Дребезг контактов механического ключа. Как отмечалось в гл. 8, после замыкания контактов механических переключателей дребезг контактов продолжается приблизительно 1 мс. У крупногабаритных переключателей дребезг может продолжаться до 50 мс. Дребезг может вызывать хаотические переключения элементов, реагирующих на смену состояния сигнала, или фронт . Например, ключ, непосредственно подключенный к счетному входу триггера или счетчика, вызовет при переключении их многократное срабатывание. В подобных случаях нужно использовать электронные средства для подавления Дребезга ключа. Приведем несколько способов.

1. На входах асинхронного /?5-триггера, построенного с помощью двух вентилей, нужно установить резисторы, разумеется, подключенные к шинам питания (рис. 9.7). Здесь можно также применить стандартный триггер, имеющий входы установки в О и 1 (например , элемент 7474), заземлив его тактовый вход.

2. Рассмотренная схема в интегральном исполнении. Элементы 74279, 4043 и 4044 представляют собой счетверенные ?5-триггеры, а 8544 - счетверенную схему защиты от дребезга, имеющую встроенные нагрузочные резисторы, отпирающий вход (СТРОБ) и выходы с тремя состояниями.

3. Можно использовать триггер Шмитта семейства КМОП с замедляющей 7?С-цепью на входе (рис. 9.8). Дребезг будет сглаживаться

1,0 Ом

1,0 кОм

Рис. 9.7. Схема защиты от дребезга ключа.

Рис. 9.8.

фильтром нижних частот R2C1, поэтому триггер Шмитта переключается только один раз. Обычно вполне достаточно иметь постоянную времени iC-цепи в пределах от 10 до 25 мс. Этот метод нельзя с таким же успехом применять в схемах на элементах ТТЛ, поскольку для управления их входами необходимо обеспечить малое выходное сопротивление.

Рис. 9.9.

4. Можно воспользоваться ИМС типа 4490, которая Представляет собой сшестеренный подавитель дребезга. В этой прекрасной схеме в качестве фильтра нижних частот используется цифровая задержка (5-разрядный регистр-сдвига для каждого ключа). В состав ИМС входят внутренние нагрузочные резисторы и тактовый генератор-Величина задержки задается пользователем с помощью внешнего

времязадающего конденсатора, который определяет частоту генератора. В настоящее время эта микросхема не имеет эквивалента в исполнении ТТЛ.

5. Схема, приведенная на рис. 9.9. В качестве буферного каскада КМОП можно использовать неинвертирующий вентиль, как показано на рисунке, или один из элементов корпуса ИМС 4050 (или 4502). В отличие от вентилей ТТЛ, которые защищены только от замыкания на землю, для элементов КМОП вполне допустимо подключение выхода как на землю, так и на шину Ucc-

6. Можно применять устройства со встроенными схемами защиты от дребезга. Такие схемы обычно имеются в шифраторах клавиатуры, использующих в качестве устройств ввода механические ключи.

7. Ключи, построенные на использовании эффекта Холла. Эти твердотельные ключи, управляемые магнитным полем, используются в качестве панельных или клавиатурных ключей. В обоих случаях магнит и ключ объединяются в одном законченном изделии. Ключи работают от напряжения +5 В и вырабатывают на выходе свободные от дребезга логические сигналы, которые могут использоваться для управления элементами ТТЛ и КМОП, работающими от +5 В. С точки зрения износа ключи с эффектом Холла практически вечны, так как в них отсутствуют механические контакты.

Несколько общих замечаний о ключах как устройствах ввода. Обратите внимание, что при использовании методов, указанных в пп. 3 и 4, а как правило, и в п. 6, можно применять однопозиционные однополюсные переключатели (иногда их называют переключателями типа А ), в то время как в Случае остальных методов должны использоваться двухпозиционные однополюсные переключатели (типа Б). Следует также иметь в виду, что далеко не всегда требуется защищать входы от дребезга, поскольку не все схемы, управляемые ключами, восприимчивы к фронтам. Отметим еще один важный момент; хорошие механические ключи обычно обладают сво?> ством самоочистки , которое позволяет сохранять чистыми контактные поверхности (чтобы увидеть, что это значит, разберите один ключ). Тем не менее схему желательно строить таким образом, чтобы через контакты ключа протекал ток хотя бы в несколько миллиампер для их очистки.

9.05. Управление цифровом логикой от компараторов и операционных усилителей

Компараторы и операционные усилители, так же как и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), являются обычными устройствами вдода, с помощью которых аналоговые сигналы могут управлять цифровыми схемами. Некоторые примеры приведены на рис. 9.10.

LM3J1.393 и т.п.

В первой схеме выход компаратора непосредственно соединен со входом ТТЛ. На выходе большинства компараторов имеется прп-транзистор с открытым коллектором и заземленным эмиттером, поэтому здесь достаточно добавить нагрузочный резистор, подключенный к шине +5 В. Такую же схему можно поОгроить и на элементах КМОП, подключая нагрузочный резистор к шине (Усе- Для питания компаратора совсем необязательно использовать двуполярный источник: многие из них предназначены для работы с одним источником (U заземлено), а некоторые даже питаются от одного источника +5 В (например, элементы 311, 339 , 393 или 329).

На второй схеме показано, как управлять элементом КМОП от операционного усилителя через последовательно подключенный то-коограничивающий резистор. Входные защитные диоды вентиля КМОП образуют эффективный ограничитель напряжения на уровнях (Усе и земли, благодаря чему входной ток не превышает 10 мА. На третьей схеме операционный усилитель коммутирует п^эл-транзистор, который управляет элементом ТТЛ, а диод служит для предотвращения пробоя перехода база- эмиттер в обратном направлении (-6 В). Последнюю схему не следует особенно рекомендовать, однако она вполне работоспособна. Фиксирующий диод на входе элемента ТТЛ ограни-

I лава 9

чивает отрицательный перепад напряжения величиной падения на диоде, а внешний диод ограничивает положительный перепад напря- жения. Последовательно включенный резистор предотвращает повреждение схемы в случае обратного пробоя перехода база - эмиттер входного транзистора ТТК. Номинал этого резистора выбирается достаточно низким для того, чтобы обеспечить отвод входного тока в состоянии НИЗКОГО уровня, когда на выходе операционного усилителя действует отрицательное напряжение порядка 11ескольких вольт.

Тактовые входы. Гистерезис. Общее замечание, касающееся работы цифровой логики от операционных усилителей: не пытайтесь использовать операционные усилители для управления тактовыми

входами. Они имеют достаточно

.,s

Рис 9.И. Пороговый детектор с гистерезисом.

длительные переходные процессы, и при пересечении входныйА сигналом уровня логическогй порога могут возникнуть ложные импульсы. Для управления тактовыми входами (триггеров, регистров сдвига, счетчиков, одновибраторов и т. п.) лучше всего использовать компаратор с гистерезисом или буферный элемент с триггером Шмитта на входе. То же самое относится и к сигналам, поступающим от аналоговых устройств на транзисторах. Обратимся к схеме, приведенной на рис. 9.U. Резистор R2 выбирают таким образом, чтобы гистерезис равнялся 50 мВ. Параллельно резистору обратной связи включен небольшой конденсатор (Са), который не снижает существенно быстродействия, но защищает схему от паразитных импульсов, возникающих при пересечении входным сигналом порогового уровня (этому особенно подвержен элемент 311). Важную роль при подавлении выбросов ( иголок ) по шине опорного источника, возникающих во время переходных процессов, играет также конденсатор С\. Однако во многих случаях опорное напряжение равно нулю, и тогда он не ну?кен,

9.06. Некоторые замечания, связанные с логическими входами

При разработке элементов ТТЛ имеется тенденция использовать НИЗКИЙ уровень в качестве активного входного сигнала. Так, например, от сигналов НИЗКОГО уровня обычно срабатывают асинхронные входы триггеров. Поэтому внешние цепи, от которых поступают сигналы на входы цифровой схемы,почти всегда содержат ре-

зистор, подключенный к шине питания, и в активном состоянии обеспечивают НИЗКИЙ уровень (в режиме отвода тока). Это удобно при работе с механическими ключами и аналогичными устройствами, которые могут использовать общую цепь возврата на землю. Это также позволяет повысить помехоустойчивость, которая составляет 3 В для линии, находящейся под потенциалом +5 В и -0,8 В для линии с нулевым потенциалом. Этот порок, присущий ТТЛ-схемам (недостаточная помехоустойчивость в состоянии НИЗКОГО уровня), особенно очевиден, если представить себе, что отрицательный выброс по шине земли с амплитудой 0,5 В может быть воспринят элементом как входной сигнал ВЫСОКОГО уровня. Такие выбросы возникают довольно часто и вызываются короткими всплесками тока через индуктивность земляной шины. Обсуждение этих неприятных проблем мы продолжим в разд. 9.14.

Что касается элементов КМОП, то ситуация здесь обратная, и для управления их входами в качестве активного сигнала обычно используется ВЫСОКИЙ уровень. При работе от устройств ввода, имеющих разомкнутое состояние (ключей), входной резистор можно подключать как к земле, так и к цепи питания, поскольку помехоустойчивость в обоих случаях одинакова. Чаще встречаются схемы, в которых резистор подключен к земле, однако при работе от ключей с цепью возврата на землю резистор подключают к цепи источника питания.

Неподключенный вход элемента ТТЛ действует как ВЫСОКИЙ уровень. Фактически он находится на уровне логического порога (1,3 В), однако, поскольку цепь отвода тока отсутствует, входной транзистор не открывается. Вам могут попасться на глаза разработки , где остаются неподключенными входы, на которые должно подаваться напряжение ВЫСОКОГО уровня ТТЛ. Этого никогда не следует делать: разомкнутый вход имеет нулевую помехоустойчивость, поэтому емкостная связь с близлежащими цепями может стать причиной коротких всплесков НИЗКОГО уровня на выходе. Это вызовет появление иголок на выходах комбинационных схем, что само по себе уже достаточно неприятно, а в случае использования триггера или регистра последствия могут стать просто катастрофическими, если неподключенный вход СБРОС будет обнулять устройство в недопустимые моменты времени. Эти иголки можно и не увидеть на экране осциллографа, поскольку они нередко представляют собой одиночные импульсы длительностью порядка 20 не. Хотя в большинстве случаев вам, скорее всего, удастся избежать этих Неприятных последствий, особенно если емкость между неподключенными и соседними контактами невелика, все же на незадействованные входы следует подать соответствующий уровень. Попытка использовать логический анализатор или охватить ИМС тестом для поиска неисправности приведет к появлению нового состояния цепи, так как дополнительная емкость тестовой схемы почти наверняка вызовет неустойчивый НИЗКИЙ уровень на неиспользуемом входе. И нако-

нец, зачем создавать ненадежные схемы, если их можно сделать надежными при помощи нескольких простых соединений?

Неиспользуемые входы* Неиспользуемые входы, которые влияют на состояние элемента (например, вход СБРОС триггера), должны быть подсоединены к нужнок потенциалу, ВЫСОКОМУ или НИЗКОМУ. У элементов ТТЛ можно оставлять неподключенными входы, которые не оказывают влияния (например, входы неиспользуемых элементов). Неиспользуемые входы элементов КМОП подсоединяют непосредственно к шинам земли или Vсо в зависимости от необходимости. Установочные входы триггеров, УСТАНОВКА и СБРОС, которые обычно управляются сигналами ВЫСОКОГО уровня, надо Заземлять, а неиспользуемые входы многовходового вентиля И-НЕ должны быть подсоединены к ВЫСОКОМУ потенциалу. Как было сказано выше, в отличие от некоторых других логических семейств неиспользуемый элемент микросхемы КМОП нельзя оставлять неподключенным, так как на выходе незадействованного вентиля с разомкнутыми входами будет действовать напряжение, равное половине напряжения питания, причем оба выходных МОП-транзистора под действием прямого смещения работают в режиме класса А, пропуская значительный ток. Это вызовет потребление дополнительного тока от источника, а если используются элементы с мощным выходом (4049, 4050 и т. д.) с напряжением питания 10 В и выше, то не исключен даже отказ устройства. Поэтому лучше заземлять все входы неиспользуемых элементов каждой микросхемы.

Входы элементов ТТЛ можно соединять с землей, а для элементов большинства семейств Шоттки (1АЪхх, ЧАЬЪхх и т. д.) входы можно подключать к источнику питания +5 В. Однако нельзя непосредственно соеданять входы старых микросхем типа 74jcjc, lhxx, TAWxx и др. с шиной +5 В; то же можно сказать и о некоторых сериях семейства Шоттки, например 74LS74 (при использовании схем с эмит-терными входами проверьте их паспортные данные). Причина этого ограничения состоит в том, что максимально допустимое напряжение на входах элементов ТТЛ составляет --5,5 В, в то время как напряжение источника питания даже при отсутствии повреждений может достигать В. Переходный процесс или ьШйсправность источника питания могут вызвать отказ ИМС из-за пробоя входа, если соединить его с источником напрямую, так как защита источника питания обычно не работает до тех пор, пока напряжение питания не выйдет за пределы 6-6,5 В (см. разд. 5.06). Если на входе должен поддерживаться сигнал ВЫСОКОГО уровня, то можно выбрать один из двух вариантов: а) соединить вход с шиной +5 В через резистор, например, 1 кОм (чаще всего используется именно этот номинал - вспомним, что при ВЫСОКОМ уровне входы ТТЛ, по существув не потребляют тока). Этот резистор предохраняет от повреждений, связанных с переходными процессами в источнике питания, б) Заземлить вход инвертора (или инвертирующего вентиля), а его выход использовать, как не-

9.07. Компараторы

Мы вкратце ознакомились с компараторами в разд. 3.22, где они использовались для того, чтобы иллюстрировать применение положительной обратной связи (триггер Шмитта) и показать, что специализированные ИМС компараторов обеспечивают существенно лучшие характеристики, чем операционные усилители широкого применения, используемые в качестве компараторов. Этот выигрыш в характеристиках (малые задержки, высокая скорость нарастания выходного напряжения и сравнительно высокая устойчивость к большим переключающим напряжениям) достигается за счет соответствующих компромиссов, поэтому иногда предпочтительнее использовать операционные усилители (особенно в схемах точного управления фазовым сдвигом для изменения частоты). Компараторы не имеют частотной компенсации (разд. 3.31) и не могут применяться в качестве линейных усилителей.

Компараторы играют важную роль при сопряжении аналоговых (линейных) входных сигналов и цифровой аппаратуры. Например, микропроцессор 8022, описанный в разд. 8.27, кроме 8-разрядного АЦП содержит 8 таких компараторов, которые размещены в том же кристалле, что и процессор. В данном разделе мы подробно рассмотрим компараторы, уделяя основное внимание их выходным характеристикам, некритичности в отношении к напряжению питания и способам подачи сигналов и защиты входов.

Напряжение питания и выходы. Большинство компараторов имеют выходы с открытым коллектором. Такие выходы пригодны для управления логическими входами (разумеется, с нагрузочным резистором), а также высоковольтными сильноточными нагрузками. Элемент 311, например, может управлять нагрузкой, подключенной к источнику питания напряжением до 40 В, и потребляет ток до 50 мА, а элемент 306 может выдерживать и больший ток. Эти компараторы кроме контактных выводов положительного и отрицательного на пряжений питания имеют нулевой контакт, поэтому независимо от напряжения питания нагрузка включается на землю. Компараторы повышенного быстродействия (521, 527, 529, 360, 361, Ат686, 760, НА4925 и НА4950) часто имеют выходные каскады с активной нагрузкой. Они. предназначены для управления цифровой логикой с

точник сигнала ВЫСОКОГО урм^вня для неиспользуемых входов; к одному выходу такого инвертора можно подсоединить большое число входов.

Работая со схемами ТТЛ, можно не обраш,ать внимания на неиспользуемые функциональные части микросхемы, в том числе и на их входы. Например, можно оставить неподключенными шины параллельного ввода данных в счетчик, если они не понадобятся.

22 Глет 9

-..............-....... .1................- n I Т HIT ........... iT

напряжением питания + 5 В и обычно имеют 4 контакта питания! и , {+ 5 В) и земля.

Следует учесть то обстоятельство, что для питания большинства Ьймпараторов требуется как положительное, так и отрицательное напряжение даже в том случае, если на входе не может возникнуть отрицательный сигнал. Призерами таких устройств являются перечисленные выше компараторы с активной нагрузкой, а также ИМС 306, 710 и 711. В устройстве, где все остальные элементы питаются от положительного напряжения, организовывать специальный источник отрицательного напряжения только для питания компаратора неудобно. Поэтому полезно знать компараторы, которые питаются лишь от одного (положительного) напряжения. К их числу относятся ИМС 311, 319, 339, 393, 775, СА3290, НА4905, СМР-01 и СМР-02. Все эти элементы работают от одного источника питания напряжением +5 В, что весьма удобно в цифровых системах. При таком питании компараторы типа 339, 393, 775, СА3290 и НА4905 имеют полный диапазон входного синфазного сигнала вплоть до нуля. Эти компараторы разработаны специально для работы с одним источником и, за исключением 4905, имеют только два контакта питания: (/+ и земля. При работе с двухполярным питанием выходной сигнал будет действовать относительно уровня VСреди перечисленных выше компараторов первые три обладают к тому же редким свойством сохранять работоспособность при снижении напряжения питания до +2 В (при максимальном напряжении +36 В).

По поводу питания следует заметить, что существуют специально разработанные слаботочные компараторы, ток потребления которых, как правило, не превышает 0,5 мА. К ним относятся Intersil 8001, Analog Devices AD351, Siliconix L161 и Motorola MC14574. Каждая из двух последних ИМС представляет собой четыре компаратора с программируемым рабочим током; схема L161 может работать при совсем незначительном общем потреблении тока (0,1 мкА). В этом случае, однако, время нарастания выходного сигнала составляет 1 мс. Сдвоенный компаратор 393 также имеет малый ток потребления хотя и не до такой степени, как предыдущий.

Входы, Входные цепи компараторов требуют некоторых мер предосторожности. Во избежание ложных переключений следует везде, где это возможно, использовать гистерезис. Для того чтобы понять причины этого явления, представим себе компаратор без гистерезиса: предположим, что на его дифференциальные входы подается аналоговое напряжение, которое медленно изменило полярность, пройдя через нуль. Для того чтобы вызвать изменение выходного состояния, достаточно сигнала величиной 2 мВ, причем время переключения не превысит 50 не. Неожиданно в схеме возникают высокочастотные логические сигналы амплитудой 3000 мВ, которые вызывают импульсы тока в цепях питания и т. п. Весьма вероятно^ что какая-то часть этих высокочастотных сигналов, накладываясь на

входной сигнал, вызовет его изменения, превышающие 2 мВ, что приведет к многократным переключениям и колебаниям. Поэтому, чтобы получить хороший чувствительный компаратор, нужно обеспечить достаточный гистерезис (за счет подключения небольшого конденсатора параллельно резистору обратной связи) в сочетании о тщательной разводкой проводников и щунтированием. Если высокое быстродействие не требуется, желательно избегать применения быстродействующих компараторов, которые только усугубляют эти проблемы. Кроме того, одни компараторы в этом отношении менее надежны, чем другие; известно, что, если использовать не по назначению прекрасный компаратор ЗП, можно столкнуться с неприятностями.

Еще одно предостережение относительно входных характеристик: некоторые компараторы обладают крайне ограниченным диапазоном изменения дифференциального входного напряжения; так, например* для ИМС 710, 711 и 306 этот диапазон не превышает +5 В. В подобных случаях надо использовать на входе защитные фиксирующие диоды, так как превышение входного дифференциального напряжения приводит к снижению па- 601--------~i

раметра /гз1э, вызывает появ- 10

ление постоянной погрешно- 50[- >мо-п9 \

сти входного сдвига и может даже привести к разрушению переходов база-эмиттер транзисторов входного каскада. Несколько лучше в этом отношении компараторы последних выпусков, у которых типовой диапазон дифференциальных входных сигналов составляет =Ь30 В (например, компараторы 311, 393, 775 и т. д.).

Важными входными характеристиками компараторов являются входной ток смещения и его зависимость от дифференциального вход-

01-и-£-1-;-J-1-157

-12 -8-0 4 8 12 Дифференциальное вмдной! напряжение, В

Рис. 9.12. Зависимость входного тока смещения от дифференциального входного напряжения для компаратора СМР-02. (Precision Мо-nolithics, Inc., Santa Clara, Calif. 95050),

±15 B; T

окр

25°C.

НОГО напряжения. Входные каскады большинства компараторов выполнены на биполярных транзисторах, токи смещения которых могут лежать в пределах от десятков наноампер до десятков микроампер. Входной каскад представляет собой дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, поэтому при переходе компаратора через порог срабатывания ток смещения изменяется. Кроме того, из-за внутренних цепей защиты ток смещения может существенно изменяться и при напряжениях, отличающихся от пороговых. Типовая характеристика (для компаратора СМР-02) приведена на рис. 9.12. Небольшая ступенька тока при нулевом дифференциаль-

&4

Тлта 9

НОМ входном сигнале представляет собой еглаженньщ переход, имеющий место приблизительно при 100 мВ; при таком изменении напряжения входной дифференциальный усилительный каскад полностью переключается из одного состояния в другое.

В тех случаях, когда требуется обеспечить как можно меньший входной ток, используют керараторы с полевьщи транзисторами на входе. Примерами таких устройств являются СА3290 - сдвоенный компаратор с полевыми МОП-транзисторами на входе и LFSll-r- вариант известного компаратора 311 с полевыми транзисторами. Максимальный входной ток последнего компаратора равен 50 пА (сравните с 250 нА для компаратора 311), что достигается без сущест-венного ухудшения быстродействия и напряжения сдвига. Если вам подходят свойства определенного компаратора, но при этом еще требуется обеспечить и малый входной ток, то можно добавить входной

а

ffl си

16

10 5 О -5 10

0,2 0,4 Время, МКС

0,2 0.4 0.6 Время, МКС

-100

2 3

ВрЕМЯ , МКС

Время, МКС

Рве. 9ЛЗ. Характеристики переключения компаратора LM3il нри различных значениях входною переключающего напряжения. (National Semiconductor Corp.)