[전자공학] 슈미트 트리거(Schmitt trigger)

글의 참고

- https://en.wikipedia.org/wiki/Schmitt_trigger

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글의 전제

- 내가 글을 쓰다가 궁금한 점은 파란색 볼드체로 표현했다. 나도 모르기 때문에 나중에 알아봐야 할 내용이라는 뜻이다.

- 밑줄로 작성된 글은 좀 더 긴 설명이 필요해서 친 것이다. 그러므로, 밑 줄 처친 글이 이해가 안간다면 링크를 따라서 관련 내용을 공부하자.

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글의 내용

- 슈미트 트리거

" 슈미트 트리거는 2개의 문턱값을 사용한다. 여기서 높은 문턱값을 `T+`, 낮은 문턱값을 `T-` 라고 정의하자. 만약, 입력값이 `T+` 보다 높으면, 출력은 `1`이 된다. 그리고 입력값이 `T-` 보다 낮으면, 출력은 `0`이 된다. 중간은 어떨까? 즉, `T+`과 `T-` 사이는 어떤 값을 가질까? 입력값이 T+ 와 T- 사이에 있을 때는, 출력은 이전 상태를 유지한다.

 

이전 상태가 1일 때, `T+`과 `T-` 사이 " 1
이전 상태가 0일 때, `T+`과 `T-` 사이 " 0

 

 

" 이게 뭐가 신기한 것일까? 기존 디지털 신호와 비교해보면 된다. 기존 방식은 한 개의 임계값을 통해서 `0`과 `1`을 나누게 되었다. 즉, 1.8V 이상이면 `1`, 0V 면, `0`으로 말이다. 그런데, 만약 전기가 흔들려서 1.78V와 1.82V 사이를 1초에 50만번 와따리가따리 하면 어떻게 될까? 1과 0을 1초에 50만번 와따리가따리 하게 되므로, 임베디드 개발자에게 이 상황은 아주 골치가 아픈 상황이 되버린다. 이런 상황때문에, 임계값을 1개가 아닌 2개를 도입하게 되었다. 예를 들어, 3.3V 이상이면 `1`로 인식, 1.8V 이하이면 `0`으로 인식하게 말이다. 이제 전압이 크게 흔들리지 않는 이상 디지털 신호값은 일정하게 유지할 수 있게 됬다. 그런데, 문제가 하나있다. 3.3V과 1.8V 사이의 값은 어떻게 정의해야 할까? `플로팅 상태`를 두는 것은 어떨까? 상태를 하나 더 두는 것은 다시 앞에 문제로 복귀하는 것이다. 예를 들어, 3.32V와 3.28V를 와따리가따리 하면, `1`과 `플로팅`이 계속 바뀌게 된다. 결국, 임계값에서 흔들리지 않게 하려면, 중간 구간을 `이전 상태`가 되게 해야한다. 즉, 3.32V에서 `1`이 되면, 3.28V에서도 `1`이 되도록 한다. 그리고, 1.8V 이하가 되었을 때만 `0`으로 설정하도록 해야 `채터링` 현상을 막을 수 있다. 요약하면, 2가지 성질이 중요하다.

 

0. 임계값을 2개로 설정한다.
1. 중간 구간을 이전 상태로 둔다.

 

 

" 여기서 2개의 문턱값을 이용해서 이전 상태가 현재 상태에 영향을 주는 동작을 `히스테리시스` 라고 한다.

when the input is higher than a chosen threshold, the output is high. When the input is below a different (lower) chosen threshold the output is low, and when the input is between the two levels the output retains its value. This dual threshold action is called `hysteresis` ...

- 참고 : https://en.wikipedia.org/wiki/Schmitt_trigger

 

 

" 슈미트 트리거의 수학적 특성은 아래와 같다. 가로줄은 입력값, 세로축은 출력값을 나타낸다. 입력값이 계속 증가해서 출력값이 `T`가 되는 순간, 출력값은 `M`이 된다. 여기서 중요한 건, 입력값이 `T`를 넘는 순간부터는 입력값이 `-T` 이하가 되기전까지는 계속 출력값이 `M`으로 유지된다는 것이다. 입력값이 계속 커져도 출력값이 한 번 `M`이 되면, 계속 `M`이다. 이제 입력값이 계속 감소해서 `-T`가 됬다고 치자. 이제부터는 출력값은 `-M`이 된다. 여기부터는 입력값이 무한대로 작아져도 출력값은 계속 `-M`이다. 입력값이 `T`가 되기전까지는, 출력값은 계속 `-M` 상태에 있게 된다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Schmitt_trigger#/media/File:Hysteresis_sharp_curve.svg

 

 

" 아래 그림은 위키피디아에서 가져온 그림이다. 도표 `U`는 노이즈가 섞인 아날로그 입력 시그널을 나타낸다. `A`는 일반적인 컴패레이터(ordinary comparator)를 나타내고, `B`는 슈미트 트리거를 나타낸다. 일반 컴퍼레이터는 하나의 기준값(붉은선)을 통해서 `1`과 `0`을 판단한다. 그래서 아래 그림과 같이, 잡음에 쉽게 반응하는 것을 볼 수 있다. 그런데, 슈미트 트리거는 `2개의 문턱값 + 히스테리시스` 이용해서 입력값을 판단하기 때문에, 잡음에 쉽게 흔들리지 않는 것을 볼 수 있다. 즉, 임계값 근처의 작은 변화에 의해 출력전압값이 흔들리지 않는 것을 볼 수 있다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Schmitt_trigger