4.6. О «дребезге» и «шорохе» контактных датчиков

Разного рода выключатели, переключатели и т.п., не вызывающие никаких особых нареканий в обычной электротехнике, для

Рис. 94. «Дребезг» в контактном датчике (КД)

подобных же операций в электронике оказались практически непригодными.

Во всяком случае - в прежнем их виде. Причина - в «дребезге» и «шорохе» контактных пар, в немонотонном изменении их контактного сопротивления при переключениях и в соединениях. Так, например, замыкание кнопки SF в схеме, показанной на рис. 94, а, почти наверняка приведет к тому, что в быстродействующий счетчик DD будет записана не одна единица, как полагалось бы, а столько, сколько спадов (переходов 1 ) окажется в «дребезговой» пачке импульсов (рис. 94, б). Такая неопределенность в электронных устройствах, как правило, недопустима.

Устранить возможные неприятные последствия этого эффекта в рассмотренном выше случае позволит электронный формирователь, схема которого приведена на рис. 95. Он представляет собой одновибратор, переходящий в новое состояние при появлении первого же спада напряжения в «дребезговой» пачке импульсов. Длительность его пребывания в этом состоянии - tф@R3·C2 - должна быть больше tдр max - самого продолжительного «дребезга».

На рис. 96 приведена схема еще одного формирователя. В его основе триггер. В исходное, стартовое состояние устанавливают принудительно, подавая на его вход R импульс отрицательной полярности. После срабатывания датчика триггерный формирователь сам не восстанавливается.

Такие формирователи рассчитаны на работу с нормально разомкнутыми контактными датчиками (КД).

Схемы возможных вариантов формирователей - одновибраторного и триггерного - для совместной работы с нормально замкнутыми КД показаны на рис. 97 и рис. 98.

Рис. 95. Одновибраторный формирователь для нормально разомкнутого КД

Рис. 96. Триггерный формирователь для нормально разомкнутого КД

Рис. 97. Одновибраторный формирователь для нормально замкнутого КД

Рис. 98. Триггерный формирователь для нормально замкнутого КД

Рис. 99. Устранение высокочастотных и импульсных наводок

Устраняя последствие «дребезга» КД, формирователи выполняют еще одну важную функцию. Как известно, длительность «счетного» фронта на входе С счетчика ограничена сверху - для микросхем серии К176, например, она не должна превышать 10...15 мкс. Формирователи аа счет усиления в каждом логическом элементе и положительной обратной связи имеют фронты выходных сигналов, зависящие от физического их быстродействия, и не превышают, как правило,1 мкс.

Резистор R1 и конденсатор С1 во входных цепях формирователей образуют помехозащитную цепочку, которая ослабляет возможные импульсные и высокочастотные помехи до пренебрежимо малого уровня. В КМОП-микросхемах обычно принимают: R2<0,1Rиз, где Rиз - сопротивление изоляции в КД; R1=(0,01...0,1)R2; R2·C1=0,01...0,1 с; R3·C2=0,2...1 с.

В условиях значительных помех такая защита может быть многозвенной, такой, например, как на рис. 99.

Сложнее обстоит дело с «шорохом», с «шуршанием» нормально замкнутых КД (рис. 100, а, б). Прежде всего потому, что этот эффект,

Рис. 100. «Шорох» контактного датчика

в отличие от «дребезга», не имеет временной связи с моментом переключения КД. Спонтанное, происходящее без видимых причин изменение контактного сопротивления Rконт может возникнуть в любой момент.

Изменение контактного сопротивления особенно часто проявляется в КД, подвергающихся переменному механическому давлению, пусть и вполне достаточному, казалось бы, для обеспечения надежного электрического соединения. Это связано, прежде всего, с микроперемещениями контактирующей площадки, почти точки, с выходом ее на загрязненные или окислившиеся участки контактной поверхности. Особенно ощутимы флуктуации Rконт при слабом контактном давлении, не способном продавить возникший резистивный слой.

Причина может быть и химической - растущий слой окиси изолятора способен со временем раздвинуть электроды КД и даже образовать в его зазоре электролитическую пару. Особенно непригоден для КД алюминий: его окись не только очень хороший изолятор, но она обладает высокой механической прочностью даже в тонких слоях.

Правда, с относительно малым увеличением контактного сопротивления, даже длительным, справляется та же система помехозащиты. Важно лишь, чтобы сопротивление Rконт оставалось малым по сравнению с сопротивлением резистора R1. Кратковременное изменение Rконт, даже значительное, также подавляется помехозащитной цепочкой, но при условии, что постоянная времени R2C1 окажется больше длительности «всплеска» Rконт.

Использование в КД неокисляющихся материалов, например, золота, палладия, или окисляющихся, но окисный слой которых остается в достаточной мере электропроводным, также ведет к уменьшению «шороха», к снижению вероятности того, что какая-то из флуктуаций Rконт будет принята за выключение КД.

Действенным средством борьбы с «шорохом» нормально замкнутых контактных датчиков является их дублирование-параллельное включение нескольких КД: вероятность одновременного появления «всплесков» Rконт в этом случае резко уменьшается.