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(diǎn)，且是重點(diǎn)，對(duì)它的教學(xué)成功與否，決定了整個(gè)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(jì)，以及一個(gè)被控電路的實(shí)際應(yīng)用，清晰勾畫出觸發(fā)器的動(dòng)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(shí)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(dòng);消抖;觸發(fā)器;時(shí)鐘;開關(guān)

引言

《電子電路》在電子工程類專業(yè)以及計(jì)算機(jī)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(diǎn)就在于對(duì)觸發(fā)器的認(rèn)識(shí)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(jì)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(duì)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與實(shí)際操作，在行動(dòng)中深刻認(rèn)識(shí)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(jì)

1.1開關(guān)抖動(dòng)機(jī)理

如圖1-1所示，當(dāng)機(jī)械開關(guān)K按下時(shí)，開關(guān)第一次接通，由于金屬的機(jī)械彈性形變，開關(guān)的機(jī)械觸點(diǎn)將會(huì)反彈而離開觸點(diǎn)，由于外力的持續(xù)作用，觸點(diǎn)會(huì)再一次閉合，如此反復(fù)n次。n是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，在實(shí)際中，n值甚至可以達(dá)到10以上。

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

觀察發(fā)現(xiàn)，這種抖動(dòng)的總持續(xù)時(shí)間毫秒。

1.2抖動(dòng)演示電路

要讓學(xué)生確切認(rèn)知機(jī)械開關(guān)的抖動(dòng)，不能只憑老師口頭述說，應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生親身感受開關(guān)抖動(dòng)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(shí)會(huì)觀察到火花閃爍，這是由于開關(guān)的機(jī)械抖動(dòng)產(chǎn)生的一種浪涌現(xiàn)象[2]。

在電子設(shè)備中，這種抖動(dòng)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(hào)源可以給后續(xù)裝置提供方波信號(hào)，當(dāng)需要額外觸發(fā)時(shí)，也可以通過手動(dòng)開關(guān)K給后續(xù)裝置提供觸發(fā)信號(hào)。

這里的后續(xù)裝置是一個(gè)計(jì)數(shù)器，每當(dāng)信號(hào)源發(fā)出一個(gè)脈沖波，七段碼顯示器將按加1的規(guī)律顯示計(jì)數(shù)值。其中CD4518為BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，CD4511為七段碼譯碼器。從鞏固前續(xù)知識(shí)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(jī)會(huì)。

當(dāng)需要人工額外觸發(fā)時(shí)，每按下一次開關(guān)K，顯示器顯示的數(shù)字也應(yīng)自動(dòng)加1，然而實(shí)際情況卻不完全是這樣，我們經(jīng)常會(huì)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(jī)械開關(guān)的抖動(dòng)造成的。

2消抖電路設(shè)計(jì)

觀察圖1-1可見，在多個(gè)抖動(dòng)脈沖中，消除抖動(dòng)的關(guān)鍵在于要使得第一個(gè)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(duì)于何謂置1置0，何謂保持，學(xué)生對(duì)此概念是模糊的，其關(guān)鍵問題就在于學(xué)生缺乏真實(shí)感受。本例中對(duì)觸發(fā)器的“保持”這一狀態(tài)要求十分明顯，實(shí)際需求對(duì)學(xué)生具有很強(qiáng)的引導(dǎo)功能和激發(fā)功能。所以通過設(shè)計(jì)和制作消抖裝置，再理解“當(dāng)R=1、S=1時(shí)，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(jì)思路

能夠建立起電路的設(shè)計(jì)思路，找準(zhǔn)所做事情的準(zhǔn)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(jì)思路可以由教師提出，其特點(diǎn)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(jì)思路也可以在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生自己提出，其特點(diǎn)是能更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、內(nèi)化性和創(chuàng)造性，能強(qiáng)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(shí)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(shí)的能力不是僅靠對(duì)知識(shí)的直覺和記憶，還需要學(xué)生在記憶知識(shí)的基礎(chǔ)上不斷地通過實(shí)踐、通過想象、通過創(chuàng)造來內(nèi)化知識(shí)。[4]

2.1.1由于開關(guān)需要在觸發(fā)器的 端和 端兩個(gè)觸點(diǎn)間撥動(dòng)，因此，機(jī)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(dòng)變?yōu)闊o抖動(dòng)，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(hào)從a點(diǎn)傳輸?shù)絙點(diǎn)。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(shí)處于高電平的時(shí)機(jī)，因此，當(dāng)K由于抖動(dòng)而離開觸點(diǎn)后，要讓此兩個(gè)觸點(diǎn)均為高電平。根據(jù)前導(dǎo)課程《模擬電路》可知，給一個(gè)點(diǎn)加高平，可通過一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻將該點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)當(dāng)接地。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)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(dāng)K觸點(diǎn)處于 端時(shí)， =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(shí)刻，此過程中K的觸點(diǎn)不與 點(diǎn)接觸也不與 點(diǎn)接觸。由圖2-3可見，當(dāng)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(dá) ，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(dòng)，開關(guān)在 端又回到圖中a點(diǎn)，此時(shí) =0，但由于觸點(diǎn)還未到達(dá) 點(diǎn)，所以 =1，處于置0態(tài)，即Q=0。

當(dāng)開關(guān)又發(fā)生抖動(dòng)而離開 端， =1，也就是圖2-3中的2點(diǎn)，情形與前相同。抖動(dòng)時(shí)間到t2，延續(xù)約20ms。

2.2.4t2至t3為開關(guān)觸點(diǎn)從 端到 端所需要的時(shí)間。

2.2.5t3時(shí)刻，開關(guān)觸點(diǎn)從 端到達(dá) 端，使 端接地，發(fā)生下跳變到x點(diǎn)，即 =0，而此時(shí) =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(diǎn)在 端產(chǎn)生抖動(dòng)而離開 端，因R1的作用上跳到峰值3，此時(shí) =1， =1，處于保持態(tài)，即Q=1。可見，此時(shí)Q值未發(fā)生變化即未發(fā)生抖動(dòng)。抖動(dòng)時(shí)間延續(xù)到t4，延續(xù)時(shí)間約20ms。

2.2.7t4-t5時(shí)間為開關(guān)K在 端處于穩(wěn)態(tài)，直至t5時(shí)刻松手，并在 端產(chǎn)生抖動(dòng)。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(jì)

美國心理學(xué)家布盧姆曾經(jīng)說過，“學(xué)習(xí)的最大動(dòng)力，是對(duì)學(xué)習(xí)材料的興趣”。學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)創(chuàng)造的動(dòng)力來自于興趣，而興趣的產(chǎn)生莫過于對(duì)獲得實(shí)體知識(shí)的愉悅感受。單純的語言傳遞模式只能在學(xué)生的意識(shí)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(xiàng)目的學(xué)習(xí)進(jìn)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(shí)踐參與性，則可以有效克服惰性知識(shí)的桎梏。[6]只有通過真實(shí)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(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)，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(dòng)開關(guān)解決實(shí)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(shí)質(zhì)是，對(duì)于機(jī)械開關(guān)K，從圖1-1可見，當(dāng)K閉合時(shí)，b點(diǎn)的狀態(tài)應(yīng)當(dāng)只繼承a點(diǎn)的無抖動(dòng)狀態(tài)，但由于抖動(dòng)，a點(diǎn)比b點(diǎn)在20ms內(nèi)要多出若干個(gè)隨機(jī)脈沖。具體到圖2-1，b點(diǎn)也應(yīng)當(dāng)只繼承a點(diǎn)的正常狀態(tài)。再具體到圖2-2，就是將高、低電平信號(hào)加載到 端時(shí)，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(dòng)。

從多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，為什么將信號(hào)源插入到 端子，是學(xué)生頗感困惑的問題，如果不實(shí)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(hào)源與 端子聯(lián)系起來，在他們的印象中，信號(hào)源應(yīng)當(dāng)在開關(guān)K的某個(gè)點(diǎn)上。

如果在Q點(diǎn)接上示波器，通過撥動(dòng)開關(guān)K，觀察示波器，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，此裝置消抖成功。

需要強(qiáng)調(diào)的是，信號(hào)發(fā)生器與 點(diǎn)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(shí)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(hào)源將會(huì)與地端發(fā)生短路現(xiàn)象，這種短路現(xiàn)象在小信號(hào)時(shí)短時(shí)間內(nèi)看不出它的危害，但長時(shí)間短路會(huì)使得信號(hào)源工作在較大電流狀態(tài)，縮短信號(hào)源的壽命，甚至?xí)龤盘?hào)源。如何讓學(xué)生切身感受到這種危險(xiǎn)呢？可以用一只電流計(jì)串聯(lián)在信號(hào)發(fā)生器和 端之間，分別測試有R3和無R3時(shí)電流計(jì)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(duì)串聯(lián)電路中的電流的認(rèn)識(shí)，對(duì)將來實(shí)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(duì)所設(shè)計(jì)的電路應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境，還需要進(jìn)行一番細(xì)致的考量，就好比音頻功放電路，所設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)再完善，但是直接按線路進(jìn)行應(yīng)用很可能會(huì)引起很大的噪音。這是一個(gè)十分重要的問題，特別對(duì)于我們作為應(yīng)用型的高等院校的教學(xué)工作者，把“會(huì)應(yīng)用”作為最終的教學(xué)目標(biāo)。

可用一個(gè)表達(dá)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(shí)反映了一種信息含量的組合。由式（1）可見，單個(gè)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(gè)單元信息的簡單和，因此，“會(huì)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(gè)問題往往會(huì)涉及到多個(gè)其他問題，因此許多學(xué)生學(xué)習(xí)電子電路會(huì)感到困惑。如果每個(gè)課程單元給出至少一種應(yīng)用，這種“困惑”就會(huì)降低，“教課應(yīng)該從具體行動(dòng)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(hào)，既可以用信號(hào)源通過開關(guān)K予以觸發(fā)，也可以用手動(dòng)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(hào)。

從這個(gè)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(dòng)觸發(fā)和手動(dòng)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(gè)點(diǎn)連到ENA端上，并且要讓信號(hào)源的邊沿信號(hào)能夠正常施加給ENA端?，F(xiàn)在，既然圖2-2中的Q點(diǎn)為消抖電路的輸出端，因此，將Q點(diǎn)與ENA端點(diǎn)連接就是在所必然。其次，圖1-2中的開關(guān)K的a點(diǎn)接圖2-2中的哪個(gè)點(diǎn)呢？顯然，按照?qǐng)D3-1的圖示，將信號(hào)源接在圖3-1中的 點(diǎn)既可，如圖4-1所示。

再證明這種接法是否合理。

當(dāng)開關(guān)K接至 端時(shí)， =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(gè)裝置的工作狀態(tài)，也就是說，整個(gè)裝置處于正常工作狀態(tài)。

當(dāng)要進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，將K按向 端， =0， =1，則 ，由此觀察圖2-3，Q端產(chǎn)生了一個(gè)上跳變。

同樣，其逆過程則產(chǎn)生了一個(gè)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(dāng)今電子設(shè)計(jì)自動(dòng)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(gè)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(dòng)和高效。

如圖3-1的消抖電路，使用VHDL對(duì)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(shí)與 端和 相接觸，所以以上代碼中無需對(duì)不定態(tài)進(jìn)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(diǎn)很多，其中觸發(fā)器的交錯(cuò)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(jì)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例入手，剖析了觸發(fā)器的動(dòng)作規(guī)律，將理論融匯于實(shí)踐之中，再通過實(shí)踐驗(yàn)證理論，切實(shí)做到理論與實(shí)際相結(jié)合。最后通過一個(gè)VHDL實(shí)驗(yàn)引入一種較新的教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生盡快構(gòu)建新技術(shù)理念。

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