Trigger di Schmitt - vista generale

Durante la progettazione del circuito a impulsi, lo sviluppatore potrebbe aver bisogno di un dispositivo di soglia in grado di formare un segnale rettangolare puro con determinati valori di livelli di alta e bassa tensione dal segnale di ingresso di forma non rettangolare (ad esempio dente di sega o sinusoidale).

Il trigger Schmitt, un circuito con una coppia di stati di uscita stabili, che sotto l'influenza del segnale di ingresso, si sostituiscono a vicenda in un salto, è adatto a questo ruolo, ovvero l'uscita è un segnale rettangolare.

Una caratteristica del trigger di Schmitt è la presenza di un certo intervallo tra i livelli di tensione per il segnale di ingresso, quando la tensione di uscita del segnale di ingresso viene commutata all'uscita di questo trigger da un livello basso a uno alto e viceversa.

Questa proprietà del trigger di Schmitt è chiamata isteresi e la parte della caratteristica tra i valori di input di soglia è chiamata regione di isteresi. La differenza tra i valori di soglia superiore e inferiore per l'ingresso del trigger Schmitt determina l'ampiezza della sua regione di isteresi, che funge da misura della sensibilità del trigger. Più ampia è la regione di isteresi - meno sensibile è il trigger di Schmitt, più stretta è la regione di isteresi - maggiore è la sua sensibilità.

I trigger di Schmitt sono disponibili sotto forma di microcircuiti specializzati, in cui diversi trigger separati possono essere posizionati contemporaneamente all'interno di un alloggiamento. Tali microcircuiti hanno una certa soglia di commutazione normalizzata e danno fronti ripidi all'uscita, nonostante il segnale di ingresso che sia lontano da una forma rettangolare. Inoltre, il trigger Schmitt può anche essere costruito sulla base di elementi logici, nel qual caso lo sviluppatore ha l'opportunità di impostare e regolare con precisione la larghezza della regione di isteresi del suo dispositivo di soglia.

Prestare attenzione alla figura e considerare più da vicino il principio del grilletto Schmitt.

Ecco un'illustrazione schematica di un elemento trigger, nonché le sue caratteristiche di trasferimento e tempo. Come si può vedere, quando il livello del segnale di ingresso Uin è inferiore alla soglia inferiore Ufor.n, anche l'uscita del trigger Schmitt ha un livello di bassa tensione U0 vicino allo zero.

Nel processo di aumento della tensione del segnale di ingresso Uin, il suo valore raggiunge prima il limite inferiore della regione di isteresi Uпор.н, la soglia inferiore, mentre l'uscita, come prima, non cambia nulla. E anche quando la tensione di ingresso Uin entra nella regione di isteresi e per qualche tempo è al suo interno, allora non succede nulla all'uscita - l'uscita è ancora tensione di basso livello U0.

Ma non appena il livello della tensione di ingresso Uin viene confrontato con la soglia superiore della regione di isteresi Ufor.in (area di risposta), l'uscita del trigger salta nello stato di un livello di alta tensione U1. Se la tensione di ingresso Uin continua ad aumentare ulteriormente (entro i limiti consentiti per il microcircuito), la tensione di uscita Uout non cambierà più, poiché viene raggiunto uno dei due stati stabili: un livello elevato di U1.

Ora, supponiamo che la tensione di ingresso Uin abbia iniziato a diminuire. Quando si ritorna alla regione di isteresi, non ci sono cambiamenti in uscita; il livello è ancora alto U1. Ma non appena la tensione del segnale di ingresso Uin è uguale al limite inferiore della regione di isteresi Uпн.н - l'uscita del trigger Schmitt passa allo stato con un livello di bassa tensione U0. Il lavoro del trigger Schmitt si basa su questo.

A volte i trigger di Schmitt si rivelano utili, in cui l'elemento logico "I" è implementato all'interno del microcircuito e l'inverter "NOT" è installato sull'uscita (trigger di inversione di Schmitt).In questo caso, la caratteristica di trasferimento sarà inversa: quando la tensione supera il limite superiore della regione di isteresi, un livello basso appare all'uscita del trigger di Schmitt e quando ritorna al di sotto della regione di isteresi, un livello alto appare all'uscita. Questo è praticamente un elemento AND-NOT con isteresi.

Il grilletto Schmitt può essere assemblato e su un amplificatore operazionale (op amp). Diamo un'occhiata a una delle opzioni per la sua implementazione in termini generali. L'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale è messo a terra e il segnale di ingresso viene inviato attraverso il resistore R1 all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. L'uscita dell'amplificatore operazionale lungo la catena di feedback attraverso la resistenza R2 è collegata all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. La tensione rettangolare viene rimossa dall'uscita dell'amplificatore operazionale.

La tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale è tradizionalmente determinata dalla formula Uout = K * Ua. Di solito Uout.max è uguale alla tensione di alimentazione dell'amplificatore operazionale (denotiamolo con il faggio E) e K è il guadagno opamp, è dell'ordine di 1.000.000 La tensione di uscita può variare da + E a -E. Qui non entreremo nei dettagli particolari e per semplificare la comprensione, considereremo un vivido esempio in cui la resistenza di ingresso e la resistenza nel circuito di retroazione sono uguali tra loro: R1 = R2.

Quindi, all'inizio, quando Uin = 0, quindi Ua = 0, quindi Uout = 0, poiché la tensione all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale non supera la tensione nel suo ingresso invertente.

Se ora Uvh è leggermente aumentato, anche Ua aumenterà leggermente. Quindi Uout aumenterà significativamente (conformemente al valore di K), poiché la tensione all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale supererà la tensione all'ingresso invertente, che, come abbiamo deciso, è messa a terra. Quindi, a causa del fatto che il punto Ua è tra i resistori collegati secondo lo schema sopra, nel punto Ua la tensione aumenterà in modo significativo, diventerà circa Uout / 2 e, a causa della valanga di feedback positivo, una tensione stabile Uout (uguale alla tensione di alimentazione OS = E). Pertanto, l'amplificatore operazionale è entrato in uno stato stabile con un alto livello di tensione di uscita. Inoltre, Ua = (E + Uin) / 2.

Se in questo stato iniziamo a ridurre Uin, allora anche quando diventa uguale a zero, quindi nel punto Ua ci sarà ancora E / 2 e all'uscita dell'op-amp ci sarà ancora una tensione di alto livello Uout = E.

Solo quando Uin diventa uguale a -E, solo allora Ua diventa uguale a zero e l'uscita dell'amplificatore operazionale passa in uno stato con un livello di bassa tensione (-E). In questo caso, sorgerà di nuovo una valanga di feedback - ora Uout = -E, Ua = (Uin-E) / 2, e questo è molto più basso rispetto all'ingresso non invertente dell'op-amp. Il trigger è entrato in uno stato stabile con un livello di uscita basso. Affinché ora l'uscita dell'op-amp torni ad uno stato alto, è necessario che Uin ritorni uguale a E, il che causerà un'altra valanga di feedback. Il ritorno al punto zero non si verificherà più.