מבוא לשמיט טריגר

כמעט כל מעגל דיגיטלי המשמש בתקשורת נתונים מהירה מודרנית זקוק לצורה כלשהי של פעולת טרימיט של Schmitt על כניסותיו.

מדוע נעשה שימוש בשמיט טריגר

המטרה העיקרית של טריגר שמיט כאן היא לחסל רעש והפרעות בקווי נתונים ולספק פלט דיגיטלי נקי ויפה עם מעברי קצה מהירים.

זמני העלייה והירידה חייבים להיות נמוכים מספיק בפלט דיגיטלי כדי שניתן יהיה להחיל אותו ככניסה לשלבים הבאים במעגל. (למכשירי IC רבים יש מגבלות על סוג מעבר הקצה שיכול להופיע בקלט.)

היתרון העיקרי של שמיט מפעילה כאן הוא שהם מנקים אותות רועשים תוך שמירה על קצב זרימת נתונים גבוה, בניגוד למסננים, שיכולים לסנן רעש, אך להאט את קצב הנתונים באופן משמעותי.

טריגרים של שמיט נמצאים בדרך כלל גם במעגלים הזקוקים לתרגום צורת גל עם מעברי קצה איטי לצורת גל דיגיטלית עם מעברי קצה מהירים ונקיים.

טריגר של שמיט יכול להפוך כמעט כל צורת גל אנלוגית - כמו גל סינוס או צורת גל נסורת - לאות דיגיטלי ON-OFF עם מעברי קצה מהירים. טריגרים של Schmitt הם מכשירים דיגיטליים פעילים עם כניסה אחת ויציאה אחת, כמו חיץ או מהפך.

בהפעלה, הפלט הדיגיטלי יכול להיות גבוה או נמוך, ופלט זה משנה את המצב רק כאשר מתח הכניסה שלו עולה מעל שתי מגבלות מתח סף מוגדרות מראש או מתחת. אם במקרה הפלט נמוך, הפלט לא ישתנה לגובה אלא אם כן אות הקלט יעלה מעל גבול סף עליון מסוים.

כמו כן, אם במקרה היציאה גבוהה, הפלט לא ישתנה לנמוך עד שאות הכניסה יגיע מתחת לגבול הסף התחתון.

הסף התחתון נמוך מעט מגבול הסף העליון. ניתן להחיל כל סוג של צורת גל על ​​הקלט (גלים סינוסיים, שיניים מסור, צורות גל שמע, פולסים וכו ') כל עוד המשרעת שלו נמצאת בתחום מתח ההפעלה.

Diagarm להסביר שמיט טריגר

התרשים להלן מראה את ההיסטריה הנובעת מערכי סף מתח הכניסה העליונים והתחתונים. בכל פעם שהקלט נמצא מעל גבול הסף העליון, התפוקה גבוהה.

כאשר הקלט נמצא מתחת לסף התחתון, הפלט נמוך וכאשר מתח אות הקלט נמצא בין גבולות הסף העליונים והתחתונים, הפלט שומר על הערך הקודם שלו, שיכול להיות גבוה או נמוך.

המרחק בין הסף התחתון לסף העליון נקרא פער ההיסטרזה. הפלט תמיד שומר על מצבו הקודם עד שהקלט ישתנה מספיק כדי לגרום לו לשנות. זו הסיבה לייעוד 'ההדק' בשם.

ההדק של שמיט פועל באופן זהה למעגל תפס בינוני או מולטיברטור בינוני, מכיוון שיש לו זיכרון פנימי של 1 סיביות ומשנה את מצבו בהתאם לתנאי ההדק.

באמצעות סדרת IC 74XX להפעלת Schmitt Trigger

טקסס אינסטרומנטס מספקת פונקציות של טריגר כמעט בכל משפחות הטכנולוגיה שלה, ממשפחת 74XX הוותיקה ועד למשפחת AUP1T האחרונה.

ניתן לארוז את המעגלים האלקטרוניים הללו עם הדק שמיט הפוך או לא הפוך. לרוב התקני ההדק של שמיט, כמו 74HC14, יש רמות סף ביחס קבוע של Vcc.

זה עשוי להיות הולם עבור רוב היישומים, אך לפעמים יש לשנות את רמות הסף בהתאם לתנאי אות הקלט.

לדוגמא, טווח אות הכניסה עשוי להיות קטן יותר מפער ההיסטריזה הקבוע. ניתן לשנות את רמות הסף ב- IC כמו ה- 74HC14 על ידי חיבור נגד משוב שלילי מפלט לכניסה יחד עם נגד אחר המחבר את אות הכניסה לקלט ההתקן.

זה מספק את המשוב החיובי הדרוש להיסטריה, וניתן לכוונן את פער ההיסטריה על ידי שינוי הערכים של שני הנגדים שנוספו, או באמצעות פוטנציומטר. הנגדים צריכים להיות בעלי ערך מספיק גדול כדי לשמור על עכבת הקלט ברמה גבוהה.

טריגר של שמיט הוא מושג פשוט, אך הוא לא הומצא עד שנת 1934, בעוד מדען אמריקאי בשם אוטו ה 'שמיט היה עדיין סטודנט לתואר שני.

על אוטו ה.שמיט

הוא לא היה מהנדס חשמל, שכן לימודיו התמקדו בהנדסה ביולוגית וביופיזיקה. הוא העלה את הרעיון של טריגר שמיט כשהוא מנסה להנדס מכשיר שישכפל את מנגנון התפשטות הדחף העצבי בעצבי דיונונים.

התזה שלו מתארת ​​'טריגר תרמיוני' המאפשר להמיר אות אנלוגי לאות דיגיטלי, שהוא מלא או כבוי ('1' או '0').

הוא לא ידע שחברות אלקטרוניקה גדולות כמו מיקרוסופט, טקסס אינסטרומנטס ו- NXP Semiconductors אינן יכולות להתקיים כפי שהן קיימות ללא המצאה ייחודית זו.

ההדק של שמיט התגלה כהמצאה כל כך חשובה שהוא משמש במנגנוני הקלט של כמעט כל מכשיר אלקטרוני דיגיטלי בשוק.

מה זה טריגר שמיט

הרעיון של טריגר שמיט מתבסס סביב הרעיון של משוב חיובי, והעובדה שניתן לגרום לכל מעגל או מכשיר פעיל לפעול כמו טריגר של שמיט על ידי יישום המשוב החיובי כך שרווח הלולאה גדול מאחד.

מתח המוצא של המכשיר הפעיל מוחלש בכמות קבועה ומופעל כמשוב חיובי לקלט, מה שמוסיף למעשה את אות הקלט למתח המוצא המוחלש. זה יוצר פעולת היסטריה עם ערכי סף מתח כניסה עליונים ותחתונים.

מרבית המאגרים, הממירים והמשווים הסטנדרטיים משתמשים בערך סף אחד בלבד. הפלט משנה את המצב ברגע שצורת הקלט חוצה סף זה לשני הכיוונים.

איך עובד שמיט טריגר

אות קלט רועש או אות בעל צורת גל איטית יופיעו בפלט כסדרה של פעימות רעש.

מפעיל שמיט מנקה את זה - לאחר שהפלט משנה את המצב כאשר הקלט שלו חוצה סף, גם הסף עצמו משתנה, אז עכשיו מתח הכניסה צריך להתקדם בכיוון ההפוך כדי לשנות את המצב שוב.

רעש או הפרעה בכניסה לא יופיעו ביציאה אלא אם כן משרעתו במקרה גדולה מההפרש בין שני ערכי הסף.

ניתן לתרגם כל אות אנלוגי, צורות גל סינוסיות כאלה או אותות שמע, לסדרה של פעימות ON-OFF עם מעבר קצה מהיר ונקי. ישנן שלוש שיטות ליישום המשוב החיובי ליצירת מעגל טריגר של שמיט.

איך עובד משוב בשיטגר טריגר

בתצורה הראשונה, המשוב מתווסף ישירות למתח הכניסה, כך שהמתח צריך לעבור בכמות גדולה יותר בכיוון ההפוך כדי לגרום לשינוי נוסף בפלט.

זה ידוע בדרך כלל כמשוב חיובי מקביל.

בתצורה השנייה, המשוב מופחת ממתח הסף, שמשפיע באותה מידה כמו הוספת משוב למתח הכניסה.

זה יוצר מעגל משוב חיובי סדרתי, ולעתים מכונה מעגל סף דינמי. רשת מחלקת נגדים בדרך כלל קובעת את מתח הסף, שהוא חלק משלב הקלט.

ניתן ליישם את שני המעגלים הראשונים בקלות באמצעות אופמפ יחיד או שני טרנזיסטורים יחד עם כמה נגדים. הטכניקה השלישית היא קצת יותר מורכבת, והיא שונה בכך שאין לה משוב לאף חלק בשלב הקלט.

שיטה זו משתמשת בשני משווים נפרדים עבור שני ערכי הגבול והכפף כאלמנט זיכרון של 1 סיביות. אין משוב חיובי על המשווים, מכיוון שהם כלולים בתוך אלמנט הזיכרון. כל אחת משלוש השיטות הללו מוסברת בפירוט רב יותר בפסקאות הבאות.

כל מפעילי שמיט הם מכשירים פעילים המסתמכים על משוב חיובי כדי להשיג את פעולת ההיסטרזה שלהם. הפלט הולך ל'גבוה 'בכל פעם שהקלט עולה מעל גבול סף עליון מוגדר מראש, ועובר ל'נמוך' בכל פעם שהקלט יורד מתחת לגבול הסף התחתון.

הפלט שומר על הערך הקודם שלו (נמוך או גבוה), כאשר הקלט נמצא בין שתי גבולות הסף.

מעגל מסוג זה משמש לעיתים קרובות לניקוי אותות רועשים, ולהמיר צורת גל אנלוגית לצורת גל דיגיטלית (1 ו -0) עם מעברי קצה נקיים ומהירים.

סוגי משוב במעגלי ההדק של שמיט

ישנן שלוש שיטות המשמשות בדרך כלל ליישום משוב חיובי ליצירת מעגל ההדק של שמיט. שיטות אלה הן משוב מקביל, משוב מסדרה ומשוב פנימי, והן נדונות כדלקמן.

טכניקות המשוב המקבילות והסדרות הן למעשה גרסאות כפולות מאותו סוג מעגל משוב. משוב מקביל מעגל משוב מקביל נקרא לפעמים מעגל מתח כניסה שונה.

במעגל זה, המשוב מתווסף ישירות למתח הכניסה, ואינו משפיע על מתח הסף. כאשר המשוב מתווסף לקלט כאשר הפלט משתנה ממצב, מתח הקלט צריך לעבור בכמות גדולה יותר בכיוון ההפוך כדי לגרום לשינוי נוסף בפלט.

אם הפלט נמוך, ואות הקלט עולה לנקודה בה הוא חוצה את מתח הסף והפלט משתנה לגבוה.

חלק מפלט זה מוחל ישירות על הקלט באמצעות לולאת משוב, אשר 'מסייעת' למתח היציאה להישאר במצבו החדש.

זה מגביר למעשה את מתח הכניסה, שיש לו השפעה זהה להורדת מתח הסף.

מתח הסף עצמו לא שונה, אך על הקלט כעת להתקדם בכיוון כלפי מטה כדי לשנות את הפלט למצב נמוך. ברגע שהתפוקה נמוכה, אותו תהליך חוזר על עצמו כדי לחזור למצב הגבוה.

במעגל זה אין צורך להשתמש במגבר דיפרנציאלי, מכיוון שכל מגבר לא-הפוך חד-פעמי יעבוד.

הן אות הכניסה והן משוב היציאה מוחלים על הקלט הלא-הפוך של המגבר באמצעות נגדים, ושני נגדים אלה יוצרים קיץ מקביל משוקלל. אם יש קלט הפוך, הוא מוגדר למתח ייחוס קבוע.

דוגמאות למעגלי משוב מקבילים הם מעגל ההדק של Schmitt המצויד בבסיס אספן או מעגל מגבר אופטי שאינו הופך, כפי שמוצג:

משוב מהסדרה

מעגל סף דינמי (משוב סדרתי) פועל באופן זהה למעגל משוב מקביל, אלא שהמשוב מהפלט משנה ישירות את מתח הסף במקום את מתח הכניסה.

המשוב מופחת ממתח הסף, שיש לו אותה השפעה כמו הוספת משוב למתח הכניסה. ברגע שהקלט חוצה את גבול מתח הסף, מתח הסף משתנה לערך ההפוך.

על הקלט כעת להשתנות במידה רבה יותר בכיוון ההפוך כדי לשנות שוב את מצב הפלט. הפלט מבודד ממתח הכניסה ומשפיע רק על מתח הסף.

לכן, ניתן להפוך את התנגדות הכניסה להרבה יותר גבוהה עבור מעגל סדרה זה בהשוואה למעגל מקביל. מעגל זה מבוסס בדרך כלל על מגבר דיפרנציאלי שבו הקלט מחובר לכניסה ההפוכה והיציאה מחוברת לקלט שאינו הופך דרך מחלק מתח נגד.

מחלק המתח קובע את ערכי הסף, והלולאה מתנהגת כמו קיץ מתח סדרתי. דוגמאות לסוג זה הן הדק השמיט הקלאסי המצויד בפולט הטרנזיסטור ומעגל מגבר אופטי הפוך, כפי שמוצג כאן:

משוב פנימי

בתצורה זו נוצר טריגר של שמיט על ידי שימוש בשני משווים נפרדים (ללא היסטריה) לשתי גבולות הסף.

הפלטים של השוואים הללו מחוברים לכניסות הסט ולאיפוס של כפכף RS. המשוב החיובי נכלל בכפכף, ולכן אין משוב למשווים. הפלט של הכפכף RS מתחלף גבוה כאשר הקלט עולה מעל הסף העליון, ומתחלף נמוך כאשר הקלט יורד מתחת לסף התחתון.

כאשר הקלט נמצא בין סף עליון לתחתון, הפלט שומר על מצבו הקודם. דוגמה למכשיר המשתמש בטכניקה זו היא 74HC14 תוצרת NXP Semiconductors ו- Texas Instruments.

חלק זה מורכב ממשווה סף עליון ומשווה סף תחתון המשמש להגדרה ולאיפוס כפכף RS. הדק 74HC14 Schmitt הוא אחד המכשירים הפופולריים ביותר לממשק אותות בעולם האמיתי עם אלקטרוניקה דיגיטלית.

שתי מגבלות הסף בהתקן זה מוגדרות ביחס קבוע של Vcc. זה ממזער את ספירת החלקים ושומר על המעגל פשוט, אך לפעמים יש לשנות את רמות הסף עבור סוגים שונים של תנאי אות קלט.

לדוגמא, טווח אות הקלט עשוי להיות קטן יותר מתח המתח ההיסטרזי הקבוע. ניתן לשנות את רמות הסף ב- 74HC14 על ידי חיבור נגד משוב שלילי מהפלט לקלט, ונגד נוסף המחבר את אות הכניסה לקלט.

זה מפחית למעשה את המשוב החיובי הקבוע של 30% לערך נמוך יותר, כמו 15%. חשוב להשתמש בנגדים בעלי ערך גבוה לשם כך (טווח מגה-אוהם) על מנת לשמור על התנגדות הקלט גבוהה.

יתרונות ההדק של שמיט

טריגרים של שמיט משרתים מטרה בכל סוג של מערכת תקשורת נתונים מהירה עם עיבוד אותות דיגיטלי כלשהו. למעשה, הם משרתים מטרה כפולה: לנקות רעשים והפרעות בקווי נתונים תוך שמירה על קצב זרימת נתונים גבוה, ולהמיר צורת גל אנלוגית אקראית לצורת גל דיגיטלית ON-OFF עם מעברי קצה נקיים ומהירים.

זה מספק יתרון על פני פילטרים, שיכולים לסנן רעשים, אך להאט את קצב הנתונים באופן משמעותי בגלל רוחב הפס המוגבל שלהם. כמו כן, מסננים סטנדרטיים אינם מסוגלים לספק פלט דיגיטלי נקי ונקי עם מעברי קצה מהירים כאשר מוחל צורת גל קלט איטית.

שני היתרונות הללו של טריגרים של שמיט מוסברים בפירוט רב יותר כדלקמן: כניסות אות רועשות השפעות הרעש וההפרעות מהוות בעיה מרכזית במערכות דיגיטליות שכן משתמשים בכבלים ארוכים וארוכים יותר ונדרשים קצב נתונים גבוה יותר וגבוה יותר.

חלק מהדרכים הנפוצות להפחתת רעש כוללות שימוש בכבלים מוגנים, שימוש בחוטים מפותלים, התאמת עכבות והפחתת עכבות פלט.

טכניקות אלה יכולות להיות יעילות בהפחתת רעש, אך עדיין יישאר רעש בקו כניסה, וזה עלול לעורר אותות לא רצויים במעגל.

לרוב המאגרים, הממירים והמשוואים הסטנדרטיים המשמשים במעגלים דיגיטליים יש ערך סף אחד בלבד בכניסה. לכן, הפלט משנה את המצב ברגע שצורת הקלט עוברת את הסף הזה לשני הכיוונים.

אם אות רעש אקראי חוצה נקודת סף זו בכניסה מספר פעמים, הוא נראה על הפלט כסדרה של פולסים. כמו כן, צורת גל עם מעברים בקצה איטי יכולה להופיע על הפלט כסדרה של פעימות רעש תנודות.

לפעמים משתמשים במסנן כדי להפחית את הרעש הנוסף הזה, כמו למשל ברשת RC. אך בכל פעם שמשתמשים בפילטר כזה בנתיב הנתונים, הוא מאט את קצב הנתונים המרבי באופן משמעותי. מסננים חוסמים רעש, אך הם גם חוסמים אותות דיגיטליים בתדירות גבוהה.

מסנני ההדק של שמיט

מפעיל שמיט מנקה את זה. לאחר שהפלט משנה את מצבו כאשר הקלט שלו חוצה סף, גם הסף עצמו משתנה, אז הקלט צריך להתקדם בכיוון ההפוך כדי לגרום לשינוי נוסף בפלט.

בגלל אפקט ההיסטרזה הזה, השימוש בהטריגרים של שמיט הוא כנראה הדרך היעילה ביותר להפחתת בעיות רעש והפרעות במעגל דיגיטלי. בדרך כלל ניתן לפתור בעיות רעש והפרעות, אם לא להיפטר מהן, על ידי הוספת היסטריה על קו הקלט בצורה של טריגר שמיט.

כל עוד משרעת הרעש או ההפרעה בכניסה פחות מרוחב פער ההיסטרזה של הדק שמיט, לא יהיו השפעות של רעש על הפלט.

גם אם המשרעת מעט גדולה יותר, זה לא אמור להשפיע על הפלט אלא אם כן אות הכניסה מתרכז בפער ההיסטרזה. ייתכן שיהיה צורך להתאים את רמות הסף על מנת להשיג חיסול רעש מרבי.

ניתן לעשות זאת בקלות על ידי שינוי ערכי הנגד ברשת המשוב החיובית, או באמצעות פוטנציומטר.

היתרון העיקרי שגורם שמיט מספק על פני פילטרים הוא בכך שהוא אינו מאט את קצב הנתונים, ולמעשה מאיץ אותו במקרים מסוימים באמצעות המרה של צורות גל איטיות לצורות גל מהירות (מעברי קצה מהירים יותר). כמעט כל IC דיגיטלי ב השוק כיום משתמש בצורה כלשהי של פעולת ההדק של שמיט (היסטריה) על התשומות הדיגיטליות שלה.

אלה כוללים MCU, שבבי זיכרון, שערי לוגיקה וכן הלאה. למרות שבמכשירים דיגיטליים אלה עשויים להיות היסטריה על התשומות שלהם, לרבים מהם יש גם מגבלות לזמני העלייה והירידה של הקלט המוצגים בגליונות המפרט שלהם, ויש לקחת אותם בחשבון. להדק שמיט אידיאלי אין מגבלות זמן עלייה או ירידה בקלט שלו.

צורות גל קלט איטיות לפעמים פער ההיסטרזה קטן מדי, או שיש רק ערך סף אחד (התקן טריגר שאינו שמיט) שבו הפלט עולה גבוה אם הקלט עולה מעל הסף, והפלט יורד אם אות הקלט נופל מתחת זה.

במקרים כאלה יש אזור שולי סביב הסף, ואות קלט איטי יכול בקלות לגרום לתנודות או לזרם עודף לזרום דרך המעגל, מה שעלול אפילו לפגוע במכשיר. אותות קלט איטיים אלה יכולים לפעמים לקרות אפילו בדיגיטל מהיר. מעגלים בתנאי הפעלה או בתנאים אחרים שבהם נעשה שימוש בפילטר (כגון רשת RC) להזנת אותות לכניסות.

בעיות מסוג זה מתרחשות לעיתים קרובות במעגלים 'דה-קופצים' של מתגים ידניים, כבלים ארוכים או חיווט, ומעגלים עמוסים בכבדות.

לדוגמא, אם מוחל על חיץ אות רמפה איטי (אינטגרטור) והוא חוצה את נקודת הסף היחידה בכניסה, הפלט ישנה את מצבו (למשל נמוך לגבוה). פעולה מפעילה זו עלולה לגרום לזרימת זרם נוסף מאספקת החשמל לרגע, ולהוריד מעט את רמת ההספק של VCC.

שינוי זה יכול להספיק בכדי לגרום לפלט לשנות את מצבו שוב מגבוה לנמוך, שכן המאגר חש שהכניסה חצתה שוב את הסף (למרות שהקלט נשאר זהה). זה יכול לחזור שוב בכיוון ההפוך, ולכן סדרה של דופק נדנוד תופיע על הפלט.

שימוש בהדק שמיט במקרה זה לא רק יבטל את התנודות, אלא גם יתרגם את מעברי הקצה האיטי לסדרה נקייה של פעימות ON-OFF עם מעברי קצה כמעט אנכיים. הפלט של טריגר Schmitt יכול לשמש ככניסה למכשיר הבא על פי מפרט זמן העלייה והירידה שלו.

(למרות שניתן לבטל תנודות באמצעות טריגר שמיט, עדיין יכול להיות זרימת זרם עודפת במעבר, וייתכן שיהיה צורך לתקן בדרך אחרת.)

ההדק של שמיט נמצא גם במקרים בהם יש להמיר קלט אנלוגי, כגון צורת גל סינוסואידית, צורת גל שמע או צורת גל נסורת, לגל מרובע או לסוג אחר של אות דיגיטלי ON-OFF עם מעברי קצה מהירים.