Pengantar Schmitt Trigger

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Hampir semua rangkaian digital yang digunakan dalam komunikasi data kecepatan tinggi modern memerlukan beberapa bentuk aksi pemicu Schmitt pada inputnya.

Mengapa Pemicu Schmitt Digunakan

Tujuan utama pemicu Schmitt di sini adalah untuk menghilangkan kebisingan dan gangguan pada jalur data dan memberikan keluaran digital bersih yang bagus dengan transisi tepi yang cepat.



Waktu naik dan turun harus cukup rendah dalam keluaran digital sehingga dapat diterapkan sebagai masukan untuk tahapan berikut dalam rangkaian. (Banyak IC memiliki batasan jenis transisi tepi yang dapat muncul pada input.)

Keuntungan utama pemicu Schmitt di sini adalah bahwa pemicu tersebut membersihkan sinyal berisik sambil tetap mempertahankan laju aliran data yang tinggi, tidak seperti filter, yang dapat menyaring kebisingan, tetapi memperlambat laju data secara signifikan.



Pemicu Schmitt juga biasa ditemukan di sirkuit yang membutuhkan bentuk gelombang dengan transisi tepi lambat untuk diterjemahkan ke dalam bentuk gelombang digital dengan transisi tepi yang cepat dan bersih.

Pemicu Schmitt dapat mengubah hampir semua bentuk gelombang analog - seperti gelombang sinus atau bentuk gelombang gigi gergaji - menjadi sinyal digital ON-OFF dengan transisi tepi cepat. Pemicu Schmitt adalah perangkat digital aktif dengan satu input dan satu output, seperti buffer atau inverter.

Dalam pengoperasian, keluaran digital bisa tinggi atau rendah, dan keluaran ini berubah status hanya ketika tegangan masukannya berada di atas atau di bawah dua batas tegangan ambang batas yang telah ditetapkan. Jika keluaran kebetulan rendah, keluaran tidak akan berubah menjadi tinggi kecuali sinyal masukan melampaui batas ambang atas tertentu.

Demikian juga, jika keluarannya tinggi, keluaran tidak akan berubah menjadi rendah sampai sinyal masukan berada di bawah batas ambang bawah tertentu.

Ambang batas bawah agak lebih rendah dari batas ambang atas. Segala jenis bentuk gelombang dapat diterapkan ke input (gelombang sinusoidal, gigi gergaji, bentuk gelombang audio, pulsa, dll.) Selama amplitudo berada dalam kisaran tegangan operasi.

Diagarm untuk Menjelaskan Pemicu Schmitt

Diagram di bawah menunjukkan histeresis yang dihasilkan dari nilai ambang tegangan input atas dan bawah. Setiap kali masukan berada di atas batas ambang atas, keluarannya tinggi.

Ketika masukan berada di bawah ambang batas bawah, keluarannya rendah, dan ketika tegangan sinyal masukan kebetulan berada di antara batas ambang batas atas dan bawah, keluaran mempertahankan nilai sebelumnya, yang dapat berupa tinggi atau rendah.

Jarak antara ambang bawah dan ambang atas disebut celah histeresis. Keluaran selalu mempertahankan keadaan sebelumnya sampai masukan berubah cukup untuk memicunya berubah. Inilah alasan untuk penunjukan 'pemicu' dalam nama.

Pemicu Schmitt beroperasi dengan cara yang sama seperti rangkaian kait bistable atau multivibrator bistable, karena ia memiliki memori internal 1 bit, dan mengubah statusnya tergantung pada kondisi pemicu.

Menggunakan Seri IC 74XX untuk Operasi Pemicu Schmitt

Texas Instruments menyediakan fungsi pemicu Schmitt di hampir semua keluarga teknologinya, dari keluarga 74XX lama hingga keluarga AUP1T terbaru.

IC ini dapat dikemas dengan pemicu Schmitt pembalik atau non-pembalik. Sebagian besar perangkat pemicu Schmitt, seperti 74HC14, memiliki level ambang batas pada rasio tetap Vcc.

Ini mungkin cukup untuk sebagian besar aplikasi, tetapi terkadang level ambang perlu diubah tergantung pada kondisi sinyal input.

Misalnya, rentang sinyal input mungkin lebih kecil dari celah histeresis tetap. Level ambang dapat diubah di IC seperti 74HC14 dengan menghubungkan resistor umpan balik negatif dari output ke input bersama dengan resistor lain yang menghubungkan sinyal input ke input perangkat.

Ini memberikan umpan balik positif yang diperlukan untuk histeresis, dan celah histeresis sekarang dapat disesuaikan dengan mengubah nilai dari dua resistor tambahan, atau dengan menggunakan potensiometer. Resistor harus memiliki nilai yang cukup besar untuk menjaga impedansi masukan pada tingkat yang tinggi.

Pemicu Schmitt adalah konsep sederhana, tetapi tidak ditemukan sampai tahun 1934, ketika seorang ilmuwan Amerika bernama Otto H. Schmitt masih menjadi mahasiswa pascasarjana.

Tentang Otto H. Schmitt

Dia bukan seorang insinyur listrik, karena studinya difokuskan pada teknik biologi dan biofisika. Dia datang dengan ide pemicu Schmitt saat dia mencoba merekayasa perangkat yang akan mereplikasi mekanisme propagasi impuls saraf di saraf cumi-cumi.

Tesisnya menjelaskan 'pemicu termionik' yang memungkinkan sinyal analog diubah menjadi sinyal digital, yang aktif atau nonaktif penuh ('1' atau '0').

Sedikit yang dia tahu bahwa perusahaan elektronik besar seperti Microsoft, Texas Instruments, dan NXP Semiconductors tidak dapat eksis seperti sekarang ini tanpa penemuan unik ini.

Pemicu Schmitt ternyata merupakan penemuan penting yang digunakan dalam mekanisme input hampir semua perangkat elektronik digital di pasar.

Apa itu Pemicu Schmitt

Konsep pemicu Schmitt didasarkan pada gagasan umpan balik positif, dan fakta bahwa rangkaian atau perangkat aktif apa pun dapat dibuat untuk bertindak seperti pemicu Schmitt dengan menerapkan umpan balik positif sehingga gain loop lebih besar dari satu.

Tegangan output dari perangkat aktif dilemahkan dengan jumlah yang ditentukan dan diterapkan sebagai umpan balik positif ke input, yang secara efektif menambahkan sinyal input ke tegangan output yang dilemahkan. Ini menciptakan tindakan histeresis dengan nilai ambang tegangan input atas dan bawah.

Sebagian besar buffer, inverter, dan komparator standar hanya menggunakan satu nilai ambang batas. Output berubah status segera setelah bentuk gelombang input melewati ambang batas ini di kedua arah.

Bagaimana Schmitt Trigger Bekerja

Sinyal input berisik atau sinyal dengan bentuk gelombang lambat akan muncul pada output sebagai rangkaian pulsa noise.

Pemicu Schmitt membersihkan ini - setelah output berubah status saat inputnya melewati ambang, ambang batas itu sendiri juga berubah, jadi sekarang tegangan input harus bergerak lebih jauh ke arah yang berlawanan untuk mengubah status lagi.

Kebisingan atau interferensi pada input tidak akan muncul pada output kecuali amplitudonya lebih besar dari perbedaan antara dua nilai ambang batas.

Sinyal analog apa pun, seperti bentuk gelombang sinusoidal atau sinyal audio, dapat diterjemahkan ke dalam rangkaian pulsa ON-OFF dengan transisi tepi yang cepat dan bersih. Ada tiga metode penerapan umpan balik positif untuk membentuk rangkaian pemicu Schmitt.

Bagaimana Umpan Balik Bekerja di Schmitt Trigger

Pada konfigurasi pertama, umpan balik ditambahkan langsung ke tegangan masukan, sehingga tegangan harus bergeser dengan jumlah yang lebih besar ke arah yang berlawanan untuk menyebabkan perubahan lain dalam keluaran.

Ini umumnya dikenal sebagai umpan balik positif paralel.

Pada konfigurasi kedua, umpan balik dikurangi dari tegangan ambang, yang memiliki efek yang sama seperti menambahkan umpan balik ke tegangan input.

Ini membentuk rangkaian umpan balik positif seri, dan kadang-kadang disebut rangkaian ambang dinamis. Jaringan pembagi resistor biasanya mengatur tegangan ambang, yang merupakan bagian dari tahap input.

Dua rangkaian pertama dapat dengan mudah diimplementasikan melalui penggunaan satu opamp atau dua transistor bersama dengan beberapa resistor. Teknik ketiga sedikit lebih kompleks, dan berbeda karena tidak memiliki masukan apa pun ke bagian mana pun dari tahap masukan.

Metode ini menggunakan dua pembanding terpisah untuk dua nilai batas ambang dan flip-flop sebagai elemen memori 1 bit. Tidak ada umpan balik positif yang diterapkan pada komparator, karena mereka terkandung dalam elemen memori. Masing-masing dari ketiga metode ini dijelaskan secara lebih rinci dalam paragraf berikut.

Semua pemicu Schmitt adalah perangkat aktif yang mengandalkan umpan balik positif untuk mencapai tindakan histeresisnya. Output menjadi 'tinggi' setiap kali input naik di atas batas ambang atas yang telah ditetapkan sebelumnya, dan pergi ke 'rendah' ​​setiap kali masukan turun di bawah batas ambang bawah.

Output mempertahankan nilai sebelumnya (rendah atau tinggi), ketika input berada di antara dua batas ambang.

Jenis rangkaian ini sering digunakan untuk membersihkan sinyal bising, dan mengubah bentuk gelombang analog menjadi bentuk gelombang digital (1 dan 0) dengan transisi tepi yang cepat dan rapi.

Jenis Umpan Balik di sirkuit pemicu Schmitt

Ada tiga metode yang biasanya digunakan dalam menerapkan umpan balik positif untuk membentuk rangkaian pemicu Schmitt. Metode ini adalah Umpan Balik Paralel, Umpan Balik Seri, dan Umpan Balik Internal, dan dibahas sebagai berikut.

Teknik umpan balik paralel dan seri sebenarnya adalah versi ganda dari jenis rangkaian umpan balik yang sama. Umpan Balik Paralel Rangkaian umpan balik paralel kadang-kadang disebut rangkaian tegangan input yang dimodifikasi.

Di sirkuit ini, umpan balik ditambahkan langsung ke tegangan input, dan tidak mempengaruhi tegangan ambang batas. Karena umpan balik ditambahkan ke input ketika output berubah status, tegangan input harus bergeser dengan jumlah yang lebih besar ke arah yang berlawanan untuk menyebabkan perubahan lebih lanjut dalam output.

Jika output rendah, dan sinyal input meningkat ke titik di mana ia melewati tegangan ambang batas dan output berubah menjadi tinggi.

Bagian dari keluaran ini diterapkan langsung ke masukan melalui loop umpan balik, yang 'membantu' tegangan keluaran tetap dalam keadaan barunya.

Ini secara efektif meningkatkan tegangan input, yang memiliki efek yang sama seperti menurunkan tegangan ambang batas.

Tegangan ambang itu sendiri tidak berubah, tetapi input sekarang harus bergerak lebih jauh ke arah bawah untuk mengubah output ke keadaan rendah. Setelah output rendah, proses yang sama ini berulang untuk kembali ke status tinggi.

Rangkaian ini tidak harus menggunakan penguat diferensial, karena penguat non-pembalik berujung tunggal akan bekerja.

Baik sinyal input dan umpan balik output diterapkan ke input non-pembalik penguat melalui resistor, dan kedua resistor ini membentuk musim panas paralel berbobot. Jika ada input pembalik, itu diatur ke tegangan referensi konstan.

Contoh rangkaian umpan balik paralel adalah rangkaian pemicu Schmitt yang digabungkan dengan basis kolektor atau rangkaian op-amp non-pembalik, seperti yang ditunjukkan:

Umpan Balik Seri

Rangkaian ambang dinamis (umpan balik seri) beroperasi pada dasarnya dengan cara yang sama seperti rangkaian umpan balik paralel, kecuali bahwa umpan balik dari output secara langsung mengubah tegangan ambang daripada tegangan input.

Umpan balik dikurangkan dari tegangan ambang, yang memiliki efek yang sama seperti menambahkan umpan balik ke tegangan input. Segera setelah input melewati batas tegangan ambang, tegangan ambang berubah ke nilai yang berlawanan.

Input sekarang harus berubah lebih jauh ke arah yang berlawanan untuk mengubah status output lagi. Output diisolasi dari tegangan input dan hanya mempengaruhi tegangan ambang batas.

Oleh karena itu, resistansi masukan dapat dibuat jauh lebih tinggi untuk rangkaian seri ini dibandingkan dengan rangkaian paralel. Rangkaian ini biasanya didasarkan pada penguat diferensial dimana input dihubungkan ke input pembalik dan output dihubungkan ke input non-pembalik melalui pembagi tegangan resistor.

Pembagi tegangan mengatur nilai ambang, dan loop bertindak seperti musim panas tegangan seri. Contoh dari jenis ini adalah pemicu Schmitt yang digabungkan dengan emitor transistor klasik dan rangkaian op-amp pembalik, seperti yang ditunjukkan di sini:

Umpan Balik Internal

Dalam konfigurasi ini, pemicu Schmitt dibuat dengan menggunakan dua pembanding terpisah (tanpa histeresis) untuk dua batas ambang.

Output dari komparator ini terhubung ke set dan input reset dari RS flip-flop. Umpan balik positif terkandung di dalam flip-flop, sehingga tidak ada umpan balik untuk pembanding. Output dari RS flip-flop berubah menjadi tinggi ketika input berada di atas ambang atas, dan beralih rendah ketika input berada di bawah ambang bawah.

Ketika masukan berada di antara ambang batas atas dan bawah, keluaran mempertahankan keadaan sebelumnya. Contoh perangkat yang menggunakan teknik ini adalah 74HC14 yang dibuat oleh NXP Semiconductors dan Texas Instruments.

Bagian ini terdiri dari pembanding ambang atas dan pembanding ambang bawah, yang digunakan untuk mengatur dan menyetel ulang RS flip-flop. Pemicu 74HC14 Schmitt adalah salah satu perangkat paling populer untuk menghubungkan sinyal dunia nyata dengan elektronik digital.

Dua batas ambang di perangkat ini disetel pada rasio tetap Vcc. Ini meminimalkan jumlah bagian dan membuat rangkaian tetap sederhana, tetapi terkadang level ambang perlu diubah untuk berbagai jenis kondisi sinyal input.

Misalnya, rentang sinyal input mungkin lebih kecil dari rentang tegangan histeresis tetap. Level ambang batas dapat diubah di 74HC14 dengan menghubungkan resistor umpan balik negatif dari output ke input, dan resistor lain yang menghubungkan sinyal input ke input.

Ini secara efektif mengurangi umpan balik positif 30% tetap ke beberapa nilai yang lebih rendah, seperti 15%. Penting untuk menggunakan resistor bernilai tinggi untuk ini (kisaran Mega-Ohm) untuk menjaga resistansi masukan tetap tinggi.

Keuntungan pemicu Schmitt

Pemicu Schmitt melayani tujuan dalam segala jenis sistem komunikasi data berkecepatan tinggi dengan beberapa bentuk pemrosesan sinyal digital. Sebenarnya, mereka melayani tujuan ganda: untuk membersihkan kebisingan dan gangguan pada jalur data sambil tetap mempertahankan laju aliran data yang tinggi, dan untuk mengubah bentuk gelombang analog acak menjadi bentuk gelombang digital ON-OFF dengan transisi tepi yang cepat dan bersih.

Ini memberikan keuntungan dibandingkan filter, yang dapat menyaring kebisingan, tetapi memperlambat kecepatan data secara signifikan karena bandwidth yang terbatas. Selain itu, filter standar tidak dapat memberikan keluaran digital yang bagus dan bersih dengan transisi tepi yang cepat ketika bentuk gelombang masukan yang lambat diterapkan.

Kedua keuntungan pemicu Schmitt dijelaskan secara lebih rinci sebagai berikut: Input Sinyal Bising Pengaruh kebisingan dan interferensi adalah masalah utama dalam sistem digital karena kabel yang lebih panjang dan lebih panjang digunakan dan kecepatan data yang lebih tinggi dan lebih tinggi diperlukan.

Beberapa cara yang lebih umum untuk mengurangi kebisingan termasuk menggunakan kabel berpelindung, menggunakan kabel bengkok, mencocokkan impedansi dan mengurangi impedansi keluaran.

Teknik-teknik ini dapat efektif dalam mengurangi kebisingan, tetapi masih akan ada beberapa kebisingan yang tertinggal pada saluran masukan, dan itu dapat memicu sinyal yang tidak diinginkan dalam suatu rangkaian.

Sebagian besar buffer, inverter, dan komparator standar yang digunakan dalam rangkaian digital hanya memiliki satu nilai ambang pada input. Jadi, output berubah status segera setelah bentuk gelombang input melewati ambang batas ini di kedua arah.

Jika sinyal gangguan acak melintasi titik ambang ini pada input beberapa kali, itu akan terlihat pada output sebagai rangkaian pulsa. Selain itu, bentuk gelombang dengan transisi tepi lambat dapat muncul pada keluaran sebagai rangkaian pulsa noise yang berosilasi.

Terkadang filter digunakan untuk mengurangi noise tambahan ini, seperti di jaringan RC. Tetapi setiap kali filter seperti ini digunakan pada jalur data, itu memperlambat kecepatan data maksimum secara signifikan. Filter memblokir noise, tetapi juga memblokir sinyal digital frekuensi tinggi.

Filter pemicu Schmitt

Pemicu Schmitt membersihkan ini. Setelah keluaran berubah statusnya saat masukan melewati ambang, ambang batas itu sendiri juga berubah, sehingga masukan harus bergerak lebih jauh ke arah yang berlawanan untuk menyebabkan perubahan lain dalam keluaran.

Karena efek histeresis ini, menggunakan pemicu Schmitt mungkin merupakan cara paling efektif untuk mengurangi masalah noise dan interferensi dalam rangkaian digital. Masalah kebisingan dan interferensi biasanya dapat diatasi, jika tidak dihilangkan, dengan menambahkan histeresis pada jalur input dalam bentuk pemicu Schmitt.

Selama amplitudo gangguan atau gangguan pada masukan kurang dari lebar celah histeresis pemicu Schmitt, tidak akan ada efek gangguan pada keluaran.

Bahkan jika amplitudo sedikit lebih besar, itu tidak akan mempengaruhi output kecuali sinyal input dipusatkan pada celah histeresis. Level ambang mungkin harus disesuaikan untuk mencapai penghapusan kebisingan maksimum.

Ini dapat dengan mudah dilakukan dengan mengubah nilai resistor di jaringan umpan balik positif, atau dengan menggunakan potensiometer.

Manfaat utama yang disediakan pemicu Schmitt lebih dari filter adalah tidak memperlambat laju data, dan sebenarnya mempercepatnya dalam beberapa kasus melalui konversi bentuk gelombang lambat menjadi bentuk gelombang cepat (transisi tepi yang lebih cepat). Hampir semua IC digital di pasar saat ini menggunakan beberapa bentuk aksi pemicu Schmitt (histeresis) pada input digitalnya.

Ini termasuk MCU, chip memori, gerbang logika, dan sebagainya. Meskipun IC digital ini mungkin memiliki histeresis pada inputnya, banyak dari mereka juga memiliki batasan waktu naik turunnya input yang ditampilkan pada lembar spesifikasi mereka, dan ini harus dipertimbangkan. Pemicu Schmitt yang ideal tidak memiliki batasan waktu naik atau turun pada inputnya.

Bentuk Gelombang Input Lambat terkadang celah histeresis terlalu kecil, atau hanya ada satu nilai ambang (perangkat pemicu non-Schmitt) di mana output menjadi tinggi jika input naik di atas ambang batas, dan output menjadi rendah jika sinyal input turun di bawah saya t.

Dalam kasus seperti ini, ada area marginal di sekitar ambang, dan sinyal masukan yang lambat dapat dengan mudah menyebabkan osilasi atau arus berlebih mengalir melalui rangkaian, yang bahkan dapat merusak perangkat. Sinyal masukan yang lambat ini terkadang dapat terjadi bahkan dalam digital cepat sirkuit dalam kondisi daya atau kondisi lain di mana filter (seperti jaringan RC) digunakan untuk memberi sinyal ke input.

Masalah jenis ini sering terjadi dalam sirkuit 'de-bounce' dari sakelar manual, kabel atau wiring panjang, dan sirkuit yang berbeban berat.

Misalnya, jika sinyal ramp lambat (integrator) diterapkan ke buffer dan melewati titik ambang tunggal pada input, output akan berubah statusnya (dari rendah ke tinggi, misalnya). Tindakan pemicu ini dapat menyebabkan arus ekstra ditarik dari catu daya untuk sementara, dan juga menurunkan level daya VCC sedikit.

Perubahan ini bisa cukup untuk menyebabkan output mengubah statusnya lagi dari tinggi ke rendah, karena buffer merasakan bahwa input melewati ambang batas lagi (meskipun input tetap sama). Ini bisa berulang lagi ke arah yang berlawanan, sehingga serangkaian pulsa berosilasi akan muncul pada output.

Menggunakan pemicu Schmitt dalam hal ini tidak hanya akan menghilangkan osilasi, tetapi juga akan menerjemahkan transisi tepi lambat menjadi rangkaian pulsa ON-OFF yang bersih dengan transisi tepi hampir vertikal. Output dari pemicu Schmitt kemudian dapat digunakan sebagai input ke perangkat berikut sesuai dengan spesifikasi waktu naik dan turunnya.

(Meskipun osilasi dapat dihilangkan dengan menggunakan pemicu Schmitt, mungkin masih ada aliran arus berlebih dalam transisi, yang mungkin perlu diperbaiki dengan cara lain.)

Pemicu Schmitt juga ditemukan dalam kasus di mana input analog, seperti bentuk gelombang sinusoidal, bentuk gelombang audio, atau bentuk gelombang gigi gergaji, perlu diubah menjadi gelombang persegi atau beberapa jenis sinyal digital ON-OFF dengan transisi tepi cepat.




Sepasang: Teknik Tegangan-ke-Arus dan Arus-ke-Tegangan Sederhana - Oleh James H. Reinholm Berikutnya: Rangkaian Pengisi Daya Pemutus Baterai Menggunakan Relai Tunggal