Setiap tiga kaedah ini dijelaskan dengan lebih terperinci dalam perenggan berikut.

Semua pencetus Schmitt adalah peranti aktif yang bergantung pada maklum balas positif untuk mencapai tindakan histerisnya. Output akan menjadi 'tinggi' setiap kali input meningkat di atas had ambang atas yang telah ditetapkan, dan menjadi 'rendah' ​​setiap kali input turun di bawah had ambang yang lebih rendah.

Output mengekalkan nilai sebelumnya (rendah atau tinggi), apabila input berada di antara dua had ambang.

Litar jenis ini sering digunakan untuk membersihkan isyarat yang bising, dan menukar bentuk gelombang analog menjadi bentuk gelombang digital (1 dan 0) dengan peralihan tepi yang bersih dan cepat.

Jenis Maklum Balas dalam litar pencetus Schmitt

Terdapat tiga kaedah yang biasanya digunakan dalam melaksanakan maklum balas positif untuk membentuk litar pencetus Schmitt. Kaedah ini adalah Parallel Feedback, Series Feedback, dan Internal Feedback, dan dibincangkan seperti berikut.

Teknik maklum balas selari dan siri sebenarnya adalah dua versi dari jenis litar maklum balas yang sama. Maklum Balas Selari Litar maklum balas selari kadang-kadang dipanggil litar voltan input yang diubah.

Dalam litar ini, maklum balas ditambahkan terus ke voltan input, dan tidak mempengaruhi voltan ambang. Semasa maklum balas ditambahkan ke input ketika output berubah keadaan, voltan input harus beralih dengan jumlah yang lebih besar ke arah yang berlawanan untuk menyebabkan perubahan output lebih lanjut.

Sekiranya output rendah, dan isyarat input meningkat ke titik di mana ia melintasi voltan ambang dan output berubah menjadi tinggi.

Sebahagian dari output ini diterapkan secara langsung ke input melalui gelung umpan balik, yang 'membantu' voltan keluaran tetap dalam keadaan baru.

Ini secara berkesan meningkatkan voltan input, yang mempunyai kesan yang sama dengan menurunkan voltan ambang.

Voltan ambang itu sendiri tidak berubah, tetapi input sekarang harus bergerak lebih jauh ke arah bawah untuk mengubah output ke keadaan rendah. Setelah outputnya rendah, proses yang sama berulang untuk kembali ke keadaan tinggi.

Litar ini tidak perlu menggunakan penguat pembezaan, kerana mana-mana penguat tak terbalik tunggal berfungsi.

Baik isyarat input dan maklum balas keluaran diterapkan pada input penguat yang tidak terbalik melalui perintang, dan kedua-dua perintang ini membentuk musim panas selari berwajaran. Sekiranya terdapat input terbalik, ia ditetapkan ke voltan rujukan tetap.

Contoh litar maklum balas selari ialah litar pencetus Schmitt yang digabungkan dengan pemungut-basis atau litar op-amp yang tidak terbalik, seperti yang ditunjukkan:

Maklum Balas Siri

Litar ambang dinamik (maklum balas siri) beroperasi pada dasarnya sama dengan litar maklum balas selari, kecuali bahawa maklum balas dari output secara langsung mengubah voltan ambang dan bukannya voltan masukan.

Maklum balas dikurangkan dari voltan ambang, yang mempunyai kesan yang sama dengan menambahkan maklum balas ke voltan input. Sebaik sahaja input melepasi had voltan ambang, voltan ambang berubah menjadi nilai yang bertentangan.

Masukan sekarang harus berubah ke tahap yang lebih besar ke arah yang bertentangan untuk mengubah keadaan output sekali lagi. Output diasingkan dari voltan input dan hanya mempengaruhi voltan ambang.

Oleh itu, rintangan input boleh dibuat jauh lebih tinggi untuk litar siri ini berbanding litar selari. Litar ini biasanya didasarkan pada penguat pembezaan di mana input disambungkan ke input pembalik dan output dihubungkan ke input bukan pembalik melalui pembahagi voltan perintang.

Pembahagi voltan menetapkan nilai ambang, dan gelung bertindak seperti voltan siri musim panas. Contoh jenis ini ialah pencetus Schmitt yang digabungkan dengan pemancar transistor klasik dan litar op-amp terbalik, seperti yang ditunjukkan di sini:

Maklum Balas Dalaman

Dalam konfigurasi ini, pencetus Schmitt dibuat dengan menggunakan dua pembanding yang berasingan (tanpa histeresis) untuk dua had ambang.

Keluaran pembanding ini disambungkan ke input set dan set semula RS flip-flop. Maklum balas positif terkandung dalam flip-flop, jadi tidak ada maklum balas kepada pembanding. Output flip-flop RS beralih tinggi apabila input berada di atas ambang atas, dan beralih rendah apabila input berada di bawah ambang bawah.

Apabila input berada di antara ambang atas dan bawah, output mengekalkan keadaan sebelumnya. Contoh peranti yang menggunakan teknik ini ialah 74HC14 yang dibuat oleh NXP Semiconductors dan Texas Instruments.

Bahagian ini terdiri daripada pembanding ambang atas dan pembanding ambang bawah, yang digunakan untuk menetapkan dan menetapkan semula flip-flop RS. Pencetus 74HC14 Schmitt adalah salah satu peranti yang paling popular untuk menghubungkan isyarat dunia nyata dengan elektronik digital.

Dua had ambang pada peranti ini ditetapkan pada nisbah tetap Vcc. Ini meminimumkan jumlah bahagian dan membuat litar tetap sederhana, tetapi kadang-kadang tahap ambang perlu diubah untuk pelbagai jenis keadaan isyarat input.

Sebagai contoh, julat isyarat input mungkin lebih kecil daripada julat voltan histeresis tetap. Tahap ambang boleh diubah pada 74HC14 dengan menyambungkan perintang maklum balas negatif dari output ke input, dan perintang lain yang menghubungkan isyarat input ke input.

Ini secara berkesan mengurangkan maklum balas positif tetap 30% ke beberapa nilai yang lebih rendah, seperti 15%. Penting untuk menggunakan perintang bernilai tinggi untuk ini (julat Mega-Ohm) untuk memastikan rintangan input tetap tinggi.

Kelebihan pencetus Schmitt

Pencetus Schmitt memenuhi tujuan dalam semua jenis sistem komunikasi data berkelajuan tinggi dengan beberapa bentuk pemprosesan isyarat digital. Sebenarnya, ia berfungsi untuk dua tujuan: membersihkan kebisingan dan gangguan pada baris data sambil tetap mengekalkan kadar aliran data yang tinggi, dan untuk menukar bentuk gelombang analog secara rawak menjadi bentuk gelombang digital ON-OFF dengan peralihan tepi yang cepat dan bersih.

Ini memberikan kelebihan berbanding penapis, yang dapat menyaring kebisingan, tetapi memperlambat kadar data turun dengan ketara kerana lebar jalurnya yang terhad. Selain itu, penapis standard tidak dapat memberikan output digital yang baik dan bersih dengan peralihan tepi pantas apabila bentuk gelombang input lambat digunakan.

Kedua-dua kelebihan pencetus Schmitt ini dijelaskan dengan lebih terperinci seperti berikut: Input Isyarat Bising Kesan bunyi dan gangguan adalah masalah utama dalam sistem digital kerana kabel yang lebih lama dan lebih lama digunakan dan diperlukan kadar data yang lebih tinggi dan lebih tinggi.

Beberapa cara yang lebih biasa untuk mengurangkan kebisingan termasuk menggunakan kabel terlindung, menggunakan wayar berpintal, memadankan impedansi dan mengurangkan impedansi output.

Teknik-teknik ini dapat efektif dalam mengurangi kebisingan, tetapi masih akan ada beberapa suara yang tersisa di saluran input, dan itu dapat memicu isyarat yang tidak diinginkan dalam rangkaian.

Sebilangan besar penyangga standard, penyongsang, dan pembanding yang digunakan dalam litar digital hanya mempunyai satu nilai ambang pada input. Jadi, output berubah keadaan sebaik sahaja bentuk gelombang input melintasi ambang ini ke arah mana pun.

Sekiranya isyarat kebisingan rawak melintasi titik ambang ini pada input berkali-kali, ia akan dilihat pada output sebagai rangkaian denyutan. Juga, bentuk gelombang dengan peralihan tepi perlahan dapat muncul pada output sebagai rangkaian denyutan bunyi berayun.

Kadang kala penapis digunakan untuk mengurangkan kebisingan tambahan ini, seperti di rangkaian RC. Tetapi setiap kali penapis seperti ini digunakan pada jalur data, ia akan melambatkan kadar data maksimum dengan ketara. Penapis menyekat kebisingan, tetapi juga menyekat isyarat digital frekuensi tinggi.

Schmitt mencetuskan Penapis

Pencetus Schmitt membersihkannya. Setelah output berubah keadaan ketika inputnya melintasi ambang, ambang itu sendiri juga berubah, jadi input harus bergerak lebih jauh ke arah yang berlawanan untuk menyebabkan perubahan output yang lain.

Kerana kesan histeresis ini, menggunakan pencetus Schmitt mungkin merupakan kaedah paling berkesan untuk mengurangkan masalah kebisingan dan gangguan dalam litar digital. Masalah kebisingan dan gangguan biasanya dapat diselesaikan, jika tidak dihilangkan, dengan menambahkan histeresis pada saluran input dalam bentuk pemicu Schmitt.

Selagi amplitud kebisingan atau gangguan pada input kurang dari lebar jurang histeresis pencetus Schmitt, tidak akan ada kesan kebisingan pada output.

Walaupun amplitudnya sedikit lebih besar, ia tidak boleh mempengaruhi output kecuali isyarat input berpusat pada jurang histeresis. Tahap ambang mungkin harus disesuaikan untuk mencapai penghapusan kebisingan maksimum.

Ini dapat dilakukan dengan mudah dengan mengubah nilai resistor dalam rangkaian maklum balas positif, atau dengan menggunakan potensiometer.

Manfaat utama yang disediakan oleh pemicu Schmitt melalui penapis adalah bahawa ia tidak melambatkan kadar data, dan sebenarnya mempercepatnya dalam beberapa kes melalui penukaran bentuk gelombang perlahan menjadi bentuk gelombang cepat (peralihan tepi yang lebih cepat). Hampir semua IC digital di pasaran hari ini menggunakan beberapa bentuk tindakan pencetus Schmitt (histeresis) pada input digitalnya.

Ini termasuk MCU, cip memori, gerbang logik dan sebagainya. Walaupun IC digital ini mungkin mempunyai histeresis pada input mereka, banyak dari mereka juga mempunyai batasan untuk masa kenaikan dan penurunan input yang ditunjukkan pada lembaran spesifikasi mereka, dan ini harus dipertimbangkan. Pencetus Schmitt yang ideal tidak mempunyai had masa naik atau turun pada inputnya.

Bentuk Gelombang Input Perlahan kadang-kadang jurang histeresis terlalu kecil, atau hanya ada satu nilai ambang (peranti pencetus bukan Schmitt) di mana outputnya tinggi jika input meningkat di atas ambang, dan outputnya rendah jika isyarat input jatuh di bawah ia.

Dalam kes seperti ini, terdapat kawasan marjinal di sekitar ambang pintu, dan isyarat input perlahan dapat dengan mudah menyebabkan ayunan atau arus berlebihan mengalir melalui litar, yang bahkan boleh merosakkan peranti. Isyarat input lambat ini kadang-kadang boleh berlaku walaupun dalam digital pantas litar dalam keadaan power up atau keadaan lain di mana penapis (seperti rangkaian RC) digunakan untuk memberi isyarat kepada input.

Masalah jenis ini sering berlaku dalam litar “de-bounce” suis manual, kabel panjang atau pendawaian, dan litar yang banyak dimuatkan.

Sebagai contoh, jika isyarat tanjakan perlahan (integrator) diterapkan pada penyangga dan ia melintasi titik ambang tunggal pada input, output akan mengubah keadaannya (dari rendah ke tinggi, misalnya). Tindakan pemicu ini dapat menyebabkan arus tambahan diambil dari bekalan kuasa sesaat, dan juga menurunkan tahap daya VCC sedikit.

Perubahan ini cukup untuk menyebabkan output mengubah keadaan kembali dari tinggi ke rendah, karena penyangga merasakan bahawa input melintasi ambang lagi (walaupun input tetap sama). Ini dapat berulang lagi ke arah yang berlawanan, sehingga serangkaian denyut berayun akan muncul pada output.

Menggunakan pencetus Schmitt dalam hal ini bukan sahaja akan menghilangkan ayunan, tetapi juga akan menerjemahkan peralihan tepi perlahan menjadi siri denyut ON-OFF yang bersih dengan peralihan tepi hampir menegak. Output pemicu Schmitt kemudian dapat digunakan sebagai input ke perangkat berikut sesuai dengan spesifikasi waktu naik dan turunnya.

(Walaupun osilasi dapat dihilangkan dengan menggunakan pencetus Schmitt, masih ada aliran arus yang berlebihan dalam peralihan, yang mungkin perlu diperbaiki dengan cara lain.)

Pencetus Schmitt juga terdapat dalam kes di mana input analog, seperti bentuk gelombang sinusoidal, bentuk gelombang audio, atau bentuk gelombang gigi gergaji, perlu diubah menjadi gelombang persegi atau beberapa jenis isyarat digital ON-OFF lain dengan peralihan tepi pantas.