Схемы подавления дребезга контактов
Аппаратные подавители дребезга механических контактов коммутирующих
элементов: кнопок, выключателей, герконов, энкодеров и т. п.
С таким неприятным эффектом, как «дребезг» контактов переключателя сталкивается практически любой разработчик цифровых или микропроцессорных устройств. Явление это представляет собой процесс многократного неконтролируемого замыкания и размыкания контактов в моменты переключения любого механического коммутирующего устройства. Продолжительность дребезга контактов зависит от качества переключателя и может находиться в диапазоне – от десятка до сотни миллисекунд (Рис.1).
Рис.1 Реальная форма сигнала при замыкании–отпускании переключателя
Во многих случаях корректная работа логических устройств требует подавления эффекта дребезга контактов, так как без этого возникают предпосылки для многократных ложных срабатываний элементов, например – при подаче таких сигналов на тактовые входы счётчиков.
Использование пассивных подавителей дребезга, к примеру, изображённых на Рис.2 а) и б) и им подобным, как правило, к ожидаемому результату не приводит. И хотя они и вносят некоторый вклад в дело борьбы с паразитными импульсами, но до полной победы им, как ни крути, довольно далеко. 
Рис.2 а) и б) – пассивные подавители, в) – схема подавления дребезга на триггере Шмитта
Другое дело, если к пассивной цепи, изображённой на Рис.2 б), присовокупить логический элемент, представляющий собой триггер Шмитта (Рис. 2 в)).
Предпочтительно, чтобы данный элемент был выполнен по КМОП технологии (к примеру, 561ТЛ2, 74HC14N, CD40106 или что-нибудь в этом духе) и имел высокое входное сопротивление.
Поскольку, по сравнению с простыми логическими вентилями, триггер Шмитта имеет дополнительную зону нечувствительности, равную разнице между напряжениями его срабатывания и отпускания, то и эффективность подавления паразитных импульсов, сглаженных интегрирующей цепочкой R2, C1 у него окажется значительно выше. К тому же имеющаяся в нём внутренняя положительная обратная связь обуславливает крутой фронт выходного сигнала, что является важным обстоятельством для нормальной работы большинства счётчиков. 
Постоянная времени τ = R2*С1 интегрирующей цепи выбирается исходя из продолжительности дребезга контактов и составляет на приведённой схеме 10 миллисекунд.
Длительность выходного импульса соответствует времени замыкания контактов, а фронт и спад импульса несколько задержаны относительно моментов замыкания и размыкания контактов.
Рис.3 Подавление дребезга на триггере Шмитта
Если факт незначительной задержки выходного импульса является нежелательным, то на помощь приходят схемы подавления дребезга на RS-триггерах (Рис.4).
Данные триггеры могут быть реализованы: как на расхожих элементах 2И-НЕ либо 2ИЛИ-НЕ, так и на готовых RS-триггерах типа К561ТР2, CD4043 и т. д. 
Рис.4 Схемы подавления дребезга на RS-триггерах
Подавители дребезга, выполненные на RS-триггерах, имеют длительность, а также фронт и спад выходного импульса полностью совпадающие с сигналом, идущим с контакта коммутирующего элемента. Помимо этого, они не содержат частотозависимых элементов, что позволяет им работать с любыми переключателями независимо от продолжительности дребезга. Однако при всех своих достоинствах, имеют и серьёзное конструктивное ограничение – в виде необходимости применения кнопки или выключателя с двумя группами контактов (on-off).
Одноконтактные схемы подавления дребезга, выполненные на ждущих мультивибраторах и прочих устройствах задержки, сужения или расширения импульсов, никакой практической ценности, на мой взгляд, не имеют. По сравнению со схемой на триггере Шмитта, они содержат большее количество элементов, часто довольно капризны и, в большинстве случаев, не имеют никаких функциональных преимуществ. Поэтому и рассматривать подобные устройства в рамках этой статьи мы не будем.
Однако было бы неправильно обойти вниманием такой класс приборов, как специализированные ИМС для удаления дребезга контактов, к примеру, микросхему MC14490 (Рис.5). 
Рис.5 Схема включения ИМС 6-канального подавителя дребезга MC14490
Раньше эта микросхема выпускалась фирмой «ON Semiconductor» и стоила не вполне адекватных денег, теперь же – нашими китайскими друзьями, которые с удовольствием вам её отдадут по 100 с небольшим рублей, причём сразу аж за 5 шт.
Эта микросхема содержит в одном корпусе 6 подавителей дребезга, работающих по принципу цифрового интегратора.
Согласно документации MC14490 имеет следующие характеристики:
– Защитные диоды на всех входах;
– Подтягивающие к плюсу резисторы на всех цифровых входах;
– Возможность использования внутреннего генератора или внешнего тактового сигнала;
– ТТЛ совместимые уровни входов и выходов;
– Подавление дребезга на обоих фронтах сигнала;
– Напряжение питания 3. 18В;
– Собственное потребление тока 0,1. 0,65мА (в зависимости от напряжения питания).
В документации на микросхему есть формула для расчёта ёмкости конденсатора С1, определяющей частоту внутреннего генератора, но её можно подобрать и опытным путем. Обычно номинал этого конденсатора составляет: от 50. 200 пФ для энкодеров и до 1. 10 нФ для обычных кнопок.
Если же хочется построить нечто подобное, но на микросхемах стандартной логики, то это с лёгкостью можно исполнить по схеме, приведённой на Рис.6.
Данный подавитель дребезга предполагает наличие внешнего генератора, который также легко можно реализовать на стандартных КМОП вентилях.
Причём одного внешнего генератора окажется вполне достаточным для работы практически с неограниченным количеством таких подавителей.
Рис.6 Схема подавителя дребезга на D-триггере
Кстати, по принципу действия это устройство весьма напоминает продукты программной реализации подавителей дребезга на микроконтроллере.
Источник
Что такое дребезг контактов и как его устранить?
В этой статье мы рассмотрим такое распространенное и вредное явление как дребезг контактов. Ознакомимся с основными причинами возникновения дребезга. Изучим основные методы аппаратного и программного устранения данного явления.
Что такое дребезг контактов?
В конструкциях всех электромеханических устройств, предназначенных для замыкания-размыкания цепей, существует одна или несколько контактных пар. С их помощью происходит коммутация соответствующих электрических компонентов. Существенным недостатком электромеханических контактов являются произвольные неконтролируемые многократные повторы коммутации, вследствие упругости элементов контактной системы. Это явление получило название – дребезг контактов, а борьбу с ним ведут практически с того момента когда появились первые элементы автоматизированных систем.
Давайте разберёмся, какие физические факторы вызывают дребезжание и почему при этом возникают негативные последствия.
Причины возникновения
При взаимодействии упругих тел возникает деформация. Сила упругости возвращает первоначальную форму деформированного предмета, в результате чего он получает некий импульс движения. Иллюстрацией может служить металлический шарик, падающий на стальную плиту. Сила упругости возвращает его в положение, близкое к изначальному, откуда шарик снова падает на плиту и процесс повторяется. Происходит колебательное движение с затухающей амплитудой.
Аналогичные колебания происходят при соприкосновении твердых контактов, с той лишь разницей, что вместо силы тяжести на них действует упругость пружины или пластины. Амплитуда колебаний подвижных контактов, естественно, очень незначительная, но её вполне достаточно для провоцирования серии процессов кратковременного размыкания цепи. Результатом колебаний являются импульсы, в промежутке после нажатия и следующие сразу за отпусканием кнопки.
Разницу между идеальной и реальной формой импульсов видно на рис. 1.
Как видно из рисунка идеальным является сигнал с одним прямоугольным импульсом. На практике всё выглядит иначе. Дребезг изменяет осциллограмму сигнала. Определённые коррективы вносит искрение. Форма импульсов на рисунке сильно приукрашена. В реальной ситуации осциллограмма выглядит более потрёпанной.
Частота и количество касаний контактов зависит:
- от свойств компонентов коммутирующего узла;
- уровня напряжения на обмотках реле;
- от упругости пружины и некоторых других факторов.
Дребезг наблюдается и во время размыкания контактов. Обычно при механическом размыкании контакты меньше дребезжат.
На рисунке 2 наглядно изображена осциллограмма напряжения в результате коммутации электрического тока вследствие нажатия на кнопку.
Рисунок 2. Осциллограмма коммутационного тока
На осциллограмме видно серии импульсов, характеризующих процесс дребезга.
Вредное влияние дребезга
Чтобы понять негативные последствия от дребезга, рассмотрим процессы, возникающие при коммутации слабых и мощных электрических цепей. Как только расстояние между контактами оказывается достаточным для зажигания электрической дуги, между ними возникает разряд, который разрушает соприкасающиеся поверхности. Искрение, возникающее при механическом контакте, обычно имеет небольшую разрушающую силу. Но электрическая дуга большой мощности вызывает повышенный износ.
Слабое искрение также приводит к явлению износа контактов, хотя оно не такое разрушительное как при зажигании мощной дуги. В ряде случаев таким износом можно пренебречь. Например, для бытовых выключателей освещения проблемой дребезга никто не занимается, так как он почти не влияет на работу осветительных приборов. Во всяком случае, потребители не замечают последствий такого явления.
Однако повышенный износ контактов не единственная (а во многих случаях даже не самая главная) проблема, с которой сталкиваются электротехники. Частые переключения, вызванные эффектом дребезга – враг номер один для цифровых входов. Схемы различных электронных устройств очень чувствительны к кратковременным частым переключениям токов.
Цифровая электроника воспринимает их за чередование сигналов, состоящих из нулей и единиц. Устройствами считываются ложные коды, вызванные дребезгом при нажатиях кнопки, что приводит к сбоям в работе. Поэтому устранения дребезга является важнейшей задачей, которую приходится решать многим конструкторам и схемотехникам.
Способы устранения и подавления дребезга
Без конструктивного изменения контактной системы устранить либо подавить дребезг принципиально невозможно. Примером таких конструктивных изменения можно наблюдать в узлах галетных переключателей или в кнопках типа П2К. В упомянутых конструкциях дребезг практически отсутствует. Нет его и у механического переключателя ползункового типа.
Аппаратный способ
С целью подавления дребезга в системах слаботочных электромеханических ключей прибегают к смачиванию ртутью контактов, которые помещают в изолирующие колбы. Жидкое состояние ртути частично гасит упругие силы, вызывающие дребезг, а также образует токопроводящие перемычки, не позволяющие разрывать электрическую цепь при соприкосновении контактов.
Для снижения уровня коммутационного износа в различных реле и силовых выключателях применяют искрогасящие цепочки:
- шунтирующие RC-цепи;
- варисторы, препятствующие скачкообразному изменению напряжения;
- обратные диоды, подавляющие напряжения самоиндукции;
- стабилитроны;
- комбинированные схемы (варистор +RC-цепь).
Эти цепочки помогают устранить дребезг путём выравнивания скачкообразных характеристик тока. Их подключают параллельно нагрузке либо к контактам реле. Существуют также схемы, в которых искрогасящие цепи подключаются одновременно и к нагрузке и к реле.
Схемы цепей изображены на рис. 3.
Рисунок 3. Схемы искрогасящих цепей
У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. В зависимости от того какого результата необходимо достигнуть, применяют ту или иную схему.
Управление приборами чувствительными к дребезгу осуществляется через ФНЧ (например, через RC-цепочку). Обладая электрической емкостью, конденсатор забирает часть энергии в момент касания контактов. После разрыва цепи вследствие дребезга накопленная энергия возвращается. Таким образом, происходит сглаживание амплитуды колебаний.
Установки триггеров
Ещё один способ борьбы с дребезгом состоит в использовании специальных электронных схем, включающих rs-триггеры.
Роль триггеров заключается в преобразовании входного аналогового сигнала в цифровой и инверсии (переворачивания) логических уровней. Наглядно инверсию объясняет схема на рисунке 4.
Рис. 4. Наглядная схема инверсии сигнала
Устройство учитывает только части сигналов, превосходящие заданные пороговые значения, выдавая логические нули и единицы на выходе. Каждый раз восходящий или нисходящий сигнал переключает триггер, когда он проходит верхнее или нижнее пороговое значение. Проще говоря, провалы напряжения компенсируются инвертированными импульсами триггеров.
Простая схема с триггером показана на рисунке 5.
Рис. 5. Наглядная схема подключения rs-триггеров
Промежутки между пороговыми значениями называются гистерезисом. Форма таких импульсов используется для шумоподавления во время переключения логических сигналов. Сигнал от контакта поступает на схему, имеющую передаточную статическую характеристику в виде петли гистерезиса (триггер Шмидта). Только после этого сигнал с выходов триггера подаётся на вход цифрового устройства для тактирования.
Использование герконов
Выше упоминалось, что наличие ртути на контактах подавляет дребезг. Но общеизвестно, что пары этого жидкого металла очень ядовиты. Использовать их в открытых конструкциях, например в тактовых кнопках, небезопасно. Но контакты можно поместить в герметическую колбу, что позволяет применять ртуть. Такие конструкции называются герконами.
Управление контактами герконов осуществляется внешним магнитным полем. Для этого можно использовать постоянные магниты или электромагнитную индукцию. Устройства могут использоваться в маломощных цепях. Они имеют длительный срок службы, так как контакты в них не изнашиваются.
Программный метод
Для устранения дребезгов в различных вычислительных машинах используют программную обработку сигналов. При этом для тактирования берётся сигнал не непосредственно от контакта, а связанная с ним однобитная булевая переменная, сформированная специальной программой:
- путём временной задержки сигнала, на период вероятного дребезга контактов;
- методом многократного считывания состояния контактов, на заданном временном интервале. Программа считает цепь замкнутой, если на этом промежутке времени наступает период устойчивого замыкания контакта;
- используя алгоритм подсчёта, при котором учитывается количество совпадающих значений сигналов замкнутости в определённый промежуток времени (в пределах от 10 до 100 мкс). Если программой будет замечено заданное число совпадений состояния замкнутости, она посчитает контакт устойчиво замкнутым и пропустит сигнал.
Сигнал, полученный программным способом, довольно надёжный и устойчивый. К недостаткам такой схемы подавления дребезга можно отнести разве что небольшую задержку сигнала, которая не превышает 0,1 с. Этот промежуток времени настолько мал, что им можно пренебречь во многих случаях. Обычно палец человека задерживается на клавише до момента отпускания кнопки свыше 0,2 с.
Программированные устройства получают сигналы управления с кнопок и передают идеальные импульсы на устройства-потребители, работающие на цифровых микросхемах. В результате отсечения программой сигналов дребезга, на входы микросхемы поступают только качественные импульсы. Это обеспечивает стабильную работу цифровых устройств, противостоит ложному срабатыванию логических дешифраторов, независимо от уровня сигнала и его качества.
Программируемое устройство для устранения дребезга
Заключение
Подытоживая выше сказанное, приходим к выводу: несмотря на несовершенство современных переключателей, мы можем эффективно подавлять дребезг контактов. В зависимости от решаемых задач, существует достаточно способов устранения дребезга. Самые простые из них – аппаратные, с применением низкочастотных фильтров. Очень распространёнными и практичными оказались схемы подавления дребезга с использованием триггеров.
Для управления высокоточными цифровыми устройствами лучше использовать программный метод. Он более дорогой и сложный, но в ряде случаев – безальтернативный.
Источник
