Schmitt-trigger
Schmitt-triggeren er en komponent eller en opstilling, som kan lave et analogt signal om til et klart digitalt signal.
Problemet med at tolke et analogt signal som et digitalt niveau er at signalet omkring skiftepunktet vil give flere skift, hvis der bare er den mindste smule elektrisk støj på signalet, så det man gerne vil tolke som et skift fra høj til lav eller fra lav til høj bliver til mange skift.
Funktionsmåden illustreret ved signaler
En simpel buffer der omformer at analogt Signal til et digitalt signal vil skifte udgangen på et bestemt niveau, som det er illustrere i følgende figur:
Analogt Signal omformet til et digitalt signal uden hysterese
Som det ses på figuren herover, så skifter udgangen på samme niveau, så et udsving mens signalet er højt på indgangen vil give et ekstra signal på udgangen, fordi der er små udsving på signalet på indgangen.
Schmitt-triggeren har to niveauer der indgår i skiftet, et Upper Threshold og et Lower Threshold. Hysteresen defineres som forskellen mellem Upper Threshold og Lower Threshold.
Inden udgangen har skiftet, så skal indgangssignalet op over Upper Threshold før der sker et skift på udgangen. Når skiftet er sket, så skal indgangssignalet ned under Lower Threshold før der skiftes tilbage.
Dette er illustreret på følgende figur:
Analogt Signal omformet til et digitalt signal med hysterese
Schmitt-trigger som komponent
Som en typisk digital komponent kan man få en schmitt-trigger som en CMOS kreds fx. en CD40106[1]
Komponent-symbolet ser ud som vist her:
Schmitt-trigger symbol
Denne type schmitt-trigger er samtidigt inverterende.
Det interessante er hvilke niveauer schmitt-triggeren skifter ved. Det kan aflæses i databladet[1], som det er vist her:
Schmitt-trigger udsnit af datablad
Her ses at ved 5V forsyning ligger Upper threshold på 3,6 V og Lower threshold ligger på 1,4 V - det giver en hysterese på 2,2 V. Der ses også at der er ret store variationer, så hysteresen kan være helt nede på 1,0 V og den kan være oppe på 3,6 V - det er dog garanteret i hele temperaturområdet.
Konstruktion af Schmitt-trigger
For at kunne styre Upper threshold og Lower threshold mere præcist, så kan man konstrurere en Schmitt-trigger med en operationsforstærker.
Niveau detektor
For at forklare konstruktionen af en Schmitt-trigger, så er det lettest at forklare en niveau detektor først.
Niveaudetektoren har funktionen som illustreret øverst på siden, hvor der ikke er hysterese.
Konstruktionen laves med en operationsforstærker og en spændingsdeler koblet op på følgende måde:
Niveau detektor uden hysterese
Spændingsdeleren lavet af R1 og R2 giver en 2,5 V spænding ud fra de 5V og at der anvendes to ens modstande.
Ved at sende input-spændingen ind på minus-indgangen, så vil udgangen være høj når input-spændingen er under de 2,5 V og den vil blive lav, når spændingen komme over de 2,5 V.
Schmitt-trigger
Ideen i at lave Schmitt-triggeren er at der indføres en hysterese. Denne Hysterese laves ved at koble udgangs-signalet tilbage til plus-indgangen på operationsforstærkeren, således at spændingen i spændingsdeleren ændrer sig, afhængigt af hvad der er på udgangen.
Konstruktionen er lavet på følgende måde:
Schmitt-trigger med hysterese
Når indgangs-spændingen er lav, så vil udgangen af operationsforstærkeren trække spændingen fra spændingsdeleren opad (op på Upper threshold), og så skal indgangs-spændingen op over dette niveau, for at udgangen skifter til et lavt niveau. Det lave niveau vil så trække spændingen fra spændingsdeleren nedad (ned på Lower threshold), så når skiftet er sket, så skal indgangs-spændingen ned under dette lavere niveau for at udgangen kan gå høj igen.
Niveauerne bliver nu lidt sværere at regne på, da forsyningsspændingen på 5V indgår, men også de to udgangsspændinger (høj og lav) fra operationsforstærkeren indgår i beregningerne.
Et eksempel hvor man ønsker Upper threshold på 3V og Lower threshold på 2V er beregnet i følgende mapleark.
Beregning på Schmitt-trigger med hysterese
Udgangsspændingerne er taget fra operationsforstærkerens datablad[2] og fra typiske erfaringsværdier, hvor VOL er 0,005V og VOH er 3,7V
Referencer
- ↑ 1,0 1,1 Hex inverting schmitt-trigger CMOS kreds
- ↑ LM324 datablad