Использование триггера в качестве переключателя

В предыдущих частях статьи было рассказано о триггерах типа D и JK. Здесь уместно будет вспомнить о том, что эти триггеры могут работать в счетном режиме. Это означает, что с приходом на тактирующий вход (для обоих триггеров это вход С) очередного импульса состояние триггера меняется на противоположное.

Такая логика работы весьма напоминает обычную электрическую кнопку, как в настольной лампе: нажал – включено, нажал еще раз – выключено. В устройствах на цифровых микросхемах роль такой кнопки чаще всего выполняют триггеры, работающие в счетном режиме. На счетный вход подаются импульсы высокого уровня, а выходные сигналы триггера используются для управления исполнительными цепями.

Казалось бы все очень просто. Если к входу С подключить просто кнопку, соединяющую при нажатии этот вход с общим проводом, то с каждым нажатием состояние триггера будет изменяться, как и ожидается, на противоположное. Чтобы убедиться, что это не так, достаточно эту схему собрать и понажимать кнопку: в нужное положение триггер будет устанавливаться не каждый раз, а чаще после нескольких нажатий кнопки.

Состояние триггера лучше всего контролировать с помощью светодиодного индикатора, неоднократно описанного в предыдущих частях статьи, либо просто с помощью вольтметра. Почему такое происходит, почему, так нестабильно работает триггер, в чем тут причина?

Что такое дребезг контактов

Оказывается, во всем виноват дребезг контактов. Что же это такое? Любые контакты, даже самые лучшие, даже герконовые , оказывается, замыкаются не сразу. Их надежному соединению препятствует целая серия соударений, которая длится около 1 миллисекунды и даже более. То есть, если мы нажали кнопку и удерживаем ее нажатой в течение половины секунды, это вовсе не значит, что сформировался всего один импульс такой длительности. Его появлению предшествует несколько десятков, а может даже сотен импульсов.

Поступая на счетный вход триггера, каждый такой импульс переключает его в новое состояние, что полностью соответствует логике работы триггера в счетном режиме: будут посчитаны все импульсы, а результат будет соответствовать их количеству. А задача состоит в том, чтобы одно нажатие кнопки изменяло состояние триггера всего один раз.

Подобная проблема еще более заметна в том случае, когда механический контакт является датчиком числа оборотов, например в приспособлении для намотки трансформаторов, или в расходомере жидкости: каждое срабатывание контакта увеличивает состояние электронного счетчика не на единицу, как ожидалось, а вовсе на случайное число. О счетчиках рассказ будет несколько позднее, но пока просто поверьте, что это именно так, а не иначе.

Как избавиться от дребезга контактов

Выход из положения показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Формирователь импульсов на RS – триггере.

Проще всего устранить дребезг контактов при помощи уже хорошо нам знакомого RS – триггера, который собран на логической микросхеме К155ЛА3, точнее на ее элементах DD1.1 и DD1.2. Условимся, что прямой выход RS – триггера это вывод 3, соответственно инверсный выход это вывод 6.

Когда RS – триггер собирается из элементов логических микросхем, приходится делать такое соглашение. Если же триггером является готовая микросхема, например К155ТВ1, положение прямого и инверсного выходов оговорено ее справочными данными. Но, даже и в этом случае, если не используются JK и C входы, а микросхема используется просто как RS – триггер, вышеупомянутое соглашение может быть вполне уместно. Например, для удобства монтажа микросхемы на плате. Конечно, при этом RS – входы также меняются местами.

В положении переключателя, показанном на схеме, на прямом выходе RS – триггера уровень логической единицы, а на инверсном, естественно, логический нуль. Состояние счетного триггера DD2.1 пока остается таким, в каком он оказался при включении питания.

Если в этом есть необходимость, то его можно сбросить при помощи кнопки SB2. Чтобы сбросить триггер в момент включения питания между R – входом и общим проводом подключают конденсатор небольшой емкости, в пределах 0,05…0,1 мкФ, а между плюсом питания и R – входом резистор сопротивлением 1…10 КОм. Пока конденсатор не зарядится на R – входе кратковременно присутствует напряжение логического нуля. Этого короткого нулевого импульса вполне достаточно для сброса триггера. Если по условиям работы устройства необходимо триггер при включении питания установить в единичное состояние, то такую RC – цепочку подключают к S – входу. Абзац об RC – цепочке будем считать лирическим отступлением, а теперь продолжим про борьбу с дребезгом контактов.

Нажатие кнопки SB1 приведет к замыканию ее правого по рисунку контакта с общим проводом. При этом на выводе 5 микросхемы DD1.2 появится целая серия импульсов дребезга. Но быстродействие микросхем даже самых медленных серий намного выше, чем быстродействие механических контактов. И поэтому первым же импульсом RS – триггер сбросится в нулевое состояние, чему соответствует высокий уровень на инверсном выходе.

В этот момент на нем формируется положительный перепад напряжения, который по C – входу переключает триггер DD2.1 в противоположное состояние, что можно наблюдать при помощи светодиода HL2. Последующие импульсы дребезга влияние на состояние RS – триггера не оказывают, поэтому состояние триггера DD2.1 остается неизменным.

При отпускании кнопки SB1 триггер на элементах DD1.1 DD1.2 переходит снова в единичное состояние. В этот момент на инверсном выходе (вывод 6 DD1.2) формируется отрицательный перепад напряжения, который не изменяет состояние триггера DD2.1. Для того чтобы вернуть счетный триггер исходное состояние кнопку SB1 придется нажать еще раз. С таким же успехом в подобном устройстве будет работать и JK – триггер .

Подобный формирователь является типовой схемой и работает четко и безотказно. Единственным его недостатком можно считать применение кнопки с перекидным контактом. Ниже будут показаны подобные формирователи, работающие от кнопки с одним контактом.

Меры по устранению ложных срабатываний, защита от помех

На схеме можно увидеть новую деталь — конденсатор C1, установленный в цепи питания триггеров. Каково его назначение? Основная его задача это защита от помех, к которым чувствительны не только триггеры, но и все остальные микросхемы.

Если коснуться элементов монтажа металлическим предметом, то в них создадутся импульсные помехи, которые могут состояние триггеров изменить как угодно. Такие же помехи в схеме создаются при работе даже одного триггера, тем более нескольких. Эти помехи передаются по шинам питания от одних микросхем к другим и также могут вызвать ложные переключения триггеров.

Чтобы этого не произошло на шинах питания и устанавливают блокировочные конденсаторы. Практически такие конденсаторы емкостью 0,033…0,068 мкФ устанавливаются из расчета один конденсатор на каждые две-три микросхемы. Монтаж этих конденсаторов производится как можно ближе к выводам питания микросхем.

Еще одним источником ложных срабатываний микросхем могут стать неиспользуемые входные выводы. Паразитные импульсы помех будут наводиться в первую очередь именно на таких выводах. Для борьбы с ложными срабатываниями неиспользуемые входные выводы следует подключать через резисторы сопротивлением 1…10 КОм к плюсовой шине источника питания. Кроме того, если в схеме есть неиспользуемые логические элементы И – НЕ , то их входы следует соединить с общим проводом, отчего на выходе таких элементов появится логическая единица, а уже к ним подключать неиспользуемые входы триггеров.

Если в качестве источника сигнала для микросхемы используется тумблер или кнопка, то совершенно недопустима ситуация когда контакт разомкнут, а достаточно длинный провод остается «висеть в воздухе». Уж такая антенна будет принимать помехи весьма успешно. Поэтому такие проводники следует обязательно подключать к плюсовой шине питания через резистор сопротивлением 1…10 КОм.

Подавление дребезга кнопки с одной парой контактов

Использование кнопок с одной парой контактов намного проще, поэтому они применяются чаще, нежели кнопки с перекидными контактами. Несколько схем, предназначенных для подавления дребезга контактов таких кнопок, показаны на рисунке 2.

Рисунок 2.

Работа этих схем основана на временных задержках, создаваемых при помощи RC – цепочек. На рисунке 2а показана схема, работа которой осуществляет задержку включения и выключения, рисунок 2в содержит схему с задержкой только включения, а на рисунке 2д показана схема с задержкой выключения. Эти схемы представляют собой одновибраторы, о которых уже было написано в одной из частей данной статьи. На рисунках 2б, 2г, 2е показаны их временные диаграммы.

Нетрудно видеть, что эти формирователи выполнены на микросхемах серии К561, которая относится к КМОП микросхемам, поэтому номиналы резисторов и конденсаторов указаны именно для таких микросхем. Эти формирователи должны использоваться в схемах, построенных на микросхемах серий К561, К564, К176 и подобных.

Борис Аладышкин