Schmittův klopný obvod
Použité zdroje: Antošová, A., Davídek, V.: Číslicová technika, KOPP, České Budějovice 2007 Malina, V.: Digitální technika, KOOP, České Budějovice 1996 http://pcbheaven.com/wikipages/The_Schmitt_Trigger http://slaboproud.sweb.cz http://www.barts.cz http://www.falstad.com/circuit http://cs.wikipedia.org http://www.dmu-mez.ic.cz ei1.vsb.cz http://www.8bitu.cz http://www.umel.feec.vutbr.cz Zpracoval: Ing. Bc. Miloslav Otýpka
Schmittův klopný obvod
Schmittův klopný obvod (SKO) se používá v řadě elektronických konstrukcí, v číslicové technice i při zapojení s operačními zesilovači. SKO si lze představit jako speciální verzi bistabilního multivibrátoru reagujícího na definované úrovně vstupního napětí. Dosažení prahového napětí se projeví skokovou změnou výstupního napětí. SKO ze vstupního napětí libovolného průběhu vytvoří dvojúrovňový signál. Překročením dolní (horní) hraniční hodnoty vstupního signálu se klopný obvod překlopí do dolní (horní) úrovně. V číslicové technice SKO slouží k úpravě tvaru impulsů1, které přivádíme na vstupy logických členů. Základní vlastnost tohoto klopného obvodu je hystereze (signál na výstupu je závislý na hodnotě vstupu a současně i na jeho původním stavu). Obvod má dva stabilní stavy, které se skokem mění při průchodu vstupního signálu nastavenou napěťovou úrovní. Tak můžeme z analogového signálu, získat signál logický. V nejjednodušší verzi lze SKO zapojit pomocí dvou tranzistorů. Dokonalejší funkci nabízí realizace s operačním zesilovačem, hradel investorů, nebo integrovaným obvodem2.
K
Obr. 1 a) Schmittův klopný obvod lze realizovat pomocí diskrétních součástek. b) Hystereze SKO (U - signál vstupní, A - bez hystereze, B - s hysterezí. c) Hystereze SKO.
V klidovém stavu (obr.1) je tranzistor T1 uzavřen a tranzistor T2 je plně otevřen. Na výstupu je tedy velmi malé napětí dané součtem saturačního napětí tranzistoru a úbytkem napětí na rezistoru RE. S příchodem signálu se při určité hodnotě vstupního napětí UH otevře tranzistor T1, který uzavře tranzistor T2 a na výstupu je přibližně napájecí napětí (H). Aby se obvod překlopil zpět na úroveň logiky L, je třeba, aby hodnota vstupního napětí klesla pod určitou hodnotu UL, která je menší než UH. Rozdíl UH – UL je napěťová hystereze obvodu.
SKO dokáže změnit napětí sinusového průběhu na průběh obdélníkový. Proto se tento obvod nazývá tvarovacím obvodem. Na výstupu SKO (obr. 2) je obdélníkový průběh. Na vstupu pak integrací (člen RC) této obdélníkové složky vznikne trojúhelníkový průběh. Perioda generovaného signálu je dána časovou konstantou.
τ = RC 1
Pro spolehlivou funkci logického členu, musí být na jeho vstupu signál s pravoúhlým průběhem a strmým čelem i týlem. 2 74LS13 - 2x čtyřvstupový SKO, 74LS14 (K555TL2) - 6x Schmittův invertor, 74LS19 - 6x invertor + SKO, 40106 - 6 x SKO invertor apod.
2
Čím je větší R i C, tím je doba periody delší a frekvence nižší. Při kapacitě 100 nF je frekvence cca 36 kHz.
Obr. 2 Schmittův KO.
Frekvenci výstupního napětí můžeme měnit jak velikostí C tak i velikostí R.
Obr. 3 Změna frekvence SKO.
Na vstupu integrovaného obvodu (obr. 2, obr. 3) získáme trojúhelníkové napětí mající stejnosměrnou složku cca 2 V a amplitudu cca 1 V. Napětí je vhodné dále upravit střídavou vazbou a pomocí operačního zesilovače zesílit nebo zeslabit na požadovanou úroveň.
Obr. 4 SKO zapojený jako bezzákmitové tlačítko.
Původní tlačítko (obr. 4) je doplněno filtrem typu dolní propust a zakončeno hradlem se vstupem vybaveným Schmittovým klopným obvodem. Kontakt tlačítka totiž není nikdy zcela dokonalý a běžným problémem, se kterým se můžeme setkat jsou zákmity. Pokud stiskneme tlačítko, jsou kontakty nejdříve spojeny a pak několikrát rozpojeny a zase spojeny, než se kontakt trvale ustálí.
3
S použitím Schmittova klopného obvodu lze sestrojit bezzákmitové tlačítko, které uvedené hazardní stavy vyloučí. Již samotné zařazení několika hradel za sebe (kaskáda) zlepšuje tvar pravoúhlého signálu. Zavedením zpětné vazby u SKO z výstupu na vstup urychlí přechod vstupu hradla přes rozhodovací úroveň.
Schmittův klopný obvod s operačním zesilovačem Používá se k úpravě střídavého signálu libovolného průběhu na signál obdélníkový. Rezistorem Rzp je zavedena kladná zpětná vazba, která zavádí hysterezi a stabilizuje stav operačního zesilovače.
Obr. 5 Zapojení SKO s operačním zesilovačem a závislost výstupního napětí na napětí vstupním.
Funkci Schmittova klopného obvodu s operačním zesilovačem si můžeme ověřit na simulátoru Circuit Simulator v1.5m, který nalezneme na adrese: http://www.falstad.com/circuit/
4
Obr. 6 Zapojení SKO s operačním zesilovačem, časové průběhy vstupních napětí a napětí výstupního při zobrazené hysterezi obvodu.
Shrnutí SKO se jako integrovaný obvod vyrábí ve variantě TTL i CMOS, lze jej konstruovat pomocí tranzistorů, obvodu 555, hradel i operačních zesilovačů. SKO ze vstupního napětí libovolného průběhu vytváří dvojúrovňový signál3. SKO se v číslicové technice používá jako tvarovací obvod, bezzákmitové tlačítko („dávač“ logických úrovní). SKO umožňuje řadu dalších aplikací v elektronických obvodech jako je např. oscilátor, funkční generátor, indikace napěťových úrovní, regulace výkonu a další.
3
Existence různých rozhodovacích úrovní napětí SKO pro přechod mezi dvěma stabilními stavy způsobuje vznik hystereze. Tato vlastnost umožňuje jeho použití jako tvarovače signálů s malou strmostí hran (kontrola NF zesilovače pravoúhlým signálem SKO za pomoci osciloskopu). Signál po průchodu zesilovačem musí pravoúhlý signál co nejméně zkreslovat a to i v místech změny impulsů. Podle toho se nastavují korekční stupně zesilovače.
5
