Спусък на Шмит - общ изглед

По време на проектирането на импулсната верига, разработчикът може да се нуждае от устройство за праг, което би могло да формира чист правоъгълен сигнал с определени стойности на нива на високо и ниско напрежение от входния сигнал с не правоъгълна форма (например, пилообразен или синусоидален).

Спусъкът на Schmitt, схема с двойка стабилни изходни състояния, които под действието на входния сигнал се заменят взаимно при скок, пасва добре, тоест изходът е правоъгълен сигнал.

Характерна особеност на тригера на Schmitt е наличието на определен диапазон между нивата на напрежение за входния сигнал, когато изходното напрежение на входния сигнал се превключва на изхода на този тригер от ниско ниво на високо и обратно.

Това свойство на тригера на Шмит се нарича хистерезис, а частта от характеристиката между праговите стойности на входа се нарича хистерезисна област. Разликата между горните и долните прагови стойности за входа на тригер на Schmitt определя ширината на неговата хистерезисна област, която служи като мярка за чувствителността на спусъка. Колкото по-широк е хистерезисният участък - колкото по-малко чувствителен е спусъкът на Шмит, толкова по-тесен е хистерезисният участък - толкова по-висока е неговата чувствителност.

Спусъците на Schmitt се предлагат под формата на специализирани микросхеми, където няколко отделни спусъка могат да бъдат разположени вътре в един корпус наведнъж. Такива микросхеми имат определен нормализиран праг на превключване и дават стръмни фронтове на изхода, въпреки входния сигнал, който е далеч от правоъгълна форма. В допълнение, спусъкът на Schmitt може да бъде изграден и на базата на логически елементи, като в този случай разработчикът има възможност много точно да настрои и коригира ширината на хистерезисната област на своето устройство за праг.

Обърнете внимание на фигурата и по-внимателно обмислете принципа на спусъка на Шмит.

Ето схематична илюстрация на задействащ елемент, както и неговите характеристики за пренос и време. Както можете да видите, когато нивото на входния сигнал Uin е по-ниско от долния праг Ufor.n, изходният тригер на Schmitt също има ниско напрежение U0, близко до нула.

В процеса на увеличаване на напрежението на входния сигнал Uin, неговата стойност първо достига долната граница на хистерезисния регион Upor.n, долния праг, докато изходът, както и преди, не променя нищо. И дори когато входното напрежение Uin отива в областта на хистерезис и известно време е вътре в него, изходът все още не се случва - изходът все още е с ниско напрежение U0.

Но веднага щом нивото на входното напрежение Uin се сравни с горния праг на хистерезисната област Ufor.in (зона на реакция) - изходният тригер прескача в състояние на високо напрежение U1. Ако входното напрежение Uin продължава да се увеличава допълнително (в границите, разрешени за микросхемата), изходното напрежение Uout вече няма да се променя, тъй като е достигнато едно от две стабилни състояния - високо ниво на U1.

Нека сега да кажем, че входното напрежение Uin започна да намалява. Когато се върнете в областта на хистерезис, няма промени в изхода; нивото все още е високо U1. Но щом напрежението на входния сигнал Uin се изравни на долната граница на областта на хистерезис Uпн.н - изходът на тригера на Шмит скача в състояние с ниско ниво на напрежение U0. Работата на спусъка на Шмит се основава на това.

Понякога задействанията на Schmitt се оказват полезни, когато логическият елемент „I“ е реализиран вътре в микросхемата, а инверторът „NOT“ е инсталиран на изхода (Schmitt inverting спусък).В този случай трансферната характеристика ще изглежда обратното: когато напрежението надхвърли горната граница на областта на хистерезис, на изхода на тригера на Шмит се появява ниско ниво, а когато се върне под областта на хистерезис, на изхода се появява високо ниво. Това на практика е НЕ-НЕ елемент с хистерезис.

Спусъкът на Schmitt може да бъде сглобен и на операционен усилвател (оп усилвател), Нека разгледаме един от вариантите за неговото изпълнение в общи условия. Инвертиращият вход на оптичния усилвател е заземен и входният сигнал се подава през резистора R1 към неинвертиращия вход на оптичния усилвател. Изходът на оптичния усилвател по веригата за обратна връзка през резистора R2 е свързан към неинвертиращия вход на оп-усилвателя. Правоъгълното напрежение се отстранява от изхода на усилвателя.

Напрежението на изхода на операционния усилвател традиционно се определя по формулата Uout = K * Ua. Обикновено Uout.max е равно на захранващото напрежение на оп-усилвателя (нека го обозначим с бук Е), а K е усилването на opamp, то е от порядъка на 1 000 000. Изходното напрежение може да варира от + E до -E. Тук няма да навлизаме в конкретни детайли и за да опростим разбирането, ще разгледаме ярък пример, при който входният резистор и резисторът във веригата за обратна връзка са равни помежду си: R1 = R2.

И така, в самото начало, когато Uin = 0, и следователно Ua = 0, тогава Uout = 0, тъй като напрежението на неинвертиращия вход на оптичния усилвател не надвишава напрежението на неговия инвертиращ вход.

Ако сега Uvh е леко увеличен, тогава Ua също леко ще се увеличи. Тогава Uout ще се увеличи значително (в съответствие със стойността на K), тъй като напрежението на неинвертиращия вход на оптичния усилвател ще надвиши напрежението на неговия инвертиращ вход, което, както решихме, е заземено. Тогава, поради факта, че точката Ua е между резисторите, свързани съгласно горната диаграма, в точката Ua напрежението ще се увеличи значително, ще стане приблизително Uout / 2, а поради лавината от положителна обратна връзка, стабилно напрежение Uout (равно на захранващото напрежение OS = E). Така оп-усилвателят премина в стабилно състояние с високо ниво на изходно напрежение. Освен това Ua = (E + Uin) / 2.

Ако в това състояние започнем да намаляваме Uin, тогава дори когато той стане равен на нула, тогава в точката Ua пак ще е E / 2, а на изхода на усилвателя все още ще има напрежение на високо ниво Uout = E.

Само когато Uin стане равен на -E, само тогава Ua става равен на нула, а изходът на усилвателя преминава в състояние с ниско ниво на напрежение (-E). В този случай отново ще възникне лавина за обратна връзка - сега Uout = -E, Ua = (Uin-E) / 2, и това е много по-ниско, отколкото при неинвертиращия вход на усилвателя. Спусъкът е влязъл в стабилно състояние с ниско ниво на изход. За да може сега изходът на усилвателя да се върне във високо състояние, Uin отново става равен на Е, което ще доведе до друга лавина от обратна връзка. Връщане към нулевата точка вече няма да се случи.