Introduzione a Schmitt Trigger

Quasi tutti i circuiti digitali utilizzati nelle moderne comunicazioni di dati ad alta velocità richiedono una qualche forma di attivazione di Schmitt sui suoi ingressi.

Perché viene utilizzato Schmitt Trigger

Lo scopo principale di un trigger di Schmitt qui è eliminare il rumore e le interferenze sulle linee dati e fornire un'uscita digitale pulita con transizioni di fronte veloci.

I tempi di salita e discesa devono essere sufficientemente bassi in un'uscita digitale da poter essere applicati come ingressi alle fasi successive in un circuito. (Molti circuiti integrati hanno limitazioni del tipo di transizione del bordo che può apparire su un ingresso.)

Il vantaggio principale dei trigger di Schmitt qui è che puliscono i segnali rumorosi pur mantenendo un'elevata velocità di flusso dei dati, a differenza dei filtri, che possono filtrare il rumore, ma rallentano significativamente la velocità dei dati.

I trigger di Schmitt si trovano comunemente anche nei circuiti che richiedono una forma d'onda con transizioni di fronte lente per essere tradotta in una forma d'onda digitale con transizioni di fronte veloci e pulite.

Un trigger di Schmitt può trasformare quasi tutte le forme d'onda analogiche, come un'onda sinusoidale o una forma d'onda a dente di sega, in un segnale digitale ON-OFF con transizioni di fronte veloci.

Durante il funzionamento, l'uscita digitale può essere alta o bassa e questa uscita cambia stato solo quando la sua tensione di ingresso è superiore o inferiore a due limiti di tensione di soglia preimpostati. Se l'uscita è bassa, l'uscita non cambierà in alta a meno che il segnale di ingresso non superi un certo limite di soglia superiore.

Allo stesso modo, se l'uscita è alta, l'uscita non cambierà in bassa finché il segnale di ingresso non scende al di sotto di un certo limite di soglia inferiore.

La soglia inferiore è leggermente inferiore al limite della soglia superiore. Qualsiasi tipo di forma d'onda può essere applicata all'ingresso (onde sinusoidali, denti di sega, forme d'onda audio, impulsi, ecc.) Purché la sua ampiezza rientri nell'intervallo di tensione operativa.

Diagarm spiega il trigger di Schmitt

Il diagramma seguente mostra l'isteresi risultante dai valori di soglia della tensione di ingresso superiore e inferiore. Ogni volta che l'ingresso è al di sopra del limite di soglia superiore, l'uscita è alta.

Quando l'ingresso è al di sotto della soglia inferiore, l'uscita è bassa e quando la tensione del segnale di ingresso si trova tra i limiti di soglia superiore e inferiore, l'uscita mantiene il suo valore precedente, che può essere alto o basso.

La distanza tra la soglia inferiore e la soglia superiore è chiamata gap di isteresi. L'uscita mantiene sempre il suo stato precedente fino a quando l'ingresso non cambia in modo sufficiente per attivarlo a cambiare. Questo è il motivo della designazione 'trigger' nel nome.

Il trigger di Schmitt funziona più o meno allo stesso modo di un circuito bistabile o di un multivibratore bistabile, poiché ha una memoria interna a 1 bit e cambia il suo stato a seconda delle condizioni di trigger.

Utilizzo della serie IC 74XX per il funzionamento del trigger Schmitt

Texas Instruments fornisce funzioni trigger Schmitt in quasi tutte le sue famiglie tecnologiche, dalla vecchia famiglia 74XX all'ultima famiglia AUP1T.

Questi circuiti integrati possono essere confezionati con un trigger di Schmitt invertente o non invertente. La maggior parte dei dispositivi trigger di Schmitt, come il 74HC14, hanno livelli di soglia a un rapporto fisso di Vcc.

Ciò potrebbe essere adeguato per la maggior parte delle applicazioni, ma a volte è necessario modificare i livelli di soglia a seconda delle condizioni del segnale di ingresso.

Ad esempio, l'intervallo del segnale di ingresso potrebbe essere inferiore all'intervallo di isteresi fisso. I livelli di soglia possono essere modificati in circuiti integrati come 74HC14 collegando un resistore di feedback negativo dall'uscita all'ingresso insieme a un altro resistore che collega il segnale di ingresso all'ingresso del dispositivo.

Ciò fornisce il feedback positivo necessario per l'isteresi e il gap di isteresi può ora essere regolato cambiando i valori dei due resistori aggiunti o utilizzando un potenziometro. Le resistenze dovrebbero avere un valore sufficientemente grande da mantenere l'impedenza di ingresso a un livello elevato.

Un trigger di Schmitt è un concetto semplice, ma non è stato inventato fino al 1934, mentre uno scienziato americano di nome Otto H. Schmitt era ancora uno studente laureato.

A proposito di Otto H. Schmitt

Non era un ingegnere elettrico, poiché i suoi studi erano incentrati sull'ingegneria biologica e sulla biofisica. Ha avuto l'idea di un trigger di Schmitt mentre stava cercando di progettare un dispositivo che replicasse il meccanismo di propagazione dell'impulso neurale nei nervi del calamaro.

La sua tesi descrive un 'trigger termoionico' che consente di convertire un segnale analogico in un segnale digitale, che è completamente acceso o spento ('1' o '0').

Non sapeva che le principali società di elettronica come Microsoft, Texas Instruments e NXP Semiconductors non potevano esistere come sono oggi senza questa invenzione unica.

Il trigger di Schmitt si è rivelato un'invenzione così importante da essere utilizzato nei meccanismi di input di quasi tutti i dispositivi elettronici digitali sul mercato.

Cos'è un trigger di Schmitt

Il concetto di trigger di Schmitt si basa sull'idea di feedback positivo e sul fatto che qualsiasi circuito o dispositivo attivo può essere fatto funzionare come un trigger di Schmitt applicando il feedback positivo in modo tale che il guadagno del loop sia maggiore di uno.

La tensione di uscita del dispositivo attivo viene attenuata di una determinata quantità e applicata come feedback positivo all'ingresso, che aggiunge effettivamente il segnale di ingresso alla tensione di uscita attenuata, creando un'azione di isteresi con valori di soglia della tensione di ingresso superiore e inferiore.

La maggior parte dei buffer, inverter e comparatori standard utilizza un solo valore di soglia. L'uscita cambia stato non appena la forma d'onda di ingresso supera questa soglia in una delle due direzioni.

Come funziona il trigger di Schmitt

Un segnale di ingresso rumoroso o un segnale con una forma d'onda lenta apparirà sull'uscita come una serie di impulsi di rumore.

Un trigger di Schmitt pulisce questo è attivo: dopo che l'uscita cambia stato quando il suo ingresso attraversa una soglia, anche la soglia stessa cambia, quindi ora la tensione di ingresso deve spostarsi ulteriormente nella direzione opposta per cambiare di nuovo stato.

Rumore o interferenza sull'ingresso non apparirebbero sull'uscita a meno che la sua ampiezza non sia maggiore della differenza tra i due valori di soglia.

Qualsiasi segnale analogico, come forme d'onda sinusoidali o segnali audio, può essere tradotto in una serie di impulsi ON-OFF con transizioni di fronte veloci e pulite. Ci sono tre metodi per implementare il feedback positivo per formare un circuito trigger di Schmitt.

Come funziona il feedback in Schmitt Trigger

Nella prima configurazione, il feedback viene aggiunto direttamente alla tensione di ingresso, quindi la tensione deve spostarsi di una quantità maggiore nella direzione opposta per causare un altro cambiamento in uscita.

Questo è comunemente noto come feedback positivo parallelo.

Nella seconda configurazione, il feedback viene sottratto dalla tensione di soglia, che ha lo stesso effetto dell'aggiunta di feedback alla tensione di ingresso.

Questo forma un circuito di feedback positivo in serie ed è talvolta chiamato circuito di soglia dinamico. Una rete resistore-divisore di solito imposta la tensione di soglia, che fa parte dello stadio di ingresso.

I primi due circuiti possono essere facilmente implementati tramite l'uso di un singolo amplificatore operazionale o due transistor insieme ad alcuni resistori. La terza tecnica è un po 'più complessa ed è diversa in quanto non ha alcun feedback per nessuna parte della fase di input.

Questo metodo utilizza due comparatori separati per i due valori limite di soglia e un flip-flop come elemento di memoria a 1 bit. Non vi è alcun feedback positivo applicato ai comparatori, poiché sono contenuti all'interno dell'elemento di memoria. Ciascuno di questi tre metodi è spiegato più dettagliatamente nei paragrafi seguenti.

Tutti i trigger di Schmitt sono dispositivi attivi che si affidano a feedback positivi per ottenere la loro azione di isteresi. L'uscita passa a 'alto' ogni volta che l'ingresso supera un certo limite di soglia superiore preimpostato e passa a 'basso' ogni volta che l'ingresso scende al di sotto di un limite di soglia inferiore.

L'uscita mantiene il suo valore precedente (basso o alto), quando l'ingresso è compreso tra i due limiti di soglia.

Questo tipo di circuito viene spesso utilizzato per ripulire i segnali rumorosi e convertire una forma d'onda analogica in una forma d'onda digitale (1 e 0) con transizioni di fronte pulite e veloci.

Tipi di feedback nei circuiti trigger di Schmitt

Esistono tre metodi tipicamente utilizzati nell'implementazione del feedback positivo per formare un circuito trigger di Schmitt. Questi metodi sono Feedback parallelo, Feedback in serie e Feedback interno e vengono discussi come segue.

Le tecniche di feedback in parallelo e in serie sono in realtà versioni doppie dello stesso tipo di circuito di feedback. Feedback parallelo Un circuito di feedback parallelo è talvolta chiamato circuito di tensione di ingresso modificato.

In questo circuito, il feedback viene aggiunto direttamente alla tensione di ingresso e non influisce sulla tensione di soglia. Poiché il feedback viene aggiunto all'ingresso quando l'uscita cambia di stato, la tensione di ingresso deve spostarsi di una quantità maggiore nella direzione opposta per causare un'ulteriore variazione dell'uscita.

Se l'uscita è bassa e il segnale di ingresso aumenta fino al punto in cui attraversa la tensione di soglia e l'uscita diventa alta.

Parte di questa uscita viene applicata direttamente all'ingresso tramite un anello di retroazione, che 'aiuta' la tensione di uscita a rimanere nel suo nuovo stato.

Ciò aumenta efficacemente la tensione di ingresso, che ha lo stesso effetto dell'abbassamento della tensione di soglia.

La tensione di soglia in sé non viene modificata, ma l'ingresso deve ora spostarsi ulteriormente nella direzione verso il basso per modificare l'uscita in uno stato basso. Una volta che l'uscita è bassa, questo stesso processo si ripete per tornare allo stato alto.

Questo circuito non deve utilizzare un amplificatore differenziale, poiché funzionerà qualsiasi amplificatore non invertente single-ended.

Sia il segnale di ingresso che il feedback di uscita vengono applicati all'ingresso non invertente dell'amplificatore tramite resistori, e questi due resistori formano un'estate parallela ponderata. Se è presente un ingresso invertente, viene impostato su una tensione di riferimento costante.

Esempi di circuiti di feedback in parallelo sono un circuito trigger di Schmitt accoppiato a collettore-base o un circuito op-amp non invertente, come mostrato:

Feedback sulla serie

Un circuito a soglia dinamica (feedback in serie) funziona sostanzialmente allo stesso modo di un circuito di feedback in parallelo, tranne per il fatto che il feedback dall'uscita cambia direttamente la tensione di soglia invece della tensione di ingresso.

Il feedback viene sottratto dalla tensione di soglia, che ha lo stesso effetto dell'aggiunta di feedback alla tensione di ingresso. Non appena l'ingresso supera il limite di tensione di soglia, la tensione di soglia passa al valore opposto.

L'ingresso ora deve cambiare in misura maggiore nella direzione opposta per cambiare di nuovo lo stato dell'uscita. L'uscita è isolata dalla tensione di ingresso e influisce solo sulla tensione di soglia.

Pertanto, la resistenza di ingresso può essere resa molto più alta per questo circuito in serie rispetto a un circuito in parallelo. Questo circuito si basa solitamente su un amplificatore differenziale in cui l'ingresso è collegato all'ingresso invertente e l'uscita è collegata all'ingresso non invertente tramite un partitore di tensione resistivo.

Il partitore di tensione imposta i valori di soglia e il loop agisce come una tensione in serie estiva. Esempi di questo tipo sono il classico trigger di Schmitt accoppiato a emettitore a transistor e un circuito amplificatore operazionale invertente, come mostrato qui:

Feedback interno

In questa configurazione, viene creato un trigger di Schmitt utilizzando due comparatori separati (senza isteresi) per i due limiti di soglia.

Le uscite di questi comparatori sono collegate agli ingressi di set e reset di un flip-flop RS. Il feedback positivo è contenuto all'interno del flip-flop, quindi non c'è feedback per i comparatori. L'uscita del flip-flop RS si attiva quando l'ingresso supera la soglia superiore e si abbassa quando l'ingresso scende al di sotto della soglia inferiore.

Quando l'ingresso si trova tra le soglie superiore e inferiore, l'uscita mantiene il suo stato precedente. Un esempio di un dispositivo che utilizza questa tecnica è il 74HC14 realizzato da NXP Semiconductors e Texas Instruments.

Questa parte è costituita da un comparatore di soglia superiore e da un comparatore di soglia inferiore, che vengono utilizzati per impostare e ripristinare un flip-flop RS. Il trigger di Schmitt 74HC14 è uno dei dispositivi più popolari per interfacciare segnali del mondo reale con l'elettronica digitale.

I due limiti di soglia in questo dispositivo sono impostati su un rapporto fisso di Vcc. Ciò riduce al minimo il conteggio delle parti e mantiene il circuito semplice, ma a volte i livelli di soglia devono essere modificati per diversi tipi di condizioni del segnale di ingresso.

Ad esempio, l'intervallo del segnale di ingresso potrebbe essere inferiore all'intervallo di tensione di isteresi fisso. I livelli di soglia possono essere modificati nel 74HC14 collegando un resistore di feedback negativo dall'uscita all'ingresso e un altro resistore che collega il segnale di ingresso all'ingresso.

Ciò riduce efficacemente il feedback positivo fisso del 30% a un valore inferiore, come il 15%. È importante utilizzare resistori di alto valore per questo (intervallo Mega-Ohm) per mantenere alta la resistenza di ingresso.

Vantaggi del trigger di Schmitt

I trigger di Schmitt hanno uno scopo in qualsiasi tipo di sistema di comunicazione dati ad alta velocità con una qualche forma di elaborazione del segnale digitale. In realtà, hanno un duplice scopo: ripulire il rumore e le interferenze sulle linee dati pur mantenendo un'elevata velocità di flusso di dati e convertire una forma d'onda analogica casuale in una forma d'onda digitale ON-OFF con transizioni dei bordi veloci e pulite.

Ciò fornisce un vantaggio rispetto ai filtri, che possono filtrare il rumore, ma rallentare la velocità dei dati in modo significativo a causa della loro larghezza di banda limitata. Inoltre, i filtri standard non sono in grado di fornire un'uscita digitale piacevole e pulita con transizioni di fronte veloci quando viene applicata una forma d'onda di ingresso lenta.

Questi due vantaggi dei trigger di Schmitt sono spiegati in modo più dettagliato come segue: Ingressi di segnale rumorosi Gli effetti del rumore e delle interferenze sono un grosso problema nei sistemi digitali poiché vengono utilizzati cavi sempre più lunghi e sono richieste velocità di dati sempre più elevate.

Alcuni dei modi più comuni per ridurre il rumore includono l'uso di cavi schermati, l'uso di fili intrecciati, le impedenze di adattamento e la riduzione delle impedenze di uscita.

Queste tecniche possono essere efficaci nel ridurre il rumore, ma rimarrà ancora del rumore su una linea di ingresso e ciò potrebbe attivare segnali indesiderati all'interno di un circuito.

La maggior parte dei buffer, inverter e comparatori standard utilizzati nei circuiti digitali hanno un solo valore di soglia sull'ingresso. Quindi, l'uscita cambia stato non appena la forma d'onda in ingresso attraversa questa soglia in entrambe le direzioni.

Se un segnale di rumore casuale attraversa più volte questo punto di soglia su un ingresso, verrà visualizzato sull'uscita come una serie di impulsi. Inoltre, una forma d'onda con transizioni di fronte lente potrebbe apparire sull'uscita come una serie di impulsi di rumore oscillanti.

A volte viene utilizzato un filtro per ridurre questo rumore aggiuntivo, come in una rete RC. Ma ogni volta che un filtro come questo viene utilizzato sul percorso dati, rallenta in modo significativo la velocità massima dei dati. I filtri bloccano il rumore, ma bloccano anche i segnali digitali ad alta frequenza.

Filtri trigger di Schmitt

Un trigger di Schmitt pulisce questo è finito. Dopo che l'uscita cambia il suo stato quando il suo ingresso attraversa una soglia, anche la soglia stessa cambia, quindi l'ingresso deve spostarsi ulteriormente nella direzione opposta per causare un altro cambiamento nell'uscita.

A causa di questo effetto di isteresi, l'uso di trigger di Schmitt è probabilmente il modo più efficace per ridurre i problemi di rumore e interferenza in un circuito digitale. I problemi di rumore e interferenza di solito possono essere risolti, se non eliminati, aggiungendo l'isteresi sulla linea di ingresso sotto forma di un trigger di Schmitt.

Finché l'ampiezza del rumore o dell'interferenza sull'ingresso è inferiore all'ampiezza dell'intervallo di isteresi del trigger di Schmitt, non ci saranno effetti del rumore sull'uscita.

Anche se l'ampiezza è leggermente maggiore, non dovrebbe influenzare l'uscita a meno che il segnale di ingresso non sia centrato sul gap di isteresi. Potrebbe essere necessario regolare i livelli di soglia per ottenere la massima eliminazione del rumore.

Ciò può essere fatto facilmente modificando i valori di un resistore nella rete di feedback positivo o utilizzando un potenziometro.

Il vantaggio principale che un trigger di Schmitt fornisce rispetto ai filtri è che non rallenta la velocità dei dati e in alcuni casi la accelera tramite la conversione di forme d'onda lente in forme d'onda veloci (transizioni di fronte più veloci). oggi il mercato utilizza una qualche forma di azione trigger di Schmitt (isteresi) sui suoi ingressi digitali.

Questi includono MCU, chip di memoria, porte logiche e così via. Sebbene questi circuiti integrati digitali possano avere isteresi sui loro ingressi, molti di loro hanno anche limitazioni per i loro tempi di salita e discesa di ingresso visualizzati sulle loro schede tecniche, e questi devono essere presi in considerazione. Un trigger di Schmitt ideale non ha limiti di tempo di salita o discesa sul suo ingresso.

Forme d'onda di ingresso lente a volte il gap di isteresi è troppo piccolo o c'è solo un valore di soglia (un dispositivo trigger non Schmitt) in cui l'uscita aumenta se l'ingresso supera la soglia e l'uscita diventa bassa se il segnale di ingresso scende al di sotto esso.

In casi come questi, c'è un'area marginale intorno alla soglia e un segnale di ingresso lento può facilmente causare oscillazioni o correnti in eccesso che fluiscono attraverso il circuito, il che potrebbe persino danneggiare il dispositivo.Questi segnali di ingresso lenti a volte possono verificarsi anche in digitale veloce circuiti in condizioni di accensione o altre condizioni in cui un filtro (come una rete RC) viene utilizzato per inviare segnali agli ingressi.

Problemi di questo tipo si verificano spesso all'interno dei circuiti 'antirimbalzo' di interruttori manuali, cavi o cablaggi lunghi e circuiti fortemente caricati.

Ad esempio, se un segnale a rampa lenta (integratore) viene applicato a un buffer e attraversa il singolo punto di soglia sull'ingresso, l'uscita cambierà il suo stato (da basso ad alto, per esempio). Questa azione di attivazione potrebbe causare momentaneamente l'assorbimento di corrente extra dall'alimentatore e anche abbassare leggermente il livello di potenza VCC.

Questo cambiamento potrebbe essere sufficiente a far cambiare nuovamente lo stato dell'uscita da alto a basso, poiché il buffer rileva che l'ingresso ha nuovamente superato la soglia (nonostante l'ingresso rimanga lo stesso). Questo potrebbe ripetersi di nuovo nella direzione opposta, quindi una serie di impulsi oscillanti apparirebbe sull'uscita.

L'uso di un trigger di Schmitt in questo caso non solo eliminerà le oscillazioni, ma tradurrà anche le transizioni di fronte lente in una serie pulita di impulsi ON-OFF con transizioni di fronte quasi verticali. L'uscita di un trigger di Schmitt può quindi essere utilizzata come ingresso per il dispositivo successivo in base alle specifiche del tempo di salita e di discesa.

(Sebbene le oscillazioni possano essere eliminate utilizzando un trigger di Schmitt, potrebbe esserci ancora un flusso di corrente in eccesso in una transizione, che potrebbe dover essere corretto in qualche altro modo.)

Il trigger di Schmitt si trova anche nei casi in cui un ingresso analogico, come una forma d'onda sinusoidale, una forma d'onda audio o una forma d'onda a dente di sega, deve essere convertito in un'onda quadra o in qualche altro tipo di segnale digitale ON-OFF con transizioni di fronte veloci.