基于觸發器消抖電路應用與教學研究

趙金庫

摘要：觸發器在《數字電路》教學中是一大難點，且是重點，對它的教學成功與否，決定了整個一門課程的成敗。由RS觸發器構成的消抖電路，其電路構成簡單而巧妙，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計，以及一個被控電路的實際應用，清晰勾畫出觸發器的動作原理。學生在應用中學習，可產生深刻、牢固的相關知識印象，為良好完成整門課程的學習打下深厚的基礎。

關鍵詞：抖動;消抖;觸發器;時鐘;開關

引言

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

1.1開關抖動機理

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

抖動次數為n-1，圖1-1所發生的抖動次數為2，脈動3為正常值，前兩個脈動應予以去除。

觀察發現，這種抖動的總持續時間毫秒。

1.2抖動演示電路

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

生活中按一下電燈開關有時會觀察到火花閃爍，這是由于開關的機械抖動產生的一種浪涌現象[2]。

在電子設備中，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K為閉合，信號源可以給后續裝置提供方波信號，當需要額外觸發時，也可以通過手動開關K給后續裝置提供觸發信號。

這里的后續裝置是一個計數器，每當信號源發出一個脈沖波，七段碼顯示器將按加1的規律顯示計數值。其中CD4518為BCD碼十進制計數器，CD4511為七段碼譯碼器。從鞏固前續知識的角度出發，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時，每按下一次開關K，顯示器顯示的數字也應自動加1，然而實際情況卻不完全是這樣，我們經常會看到的現象是，每按下一次K，顯示器顯示的數字經常是跳躍式的，這種現象就是由于機械開關的抖動造成的。

2消抖電路設計

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

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

2.1設計思路

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

2.1.1由于開關需要在觸發器的 端和 端兩個觸點間撥動，因此，機械開關應采用單刀雙擲開關

2.1.2假設被觸發電路以高電平觸發，如圖2-1所示，要將有抖動變為無抖動，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點傳輸到b點。這是消抖電路的基本架構。

2.1.3要使消抖電路具有保持態，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。根據前導課程《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，還需要有置數功能。為了使得觸發器具有置數功能，開關的中心觸點應當接地。

根據以上設計思路，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，觸發器為置0態，即Q=0。

2.2.2將開關從 端撥向 端，發生在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 端出現峰值1，即 =1，又因開關還未到達 ，由于電阻R1的作用， =1，由此可見，觸發器處于保持態，即Q=0。

2.2.3由于抖動，開關在 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，即Q=0。

當開關又發生抖動而離開 端， =1，也就是圖2-3中的2點，情形與前相同。抖動時間到t2，延續約20ms。

2.2.4t2至t3為開關觸點從 端到 端所需要的時間。

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

2.2.6觸點在 端產生抖動而離開 端，因R1的作用上跳到峰值3，此時 =1， =1，處于保持態，即Q=1?？梢?，此時Q值未發生變化即未發生抖動。抖動時間延續到t4，延續時間約20ms。

2.2.7t4-t5時間為開關K在 端處于穩態，直至t5時刻松手，并在 端產生抖動。后續的分析就不再困難，完全可以交給學生由他們觸類旁通自行學習。

3消抖電路應用設計

美國心理學家布盧姆曾經說過，“學習的最大動力，是對學習材料的興趣”。學生主動學習、主動創造的動力來自于興趣，而興趣的產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。那么將基于案例應用的學習、基于問題的學習、基于項目的學習進行融合，充分體現學習者學習的情境性、建構性、協商性、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，正所謂紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。通過實際應用設計，教導學生客觀事物的原理和內質是如此這般而生成的。

理論和應用是相輔相成的。教學中用理論指導應用，反之又能夠以應用解釋理論。如何教導學生應用圖2-2的消抖動開關解決實際問題，就猶如一把鑰匙，可以開啟學生懵懂的心靈。

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

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

如果在Q點接上示波器，通過撥動開關K，觀察示波器，就會發現，此裝置消抖成功。

需要強調的是，信號發生器與 點間的電阻R3的作用，該如何解釋？

可以讓學生將R3短路后重新觀察示波器，發現似乎R3不起任何作用。其實不然，在此要鄭重地告訴同學們，R3是絕不能缺少的，否則信號源將會與地端發生短路現象，這種短路現象在小信號時短時間內看不出它的危害，但長時間短路會使得信號源工作在較大電流狀態，縮短信號源的壽命，甚至會燒毀信號源。如何讓學生切身感受到這種危險呢？可以用一只電流計串聯在信號發生器和 端之間，分別測試有R3和無R3時電流計中的電流值。觀察這種測試結果可以大大加深同學們對串聯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消抖電路功能性應用

最后的問題就是如何將圖2-2應用于圖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容，但是如何對所設計的電路應用于實際環境，還需要進行一番細致的考量，就好比音頻功放電路，所設計的電路結構再完善，但是直接按線路進行應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用型的高等院校的教學工作者，把“會應用”作為最終的教學目標。

可用一個表達式表明這種組合應用的重要性：

組合應用功能≥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，是構成應用功能的基本單元，組合應用所獲取的信息量大于各個單元信息的簡單和，因此，“會應用”就顯得至關重要。

電子電路的教學內容是交叉的、前后密切相關的，解釋一個問題往往會涉及到多個其他問題，因此許多學生學習電子電路會感到困惑。如果每個課程單元給出至少一種應用，這種“困惑”就會降低，“教課應該從具體行動開始而以抽象結束”。[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K予以觸發，也可以用手動方式按下開關K予以觸發。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K，也必須能夠完成自動觸發和手動觸發，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?，F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K接至 端時， =0，根據RS觸發器特征方程 ，得知， 即Q端的輸出狀態是 端的反狀態，這不影響整個裝置的工作狀態，也就是說，整個裝置處于正常工作狀態。

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端產生了一個上跳變。

同樣，其逆過程則產生了一個下跳變。

結論是，由基本RS觸發器構成的消抖電路在圖4-1中的連接方法及應用過程是合理的。

5EDA應用

EDA技術在當今電子設計自動化中得到廣泛應用，在數字電路教學中引入EDA也逐漸成為潮流，一個有作為的電子電路教學工作者，將EDA作為一種新的技術要求也是必然的。借助于Multisim技術以及VHDL語言，將使得教學更加形象、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;（狀態輸出）

ENDPROCESS;

ENDxiaodou;

由于圖3-1中的開關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進行描述。

結束語

《數字電子技術》是很多大學生感到很不好學習的一門課，即便是電子類專業的學生也感覺難點很多，其中觸發器的交錯性、反饋門之間的相關性等最使得學生感到茫然。以基本RS觸發器構成的消抖電路是有的《數字電路》教科書介紹過的一種電子裝置，但幾乎無一涉及其具體應用。本文從設計一個應用實例入手，剖析了觸發器的動作規律，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合。最后通過一個VHDL實驗引入一種較新的教學內容，促進學生盡快構建新技術理念。

參考文獻

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[6]郭冬梅.“保險學”課程的拋錨式教學設計.電化教學研究[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數字電路設計[M].北京：清華大學出版社，2002，232-233.

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