Gatilho Schmitt - visão geral

Durante o projeto do circuito de pulso, o desenvolvedor pode precisar de um dispositivo de limiar que possa formar um sinal retangular puro com certos valores de níveis de alta e baixa tensão do sinal de entrada de uma forma não retangular (por exemplo, dente de serra ou senoidal).

O gatilho Schmitt, um circuito com um par de estados de saída estáveis, que sob a ação do sinal de entrada, se substituem em um salto, se encaixa bem, ou seja, a saída é um sinal retangular.

Uma característica do gatilho Schmitt é a presença de uma certa faixa entre os níveis de tensão do sinal de entrada, quando a tensão de saída do sinal de entrada é alternada na saída desse gatilho de um nível baixo para um alto e vice-versa.

Essa propriedade do gatilho Schmitt é chamada de histerese, e a parte da característica entre os valores de entrada do limite é chamada de região de histerese. A diferença entre os valores limite superior e inferior para a entrada do gatilho Schmitt determina a largura de sua região de histerese, que serve como uma medida da sensibilidade do gatilho. Quanto maior a região da histerese - menos sensível o gatilho de Schmitt, mais estreita a região da histerese - maior sua sensibilidade.

Os gatilhos Schmitt estão disponíveis na forma de microcircuitos especializados, onde vários gatilhos separados podem ser localizados dentro de um compartimento ao mesmo tempo. Tais microcircuitos têm um certo limiar de comutação normalizado e fornecem frentes íngremes na saída, apesar do sinal de entrada que está longe de ser retangular. Além disso, o gatilho Schmitt também pode ser construído com base em elementos lógicos; nesse caso, o desenvolvedor tem a oportunidade de definir e ajustar com precisão a largura da região de histerese do seu dispositivo de limiar.

Preste atenção à figura e considere mais de perto o princípio do gatilho Schmitt.

Aqui está uma ilustração esquemática de um elemento acionador, bem como suas características de transferência e tempo. Como você pode ver, quando o nível do sinal de entrada Uin é menor que o limite inferior Ufor.n, a saída do acionador Schmitt também possui, portanto, um nível de tensão baixa U0 próximo a zero.

No processo de aumentar a tensão do sinal de entrada Uin, seu valor atinge primeiro o limite inferior da região de histerese Uпор.н, o limite inferior, enquanto a saída, como antes, não muda nada. E mesmo quando a tensão de entrada Uin entra na região da histerese e por algum tempo está dentro dela, a saída ainda não ocorre - a saída ainda é baixa tensão U0.

Porém, assim que o nível da tensão de entrada Uin é comparado com o limite superior da região de histerese Ufor.in (área de resposta) - a saída do acionador salta para o estado de um nível de alta tensão U1. Se a tensão de entrada Uin continuar a aumentar ainda mais (dentro dos limites permitidos para o microcircuito), a tensão de saída Uout não mudará mais, pois um dos dois estados estáveis ​​é atingido - um nível alto de U1.

Agora, digamos que a tensão de entrada Uin começou a diminuir. Ao retornar à região da histerese, não há alterações na saída; o nível ainda é alto U1. Mas assim que a tensão do sinal de entrada Uin for igual ao limite inferior da região de histerese Uпн.н - a saída do acionador Schmitt salta para o estado com um baixo nível de tensão U0. O trabalho do gatilho Schmitt é baseado nisso.

Às vezes, os gatilhos Schmitt provam ser úteis, onde o elemento lógico “I” é implementado dentro do microcircuito e o inversor “NOT” é instalado na saída (gatilho Schmitt).Nesse caso, a característica de transferência será inversa: quando a tensão ultrapassar o limite superior da região de histerese, um nível baixo aparecerá na saída do gatilho Schmitt e, quando retornar abaixo da região de histerese, um nível alto aparecerá na saída. Este é praticamente um elemento AND-NOT com histerese.

O gatilho Schmitt pode ser montado e em um amplificador operacional (amplificador operacional). Vejamos uma das opções para sua implementação em termos gerais. A entrada inversora do amplificador operacional é aterrada e o sinal de entrada é alimentado através do resistor R1 para a entrada não inversora do amplificador operacional. A saída do amplificador operacional ao longo da cadeia de realimentação através do resistor R2 é conectada à entrada não inversora do amplificador operacional. A tensão retangular é removida da saída do amplificador operacional.

A tensão na saída do amplificador operacional é tradicionalmente determinada pela fórmula Uout = K * Ua. Normalmente, Uout.max é igual à tensão de alimentação do amplificador operacional (vamos denotá-la pela faia E), e K é o ganho do opamp, é da ordem de 1.000.000.A tensão de saída pode variar de + E a -E. Aqui não entraremos em detalhes específicos e, para simplificar o entendimento, consideraremos um exemplo vívido em que o resistor de entrada e o resistor no circuito de realimentação são iguais entre si: R1 = R2.

Portanto, no início, quando Uin = 0, portanto Ua = 0, então Uout = 0, uma vez que a tensão na entrada não inversora do amplificador operacional não excede a tensão na entrada inversora.

Se agora Uvh aumentar um pouco, então Ua também aumentará um pouco. Então o Uout aumentará significativamente (de acordo com o valor de K), pois a tensão na entrada não inversora do amplificador operacional excederá a tensão na entrada inversora, que, como decidimos, é aterrada. Então, devido ao fato do ponto Ua estar entre os resistores conectados de acordo com o diagrama acima, no ponto Ua a tensão aumentará significativamente, ela se tornará aproximadamente Uout / 2 e, devido à avalanche de feedback positivo, uma tensão estável Uout (igual à tensão de alimentação OS = E). Assim, o amplificador operacional entrou em um estado estável com um alto nível de tensão de saída. Além disso, Ua = (E + Uin) / 2.

Se neste estado começarmos a reduzir o Uin, mesmo quando ele for igual a zero, no ponto Ua ainda haverá E / 2, e na saída do amplificador operacional ainda haverá uma tensão de alto nível Uout = E.

Somente quando Uin se torna igual a -E, somente então Ua se torna igual a zero e a saída do amplificador operacional entra em um estado com um baixo nível de tensão (-E). Nesse caso, uma avalanche de feedback surgirá novamente - agora Uout = -E, Ua = (Uin-E) / 2, e isso é muito menor do que na entrada não inversora do amplificador operacional. O gatilho entrou em um estado estacionário com um nível de saída baixo. Para que agora a saída do amplificador operacional volte a um estado alto, é necessário que o Uin se torne novamente igual a E, o que causará outra avalanche de feedback. O retorno ao ponto zero não ocorrerá mais.