Šmita sprūda - vispārējs skats

Impulsu ķēdes projektēšanas laikā izstrādātājam var būt nepieciešama sliekšņa ierīce, kas no taisnstūra formas ieejas signāla (piemēram, zāģa zobrata vai sinusoidāla) varētu veidot tīru taisnstūra signālu ar noteiktām augsta un zema sprieguma līmeņa vērtībām.

Šai lomai ir piemērots Schmitt sprūda, ķēde ar stabilu izejas stāvokļu pāri, kas ieejas signāla ietekmē viens otru aizvieto lēkmē, tas ir, izeja ir taisnstūrveida signāls.

Raksturīga Schmitt sprūda iezīme ir noteikta diapazona klātbūtne starp ieejas signāla sprieguma līmeņiem, kad ieejas signāla izejas spriegums tiek pārslēgts pie šī sprūda izejas no zema līmeņa uz augstu un otrādi.

Šo Šmita sprūda īpašību sauc par histerēzi, un raksturlieluma daļu starp sliekšņa ieejas vērtībām sauc par histerēzes reģionu. Atšķirība starp Schmitt sprūda ieejas augšējās un apakšējās sliekšņa vērtībām nosaka tās histerēzes apgabala platumu, kas kalpo kā sprūda jutības mērs. Jo platāks histerēzes reģions - jo mazāk jutīgs ir Šmita sprūda, jo šaurāks histerēzes reģions - jo augstāka ir tā jutība.

Schmitt sprūdi ir pieejami specializētu mikroshēmu veidā, kur vienā korpusā vienlaikus var atrasties vairāki atsevišķi sprūdi. Šādām mikroshēmām ir noteikts normalizēts pārslēgšanās slieksnis, un, neskatoties uz ieejas signālu, kas ir tālu no taisnstūra formas, izejā tām ir stāvas frontes. Turklāt Schmitt sprūda var tikt veidota arī uz loģisku elementu bāzes, tādā gadījumā izstrādātājam ir iespēja ļoti precīzi iestatīt un pielāgot savas sliekšņa ierīces histerēzes apgabala platumu.

Pievērsiet uzmanību skaitlim un rūpīgāk apsveriet Šmita sprūda principu.

Šeit parādīts sprūda elementa shematisks attēlojums, kā arī tā pārnešanas un laika raksturlielumi. Kā redzat, kad ieejas signāla līmenis Uin ir zemāks par zemāko slieksni Ufor.n, Schmitt sprūda izejā attiecīgi ir arī zems sprieguma līmenis U0, kas ir tuvu nullei.

Ieejas signāla Uin sprieguma palielināšanas procesā tā vērtība vispirms sasniedz histerēzes reģiona Uпор.н apakšējo robežu, apakšējo slieksni, savukārt izeja, tāpat kā iepriekš, neko nemaina. Un pat tad, kad ieejas spriegums Uin nonāk histerēzes reģionā un kādu laiku atrodas tā iekšpusē, izejā nekas nenotiek - izeja joprojām ir zems sprieguma līmenis U0.

Bet, tiklīdz ieejas sprieguma līmenis Uin tiek salīdzināts ar histerēzes reģiona Ufor.in augšējo slieksni (reakcijas apgabals), sprūda izeja pāriet augsta sprieguma līmeņa U1 stāvoklī. Ja ieejas spriegums Uin turpina palielināties (nepārsniedzot mikroshēmai atļautās robežas), izejas spriegums Uout vairs nemainīsies, jo ir sasniegts viens no diviem stabiliem stāvokļiem - augsts U1 līmenis.

Tagad, pieņemsim, ka ieejas spriegums Uin sāka samazināties. Atgriežoties histerēzes reģionā, izejā nav izmaiņu, līmenis joprojām ir augsts U1. Bet, tiklīdz ieejas signāla Uin spriegums ir vienāds ar histerēzes apgabala Uпн.н apakšējo robežu - Schmitt sprūda izeja lec stāvoklī ar zemu sprieguma līmeni U0. Uz to ir balstīts Šmita sprūda darbs.

Dažreiz noderīgi izrādās Šmita sprūdi, kur loģiskais elements “I” tiek realizēts mikroshēmas iekšpusē, un izejā ir uzstādīts invertors “NOT” (Schmitt apgrieztais sprūds).Šajā gadījumā pārneses raksturlielums izskatīsies otrādi: kad spriegums pārsniedz histerēzes reģiona augšējo robežu, Šmita sprūda izejā parādās zems līmenis, un, kad tas atgriežas zem histerēzes reģiona, izejā parādās augsts līmenis. Tas praktiski ir elements BEZ NAV ar histerēzi.

Schmitt sprūdu var salikt un uz operatīvā pastiprinātāja (op amp). Apskatīsim vienu no tā ieviešanas variantiem vispārīgā nozīmē. Op-amp apgrieztā ieeja ir iezemēta, un ieejas signāls caur rezistoru R1 tiek padots uz op-amp neinversējošo ieeju. Op-amp izeja pa atgriezeniskās saites ķēdi caur rezistoru R2 ir savienota ar op-amp neinversējošo ieeju. No op amp izejas tiek noņemts taisnstūra spriegums.

Spriegumu pie operacionālā pastiprinātāja izejas parasti nosaka pēc formulas Uout = K * Ua. Parasti Uout.max ir vienāds ar op-amp barošanas spriegumu (apzīmēsim to ar dižskābarža E), un K ir opamp pastiprinājums, tas ir aptuveni 1 000 000. Izejas spriegums var mainīties no + E līdz -E. Šeit mēs neiedziļināsimies konkrētās detaļās, un, lai vienkāršotu izpratni, mēs apsvērsim spilgtu piemēru, kad ieejas rezistors un rezistors atgriezeniskās saites ķēdē ir vienādi viens ar otru: R1 = R2.

Tātad pašā sākumā, kad Uin = 0, tātad Ua = 0, tad Uout = 0, jo spriegums pie op-amp neinversējošās ieejas nepārsniedz spriegumu pie tā apgrieztā ieejas.

Ja tagad Uvh ir nedaudz palielināts, tad Ua arī nedaudz palielinās. Tad Uout ievērojami palielināsies (atbilstoši K vērtībai), jo spriegums pie op-amp neinversējošās ieejas pārsniegs spriegumu pie tā apgrieztā ieejas, kas, kā mēs nolēmām, ir iezemēts. Tad, ņemot vērā faktu, ka punkts Ua atrodas starp rezistoriem, kas savienoti saskaņā ar iepriekš minēto diagrammu, punktā Ua spriegums ievērojami palielināsies, tas kļūs aptuveni Uout / 2, un pozitīvu atgriezeniskās saites lavīnas dēļ stabils spriegums Uout (vienāds ar barošanas spriegumu) OS = E). Tādējādi op-amp devās stabilā stāvoklī ar augstu izejas sprieguma līmeni. Turklāt Ua = (E + Uin) / 2.

Ja šajā stāvoklī mēs sākam samazināt Uin, tad pat tad, kad tas kļūst vienāds ar nulli, tad punktā Ua tas joprojām būs E / 2, un pie op-amp izejas joprojām būs augsta līmeņa spriegums Uout = E.

Tikai tad, kad Uin kļūst vienāds ar -E, tikai tad Ua kļūst vienāds ar nulli, un op-amp izeja nonāk stāvoklī ar zemu sprieguma līmeni (-E). Šajā gadījumā atkal radīsies atgriezeniskā saite - tagad Uout = -E, Ua = (Uin-E) / 2, un tas ir daudz zemāk nekā op-amp neinversējošajā ieejā. Sprūda ir nonākusi vienmērīgā stāvoklī ar zemu izejas līmeni. Lai op amp izeja tagad atgrieztos augstā stāvoklī, ir nepieciešams, lai Uin atkal kļūtu vienāds ar E, kas izraisīs vēl vienu atgriezeniskās saites lavīnu. Atgriešanās nulles punktā vairs nenotiks.