帶SR鎖存器的SPDT開(kāi)關(guān)去抖動(dòng)

過(guò)去通常使用 SR 鎖存器對(duì) SPDT 開(kāi)關(guān)進(jìn)行去抖動(dòng)，但這在納秒時(shí)域中實(shí)際上是如何工作的?

讀者可能還記得，前段時(shí)間，我寫(xiě)過(guò)一篇關(guān)于開(kāi)關(guān)彈跳(“ Switch Bouncing Around ”)的文章，比較了各種開(kāi)關(guān)的彈跳程度。這是由我們尊敬的(好吧，由某些人)編輯Max Maxfield 促成的，他一直試圖找出他應(yīng)該在防彈跳軟件中使用多長(zhǎng)時(shí)間的等待狀態(tài)才能可靠地對(duì)平均(甚至是最壞的)開(kāi)關(guān)進(jìn)行去抖。

不幸的是，這需要我購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)新的示波器，因?yàn)槲椰F(xiàn)有的示波器都沒(méi)有單次功能，這是捕捉開(kāi)關(guān)反彈所必需的，特別是如果你想保存它或在相機(jī)上捕捉它(我在我的“關(guān)于升級(jí)示波器”列)。雖然我的新示波器只有兩個(gè) 60 MHz 的通道，但它已經(jīng)證明了它能夠勝任我購(gòu)買(mǎi)它以來(lái)的所有任務(wù)。

當(dāng)然，Max 很少快樂(lè)(這可能是件好事，因?yàn)樗目鞓?lè)舞是你真的不想看到的)。他打算寫(xiě)一個(gè)關(guān)于硬件和軟件去抖技術(shù)的迷你系列，作為其中的一部分，他讓我使用我的新示波器來(lái)研究以下硬件去抖電路：

74×00 去抖電路(來(lái)源：Clive Maxfield/David Ashton)

很簡(jiǎn)單。在上圖所示的狀態(tài)下，A1 將被上拉至邏輯 1(5 V)，B2 將接地(即邏輯 0)。因此 QB 必須為 1，因此 A2 為 1。因此 QA 將為 0，B1 也是如此。切換開(kāi)關(guān)時(shí)，常閉觸點(diǎn)從接地?cái)嚅_(kāi)的瞬間，B2 變?yōu)?1;但是，B2 為 0，因此 QB 將保持為 1。此后不久，常開(kāi) (NO) 觸點(diǎn)接地的瞬間，A1 將變?yōu)?0，這意味著 QA 將變?yōu)?1，B1 也將變?yōu)?1。此時(shí)，B2 被拉高至 1，因此雙穩(wěn)態(tài)將改變狀態(tài)。QB 將變?yōu)?0，因此 A2 將為 0。在 A1 處的任何彈跳都不會(huì)影響輸出 QA，因此事情將一直保持到下一次開(kāi)關(guān)操作 - 簡(jiǎn)潔明了。我選擇了一個(gè)有很多彈跳的開(kāi)關(guān)來(lái)展示電路的最大優(yōu)勢(shì)。

讀者會(huì)觀察到雙穩(wěn)態(tài)有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出。這是要監(jiān)控的四個(gè)點(diǎn)——如果可能的話，同時(shí)進(jìn)行——以驗(yàn)證去抖動(dòng)確實(shí)發(fā)生了，并且 QA 和 QB 輸出顯示出單一、干凈的轉(zhuǎn)換。但我只有一個(gè)兩通道示波器。該怎么辦?

我在工作中檢查過(guò)，我們那里也只有一個(gè)雙通道示波器。我想買(mǎi)一個(gè)四通道的單元，周?chē)袔讉€(gè)(有點(diǎn))合理的價(jià)格。Hantek 是我新的兩通道示波器的制造商，它以大約 200 美元的價(jià)格制造了一個(gè)四通道、70-MHz 僅限 PC 的示波器(即，沒(méi)有像我現(xiàn)有的那樣內(nèi)置屏幕)。Picoscope 是一家以 PC 專用示波器而聞名的制造商，它制造的裝置價(jià)格略高，但只有 10 MHz。當(dāng)您達(dá)到 100 MHz 時(shí)，您的價(jià)格約為 1,000 美元。任何帶有屏幕的東西，價(jià)格都會(huì)上漲更多。

當(dāng)然，理想情況下，您需要具有大量?jī)?nèi)存的東西，以便您可以放大或縮小單個(gè)捕獲(我可以，但僅限于非常有限的程度)。目前，Max 和我都沒(méi)有資金進(jìn)行此類投資。Max 試圖為我的評(píng)論爭(zhēng)取一個(gè)免費(fèi)的單位，但他找不到任何感興趣的人。甚至不要讓我開(kāi)始介紹“真正的”示波器制造商，比如泰克、是德科技等。盡管我很喜歡一個(gè)，但在我中彩票之前，它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我的預(yù)算。

所以我開(kāi)始盡我所能只使用兩個(gè)頻道。當(dāng)然，同時(shí)顯示 NO 開(kāi)關(guān)極點(diǎn)和其中一個(gè) Q 輸出很容易(當(dāng) NO 輸入變低時(shí)，QA 將變高，QB 將變低)。然而，一時(shí)興起，我將我的探頭連接到 QA 和 QB 并使掃描速度非常高，以便我可以看到輸出的轉(zhuǎn)換。這就是我得到的：

QA 和 QB 輸出疊加(來(lái)源：David Ashton)

我使用的是 74HCT00 IC，轉(zhuǎn)換之間的輕微延遲 - 以及從 1 到 0 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，反之亦然 - 與數(shù)據(jù)表中這些參數(shù)的值相當(dāng)吻合。這確實(shí)引發(fā)了 Max 和我之間關(guān)于傳播延遲性質(zhì)的一些討論，但我離題了，無(wú)論如何，這導(dǎo)致了足夠的材料來(lái)寫(xiě)另一篇文章，所以請(qǐng)屏住呼吸，親愛(ài)的讀者!

然后我想到，因?yàn)檫@些轉(zhuǎn)換在幾納秒 (n) 內(nèi)緊密對(duì)齊，并且開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間和反彈持續(xù)時(shí)間以毫秒 (ms) 為單位測(cè)量 - 幾乎長(zhǎng)了一百萬(wàn)倍 - 我可以觸發(fā)任何一個(gè)Q 轉(zhuǎn)換并根據(jù)這些轉(zhuǎn)換操作和反彈的相對(duì)時(shí)間。我可以查看一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，然后查看另一個(gè)輸入和另一個(gè)輸出，然后將顯示拼接在一起。

通過(guò)在同一點(diǎn)觸發(fā)，正確顯示了開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉的相對(duì)時(shí)間。當(dāng)然，不會(huì)顯示相同的事件，但是使用開(kāi)關(guān)彈跳，無(wú)論如何沒(méi)有兩個(gè)操作是相同的。我抓取了一些顯示器，保存了具有“最佳”開(kāi)關(guān)彈跳效果的顯示器，并使用 MS Paint 將它們彼此相鄰呈現(xiàn)(這對(duì)于這類事情來(lái)說(shuō)非常通用)。我得到的結(jié)果如下圖所示：

去抖電路的相對(duì)時(shí)序。第一個(gè) NO 使雙穩(wěn)態(tài)切換。(來(lái)源：大衛(wèi)·阿什頓)

我認(rèn)為這是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的結(jié)果。雖然它由來(lái)自兩個(gè)獨(dú)立開(kāi)關(guān)操作的兩個(gè)獨(dú)立屏幕抓取組成，但我認(rèn)為真正的四通道示波器顯示與我得到的并沒(méi)有太大不同。

讀者怎么看?我在這里作弊嗎?鑒于我的觸發(fā)點(diǎn)在整體方案中是相同的，這是一種有效的技術(shù)嗎?還是我應(yīng)該使用合適的四通道示波器?

可以肯定的是，我抓拍了一張照片，查看了兩個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，但保留了相同的示波器設(shè)置，如下圖所示，這證實(shí)了我的多個(gè)顯示器中顯示的相對(duì)時(shí)序是正確的：

打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)彈跳(來(lái)源：David Ashton)

屏幕上的位置稍有不同，但從中斷(底部，在這種情況下幾乎沒(méi)有反彈)和上點(diǎn)(頂部，有很多反彈)之間的時(shí)間與上面相同——大約 5.5 格，或 3.75小姐。

最后，我截取了一系列屏幕截圖，顯示 NO 接觸和 QA 輸出在 200 微秒/格之間切換，顯示開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的完整(幾乎 2 毫秒)彈跳，步長(zhǎng)為之前的 1/10掃描寬度，低至 20 ns/格，顯示轉(zhuǎn)換瞬間和相對(duì)時(shí)序(這是門(mén)的傳播延遲變得明顯的地方)。

NO 和 QA 轉(zhuǎn)換的漸進(jìn)式屏幕截圖(來(lái)源：David Ashton)

請(qǐng)記住，在大多數(shù)情況下，相鄰的鏡頭具有不同的開(kāi)關(guān)操作，但這只有在仔細(xì)檢查時(shí)才會(huì)注意到。

所有這些測(cè)試都是使用 74HC00 IC 進(jìn)行的，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)上有 10K 電阻(這是一個(gè)常見(jiàn)的上拉值)。我還將示波器探頭更改為 10 倍(其他鏡頭使用 1 倍)，這極大地改善了轉(zhuǎn)換的顯示，并在開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)上顯示了一些振鈴，可能是由于 1 倍示波器探頭的電容被移除。我從 Max(他是一個(gè)嚴(yán)格的工頭)那里得到的部分簡(jiǎn)介是嘗試不同的電阻和 IC 類型。

這實(shí)際上是一個(gè)非常漂亮的小去抖電路。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)很常見(jiàn)，為了測(cè)試目的，將其中的幾個(gè)構(gòu)建到面包板中會(huì)很有用。

為按鈕開(kāi)關(guān)做這樣的事情也很方便(它們通常只是單極)。也許我們可以用可重新觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路做點(diǎn)什么

但是 Max 正在努力寫(xiě)他關(guān)于開(kāi)關(guān)彈跳和去抖技術(shù)的系列文章，他要求在上面討論的測(cè)試電路中使用不同的電阻值和不同的 IC 類型(LS、CMOS)相關(guān)的結(jié)果，所以我想我最好先把它們搞定。同時(shí)，我歡迎任何意見(jiàn)和問(wèn)題。

審核編輯：湯梓紅