基于觸發(fā)器消抖電路應(yīng)用與教學(xué)研究

趙金庫

摘要：觸發(fā)器在《數(shù)字電路》教學(xué)中是一大難點，且是重點，對它的教學(xué)成功與否，決定了整個一門課程的成敗。由RS觸發(fā)器構(gòu)成的消抖電路，其電路構(gòu)成簡單而巧妙，很好地利用了置1、置0、保持等功能完成消抖。通過消抖電路的線路設(shè)計，以及一個被控電路的實際應(yīng)用，清晰勾畫出觸發(fā)器的動作原理。學(xué)生在應(yīng)用中學(xué)習(xí)，可產(chǎn)生深刻、牢固的相關(guān)知識印象，為良好完成整門課程的學(xué)習(xí)打下深厚的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：抖動;消抖;觸發(fā)器;時鐘;開關(guān)

引言

《電子電路》在電子工程類專業(yè)以及計算機專業(yè)中的教學(xué)地位舉足輕重，它是其他電子技術(shù)類課程的基礎(chǔ)，只有學(xué)好了電子電路才能夠更自如、更輕松、更深刻地學(xué)好其他相關(guān)電類課程。在數(shù)字電子電路教學(xué)中學(xué)生最大的困惑及難點就在于對觸發(fā)器的認識和理解，觸發(fā)器是數(shù)字技術(shù)高度抽象和凝練了的概念體，是數(shù)字電路的靈魂，觸發(fā)器學(xué)不好，要學(xué)好數(shù)字技術(shù)也就無從談起。本文通過以觸發(fā)器為核心的消抖電路的設(shè)計與應(yīng)用，展示觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)，剝開其原理，在此基礎(chǔ)上再搭建它的應(yīng)用環(huán)境，通過對觸發(fā)器的設(shè)計、應(yīng)用與實際操作，在行動中深刻認識觸發(fā)器的真正內(nèi)含。[11基于基本RS觸發(fā)器的消抖電路設(shè)計

1.1開關(guān)抖動機理

如圖1-1所示，當機械開關(guān)K按下時，開關(guān)第一次接通，由于金屬的機械彈性形變，開關(guān)的機械觸點將會反彈而離開觸點，由于外力的持續(xù)作用，觸點會再一次閉合，如此反復(fù)n次。n是一個隨機數(shù)，在實際中，n值甚至可以達到10以上。

抖動次數(shù)為n-1，圖1-1所發(fā)生的抖動次數(shù)為2，脈動3為正常值，前兩個脈動應(yīng)予以去除。

觀察發(fā)現(xiàn)，這種抖動的總持續(xù)時間毫秒。

1.2抖動演示電路

要讓學(xué)生確切認知機械開關(guān)的抖動，不能只憑老師口頭述說，應(yīng)當讓學(xué)生親身感受開關(guān)抖動的來歷，以及它所帶來的誤碼危害及浪涌危害，激發(fā)他探索真理的欲望。

生活中按一下電燈開關(guān)有時會觀察到火花閃爍，這是由于開關(guān)的機械抖動產(chǎn)生的一種浪涌現(xiàn)象[2]。

在電子設(shè)備中，這種抖動也同樣存在。

如圖1-2所示的電子裝置，正常情況下，開關(guān)K為閉合，信號源可以給后續(xù)裝置提供方波信號，當需要額外觸發(fā)時，也可以通過手動開關(guān)K給后續(xù)裝置提供觸發(fā)信號。

這里的后續(xù)裝置是一個計數(shù)器，每當信號源發(fā)出一個脈沖波，七段碼顯示器將按加1的規(guī)律顯示計數(shù)值。其中CD4518為BCD碼十進制計數(shù)器，CD4511為七段碼譯碼器。從鞏固前續(xù)知識的角度出發(fā)，這里的七段碼譯碼器正是展示其原理和工作效果的絕佳機會。

當需要人工額外觸發(fā)時，每按下一次開關(guān)K，顯示器顯示的數(shù)字也應(yīng)自動加1，然而實際情況卻不完全是這樣，我們經(jīng)常會看到的現(xiàn)象是，每按下一次K，顯示器顯示的數(shù)字經(jīng)常是跳躍式的，這種現(xiàn)象就是由于機械開關(guān)的抖動造成的。

2消抖電路設(shè)計

觀察圖1-1可見，在多個抖動脈沖中，消除抖動的關(guān)鍵在于要使得第一個脈沖產(chǎn)生后的高電平應(yīng)能夠“保持”，并且能保持20ms以上。

RS觸發(fā)器具有置1、置0、保持三種有效狀態(tài)，對于何謂置1置0，何謂保持，學(xué)生對此概念是模糊的，其關(guān)鍵問題就在于學(xué)生缺乏真實感受。本例中對觸發(fā)器的“保持”這一狀態(tài)要求十分明顯，實際需求對學(xué)生具有很強的引導(dǎo)功能和激發(fā)功能。所以通過設(shè)計和制作消抖裝置，再理解“當R=1、S=1時，觸發(fā)器處于保持態(tài)”這一概念也就水到渠成。

2.1設(shè)計思路

能夠建立起電路的設(shè)計思路，找準所做事情的準確路線，才能確切知道“要做什么？應(yīng)該做什么？應(yīng)該怎么做？”。設(shè)計思路可以由教師提出，其特點是提出的問題具有引導(dǎo)性、啟發(fā)性和思考性，更多地形成問題解釋導(dǎo)向。設(shè)計思路也可以在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生自己提出，其特點是能更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、內(nèi)化性和創(chuàng)造性，能強烈激發(fā)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)力，更多地形成問題引領(lǐng)導(dǎo)向。實踐中我們更傾向于后者，正如斯賓塞所言：“引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)的應(yīng)該盡量多些”。[3]學(xué)生獲取知識的能力不是僅靠對知識的直覺和記憶，還需要學(xué)生在記憶知識的基礎(chǔ)上不斷地通過實踐、通過想象、通過創(chuàng)造來內(nèi)化知識。[4]

2.1.1由于開關(guān)需要在觸發(fā)器的 端和 端兩個觸點間撥動，因此，機械開關(guān)應(yīng)采用單刀雙擲開關(guān)

2.1.2假設(shè)被觸發(fā)電路以高電平觸發(fā)，如圖2-1所示，要將有抖動變?yōu)闊o抖動，圖中消抖電路的主要功能就必須有“保持”功能，并且能將信號從a點傳輸?shù)絙點。這是消抖電路的基本架構(gòu)。

2.1.3要使消抖電路具有保持態(tài)，必須使得圖2-1中a端和a’端有同時處于高電平的時機，因此，當K由于抖動而離開觸點后，要讓此兩個觸點均為高電平。根據(jù)前導(dǎo)課程《模擬電路》可知，給一個點加高平，可通過一個適當阻值的電阻將該點連接到電源端。

2.1.4除了要讓消抖電路具有保持功能外，還需要有置數(shù)功能。為了使得觸發(fā)器具有置數(shù)功能，開關(guān)的中心觸點應(yīng)當接地。

根據(jù)以上設(shè)計思路，得到圖2-2所示的消抖邏輯電路。[5]

2.2工作原理

2.2.1當K觸點處于 端時， =0， =1，觸發(fā)器為置0態(tài)，即Q=0。

2.2.2將開關(guān)從 端撥向 端，發(fā)生在t1時刻，此過程中K的觸點不與 點接觸也不與 點接觸。由圖2-3可見，當K離開 的瞬間，由于電阻R2的作用，在 端出現(xiàn)峰值1，即 =1，又因開關(guān)還未到達 ，由于電阻R1的作用， =1，由此可見，觸發(fā)器處于保持態(tài)，即Q=0。

2.2.3由于抖動，開關(guān)在 端又回到圖中a點，此時 =0，但由于觸點還未到達 點，所以 =1，處于置0態(tài)，即Q=0。

當開關(guān)又發(fā)生抖動而離開 端， =1，也就是圖2-3中的2點，情形與前相同。抖動時間到t2，延續(xù)約20ms。

2.2.4t2至t3為開關(guān)觸點從 端到 端所需要的時間。

2.2.5t3時刻，開關(guān)觸點從 端到達 端，使 端接地，發(fā)生下跳變到x點，即 =0，而此時 =1，所以觸發(fā)器處于置1態(tài)，即Q=1，發(fā)生了上跳變。

2.2.6觸點在 端產(chǎn)生抖動而離開 端，因R1的作用上跳到峰值3，此時 =1， =1，處于保持態(tài)，即Q=1。可見，此時Q值未發(fā)生變化即未發(fā)生抖動。抖動時間延續(xù)到t4，延續(xù)時間約20ms。

2.2.7t4-t5時間為開關(guān)K在 端處于穩(wěn)態(tài)，直至t5時刻松手，并在 端產(chǎn)生抖動。后續(xù)的分析就不再困難，完全可以交給學(xué)生由他們觸類旁通自行學(xué)習(xí)。

3消抖電路應(yīng)用設(shè)計

美國心理學(xué)家布盧姆曾經(jīng)說過，“學(xué)習(xí)的最大動力，是對學(xué)習(xí)材料的興趣”。學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動創(chuàng)造的動力來自于興趣，而興趣的產(chǎn)生莫過于對獲得實體知識的愉悅感受。單純的語言傳遞模式只能在學(xué)生的意識中建立模糊的、淡漠的印象，而不能深刻解釋事物的原委。那么將基于案例應(yīng)用的學(xué)習(xí)、基于問題的學(xué)習(xí)、基于項目的學(xué)習(xí)進行融合，充分體現(xiàn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的情境性、建構(gòu)性、協(xié)商性、以及實踐參與性，則可以有效克服惰性知識的桎梏。[6]只有通過真實的切身感受，才能把握事物的本質(zhì)，正所謂紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。通過實際應(yīng)用設(shè)計，教導(dǎo)學(xué)生客觀事物的原理和內(nèi)質(zhì)是如此這般而生成的。

理論和應(yīng)用是相輔相成的。教學(xué)中用理論指導(dǎo)應(yīng)用，反之又能夠以應(yīng)用解釋理論。如何教導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用圖2-2的消抖動開關(guān)解決實際問題，就猶如一把鑰匙，可以開啟學(xué)生懵懂的心靈。

應(yīng)用問題的實質(zhì)是，對于機械開關(guān)K，從圖1-1可見，當K閉合時，b點的狀態(tài)應(yīng)當只繼承a點的無抖動狀態(tài)，但由于抖動，a點比b點在20ms內(nèi)要多出若干個隨機脈沖。具體到圖2-1，b點也應(yīng)當只繼承a點的正常狀態(tài)。再具體到圖2-2，就是將高、低電平信號加載到 端時，在Q端應(yīng)得到相應(yīng)的高、低電平（或低、高電平），而沒有抖動。

從多年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，為什么將信號源插入到 端子，是學(xué)生頗感困惑的問題，如果不實際應(yīng)用，口頭上無論教師如何解釋，甚至是模擬仿真，學(xué)生很難將信號源與 端子聯(lián)系起來，在他們的印象中，信號源應(yīng)當在開關(guān)K的某個點上。

如果在Q點接上示波器，通過撥動開關(guān)K，觀察示波器，就會發(fā)現(xiàn)，此裝置消抖成功。

需要強調(diào)的是，信號發(fā)生器與 點間的電阻R3的作用，該如何解釋？

可以讓學(xué)生將R3短路后重新觀察示波器，發(fā)現(xiàn)似乎R3不起任何作用。其實不然，在此要鄭重地告訴同學(xué)們，R3是絕不能缺少的，否則信號源將會與地端發(fā)生短路現(xiàn)象，這種短路現(xiàn)象在小信號時短時間內(nèi)看不出它的危害，但長時間短路會使得信號源工作在較大電流狀態(tài)，縮短信號源的壽命，甚至?xí)龤盘栐础Ｈ绾巫寣W(xué)生切身感受到這種危險呢？可以用一只電流計串聯(lián)在信號發(fā)生器和 端之間，分別測試有R3和無R3時電流計中的電流值。觀察這種測試結(jié)果可以大大加深同學(xué)們對串聯(lián)電路中的電流的認識，對將來實際工作遇到的問題能找出解決問題的方案。

4消抖電路功能性應(yīng)用

最后的問題就是如何將圖2-2應(yīng)用于圖1-2中。

前面的論述涉及了消抖電路的各種功能性方面的內(nèi)容，但是如何對所設(shè)計的電路應(yīng)用于實際環(huán)境，還需要進行一番細致的考量，就好比音頻功放電路，所設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)再完善，但是直接按線路進行應(yīng)用很可能會引起很大的噪音。這是一個十分重要的問題，特別對于我們作為應(yīng)用型的高等院校的教學(xué)工作者，把“會應(yīng)用”作為最終的教學(xué)目標。

可用一個表達式表明這種組合應(yīng)用的重要性：

組合應(yīng)用功能≥要素1功能+要素2功能+……+要素n功能= （1）

式（1）同時反映了一種信息含量的組合。由式（1）可見，單個要素是信息與功能的基礎(chǔ)，是構(gòu)成應(yīng)用功能的基本單元，組合應(yīng)用所獲取的信息量大于各個單元信息的簡單和，因此，“會應(yīng)用”就顯得至關(guān)重要。

電子電路的教學(xué)內(nèi)容是交叉的、前后密切相關(guān)的，解釋一個問題往往會涉及到多個其他問題，因此許多學(xué)生學(xué)習(xí)電子電路會感到困惑。如果每個課程單元給出至少一種應(yīng)用，這種“困惑”就會降低，“教課應(yīng)該從具體行動開始而以抽象結(jié)束”。[7在圖1-2中，為了給CD4518芯片2腳使能端ENA施加邊沿信號，既可以用信號源通過開關(guān)K予以觸發(fā)，也可以用手動方式按下開關(guān)K予以觸發(fā)。這兩種方式都是讓ENA端得到邊沿信號。

從這個意義上說，將圖2-2的消抖電路代替圖1-2中的開關(guān)K，也必須能夠完成自動觸發(fā)和手動觸發(fā)，那么如何連接電路呢？其宗旨必須要使得圖2-2電路中的某個點連到ENA端上，并且要讓信號源的邊沿信號能夠正常施加給ENA端。現(xiàn)在，既然圖2-2中的Q點為消抖電路的輸出端，因此，將Q點與ENA端點連接就是在所必然。其次，圖1-2中的開關(guān)K的a點接圖2-2中的哪個點呢？顯然，按照圖3-1的圖示，將信號源接在圖3-1中的 點既可，如圖4-1所示。

再證明這種接法是否合理。

當開關(guān)K接至 端時， =0，根據(jù)RS觸發(fā)器特征方程 ，得知， 即Q端的輸出狀態(tài)是 端的反狀態(tài)，這不影響整個裝置的工作狀態(tài)，也就是說，整個裝置處于正常工作狀態(tài)。

當要進行手動操作時，將K按向 端， =0， =1，則 ，由此觀察圖2-3，Q端產(chǎn)生了一個上跳變。

同樣，其逆過程則產(chǎn)生了一個下跳變。

結(jié)論是，由基本RS觸發(fā)器構(gòu)成的消抖電路在圖4-1中的連接方法及應(yīng)用過程是合理的。

5EDA應(yīng)用

EDA技術(shù)在當今電子設(shè)計自動化中得到廣泛應(yīng)用，在數(shù)字電路教學(xué)中引入EDA也逐漸成為潮流，一個有作為的電子電路教學(xué)工作者，將EDA作為一種新的技術(shù)要求也是必然的。借助于Multisim技術(shù)以及VHDL語言，將使得教學(xué)更加形象、生動和高效。

如圖3-1的消抖電路，使用VHDL對其作如下描述：[8LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

LIBRARYAltera;

USEAltera.MAXPLUS2.ALL;

ENTITYrsffe_vIS--定義輸入輸出端口

PORT（r，s：INSTD_LOGIC;q：OUTbit）;

ENDrsffe_v;

ARCHITECTURExiaodouOFrsffe_vIS

BEGIN

PROCESS（r，s）

VARIABLEstate：bit：='0';

BEGIN

IFr='1'ANDs='1'THENstate：=state;--邏輯功能描述

ELSIFr='1'ANDs='0'THENstate：='1';

ELSEstate：='0';

ENDIF;

q<=state;（狀態(tài)輸出）

ENDPROCESS;

ENDxiaodou;

由于圖3-1中的開關(guān)K不可能同時與 端和 相接觸，所以以上代碼中無需對不定態(tài)進行描述。

結(jié)束語

《數(shù)字電子技術(shù)》是很多大學(xué)生感到很不好學(xué)習(xí)的一門課，即便是電子類專業(yè)的學(xué)生也感覺難點很多，其中觸發(fā)器的交錯性、反饋門之間的相關(guān)性等最使得學(xué)生感到茫然。以基本RS觸發(fā)器構(gòu)成的消抖電路是有的《數(shù)字電路》教科書介紹過的一種電子裝置，但幾乎無一涉及其具體應(yīng)用。本文從設(shè)計一個應(yīng)用實例入手，剖析了觸發(fā)器的動作規(guī)律，將理論融匯于實踐之中，再通過實踐驗證理論，切實做到理論與實際相結(jié)合。最后通過一個VHDL實驗引入一種較新的教學(xué)內(nèi)容，促進學(xué)生盡快構(gòu)建新技術(shù)理念。

參考文獻

[1]何勰緋.探析觸發(fā)器在大型數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用[J].中國信息化.2018，11.48-49.

[2]姚旭升，陳濤.開關(guān)輸入浪涌抑制及優(yōu)化設(shè)計[J].無線電工程.2018，48（9）：799-802.

[3]斯賓塞.教育論[M].北京：人民教育出版社，1962：62.

[4]陳明選，劉徑言.教育信息化進程中教學(xué)設(shè)計的轉(zhuǎn)型[J].電化教學(xué)研究.2012，33（08）：10-16.

[5]李文娜，蘇麗華.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：中國電力出版社，2016，131.

[6]郭冬梅.“保險學(xué)”課程的拋錨式教學(xué)設(shè)計.電化教學(xué)研究[J]，2012，33（08）：99-102.

[7]斯賓塞.教育論[M].北京：人民教育出版社，1962，60.

[8]廖裕評，陸瑞強.CPLD數(shù)字電路設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002，232-233.

*基金項目：四川旅游學(xué)院校級科研項目：基于觸發(fā)器消抖電路應(yīng)用與教學(xué)研究（2020SCTU78）