Подавление дребезга контактов кнопки: Схемы для устранения дребезга контактов механических переключателей.

Схемы для устранения дребезга контактов механических переключателей.

Несмотря на широчайшее распространение полупроводниковых коммутаторов, механические переключатели по-прежнему используются в ряде приложений. Как бы ни совершенствовалась их технология, от дребезга контактов избавиться не удается. В статье рассматриваются способы свести эти проблемы к минимуму с помощью внешних компонентов.

Введение

Компания Würth Elektronik предлагает широкий ассортимент механических переключателей (см. рис. 1). Эти изделия применяются во многих приложениях для размыкания и замыкания электронных цепей.

Рис. 1. Часть ассортимента механических переключателей компании WE

Функция переключения, в основном, механическая, но многие переключатели работают как аналого-цифровой интерфейс в современных электронных схемах с четко определенными уровнями напряжения для логического нуля и логической единицы. Любой разработчик приложения, где используются тактовые или детекторные кнопки с быстро реагирующей электронной схемой, может задаться вопросом, почему она функционирует некорректно. Причина может заключаться в т. н. дребезге (вибрации) контактов. В статье рассматривается схема, позволяющая решить эту распространенную проблему.

Дребезг контактов

Механизм переключения

Как правило, считается, что контакт в переключателе является надежным и срабатывает мгновенно (см. рис. 2).

Рис. 2. Идеализированный график коммутируемого сигнала

Однако на практике все несколько иначе (см. рис. 3). В каждом положении переключателя контакт между токопроводящими участками устанавливается или прерывается с помощью подвижных механических элементов (см. рис. 4).

Рис. 3. Идеализированный график «реального» коммутируемого сигнала

Рис. 4. Конструкция тактового переключателя

Как правило, пружинные компоненты применяются в качестве средства для перевода контакта из одного состояния в другое в виде либо металлической пластины, либо винтовой пружины, у которой имеется некоторая масса и, следовательно, момент инерции. В тот момент, когда эти небольшие компоненты приводятся в движение, они с ускорением перемещаются в требуемое положение. После срабатывания некоторое время происходят многократные неконтролируемые замыкания и размыкания контактов за счет упругости пружины и деталей контактной системы; при этом электрическая цепь размыкается и замыкается, пока движение полностью не прекратится.

Таблица. Компоненты для переключения и защиты от дребезга

Компоненты		Время дребезга
Тактовый переключатель		10 мс
Кнопочный переключатель
Детектор
Механический энкодер

Поскольку коэффициент затухания велик, а момент инерции мал, продолжительность этого эффекта обычно составляет всего несколько микросекунд. Силовые цепи от него не страдают, чего нельзя сказать о цифровом входе. при изменении состояния электронный сигнал имеет нестабильный или, точнее, неопределенный статус, тогда как логической иС требуется четкий сигнал определенного уровня. микроконтроллер может пропустить изменившееся состояние порта, если считает данные в неподходящий момент. таким образом, требуется обеспечить генерацию четкого выходного сигнала переключателя. мы рассмотрим схему, позволяющую устранить его дребезг, чтобы решить эту проблему.

Используемые компоненты

Время защиты от дребезга указано в паспорте изделия. Компания Würth Elektronik определяет этот параметр как время между механическим переключением компонента и полным электрическим переключением. в таблице перечислены компоненты, используемые для переключения и защиты от дребезга.

Схема устранения дребезга

Мы добавим некоторые компоненты для создания фильтра нижних частот (ФНЧ), чтобы оценить его влияние на выходной сигнал.

Добавление фильтра

Схема базового переключателя без компенсации дребезга показана на рисунке 5. Типовые значения резистора R,: Г¹⁰ кОм; V_CC = 5 В.

Рис. 5. Схема переключателя без защиты от дребезга

После нажатия переключателя возникает сигнал, который позволяет отследить эффект дребезга контактов (см. рис. 6).

Рис. 6. Выходной сигнал в отсутствие схемы защиты от дребезга при переходе с высокого на низкий уровень

Чтобы устранить дребезг в выходном сигнале, предлагается одна из самых дешевых и простых в реализации электронных схем, в которой используется RC-фильтр (см. рис. 7). Когда переключатель разомкнут, конденсатор заряжается через цепочку R₁ + R₂, что замедляет рост напряжения. Когда переключатель замкнут, конденсатор разряжается через R₂ с контролируемой скоростью.

Рис. 7. Переключатель с базовой схемой защиты от дребезга

Если компоненты были выбраны корректно, дребезг переключателя поглощается в процессе зарядки или разрядки, благодаря чему обеспечивается плавный переход из одного состояния в другое. Для расчета номинала конденсатора и резисторов применяется формула (1), позволяющая определить постоянную времени схемы:

Т = (Ri + R₂) • Ci, (1)

где Т – постоянная времени, с; R – величина сопротивления, Ом; C – величина емкости, Ф.

Постоянная времени выбирается как некое компромиссное значение, позволяющее устранить дребезг переключателя и обеспечить требуемое время отклика схемы. За одну постоянную времени напряжение повысится до 63% от своего конечного значения или упадет до 37% от этого значения. В обоих случаях оно повышается или спадает на 99% после пяти постоянных времени.

Пример расчета

Заданные условия:

– время дребезга в спецификациях: 10 мс;

– типовое значение сопротивления R₁ для ограничения тока: 1 кОм;

– R₂: выбираются два стандартных значения для устранения дребезга: 10 и 47 ком;

– напряжение питания: 5 в DC.

таким образом, расчет дает два значения емкости:

Ci = t/(Ri + R₂). (2)

Предлагаются два ряда значений для этой схемы:

– решение 1: R₁ = 1 кОм; R₂ = 10 кОм; С₁ = 1 мкФ;

– решение 2: R₁ = 1 кОм; R₂ = 47 кОм; С₁ = 220 нФ.

Заметим, что значения сопротивления и емкости могут отличаться в зависимости от конструкции схемы заказчика.

Для обеих схем получаем характеристику, показанную на рисунке 8.

Рис. 8. Выходной сигнал при использовании схемы устранения дребезга и переходе с низкого на высокий уровень

Значение U_OUT в зависимости от времени определяется следующей формулой:

Uout = U|_N (1 – e^-t/T). (3)

Из нее следует, что при t = т величина выходного напряжения U_OUT составляет около 63% входного U_IN. В нашем примере величина U_OUT = 63% (3,15 В) от своего конечного значения (5,0 В) через 10 мс.

Добавление диода

Чтобы контролировать время заряда и время разряда по отдельности, в приведенную выше схему добавляется диод (см. рис. 9). В результате сокращается время переключения для зарядки конденсатора с помощью R

1 и D₁, и становится другим время разряда, когда используется только R₂, поскольку в этом случае диод блокируется.

Рис. 9. Добавление диода в схему

Добавление буфера

Как известно, нуль в цифровой логике определяется по уровню ниже некоторого напряжения(например, 0,8 В), а единица – выше (например, 2,5 В). Значения между ними не определены. Если приложение не в состоянии поддержать неопределенные значения, может потребоваться буфер с триггером Шмидта с гистерезисом. Схема с разным временем включения и выключения и дополнительным гистерезисом показана на рисунке 10. Время отклика схемы, возможно, придется согласовать с временем выборки микроконтроллера.

Рис. 10. Триггер Шмидта обеспечивает стабильные и определенные значения напряжения

Защита от переходных процессов

Если переключатель расположен далеко или на конце длинного провода, вероятно, потребуется защита от перенапряжения, электростатического разряда или других переходных процессов. В качестве защитных компонентов применяется ферритовая бусина и TVS-диод, установленные перед входной цепью (см. рис. 11).

Рис. 11. Добавление ферритовой бусины и TVS-диода для защиты от перенапряжения

Выводы

При использовании механических переключателей сигналов появляется эффект дребезга, характеризующийся короткими периодами нестабильного сигнала в электронной схеме. Время дребезга переключателей Würth Elektronik достигает 10 мс, что следует учитывать при проектировании. Предложенный RC-фильтр позволяет уменьшить это явление. Фильтр можно усовершенствовать, установив дополнительные компоненты для более точного формирования сигнала и защиты от перенапряжения.

Опубликовано в журнале “Электронные Компоненты” №12, 2021 г.

Техподдержка: Wü[email protected]

Подавление дребезга контактов | Лаборатория Электронных Средств Обучения (ЛЭСО) СибГУТИ

В лабораторных работах по цифровой схемотехнике при изучении триггеров, регистров и счетчиков для подачи тактовых импульсов с помощью кнопки Bottom рекомендуется использовать блок Antitinkling. Данный блок предназначен для подавления дребезга контактов. Из-за этого явления непосредственное подключение кнопки с механическим замыканием контактов к цифровой схеме не всегда допустимо. Суть дребезга заключается в многократном неконтролируемом замыкании и размыкании контактов в момент коммутации, в результате чего на цифровую схему подается множество импульсов вместо одного.

Для тех кто пишет на Verilog или хочет узнать о других способах реализации рекомендуем:
Подавляем дребезг контактов в ПЛИС. Debouncer на Verilog

Причина дребезга заключается в механической конструкции кнопки, которая не позволяет мгновенно зафиксировать контакт. На рисунке 1 показана временная диаграмма сигнала в момент переключения. Принято считать, что у кнопок дребезг длится не более нескольких десятков мс, а длительность нажатия кнопки человеком длится несколько сотен мс (рисунок 2).

Рисунок 1 – Дребезг контактов при замыкании кнопки Рисунок 2 – Диаграмма нажатия кнопки

Схема для подавления дребезга контактов показана на рисунке 3 и состоит из двухступенчатого D-триггера, работающего по переднему фронту (по умолчанию в Quartus II), и генератора управляющих импульсов. Для генерации управляющих импульсов используется внешний тактовый генератор и делитель частоты.

Рисунок 3 – Функциональная схема подавителя дребезга

Схема фиксирует логическое состояние на сигнальной линии только в момент времени подачи импульса. Время фиксации определяется длительностью фронта управляющего импульса и для микросхемы EP1C3T144C8 (ПЛИС FPGA) составляет несколько нано секунд (нс). За это время уровень на линии кнопки измениться не может и в триггер будет записано текущее состояние кнопки.

Частота тактового генератора в учебных стендах LESO2 равна 6 МГц, в стендах LESO2.1 и LESO2.3 – 50 МГц. Делитель частоты должен обеспечить интервал между импульсами больше, чем длительность дребезга и менее чем длительность нажатия кнопки. Мы рекомендуем выбрать интервал 50 – 100 мс. На рисунке 4 показаны диаграммы работы схемы.

Рисунок 4 – Диаграмма работы подавителя дребезга (debounce)

На рисунке 5 показана схема подавителя дребезга в графическом редакторе Quartus II. На рисунках 6 и 7 показано как добавить в проект счетчик-делитель частоты и настроить его с помощью MegaWizerd Plug in Manager.

Рисунок 5 – Схема подавителя дребезга (debounce) в среде Quartus II

На устаревших стендах LESO2 для того, чтобы внешний генератор заработал, необходимо на pin91 подать логическую “1”, в новых стендах LESO2. 1 и LESO2.3 этого делать не нужно.

Рисунок 6 – Выбор счетчика (lpm_counter) в среде Quartus IIРисунок 7 – Настройка счетчика (lpm_counter)

При необходимости разрядность счетчика, а, следовательно, период следования управляющих импульсов, может быть отредактирован. Для этого следует запустить MegaWizard двойным кликом мыши по объекту lpm_counter.

Что такое дребезг коммутатора и как его предотвратить с помощью схемы отключения коммутатора

Что такое дребезг коммутатора?

Когда мы нажимаем кнопку, тумблер или микропереключатель, две металлические детали соприкасаются, вызывая короткое замыкание. Но они не соединяются мгновенно, а металлические части соединяются и разъединяются несколько раз, прежде чем будет установлено фактическое стабильное соединение. То же самое происходит при отпускании кнопки. Это приводит к ложным срабатываниям или множественным срабатываниям как будто кнопка нажата несколько раз. Это похоже на падение прыгающего мяча с высоты, и он продолжает прыгать по поверхности, пока не остановится.

 

Проще говоря, мы можем сказать, что дребезг переключателя является неидеальным поведением любого переключателя, который генерирует множественных переходов одного входа . Дрожание переключателя не является серьезной проблемой, когда мы имеем дело с силовыми цепями, но оно вызывает проблемы, когда мы имеем дело с логическими или цифровыми схемами. Следовательно, для устранения дребезга в цепи Используется схема устранения дребезга переключателей .

 

Что такое устранение дребезга программного обеспечения?

Устранение дребезга также происходит в программном обеспечении, в то время как программисты добавляют задержки, чтобы избавиться от устранения дребезга программного обеспечения. Добавление задержки заставляет контроллер останавливаться на определенный период времени, но добавление задержки в программу не является хорошим вариантом, поскольку оно приостанавливает программу и увеличивает время обработки. Лучший способ — использовать прерывания в коде для отказа программного обеспечения. У Arduino есть код для предотвращения подпрыгивания программного обеспечения.

 

Методы устранения дребезга коммутатора

Сначала мы продемонстрируем схему без устранения дребезга коммутатора .

 

 

Вы также можете видеть форму волны на осциллографе, пока кнопка находится в состоянии подпрыгивания. Он показывает, сколько дребезга произошло во время переключения кнопки.

 

Существует три широко используемых метода для предотвращения дребезга цепи при переключении .

• Аппаратное устранение дребезга
• RC Устранение дребезга
• Микросхема подавления дребезга переключателей

 

1. Аппаратное устранение дребезга

В методе аппаратного устранения дребезга мы используем триггер S-R для предотвращения дребезга цепи при переключении. Это лучший метод устранения дребезга среди всех.

 

Необходимые компоненты

• Nand Gate IC 74HC00
• Тумблер
• Резистор (10 кОм, 2 шт.)
• Конденсатор (0,1 мкФ)
• Светодиод
• Макет

Принципиальная схема

 

Работа схемы аппаратного торможения

Схема состоит из двух вентилей Nand (74HC00 IC), образующих SR-триггер. Как вы можете видеть на принципиальной схеме, всякий раз, когда тумблер переключается на сторону А, выходная логика становится «ВЫСОКОЙ». Здесь мы использовали осциллограф для обнаружения дребезга. И, как вы можете видеть на приведенном ниже сигнале, логика смещается с небольшой кривой, а не подпрыгивает. Резисторы, используемые в схеме, являются подтягивающими резисторами.

Всякий раз, когда переключатель перемещается между контактами, чтобы создать дребезг, триггер поддерживает выходной сигнал, поскольку «0» возвращается с выхода вентилей Nand.

 

2. R-C Debouncing

R-C определяется только своим названием, схема использовала RC-сеть для защиты от дребезга переключателя. Конденсатор в цепи фильтрует мгновенные изменения сигнала переключения. Когда ключ находится в разомкнутом состоянии, напряжение на конденсаторе остается равным нулю. Первоначально, когда ключ разомкнут, конденсатор заряжается через резисторы R1 и R2.

 

Когда переключатель замкнут, конденсатор начинает разряжаться до нуля, следовательно, напряжение на входе инвертирующего триггера Шмитта равно нулю, поэтому выход становится ВЫСОКИМ.

В состоянии дребезга конденсатор останавливает напряжение на Vin до тех пор, пока оно не достигнет Vcc или земли.

Чтобы увеличить скорость устранения дребезга RC, мы можем подключить диод, как показано на рисунке ниже. Таким образом, сокращается время зарядки конденсатора.

 

3. Микросхема устранения дребезга коммутаторов

На рынке имеются микросхемы для устранения дребезга коммутаторов. Некоторые из микросхем для устранения дребезга: MAX6816, MC14490 и LS118 .

Ниже приведена принципиальная схема устранения дребезга переключателей с использованием MAX6818.

 

Итак, здесь мы узнали, как кнопки создают эффект дребезга переключателей и как его можно предотвратить с помощью цепей устранения дребезга переключателей .

Отскок переключателя и другие маленькие грязные секреты

Скачать PDF

Abstract

Компания Maxim предлагает простое решение для снижения влияния звона коммутатора. Эти устройства применимы для приложений с кнопочными панелями, дисплеями с сенсорным экраном и простыми кнопочными устройствами. Эти устройства также обеспечивают защиту от перенапряжения и электростатического разряда. MAX6816/MAX6817/MAX6818 объединяет множество функций в одной ИС, что позволяет отказаться от многочисленных дискретных компонентов.

Переключатели могут делать очень странные вещи. Большинство инженеров узнают этот маленький грязный секрет вскоре после подключения переключателя или реле к цифровой системе. Переключатели не делают и не ломают чисто в масштабах времени цифровых систем. Вместо этого типичный переключатель совершает несколько переходов в течение десятков миллисекунд, необходимых для открытия или закрытия, из-за эффектов, которые включают возраст, рабочую инерцию, механическую конструкцию и микроскопическое состояние контактных поверхностей переключателя. Это поведение, обычно называемое «отказом переключателя», является неизбежным фактом жизни.

После подключения стандартного переключателя к цифровой счетной схеме можно наблюдать несколько отсчетов при размыкании и несколько отсчетов при замыкании (рис. 1 и 2). Это беспорядочное действие может нанести ущерб данным, поскольку точное количество подсчетов не обязательно повторяется в долгосрочной перспективе. Отскок переключателя непостоянен от устройства к устройству, от партии к партии или даже в течение срока службы отдельного переключателя. Мембранные переключатели и некоторые другие типы не подпрыгивают в новом состоянии, но все механические переключатели иногда подпрыгивают. Ничто не может гарантировать, что другой коммутатор того же типа будет работать так же или что конкретный коммутатор не будет дребезжать по мере старения.

Рис. 1. Этот дребезг переключателя переднего фронта для небольшого кнопочного переключателя показывает приблизительный интервал дребезга 5 мс, который включает 10 переходов. Подобно прыгающему мячу, частота переключения увеличивается вправо.

Рис. 2. Другой дребезг переключателя по переднему фронту (для контактного реле 5 А) показывает интервал дребезга приблизительно 5,5 мс, который включает 20 полных амплитудных переходов и несколько меньших переходов.

Помимо дребезга, переключатели и цифровые системы имеют и другие раздражающие привычки. Странные вещи случаются, например, когда вы прокладываете проводку выключателя в шумной промышленной среде. Открытый переключатель по определению имеет высокий импеданс, поэтому мешающие сигналы имеют легкую нагрузку, с которой можно бороться. Любой шумовой импульс, емкостно или индуктивно связанный с проводкой переключателя, может вызвать замыкание фантомного переключателя.

Представьте себе некий специализированный промышленный компьютер, называемый программируемым логическим контроллером (ПЛК), который управляет двигателем через массивное реле. Концевой выключатель, расположенный рядом с двигателем, обеспечивает обратную связь по положению на цифровой вход ПЛК. Когда ПЛК дает команду двигателю запуститься, скачок тока, протекающего к реле и двигателю, может соединяться с другими проводниками в длинных участках проводки, вызывая дребезг земли или емкостно-связанный скачок на цифровом входе.

При неправильном проектировании ПЛК может интерпретировать этот всплеск как преждевременное замыкание переключателя и остановить операцию. Аналогичные вещи могут произойти, когда ПЛК отключает нагрузку из-за влияния емкости проводки, индуктивности проводки и индуктивного толчка реле и двигателя. Если ПЛК и его цифровые входы спроектированы неправильно, эти выбросы и переходные процессы могут привести к ошибочным показаниям цифровых входов.

Цифровые и аналоговые входы оборудования, используемого дома, в офисе и на производстве, подвержены воздействию перенапряжения, скачков напряжения и разрядов электростатического разряда. Перенапряжение вызвано неправильной проводкой, различными неисправностями и последовательностью подачи питания (при которой один блок с отключенным питанием подключается к другому при включенном питании, даже временно). Переходные процессы напряжения часто связаны с емкостно- или индуктивно связанными выбросами, как обсуждалось выше. Электростатический разряд может ударить по разъему, консоли оператора или клеммной колодке во время установки. Любой из этих переходных процессов может привести к разрушению, если система защелкнется. Если они не являются деструктивными, они могут привести к перезагрузке ЦП, переполнению сторожевого таймера и другим типам неустойчивой работы.

Разработчики систем должны знать об этих проблемах и методах борьбы с ними. Одним из решений таких проблем с интерфейсом является новая серия интегральных схем. Доступные в недорогих, простых в использовании конфигурациях микросхемы (MAX6816/6817/6818 с одинарным/двойным/восьмеричным переключением переключателей) обеспечивают надежное, не требующее программного обеспечения устранение дребезга, а также защиту от перенапряжения и электростатического разряда. В этой статье освещается применение устройств подавления дребезга переключателей на микросхемах, а также описываются классические методы предотвращения перенапряжения, скачков напряжения/тока, дребезга переключателя и электростатического разряда.

Отскок переключателя

Если бы их спросили, большинство инженеров ответили бы, что дребезг переключателей устраняется программно и что устранение дребезга не представляет проблемы. Оба предположения верны, если вы уделяете должное внимание деталям. Программное устранение дребезга устраняет дребезг, но не решает проблемы перенапряжения, электростатического разряда или других переходных процессов.

Также возможно устранение дребезга с помощью резисторов и конденсаторов. В общем, вам нужен подтягивающий резистор, резистор и конденсатор последовательно, резистор на входе буфера триггера Шмитта и (часто) диод, чтобы гарантировать, что заряд конденсатора не вызывает большой ток через сеть защиты ввода буфера при отключении питания. Результирующее количество частей может быть громоздким для систем с несколькими входами (рис. 3), поэтому этот подход не будет подробно рассматриваться.

Рис. 3. Дискретные компоненты могут обеспечить устранение дребезга с защитой от электростатического разряда и перенапряжения, но правильно спроектированный дискретный интерфейс, учитывающий все возможные неисправности, неудобен для более чем нескольких входов.

Дебаунсинг с помощью программного обеспечения является основным методом, используемым сегодня. Хорошая процедура устранения дребезга на самом деле представляет собой программное обеспечение в реальном времени, которое действует как простой цифровой фильтр нижних частот. Цифровые входы без переключателей также часто проходят через фильтры подавления дребезга. Этот метод может устранить короткие переходные процессы на входе, обеспечив стабильное состояние перед сообщением об открытии или закрытии входа.

Приведенный ниже псевдокод иллюстрирует процедуру программной защиты от дребезга для одного входа. Он принимает несколько входных данных, если вы обобщаете процедуру и используете переменные на основе указателей и т. д. Хотя в лучшем случае это посредственный подход, этот тип процедуры часто используется, несмотря на проблемы и недостатки, обсуждаемые ниже.

Действие	комментариев
1. Таймер ввода: истек?	В основной процедуре опрашивается бит таймера.
2. Возврат, если нет таймера.	Иди займись чем-нибудь более полезным.
3. Получить входной бит.	“Подвижный” ввод.
4. Подсчитайте ++, если много, очистите остальное.	Увеличение счетчика, если вход высокий.
5. Если количество > 4 состояние = 1, иначе 0.	Проверьте счетчик и зафиксируйте его на 4.
6. Вернуть состояние ввода.	Состояние отклонено.

Эта подпрограмма устраняет дребезг замыканий коммутатора, но принимает открытое состояние как законное, даже если коммутатор находится в состоянии дребезга. Хотя и непреднамеренно, эта асимметричная операция может быть приемлемой для клавиатур и других систем, которые действуют при замыкании, но не при открытии. Для входов общего назначения вы должны устранять дребезг обоих фронтов.

Еще одним недостатком является то, что эта процедура предполагает, что переключатель разомкнут, если не замкнут, тем самым игнорируя третье состояние, в котором переключатель нестабилен (все еще дребезжит). Поэтому лучшая процедура будет сообщать о последнем состоянии отсутствия дребезга до тех пор, пока коммутатор не достигнет нового состояния устранения дребезга. Однако это действие также может вызвать проблемы. В таких случаях программное обеспечение должно распознавать третье состояние «изменение».

Многие подпрограммы подавления ложных срабатываний повторно сэмплируют входные данные, ожидая, пока они останутся в одном и том же состоянии в течение заранее установленного количества сэмплов. Если переключатель меняет состояние в течение этого интервала, программа таким же образом проверяет новое состояние на стабильность. Это действие может вызвать большие задержки, которые съедают много процессорного времени. В крайнем случае, ПЛК с высокой частотой, подаваемой на один из его входных портов общего назначения (будь то непреднамеренно, намеренно или из-за сбоя), полностью повесит процессор. Сторожевой таймер может вернуть процессор, но проблема будет повторяться бесконечно; это не надежная конструкция. Кроме того, вам потребуется много ОЗУ и кода для устранения дребезга больших промышленных систем с большим количеством входов, таких как ПЛК или плата ввода общего назначения. Для каждого входа требуется закрытый счетчик, открытый счетчик и 2 бита для определения его состояния.

Подавление переходных процессов и электростатических разрядов

Стандартной защитой от электростатического разряда является подавитель переходных процессов или устройство MOV на каждом внешнем входе. Счетверенные и восьмеричные TransZorbs™, например, являются простыми и относительно недорогими устройствами, которые могут уменьшить беспорядок и требования к площади, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать перекрестной связи токов короткого замыкания. Этот подход распространен в промышленных и автомобильных системах, где инженеры понимают опасность отказа от такой защиты.

Хорошей практикой является последовательное подключение резистора 220 Ом к линии V _CC для устройств ввода порта. Обычное устройство ввода CMOS, например, восьмеричное 74HC244 или 74HC573, потребляет очень мало тока. Если он зафиксируется, резистор 220 Ом ограничивает ток и рассеиваемую мощность до безопасного уровня. Тем не менее, циклирование питания все еще может быть необходимо. Как правило, вы не должны напрямую подключать контакты порта микроконтроллера к внешним входам. Защелкивание является проблемой, но излучаемые электромагнитные помехи, вероятно, будут еще хуже.

Поскольку деталь не может защелкнуться, если на один из ее контактов не подается достаточный ток, некоторые разработчики считают, что резисторы, включенные последовательно с цифровыми входами CMOS, предотвращают эти проблемы. Действительно, порог фиксации SCR в современных КМОП-ИС может превышать 50 мА. Этот высокий порог тока (рассмотренный в следующем разделе) фактически в некоторой степени защищает от перенапряжения, но он не обязательно эффективен для электростатического разряда. Поражение электростатическим разрядом 15 кВ может привести к протеканию значительных токов через паразитные пути и вокруг резисторов, а также к возникновению большого тока даже через 100 кОм.

Защита от перенапряжения

Защита от перенапряжения позволяет системе выдерживать непрерывные и долговременные переходные процессы, выходящие за пределы рельсов. Например, ИС без применения V _CC имеет 24 В от внешнего источника, подаваемого на входы. Такое приложенное напряжение часто «отбрасывает» сети защиты, нагнетая напряжение на шину питания внутри системы. Одной из эффективных мер противодействия является резистор, включенный последовательно со входом, действующий против защитных диодов, подключенных к шинам. Стабилитрон на V _CC рельсы входного порта также следует учитывать. Чтобы гарантировать, что схемы защиты не откажут в наихудших условиях, вы должны рассчитать максимальную рассеиваемую мощность этого стабилитрона и последовательных входных резисторов.

MAX6816, MAX6817 и MAX6818 Коммутационные отражатели

Несколько лет назад инженеры компании Maxim увидели потребность в простом интерфейсном устройстве, способном устранять дребезг переключателя, защищая его от электростатического разряда и перенапряжения. Некоторые заказчики использовали вход ручного сброса микроконтроллерных ИС, таких как MAX811, только для того, чтобы получить функцию одноканального устранения дребезга в корпусе SOT-23. Другие использовали приемопередатчики RS-232 с защитой от электростатического разряда в качестве устройств цифрового ввода общего назначения. Потребителей привлекли ИС RS-232, потому что они могли обрабатывать переходы низкого напряжения, выдерживая высокое напряжение и электростатический разряд. Сопоставив эти факты воедино, компания Maxim выпустила линейку устройств подавления дребезга контактов, включающих защиту от электростатических разрядов и надежные функции ввода (рис. 4 и 5).

Рис. 4. Общая блок-схема устройств подавления дребезга переключателей семейства MAX6816 включает входную структуру, защищенную от электростатического разряда и перенапряжения, за которой следует цифровой фильтр, устраняющий дребезг на входе и обеспечивающий блокировку при пониженном напряжении.

Рис. 5. В этом типичном приложении с одним устройством устранения дребезга вибраций единственными компонентами являются небольшой шунтирующий конденсатор и 4-контактный корпус SOT-23.

MAX6816 и MAX6817

MAX6816 — это преобразователь дребезга с одним переключателем в 4-выводном корпусе SOT-23, а MAX6817 — преобразователь дребезга с двумя переключателями в 6-выводном корпусе SOT-23. Они обеспечивают логику подавления дребезга и цифровой фильтр, защиту от перенапряжения на входе до ±25 В и защиту от электростатического разряда до ±15 кВ для суровых промышленных условий. Работая от однополярного питания в диапазоне от 2,7 В до 5,5 В, они потребляют типичный ток питания всего 6 мкА. Они также имеют схему блокировки при пониженном напряжении, которая обеспечивает правильное состояние выхода при включении питания. Поскольку запатентованная структура защиты от электростатического разряда на каждом входе включает ограничивающий диод перенапряжения и подтягивающий резистор 63 кОм, эти ИС обеспечивают прямой интерфейс с коммутатором без внешних компонентов. Их номинальная задержка устранения дребезга (40 мс ± 20 мс) маскирует дребезг, создаваемый даже самыми уродливыми коммутаторами (рис. 6).

Рис. 6. Временная диаграмма семейства переключателей-устранителей дребезга MAX6816 показывает, что выходы изменяют состояние примерно через 40 мс после того, как входы становятся стабильными. Дополнительный выход MAX6818 указывает на изменение состояния любого из входов. CH Active-low снижает нагрузку на опрос, особенно в системах с несколькими входами.

МАКС6818

Устройство подавления дребезга с восьмеричным переключателем MAX6818 предназначено для взаимодействия с шиной данных (рис. 7). Он контролирует восемь переключателей, обеспечивая выход изменения состояния ( Active-low CH ) и выход шины данных с тремя состояниями в дополнение к функциям защиты от дребезга и входа одинарной и двойной частей. В частности, его выход Active-low CH значительно упрощает опрос и прерывание микропроцессоров. Каждый раз, когда система считывает выходные данные (приводя Active-low EN в низкий уровень), микросхема сбрасывает Active-low CH в высокий уровень. Активный низкий уровень CH затем переходит в низкий уровень при изменении состояния любого входа. MAX6818 совместим по выводам с 74HC573 и другими стандартными восьмеричными логическими устройствами с 20 выводами. Он легко обрабатывает несколько входов.

Рис. 7. В типичном приложении выходные данные MAX6818 остаются в трех состояниях до тех пор, пока EN с активным низким уровнем не будет переведен в низкий уровень. Выход изменения ( Active-low CH ) сбрасывается в высокий уровень после каждого чтения и устанавливается в низкий уровень после изменения состояния на любом входе. Он может быть либо опрошен системой, либо привязан к прерыванию, как показано.

Устройства подавления дребезга коммутаторов MAX6816, MAX6817 и MAX6818 решают множество проблем, связанных с подключением цифровых систем к шумным, склонным к переходным процессам и “дребезжащим” входам.