Формирователи импульсов от механических контактов

Довольно часто управление электронным устройством осуществляется посредством различных механических контактов (кнопок, выключателей и др.). Замыкание и размыкание механических контактов всегда сопровождается «дребезгом» (многократным переключением), происходящим из-за механического резонанса в течение времени до 40—100 мс. Вследствие «дребезга» желаемый уровень сигнала устанавливается многократно и не сразу. На рис. 11.80 приведены схемы и временные диаграммы, поясняющие процесс коммутации.

Рис. 11.80. Схемы и временное диаграммы, поясняющие процесс коммутации:

а — при формировании паузы; б — при формировании импульса Поступая на вход цифрового устройства, подобные сигналы могут нарушить его работу, так как число импульсов при каждой коммутации различно и длительность пачки импульсов неодинакова. В связи с этим управлении цифровым устройством от механических контактов требуются специальные формирователи.

Формирователь импульсов на основе RC-цепи. На рис. 11.81 приведены схема и временные диаграммы работы формирователя подавления «дребезга» на основе ЯС-цепи.

Схема формирователя представляет собой времязадаюгцую ЯС-цепь, включенную на входе триггера Шмитта.

Формирователь работает следующим образом. В исходном состоянии конденсатор С заряжен и напряжение на выходе равно лог.О. При замыкании контакта происходит быстрый разряд конденсатора С через малое сопротивление контакта SA. При этом «дребезг» несущественно влияет на напряжение на конденсаторе С. При достижении напряжением на конденсаторе С уровня включения U_BKJl триггер Шмитта переключится, и напряжение на выходе н_вых станет равным лог.1. Таким образом, схема формирует четкий импульс на выходе, хотя и с некоторой задержкой на включение t_3l и на выключение t₃₂. При размыкании контакта SA конденсатор С заряжается через резистор Я до напряжения питания U_n и формирователь готов к формированию нового импульса (см. рис. 11.81, б).

Рис. 11.81. Схема (о) и временное диаграммы (б) работы формирователя подавления «дребезга» на основе ЯС-цепи Выражения для задержек ^f3l и^з2 (без учета входного сопротивления триггера Шмита) имеют вид.

где U_n — напряжение питания; R₀ — переходное сопротивление контакта; U_BKJl — напряжение включения триггера Шмитта; и_выкл — напряжение выключения триггера Шмитта.

Иногда для уменьшения импульса тока через контакт в схеме рис. 11.81, а последовательно ключу включается токоограничивающий резистор с небольшим сопротивлением.

Формирователь импульсов на основе RS-триггера. В качестве формирователя подавления «дребезга» переключающих контактов часто используется асинхронный RS-триггер, схема которого приведена на рис. 11.82, а.

В исходном состоянии переключатель находится в положении «1», при этом и_г = 0, и₂ = U_n. Лог. О на входе ЛЭ DD1.1 поддерживает на выходах триггера следующие сигналы: Q = 1, Q = 0. Такое состояние является устойчивым.

При переключении переключателя SA в положение «2» сначала возникает «дребезг» размыкающего контакта «1» (см. рис. 11.82, б). Появление при дребезге лог.1 на входе ЛЭ DD1.1 не вызывает срабатывание триггера, так как две лог.1 на входах данного RS-триггера является режимом хранения. При первом же замыкании контакта «2» на входе ЛЭ DD1.2 появится сигнал и₂ = 0.

Рис. 11.82. Схема [а) и временные диаграммы (б) работы формирователя подавления дребезга на основе ffS-триггера Лог. 0 на входе ЛЭ DD1.2 приведет к переключению триггера, и на его выходах установятся сигналы: Q = 0, Q = 1. Если теперь контакт «2» SA.

разомкнется (вследствие дребезга) и на входе ЛЭ появится лог. 1, то на состоянии триггера это не отразится, так как триггер будет находиться в режиме хранения. При обратном переключении переключателя SA схема работает аналогично. Таким образом, независимо от многократного замыкания и размыкания механических контактов переключателя SA на выходах триггера будут вырабатываться одиночные импульсы.

При использовании микроконтроллера подавить «дребезг» можно программно, при помощи подпрограммы временной задержки.

Для формирования импульсов от механических контактов можно использовать также одновибратор, схема которого будет рассмотрена ниже.

11.3.1.4. Формирователи импульсов по длительности Формирователь коротких импульсов. При формировании импульсов малой длительности (десятки наносекунд) можно использовать временную задержку, которую создают ЛЭ. На рис. 11.83, а приведена схема формирователя коротких импульсов на ЛЭ «И-НЕ».

В схеме формирователя ЛЭ DD1.1…DD1.3 включены как инверторы последовательно один за другим. Последний ЛЭ DD1.4 играет роль схемы совпадения для сигналов высокого уровня. Следует отметить, что количество инверторов в схеме должно быть нечетным.

На рис. 11.83, б приведены временные диаграммы работы формирователя коротких импульсов.

Рис. 11.83. Схема (а) и временное диаграммы (б) работы формирователя коротких импульсов В исходном состоянии до поступления входного импульса входное напряжение и_вх равно лог. О, который поступая на вход ЛЭ DD1.4 поддерживает на его выходе и, следовательно, на выходе схемы уровень ^цвых ^лог-1- При этом на другом входе ЛЭ DD1.4 присутствует уровень и₃ логЛ.

При поступлении входного импульса на обоих входах ЛЭ DD1.4 установятся уровни логЛ и через время задержки t₃ ЛЭ на выходе установится уровень лог.О. Через некоторое время, равное 3t₃ напряжение и₃ станет равным лог. О, на выходе установится уровень лог.1. На спад входного импульса схема не реагирует, так как на выходе уже установлен уровень лог.1.

Таким образом, на выходе формирователя формируется импульс низкого уровня длительностью 1_И = 3t₃, совпадающий с фронтом входного сигнала. Задержка среза выходного импульса относительно фронта входного равна времени задержки t₃ импульсов ЛЭ DD1.4. Формирователь коротких импульсов (см. рис. 11.83, а) формирует импульсы, длительность которых существенно меньше длительности исходных импульсов.

Собственные задержки ЛЭ ИМС имеют большой разброс и нестабильность. Поэтому формирователи, построенные по схеме рис. 11.83, а применяются, когда стабильность длительности выходного импульса особой роли не играет.

Для формирования импульсов большей длительности применяются одновибраторы.

Одновибраторы. Для формирования импульсов по длительности широко используются одновибраторы (ждущие мультивибраторы). С поступлением пускового импульса одновибратор переходит во временно устойчивое состояние, по истечении которого скачком возвращается в исходное состояние.

Одновибратором (англ. Monostable Multivibrator) называется формирователь одиночного прямоугольного импульса фиксированной длительности, возникающего на его выходе при подаче на вход короткого запускающего импульса.

Одновибратор на ЛЭ. На рис. 11.84, а приведена схема простейшего одновибратора на ЛЭ «И-НЕ».

Схема содержит ЛЭ «И-НЕ» DD1.1 и DD1.2, времязадающую ЛС-цепь и обратный диод VD. На рис. 11.84, б приведены временные диаграммы работы одновибратора на ЛЭ «И-НЕ».

В исходном состоянии (при отсутствии запускающего импульса) на входах ЛЭ DD1.2 присутствует напряжение лог. О, а на выходе п_вых — уровень лог. 1. При этом на обоих входах ЛЭ DD1.1 присутствуют уровени лог. 1, а на его выходе — уровень лог. 0. Конденсатор С разряжен, и_с = 0 (см. рис. 11.84, б).

При поступлении на вход одновибратора уровня лог. 0 (момент fy) на выходе ЛЭ DD1.1 устанавливается уровень лог.1. Под действием напряжения лог.1 начинает заряжаться конденсатор С через резистор Л. Причем в начальный момент зарядный ток максимален, и напряжение на резисторе u_R также максимально и примерно равно уровню лог.1. ЛЭ DD 1.2 переключится и на его выходе установится уровень лог. О, который, поступая на вход ЛЭ DD1.1, удерживает на его выходе уровень лог.1. По мере заряда конденсатора С напряжение на резисторе R u_R уменьшается. Когда оно понизится до порогового уровня U_nop (момент t₂), ЛЭ DD1.2 переключится обратно и на его выходе снова установится уровень лог.1. Если к этому моменту сигнал на входе и_вх одновибратора прекратился, то на обоих входах ЛЭ DD1.1 будет уровень лог.1, а на его выходе — лог.О.

Рис. 71.84. Схема (а) и временное диаграммы (б) работы одновибратора По окончании формирования импульса начинается этап восстановления, в течение которого конденсатор С быстро разрядится через диод VD и выходной транзистор ЛЭ DD1.1 и одновибратор возвратится в исходное состояние (см. рис. 11.83, б).

Из принципа действия следует, что входной импульс по длительности должен быть короче выходного. Длительность формируемого импульса t_H определяется величинами Ли С, серией ИМС и определяется по формуле (без учета входного сопротивления ЛЭ DD1.2):

где U¹ — выходное напряжение лог.1 ЛЭ; U_nOD — пороговое напряжение ЛЭ DD1.2.

Таким образом, рассмотренный одновибратор формирует на выходе импульс низкого уровня фиксированной длительности при подаче на его вход короткого запускающего импульса низкого уровня. Аналогичным образом можно построить схему одновибратора на ЛЭ «ИЛИ-НЕ».

Если необходимо получить высокостабильную длительность импульса используют специальные ИМС одновибраторов.

Существуют одновибраторы в интегральном исполнении, например, ИМС типа К155АГ1. Преимущество одновибраторов на основе специализированных ИМС над подобными устройствами, выполненными на ЛЭ, состоит не только в меньшем количестве навесных деталей и внешних соединений, но и главным образом в большей временной стабильности выходных импульсов и более широких функциональных возможностях. При этом колебания температуры и питающего напряжения мало влияют на длительность выходных импульсов.