シュミットトリガーと二つのしきい値
覚えている判断
シュミットトリガーは二つのしきい値で切り替わります。ヒステリシスとは、その間で直前の出力を覚えていることです。ここでは3 Vで高く、2 Vで低くなります。
実験台
回路の設定を変え、測定値を予想してから課題を確認しましょう。教材用のモデルで、各レッスンに仮定を説明しています。
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動作の仕組み
理想的な非反転トリガーで、出力は0 V/5 V、2 Vと3 Vの境界を含めて切り替えます。最初は低く、電源を切るかリセットすると記憶を消します。雑音波形、遅れ、実際の帰還抵抗はモデル化しません。
Vinは入力電圧、Voutは出力電圧です。Vin ≥ 3 VでVout = 5 V、Vin ≤ 2 VでVout = 0 Vにします。2 Vと3 Vの間では前の出力を保ちます。次のしきい値は高い出力なら2 V、低い出力なら3 Vです。1 Vの間隔がヒステリシス幅で、時間の遅れではなく状態の記憶です。
難易度
組み立て · 組み立てる
電源を入れ、入力を3.5 Vへ上げます。出力を高い5 Vに切り替えます。
ヒントを見る
Vin = 3.5 V → Vout = 5 V
探究 · 境界を調べる
最初に入力を3.5 Vへ上げ、リセットも電源断もせず2.5 Vへ下げます。記憶した高い出力を保ちます。
ヒントを見る
Vin: 3.5 V → 2.5 V; Vout = 5 V
自力で解く · 課題を解く
入力を1.5 Vへ下げます。下のしきい値を越えて出力を0 Vに戻します。
ヒントを見る
Vin = 1.5 V → Vout = 0 V
追加の読み物と回路レシピ
覚えている判断
暖房を入れる温度と切る温度が違う制御を想像してください。判断を分ければ、一つの境界近くの小さな変化ごとにスイッチを戻すことを防げます。電圧でも同じ考えが使えます。二つのしきい値の間では、それまでの道筋が重要です。
Vin ≥ 3 V → Vout = 5 V; Vin ≤ 2 V → Vout = 0 V; 2 V < Vin < 3 V → Vout(t) = Vout(t−1)
有効なしきい値は現在の出力で決まります。高い出力は下のしきい値、低い出力は上のしきい値を待ちます。範囲内の小さな逆戻りでは判断を取り消しません。
役立つ法則
同じ入力2.5 Vでも出力は0 Vにも5 Vにもなり、どちらも正しいです。2 Vより下から来た場合と3 Vより上から来た場合で記憶した状態が違います。
モデルの外では
正帰還は出力の一部を戻して判断を強めることです。実際のシュミット回路はそれで別々のしきい値を作れますが、モデルは抵抗網を計算せず直接指定します。
避けたい落とし穴
ヒステリシスは一定時間を待つ仕組みでも、すべての妨害を取り除く仕組みでもありません。反対側のしきい値を越える変化なら出力は切り替わります。
入力3.5 Vで出力が高くなった後、入力を2.5 Vへ下げます。出力は…
- 0 Vへ下がる
- 5 Vを保つ
- 2.5 Vになる
詳しく読む
入力は記憶の範囲内で、下の2 Vに達していません。前の高い状態を保ちます。
組み立てる
リセット後に電源を入れ、入力3.5 Vにします。出力は5 Vとなり、次の切り替え値は2 Vです。
Vout = 5 V
境界を調べる
電源を入れ、入力1.5 Vにします。出力は0 Vとなり、次の切り替え値は3 Vです。
Vout = 0 V
一つ変える
2.5 Vまでの二つの道を比べます。1.5 V → 2.5 Vと3.5 V → 2.5 Vです。間にリセットし、二つの出力を書き留めて記憶された履歴を確かめましょう。