[014] Rozprawka o pstryczkach - część druga

W poprzednim artykule pisałem o problemach z odczytem przełączników. Powstał szereg metod, które radzą sobie ze stanami niestabilnymi podczas ich przełączania i jedną z nich – programową – już poznaliśmy. Istnieją jednak także metody sprzętowe, angażujące dodatkowe elementy. Po co one w ogóle powstały, skoro potrzeba im niedarmowych przecież zasobów?

Po pierwsze: niezawodność. Problem można wyeliminować jeszcze przed wejściem w mikrokontroler. Po drugie: szybkość i odporność na zakłócenia niejako przy okazji. Nie tylko klawiatury sterowane przez człowieka są badane w ten sposób, ale krańcówki urządzeń przesuwających się, obracających; wszystko, czym steruje automatyka i tak dalej, a wiele z tych rzeczy musi reagować szybko. Spójrzmy zatem pokrótce na realizacje takich rozwiązań.

Najczęściej spotykanym, ale nie do końca optymalnym, a nawet wręcz błędnym sposobem, jest podłączanie kondensatora równolegle do przełącznika.

Oto co powstanie nam z poprzedniego wykresu.

Utworzył się filtr dolnoprzepustowy, który wyciął praktycznie całe marudzenie przełącznika, serwując mikroprocesorowi taki oto ładny przebieg. Co prawda narasta on teraz nieco łagodniej, ale najczęściej niczemu to nie przeszkadza. Gdy spojrzymy na widmo zakłóceń, widać wyraźnie, że harmoniczne zostały ograniczone do pojedynczych kiloherców, a ich poziom zmalał. I często na tym się kończy, są jednak pewne niebezpieczeństwa. Po pierwsze, o ile ładowanie kondensatora przez rezystor w strukturze układu lub dołączony z zewnątrz, przebiega bez problemów – poza wprowadzeniem opóźnień, rozładowuje się go, zwierając przycisk niskim oporem. Niby pojemność takiego kondensatora jest malutka, ale zwarcie to zwarcie. Prąd zwarcia może być spory i będzie degradował styki delikatnego przełącznika. Lecz co gorsze, w obwodzie znajdziemy także szczątkową indukcyjność. Bez znaczenia dla normalnej pracy, lecz przy zwarciu mogąca wyindukować napięcia przekraczające poziomy bezpieczne dla mikrokontrolera.

Przyjrzyjmy się nagraniom manipulacji przyciskiem, ale po ustawieniu maksymalnej czułości karty muzycznej. Same poziomy zostały przesterowane i obcięte przez limiter, jednak chciałem zwrócić uwagę na coś innego. Tak wygląda przebieg wejścia bez jakichkolwiek elementów dodatkowych. Widzimy tutaj szumy napięć podczas dociskania przycisku, których częstotliwości sięgają ultradźwięków.

Po podłączeniu kondensatora szumy te znikają, lecz pozostają oscylacje. Przypominam, że to jest bardzo duże wzmocnienie, więc są one nieduże, ale są. Gdyby przycisk wisiał na metrowym kablu, to już mogłoby wygenerować zakłócenia mające wpływ na pracę programu, czasem w zupełnie nieoczekiwanym miejscu.

A tutaj trzeci przebieg i niewielkie już zejście w napięcia ujemne, ale wyglądające znacznie lepiej. Jak tego dokonać? Wrzucając szeregowo do przełącznika rezystor o oporze kilkuset omów. Atmel na przykład zalecał używanie oporników o wartości 330 omów.

I tak to powinno wyglądać w rozwiązaniach profesjonalnych. Polaryzację wstępną można dodatkowo wspomóc rezystorami o mniejszej wartości niż tworami włączanymi komendą PULLUP, typowo: 10 kR

Ostatnim sposobem tu prezentowanym będzie użycie tak zwanych przerzutników Schmitta. Są to układy mające kilka zadań, z czego najważniejsze to: dawać jednoznaczny stan wysoki dopiero po przekroczeniu dość wysokiego progu na wejściu i stabilny stan niski, po opadnięciu sygnału do progu dużo niższego od wyzwalającego stan wysoki. Wszystko, co znajdzie się między progami, nie wywoła na tym elemencie żadnego wrażenia. Dodatkowym zadaniem jest wzmocnienie obciążalności przycisków, które w przypadku gumek przewodzących są bardzo małe. Innymi słowy, po użyciu takiego elementu mamy sygnał mocny i czysty, choć nie zabezpiecza nas to przed oscylacjami biegającymi między całym zakresem napięć.

Płytka edukacyjna TME została wyposażona w klawiaturkę wspomaganą takim właśnie zestawem przerzutników upakowanych w bardzo już klasycznym układzie 7414, który zawiera ich sześć.

Jak widać, przyciski tutaj zostały zrównoleglone pojemnościami wprost, czyli nie tak jak wspominałem, w obwodzie z niewielkimi rezystorami, ale pojemności te są dziesięciokrotnie mniejsze od typowych dla takich rozwiązań i wynoszą tylko 10 nF, ze względu na to, że dalszą robotę w kształtowaniu stanów robią już Schmitty.

Konkretne rozwiązania, zwłaszcza w przełącznikach automatyki, należy za każdym razem dokładnie rozważyć, a w razie wątpliwości po prostu przetestować, korzystając z takich płytek bądź układów tymczasowych tworzonych na płytkach stykowych. Trzeba też pamiętać, że nie przedstawiłem tutaj rozwiązań wszystkich, a producenci układów scalonych produkują także kostki przeznaczone dokładnie do tego typu zadań, łączące wszystkie tutaj poznane metody.