Dans le monde fantastique des diagrammes schématiques, les fils n’ont aucune résistance et les ondes carrées ont des temps de montée infiniment nets. Le monde réel, bien sûr, est beaucoup plus cruel. Il existe de nombreuses choses que vous pouvez utiliser pour aider à apprivoiser le monde analogique sauvage dans le domaine numérique. Les commutateurs doivent être anti-rebondis, les signaux doivent être limités et vous pourriez même avoir besoin d’un filtre. L’un des éléments de base que vous pouvez utiliser est un déclencheur de Schmitt. Dans

Dans cet épisode de Circuit VR, Je regarde à l’intérieur des circuits pratiques en construisant des déclencheurs de Schmitt dans le simulateur de circuit Falstad. Vous pouvez cliquer sur les liens et accéder à une simulation en direct du circuit afin de pouvoir faire vos propres expériences et mesures virtuelles.

Pourquoi Schmitt Triggers?

Vous utilisez généralement un déclencheur de Schmitt pour convertir un signal bruyant en un niveau logique numérique carré propre. Toute sorte de porte logique a un seuil. Pour une partie 5V, le seuil pourrait être que tout ce qui est sous 2,5V est un zéro et à 2,5V ou plus, le signal compte comme un. Certaines familles logiques définissent d’autres seuils et peuvent avoir des zones où le signal n’est pas défini, ce qui peut entraîner des sorties imprévisibles.

Il y a une myriade de problèmes avec le seuil, bien sûr. Deux parties peuvent ne pas avoir exactement le même seuil. Le seuil peut varier un peu pour la température ou d’autres facteurs. Pour les pièces sans zone interdite, que se passe-t-il si la tension est juste au bord du seuil?

Une entrée de déclenchement de Schmitt est un peu différente. Il comporte deux seuils. Un seuil est la quantité de tension nécessaire pour faire passer l’entrée d’un zéro à un. L’autre seuil est combien il faut pour déclencher un un à zéro. Par exemple, si une entrée commence à 0,3 V et commence à monter, un onduleur Schmitt Trigger verra cela comme un zéro et en émettra un. Au fur et à mesure que l’entrée passe, disons 2,5 V, la sortie passera à zéro car l’entrée est maintenant à 1. Jusqu’à présent, c’est comme une porte normale. La différence est lorsque l’entrée commence à baisser. Lorsque l’entrée est à 2,4 V, une porte normale aurait déjà basculé l’entrée dans l’état opposé. Le déclencheur de Schmitt, cependant, maintiendra un un jusqu’à ce que l’entrée franchisse le deuxième seuil. C’est peut-être 2V.

Ceci est très similaire à un thermostat domestique. Si votre appareil de chauffage est réglé pour chauffer la maison à, disons, 70 degrés, il ne s’allumera pas à 69,9 degrés. La température devra baisser un peu avant que le chauffe-eau se mette en marche et ramène la température à 70. C’est ce qu’on appelle l’hystérésis. Techniquement, le terme fait référence à la dépendance de l’état d’un système à son histoire. Afin de prédire la sortie du déclencheur de Schmitt, vous devez connaître à la fois la tension d’entrée et l’état d’entrée précédent. D’une certaine manière, c’est une version analogique d’une simple machine à états.

Voici un graphique montrant un signal ralentissant jusqu’à 5V puis redescendant à zéro. La trace carrée est la sortie d’un onduleur à déclenchement Schmitt avec des seuils de 2V et 2,5V. Bien sûr, dans la vraie vie, la sortie ne sera pas vraiment aussi nette, mais elle sera rapide et compatible avec d’autres signaux logiques.

En pratique

En pratique, vous pouvez utiliser un déclencheur Schmitt pour lire un circuit RC ou nettoyer l’entrée d’un capteur bruyant. La conduite de tout type de charge capacitive interférera avec le temps de montée d’un signal et cela peut entraîner des problèmes avec les circuits numériques, en particulier si vous avez affaire à une famille logique qui a une région interdite entre les seuils haut et bas.

Le plus souvent, vous achèterez simplement un circuit intégré pour ajouter un déclencheur de Schmitt. C’est généralement un ensemble d’onduleurs, mais vous trouverez d’autres types de portes qui ont des entrées de déclenchement Schmitt. Ils sont également courants sur certaines broches de microcontrôleurs qui s’attendent à se connecter à des signaux bruyants. Vous pouvez également créer un déclencheur Schmitt à partir d’amplis opérationnels ou du circuit intégré de minuterie 555 omniprésent. Cependant, pour cet article, nous utiliserons de bons vieux transistors pour avoir une meilleure idée de ce qui se passe. Comme d’habitude, il existe plusieurs façons de faire les choses, chacune avec ses propres compromis.

Simulation

Pour commencer, considérons un simple onduleur avec un transistor. En théorie, le transistor est soit éteint, donc vous avez essentiellement une résistance pullup de 5 V à la sortie, soit il est en saturation, donc la sortie est de quelques dixièmes de volt. Si vous insérez une belle onde carrée dans ce circuit, cela fera très bien l’affaire. Mais si vous envoyez une onde sinusoïdale bruyante, vous obtiendrez beaucoup de hachage aux bords de la sortie.

La simulation a deux sources d’entrée possibles. Si l’interrupteur est en bas, l’entrée sera une tension que vous pouvez changer avec un curseur sur le côté droit de l’écran de simulation. Si l’interrupteur est en place, vous obtiendrez une onde sinusoïdale bruyante. Nous utiliserons cet arrangement d’entrée particulier pour tous les exemples de circuits.

La trace de l’oscilloscope est un peu difficile à voir, mais vous pouvez voir que les bords sont très bruyants lorsque le transistor entre et sort lorsque le signal passe le seuil d’environ 0,7 V. C’est pourquoi nous avons besoin d’un déclencheur de Schmitt.

Première prise

Les exemples Falstad ont un simple déclencheur de Schmitt, donc j’en ai emprunté des parties pour arriver à la première tentative de nettoyage de ces bords.

Cela semble beaucoup mieux (bien que celui-ci ne s’inverse pas). Comment ça marche? Les clés sont la rétroaction de l’émetteur de Q2 vers l’émetteur de Q1 et les modes de fonctionnement des transistors.

Si vous survolez un transistor dans le simulateur, il signalera si le transistor est en mode de coupure, de saturation ou de marche avant. Regardez simplement dans le coin inférieur droit du simulateur pendant que la souris est au-dessus d’un transistor.

  • Cutoff est exactement ce que cela ressemble. Le transistor disparaît plus ou moins.
  • La saturation est lorsque le transistor est au maximum sur le courant du collecteur. Plus de courant de base ne change vraiment rien et la tension entre le collecteur et l’émetteur sera proche de 0V mais pas tout à fait. Dans ce mode, le transistor agit comme un interrupteur fermé entre collecteur et émetteur.
  • Le mode actif direct est où une certaine quantité de courant de base fait circuler une certaine quantité de courant de collecteur. En théorie, le rapport du courant de base au courant du collecteur dans ce mode est le bêta du transistor, mais tant que le bêta est élevé, vous ne vous en souciez généralement pas car le circuit ne repose pas sur une valeur spécifique de bêta. Étant donné que la bêta varie énormément en fonction de nombreux facteurs, vous dépendez généralement de la tension à travers une résistance pour définir un courant plus faible que vous pouvez contrôler avec précision.

Trois régimes

Ce sont les trois régimes dans lesquels ce circuit fonctionne: Q1 désactivé, Q1 saturé et Q1 dans la région active. Pour rappel, un transistor désactivé ressemblera presque à un ouvert d’un collecteur à un émetteur. En saturation, le transistor sera très proche d’un court-circuit aux bornes de l’émetteur et du collecteur. La tension du collecteur sera juste quelques dixièmes de volt plus élevée que l’émetteur. En fonctionnement actif, cependant, le courant dans le collecteur sera proportionnel au courant de base.

Si Q1 est éteint, il y a plus ou moins un diviseur de tension 1/3 contre 5V à la base de Q2. Ce n’est pas tout à fait correct car la base de Q2 ajoute une certaine résistance, mais comme elle est relativement élevée, vous pouvez l’ignorer. Donc, vous obtenez environ 1,5 V sur la base de Q2. Cela activera Q2 ramenant la sortie à une basse tension. Tout aussi important, le courant de collecteur saturé à travers la résistance d’émetteur de 100Ω maintiendra le nœud d’émetteur à un peu moins de 0,9V.

Si vous voulez vérifier cela, tirez l’interrupteur vers le bas et réglez le curseur sur une tension qui coupe Q1, disons 0V. Étant donné que la tension de l’émetteur est à 0,88 V, la base de Q1 devra atteindre environ 1,5 V pour que Q1 s’allume.

Le deuxième régime est lorsque Q1 est saturé. Il est facile de voir que puisque le collecteur aura une tension très basse, il éteindra Q2 et la sortie sera simplement la résistance pullup à 5V.

Si vous commencez à augmenter la tension, Q1 passera éventuellement à l’étape active avant. Cela n’aura cependant pas beaucoup d’effet sur les tensions de Q2. Il y a une légère augmentation de la tension de l’émetteur qui provoque une légère augmentation de la tension de sortie, mais qui ne dépasse jamais 1V.

Les choses restent donc pratiquement les mêmes jusqu’à ce que Q1 sature à 1,47V. Vous pouvez modifier la source de tension au lieu d’utiliser le curseur pour obtenir cette précision. N’oubliez pas non plus que si vous glissez au-delà du seuil, vous devez réinitialiser à zéro (ou, au moins, en dessous du seuil bas) avant de régler la tension car nous recherchons une augmentation de tension, pas seulement la valeur arbitraire .

À 1,46 V, la base de Q2 est toujours à 1,5 V et le nœud émetteur est toujours à 880 mV. La sortie est inférieure à 1 V (984,8 mV). À une entrée de 1,47 V, Q1 sature et la base de Q2 est maintenant sous 650 mV. La tension de l’émetteur passe à environ 815 mV.

Lorsque la tension d’entrée continue d’augmenter, les tensions de base et d’émetteur de Q2 augmentent également et Q2 reste coupé. Alors, que se passe-t-il si la tension d’entrée retombe à 1,46 V? Pas tant. Avec Q1 en saturation, il reste en saturation. Notez que la tension de l’émetteur est maintenant presque 80mV plus basse qu’avant, il est donc plus facile de maintenir Q1 en saturation. Étant donné que la tension de l’émetteur baisse avec l’entrée, cependant, vous pouvez vous attendre à ce qu’une baisse de 40 mV ramène les choses à l’état opposé. À 1,06 V, le circuit bascule à nouveau Q1 et vous revenez à l’état d’origine. Vous pouvez le voir résumé dans le tableau ci-dessous, où 1,46+ signifie que la tension monte à 1,46 et 1,46 signifie que la tension chute à 1,46.

Contribution Q1 Q2 Base Q2 Ve Q1 Vbe Production
0,10+ de Sam 1,531 0,878 -0,778 0,949
1,46+ acte Sam 1,531 0,880 0,651 0.809
1,47+ Sam de 0,643 0,815 0,655 5.000
3.00+ Sam de 1,742 2.306 0,694 5.000
1,46- Sam de 0,637 0.806 0,654 5.000
1.07- acte acte 0,936 0,437 0,633 4,976
1.06- de Sam 1,531 0,878 0,182 0,949

C’est un peu à traiter, mais si vous essayez d’entrer la colonne d’entrée de la table dans le simulateur, vous le verrez clairement. Une autre façon de le visualiser est de regarder une trace de portée comme celle ci-dessous. La trace supérieure est l’entrée bruyante et le milieu est la sortie. La tension de l’émetteur est la trace inférieure. Remarquez comment lorsque la sortie est basse, la trace inférieure reste constante mais lorsque la sortie est haute, elle suit le signal d’entrée. C’est ce qui modifie le seuil en fonction de l’état précédent. Remarquez comment la tension chute avant de remonter au niveau d’arrêt. Puis il tombe soudainement pour démarrer le prochain cycle élevé.

Encore une fois

L’art de l’électronique a un déclencheur Schmitt similaire qui utilise une connexion directe entre les deux transistors et n’a pas de diviseur de tension explicite sur Q2. Je l’ai inclus avec les deux autres circuits dans une simulation pour que vous puissiez l’expérimenter.

Nous avons déjà parlé des déclencheurs de Schmitt avec des opamps, mais il y a quelque chose de satisfaisant à le faire avec quelques composants. Si vous voulez une application pratique, les Schmitts sont souvent dans des horloges qui lisent la fréquence de la ligne d’alimentation CA, même si vous voyez parfois un détecteur de passage par zéro faire le même travail.