Circuiti_comparatori_franco

ISTITUTO STATALE
DI ISTRUZIONE SECONDARIA SUPERIORE
“ LUIGI VANVITELLI “
TECNICO
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COMMERCIALE E PER GEOMETRI
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ANNO SCOLASTICO 2008/2009
Sistemi e Applicazioni
Comparatore a Trigger di Schmitt
Circuiti comparatori
Il trigger di Schmitt
Fax/Tel
Il trigger di Schmitt pone rimedio ai problemi del semplice comparatore a soglia, creando una
zona di insensibilità, detta isteresi, compresa entro due soglie di intervento. Nella caratteristica
sotto riportata, "Vsi" è la "tensione di soglia inferiore", mentre "Vss" è la "tensione di soglia
superiore": quando il segnale in ingresso "Vs" assume valori vicini a quello del segnale di
riferimento "Vref", ma compresi nell'intervallo dell'isteresi, cioè tra "Vsi" e "Vss", il comparatore
si mantiene stabile e non commuta.
Principio di funzionamento
Il trigger di Schmitt ha una tensione d'ingresso ed una d'uscita. L'uscita può avere un valore o
basso o alto. In ingresso il trigger ha due soglie, una alta e una bassa non coincidenti: in un
circuito non invertente quando l'entrata è al di sotto della soglia bassa, l'uscita assume il valore
basso; quando l'entrata si trova al di sopra della soglia alta (più elevata), l'uscita assume il valore
alto. Quando il valore in ingresso si trova compreso tra le due soglie, l'uscita conserva il valore
precedente finché l'entrata non sia variata sufficientemente da farne scattare il cambio (azione di
trigger). Questo funzionamento implica una qualche memoria nel trigger che prende il nome di
isteresi.
Il vantaggio del trigger di Schmitt rispetto ad altri sistemi similari ad una sola soglia d'ingresso è
rappresentato dalla sua maggiore stabilità: con una sola soglia d'ingresso, un segnale in entrata
rumoroso, di ampiezza prossima al valore di soglia, può oscillare rapidamente attorno a tale
valore, facendo altrettanto oscillare l'uscita tra il suo valore basso ed alto; con il trigger di Schmitt,
un segnale rumoroso vicino ad una soglia può causare una sola commutazione del valore d'uscita,
dopo di che deve crescere verso l'altra soglia al fine di causare una ulteriore commutazione.
Il trigger di Schmitt fu inventato dallo scienziato americano Otto Herbert Schmitt ed utilizzava
originariamente le valvole termoioniche; al giorno d'oggi sono realizzati tipicamente con l'impiego
di amplificatori operazionali.
Analisi dello schema elettrico
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La reazione positiva, aumentando l'amplificazione del circuito, permette una transizione più rapida
fra i livelli di uscita. La resistenza R3, che non è necessaria, è stata inserita per ridurre l'errore
dovuto alle correnti di polarizzazione degli ingressi dell'operazionale (R3 = R1 || R2).
La tensione di ingresso Vs viene confrontata con la tensione V+, che assume automaticamente il
valore della tensione di soglia inferiore o superiore, in base all'ultima commutazione dell'uscita del
comparatore.
Ad esempio, se in questo istante l'uscita è alta (Vu = +Vsat), il comparatore non commuterà finché
il segnale in ingresso Vs non supererà la tensione V+, che in questo istante è uguale a Vss. Invece,
nel momento in cui l'uscita è bassa (Vu = -Vsat), la successiva commutazione avverà quando Vs
sarà minore Vsi.
Formule
Si supponga di voler dimensionare un comparatore ad isteresi conoscendo soltanto quali valori
dovranno assumere le tensioni di soglia, oppure di volerne analizzare uno già dimensionato; in
entrambi i casi, saranno utili le seguenti formule:
Calcolo delle tensioni di soglia in un trigger di Schmitt :
Calcolo delle resistenze e della tensione di riferimento
conoscendo i valori delle soglie:
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Schema elettrico
Grafico dell'oscilloscopio
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Verifica delle tensioni di soglia:
Caratteristica dell'isteresi
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L'isteresi è la caratteristica di un sistema di reagire in ritardo alle sollecitazioni applicate e in
dipendenza dello stato precedente.
Se la risposta di un sistema con isteresi viene rappresentata in un grafico in funzione dello stimolo,
si ottiene una caratteristica curva chiusa (grafico a destra). In un sistema privo di isteresi la curva
costituisce una linea singola. In presenza di isteresi si ottiene invece uno sdoppiamento della curva:
se percorsa da sinistra a destra si ha un cammino, se percorsa in senso inverso se ne ottiene un altro.
In molti dei fenomeni fisici in cui si ha tale caratteristica si ottengono due tratti orizzontali: uno
superiore ed uno inferiore. Questi rappresentano i limiti di saturazione. Per un sistema in esame, al
variare di alcune condizioni, si può avere una famiglia di curve, spazianti dalla quasi singola ad
un'area racchiusa pressoché quadrata. L'ampiezza della curva chiusa è indice dell'entità dell'isteresi.
Le famiglie di curve possono essere disposte nella terza dimensione a delimitare una forma
tridimensionale detta isteroide.
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