Schmitt-trigger Átmenet az analóg és digitális világ között

Átírás

1 Schmi-rigger Ámene az analóg és digiális világ közö Dr. Sükösd Csaba, Bera Miklós 1. Bevezeés,,Analóg makroszkopikus világunkban nagyon sok fizikai mennyiség folyonos érékkészleû. Magáól éreõdõen ilyenek a hossz, idõ, sebesség, de a legöbb elekromos mennyiség is ilyen (feszülség, áramerõsség, ellenállás.) Amikor az,,analóg világból á akarunk érni a,,digiális világba, az analóg mennyiségeke digiálissá kell alakíanunk. A legegyszerûbben ez úgy ehejük meg, hogy a digiális mennyiségek nagyságá a kees számrendszerben adjuk meg. I összesen ké számjegy szükséges eszõleges szám felírásához, a 0 és az 1. A kees számrendszer öbbféle módon megvalósíhajuk. Például elekronikusan úgy, hogy ha egy áramkörben folyik áram, akkor az a digiális 1-e jeleni, ha pedig nem folyik, akkor az a digiális 0-á jeleni. Másik leheõség, hogy ha valahol van feszülség, akkor az digiális 1-e jelen, ha pedig nincs akkor az digiális 0-á. Mivel azonban a feni mennyiségek analóg mennyiségek így eseükben álalában nem konkré érékeke rendelünk a digiális számjegyekhez, hanem érékarományoka. A különbözõ archiekúrák (pl. TTL, CMOS), de a különbözõ digiális jelovábbíási prookollok is (pl. RS 232,... ) más- és más feszülségarományokkal dolgoznak. E arományok jó megválaszásának nagy jelenõsége van az áramkörök,,zajûrése szemponjából. Amikor egy analóg jele digiálissá akarunk alakíani az egyik alapfelada az,,összehasonlíás. Ennek kapcsán ké analóg éréke hasonlíunk össze, de az összehasonlíás eredménye már digiális érék, azaz csak ké éréke vehe fel. Ha ké összehasonlíandó mennyiség feszülség (U 1,U 2 ), akkor a ké leheséges eredmény: U 1 <U 2, ill. U 1 U 2 (miuán csak ké kimenei érék leheséges, olyan relációka kell keresnünk, amelyek kölcsönösen kizárják egymás, ugyanakkor az összes leheséges esee lefedik). Egy ilyen felada megvalósíásához olyan áramkörre van szükség, amelynek bemenee ké,,analóg feszülsége ud fogadni kimenee ké sabil állapo egyikébe billen. Az ilyen ulajdonságú áramköröke nevezzük komparáoroknak. Komparáor öbbféle módon meg lehe valósíani, mi a ranziszorokkal és mûvelei erõsíõvel megvalósíhaó komparáorokkal foglalkozunk a ovábbiakban. A,,digializálás melle, a mûszaki gyakorlaban nagyon gyakori felada annak megállapíása, hogy egy mennyiség nem halad-e meg egy ado éréke. Ilyen lehe egy arály vízszinjének a figyelése, vagy egy helyiségben a radioakív sugárzás szinjének figyelése, de ilyen a hõmérsékle figyelése egy hûõgépben vagy egy süõdében. Mivel a figyel mennyiségeke álalában elekromos feszülséggé alakíjuk, így a feladao feszülségszin figyelésre lehe visszavezeni. A komparáoroka ehá a gyakorlaban sokszor felhasználjuk, így érdemes közelebbrõl is megismerkedni velük. 22

2 1.1 Komparáor kapcsolás mûvelei erõsíõvel Tulajdonképpen egy mûvelei erõsíõ már önmagában is egy komparáor. Az 1. ábrán láhaó kapcsolásban az R 1 és az R 2 ellenállásokból lérehozo feszülségoszó adja meg az ábillenési feszülsége. Ha a bemenõ feszülség (U 2 ) ennél kisebb, a mûvelei erõsíõ kimenee a poziív ápfeszülségen lesz (figyelem,,,inveráló" bemene), ha ennél nagyobb, akkor a negaívon (ami ebben az eseben -15 V). 1. ábra: Komparáor mûvelei erõsíõvel Ilyen jellegû kapcsolás rikán szokak alkalmazni, mer öbb probléma is van vele. I mos csak keõ emlíünk ezek közül: az erõsíõ nagy bemenõ ellenállása mia erõsen zajérzékeny mivel a bemenõjel álalában valamekkora zajjal erhel, ezér ha a jel álagéréke az ábillenési feszülség közelében van, akkor a zaj ide-oda billeni az áramkör, s végülis a zaj ampliúdója fogja megszabni, hogy mekkora feszülségnél,,nyugszik meg" az egyik végállapoában. Ezek elkerülésére jó lenne egy olyan áramkör, amelynek van valamekkora,,hiszerézise. Ez az jeleni, hogy más az egyik irányba örénõ ábillenés feszülsége, min a másik irányba. Ez valósíja meg a Schmi-rigger. 1.2 Schmi-rigger kapcsolás mûvelei erõsíõvel A Schmi-rigger olyan,,billenõ"-kapcsolás, amely valamekkora hiszerézissel rendelkezik. A megvalósíása a 2. ábrán láhaó egyszerû kapcsolással leheséges. 23

3 2. ábra: Schmi-rigger megvalósíása mûvelei erõsíõvel. A mûvelei erõsíõ ápfeszülsége +15V és -15V, ezér ezek jelenik a kimenei feszülség szélsõ (elíési) érékei is. Az ábillenési feszülsége mos is az U 1 feszülség adja meg, ez azonban mos az R 3 ellenállás álal lérehozo poziív visszacsaolás mia függeni fog a kimenõ feszülségõl. Mivel a mûvelei erõsíõ,,ideális", ezér az U 1, feszülsége kizárólag a három ellenállás és a ké feszülség (U ki, ill. +15V) haározzák meg: 15 U1 U ki U1 U 1 =R 2 (I 1 +I 3 )=R 2 ( + ) 1 3 Árendezve az egyenlee úgy, hogy U 1, legyen kifejezve: 15 U 1 = U ki R3 R + + A panelen R 1 =10k, R 2 =10k, R 3 =100k. Ezér U 1 = 15 U + ki 2, A ké ábillenési feszülsége U ki =15V és U ki =-15V behelyeesíésével kapjuk: 7,86V, ill. 6,43V. Ezér a Schmi-riggerünk a 3. ábrán láhaó módon fog,,billegni". (1) 3. ábra: Schmi-rigger billenése válozó bemenõ jelre 24

4 Elmélei feladaok: E1. Haározzon meg olyan ellenállás-hármas a feni kapcsolásban, amelynél a,,bebillenés" éppen 7,5V-nál örénik, a,,visszabillenés" pedig 6,0V-nál. E2. Hogyan kellene módosíani a feni kapcsolás ahhoz, hogy 5V és 7V közö folyamaosan,,szabályozni" lehessen a Schmi-rigger bebillenési szinjé úgy, hogy közben a hiszerézis,,szélessége" ne válozzon? E3. Vizsgálja a visszacsaoló ellenállás haásá. Mi örénik, ha R 3 (szakadás)? Mi örénik, ha R 3 0 (rövidzár)? 1.3 Tranziszoros Schmi rigger A 4. ábra egy ranziszorokkal megvalósío Schmi rigger mua. A poziív visszacsaolás mia az áramkör ké állapoú; vagy az egyik ranziszor veze, vagy a másik. A hiszerézis az egyes kollekorokba kapcsol különbözõ nagyságú ellenállások bizosíják. Fonos, hogy a Q 1 ranziszor kollekorába kapcsol ellenállás legyen a nagyobb. Elmélei felada: E4. Haározza meg a 4. ábrán láhaó ranziszoros Schmi rigger billenési szinjei. (A ranziszor ekinse ideális ranziszornak, β=200.) E5. Miér fonos, hogy Q 1 kollekorába kapcsol ellenállás legyen nagyobb? 4. ábra: Tranziszoros Schmi rigger 1.4 Asabil mulivibráor (relaxációs oszcilláor) mûvelei erõsiõvel A Schmi-rigger kis,,módosíásával" négyszögjel-generáor (oszcilláor) is készíheünk. Vizsgáljuk az 5. ábrán láhaó kapcsolás: 25

5 5. ábra: Asabil mulivibráor mûvelei erõsíõvel Az R 3 és R 2 -bõl álló poziív visszacsaolás már ismerõs a Schmi-riggerbõl, és feszülségoszókén megszabja az áramkör billenési ponjai: U b1 = V +, ill. + R3 U b2 = V -. Ezek mindegyike nyilván V + R + és V - közé esik. Kiindulásképpen együk mos fel, 3 hogy a mûvelei erõsíõnk éppen a poziív ápfeszülségre,,feküd ki. Ez az jeleni, hogy U 2 <U b1 hiszen ezér megy elíésbe az erõsíõ. No de ekkor a C kondenzáor elkezd ölõdni az R 1 ellenálláson kereszül U ki (=V + ) irányába. Az U 2 feszülség idõbeli válozása: U 2 =V + (1-exp(- ))+ U 20 exp( ). (I U 20 az U 2 feszülség = 0 időpillanaban felve éréke). A ölõdés exponenciális, és az idõállandójá az R 1 C szorza adja meg. Elõbb-uóbb a növekvõ U 2 eléri az U b1 billenési feszülsége, s ekkor - a poziív visszacsaolás mia - az áramkör hirelen ábillen a másik végállapoába, azaz U ki =V - és ennek megfelelõen U 1 =U b2 lesz. A kondenzáoron hirelen nem ud megválozni a feszülség, ezér az ábillenés uáni pillanaban még megmarad a billenés elõi érék, azaz U 2 =U b1. Innenõl kezdve azonban a kondenzáor elkezd,,áölõdni, és az U 2 pon feszülsége exponenciálisan mos már az új U ki -hoz, azaz V - hoz ar. U 2 =U b1 exp(- ) - V - (1 exp(- )). Elmélei felada: E6. Haározza meg a relaxációs mulivibráor frekvenciájá! (V + =+12V, V - =-12V, R 1 =100k, C=100nF, R 2 =10k, R 3 =100k) 26

6 2. Ellenõrzõ kérdések 1.Mik az egyszerû (visszacsaolalan) komparáor hárányai? 2.Mire szolgál a poziív visszacsaolás egy komparáor kapcsolásban? 3.Magyarázza meg a hiszerézis lényegé! (ábra alapján) 4.Rajzolja fel egy relaxációs oszcilláor sémájá! Rajzolja fel az inveráló bemeneen mérheõ jelalako! 5.Adja meg egy ranziszoros komparáor sémájá! Mi haározza meg hiszerézisének nagyságá? 3. Mérés 3.1 Mérési feladaok 1. Épíse meg az 1. ábra szerini kapcsolás, µa-741-es mûvelei erõsíõ használva. Válozassa lassan, a billenési küszöb közelében a bemenei feszülsége! Figyelje a kimene válozásá! Írja le mi apaszal! 2. Alakísa á a kapcsolás a 2. ábra szerin! Milyen válozás apaszal? 3. Épíse meg a 4. ábra szerini kapcsolás, vizsgálja mûködésé! 4. Épísen a 5. ábra alapján relaxációs oszcilláor. Mûvelei erõsíõkén µa-741-e használjon. Ellenõrizze a jelalakoka a bemeneen és a kimeneen.válassza úgy R és C éréké, hogy az oszcilláor 10 khz-en rezegjen! 27