基于触发器消抖电路应用与教学研究

赵金库

摘要：触发器在《数字电路》教学中是一大难点，且是重点，对它的教学成功与否，决定了整个一门课程的成败。由RS触发器构成的消抖电路，其电路构成简单而巧妙，很好地利用了置1、置0、保持等功能完成消抖。通过消抖电路的线路设计，以及一个被控电路的实际应用，清晰勾画出触发器的动作原理。学生在应用中学习，可产生深刻、牢固的相关知识印象，为良好完成整门课程的学习打下深厚的基础。

关键词：抖动;消抖;触发器;时钟;开关

引言

《电子电路》在电子工程类专业以及计算机专业中的教学地位举足轻重，它是其他电子技术类课程的基础，只有学好了电子电路才能够更自如、更轻松、更深刻地学好其他相关电类课程。在数字电子电路教学中学生最大的困惑及难点就在于对触发器的认识和理解，触发器是数字技术高度抽象和凝练了的概念体，是数字电路的灵魂，触发器学不好，要学好数字技术也就无从谈起。本文通过以触发器为核心的消抖电路的设计与应用，展示触发器的电路结构，剥开其原理，在此基础上再搭建它的应用环境，通过对触发器的设计、应用与实际操作，在行动中深刻认识触发器的真正内含。[11基于基本RS触发器的消抖电路设计

1.1开关抖动机理

如图1-1所示，当机械开关K按下时，开关第一次接通，由于金属的机械弹性形变，开关的机械触点将会反弹而离开触点，由于外力的持续作用，触点会再一次闭合，如此反复n次。n是一个随机数，在实际中，n值甚至可以达到10以上。

抖动次数为n-1，图1-1所发生的抖动次数为2，脉动3为正常值，前两个脉动应予以去除。

观察发现，这种抖动的总持续时间毫秒。

1.2抖动演示电路

要让学生确切认知机械开关的抖动，不能只凭老师口头述说，应当让学生亲身感受开关抖动的来历，以及它所带来的误码危害及浪涌危害，激发他探索真理的欲望。

生活中按一下电灯开关有时会观察到火花闪烁，这是由于开关的机械抖动产生的一种浪涌现象[2]。

在电子设备中，这种抖动也同样存在。

如图1-2所示的电子装置，正常情况下，开关K为闭合，信号源可以给后续装置提供方波信号，当需要额外触发时，也可以通过手动开关K给后续装置提供触发信号。

这里的后续装置是一个计数器，每当信号源发出一个脉冲波，七段码显示器将按加1的规律显示计数值。其中CD4518为BCD码十进制计数器，CD4511为七段码译码器。从巩固前续知识的角度出发，这里的七段码译码器正是展示其原理和工作效果的绝佳机会。

当需要人工额外触发时，每按下一次开关K，显示器显示的数字也应自动加1，然而实际情况却不完全是这样，我们经常会看到的现象是，每按下一次K，显示器显示的数字经常是跳跃式的，这种现象就是由于机械开关的抖动造成的。

2消抖电路设计

观察图1-1可见，在多个抖动脉冲中，消除抖动的关键在于要使得第一个脉冲产生后的高电平应能够“保持”，并且能保持20ms以上。

RS触发器具有置1、置0、保持三种有效状态，对于何谓置1置0，何谓保持，学生对此概念是模糊的，其关键问题就在于学生缺乏真实感受。本例中对触发器的“保持”这一状态要求十分明显，实际需求对学生具有很强的引导功能和激发功能。所以通过设计和制作消抖装置，再理解“当R=1、S=1时，触发器处于保持态”这一概念也就水到渠成。

2.1设计思路

能够建立起电路的设计思路，找准所做事情的准确路线，才能确切知道“要做什么？应该做什么？应该怎么做？”。设计思路可以由教师提出，其特点是提出的问题具有引导性、启发性和思考性，更多地形成问题解释导向。设计思路也可以在教师的指导下由学生自己提出，其特点是能更好地激发学生学习的主动性、内化性和创造性，能强烈激发学生的发现力，更多地形成问题引领导向。实践中我们更倾向于后者，正如斯宾塞所言：“引导学生去发现的应该尽量多些”。[3]学生获取知识的能力不是仅靠对知识的直觉和记忆，还需要学生在记忆知识的基础上不断地通过实践、通过想象、通过创造来内化知识。[4]

2.1.1由于开关需要在触发器的 端和 端两个触点间拨动，因此，机械开关应采用单刀双掷开关

2.1.2假设被触发电路以高电平触发，如图2-1所示，要将有抖动变为无抖动，图中消抖电路的主要功能就必须有“保持”功能，并且能将信号从a点传输到b点。这是消抖电路的基本架构。

2.1.3要使消抖電路具有保持态，必须使得图2-1中a端和a’端有同时处于高电平的时机，因此，当K由于抖动而离开触点后，要让此两个触点均为高电平。根据前导课程《模拟电路》可知，给一个点加高平，可通过一个适当阻值的电阻将该点连接到电源端。

2.1.4除了要让消抖电路具有保持功能外，还需要有置数功能。为了使得触发器具有置数功能，开关的中心触点应当接地。

根据以上设计思路，得到图2-2所示的消抖逻辑电路。[5]

2.2工作原理

2.2.1当K触点处于 端时， =0， =1，触发器为置0态，即Q=0。

2.2.2将开关从 端拨向 端，发生在t1时刻，此过程中K的触点不与 点接触也不与 点接触。由图2-3可见，当K离开 的瞬间，由于电阻R2的作用，在 端出现峰值1，即 =1，又因开关还未到达 ，由于电阻R1的作用， =1，由此可见，触发器处于保持态，即Q=0。

2.2.3由于抖动，开关在 端又回到图中a点，此时 =0，但由于触点还未到达 点，所以 =1，处于置0态，即Q=0。

当开关又发生抖动而离开 端， =1，也就是图2-3中的2点，情形与前相同。抖动时间到t2，延续约20ms。

2.2.4t2至t3为开关触点从 端到 端所需要的时间。

2.2.5t3时刻，开关触点从 端到达 端，使 端接地，发生下跳变到x点，即 =0，而此时 =1，所以触发器处于置1态，即Q=1，发生了上跳变。

2.2.6觸点在 端产生抖动而离开 端，因R1的作用上跳到峰值3，此时 =1， =1，处于保持态，即Q=1。可见，此时Q值未发生变化即未发生抖动。抖动时间延续到t4，延续时间约20ms。

2.2.7t4-t5时间为开关K在 端处于稳态，直至t5时刻松手，并在 端产生抖动。后续的分析就不再困难，完全可以交给学生由他们触类旁通自行学习。

3消抖电路应用设计

美国心理学家布卢姆曾经说过，“学习的最大动力，是对学习材料的兴趣”。学生主动学习、主动创造的动力来自于兴趣，而兴趣的产生莫过于对获得实体知识的愉悦感受。单纯的语言传递模式只能在学生的意识中建立模糊的、淡漠的印象，而不能深刻解释事物的原委。那么将基于案例应用的学习、基于问题的学习、基于项目的学习进行融合，充分体现学习者学习的情境性、建构性、协商性、以及实践参与性，则可以有效克服惰性知识的桎梏。[6]只有通过真实的切身感受，才能把握事物的本质，正所谓纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。通过实际应用设计，教导学生客观事物的原理和内质是如此这般而生成的。

理论和应用是相辅相成的。教学中用理论指导应用，反之又能够以应用解释理论。如何教导学生应用图2-2的消抖动开关解决实际问题，就犹如一把钥匙，可以开启学生懵懂的心灵。

应用问题的实质是，对于机械开关K，从图1-1可见，当K闭合时，b点的状态应当只继承a点的无抖动状态，但由于抖动，a点比b点在20ms内要多出若干个随机脉冲。具体到图2-1，b点也应当只继承a点的正常状态。再具体到图2-2，就是将高、低电平信号加载到 端时，在Q端应得到相应的高、低电平（或低、高电平），而没有抖动。

从多年的教学实践中发现，为什么将信号源插入到 端子，是学生颇感困惑的问题，如果不实际应用，口头上无论教师如何解释，甚至是模拟仿真，学生很难将信号源与 端子联系起来，在他们的印象中，信号源应当在开关K的某个点上。

如果在Q点接上示波器，通过拨动开关K，观察示波器，就会发现，此装置消抖成功。

需要强调的是，信号发生器与 点间的电阻R3的作用，该如何解释？

可以让学生将R3短路后重新观察示波器，发现似乎R3不起任何作用。其实不然，在此要郑重地告诉同学们，R3是绝不能缺少的，否则信号源将会与地端发生短路现象，这种短路现象在小信号时短时间内看不出它的危害，但长时间短路会使得信号源工作在较大电流状态，缩短信号源的寿命，甚至会烧毁信号源。如何让学生切身感受到这种危险呢？可以用一只电流计串联在信号发生器和 端之间，分别测试有R3和无R3时电流计中的电流值。观察这种测试结果可以大大加深同学们对串联电路中的电流的认识，对将来实际工作遇到的问题能找出解决问题的方案。

4消抖电路功能性应用

最后的问题就是如何将图2-2应用于图1-2中。

前面的论述涉及了消抖电路的各种功能性方面的内容，但是如何对所设计的电路应用于实际环境，还需要进行一番细致的考量，就好比音频功放电路，所设计的电路结构再完善，但是直接按线路进行应用很可能会引起很大的噪音。这是一个十分重要的问题，特别对于我们作为应用型的高等院校的教学工作者，把“会应用”作为最终的教学目标。

可用一个表达式表明这种组合应用的重要性：

组合应用功能≥要素1功能+要素2功能+……+要素n功能= （1）

式（1）同时反映了一种信息含量的组合。由式（1）可见，单个要素是信息与功能的基础，是构成应用功能的基本单元，组合应用所获取的信息量大于各个单元信息的简单和，因此，“会应用”就显得至关重要。

电子电路的教学内容是交叉的、前后密切相关的，解释一个问题往往会涉及到多个其他问题，因此许多学生学习电子电路会感到困惑。如果每个课程单元给出至少一种应用，这种“困惑”就会降低，“教课应该从具体行动开始而以抽象结束”。[7在图1-2中，为了给CD4518芯片2脚使能端ENA施加边沿信号，既可以用信号源通过开关K予以触发，也可以用手动方式按下开关K予以触发。这两种方式都是让ENA端得到边沿信号。

从这个意义上说，将图2-2的消抖电路代替图1-2中的开关K，也必须能够完成自动触发和手动触发，那么如何连接电路呢？其宗旨必须要使得图2-2电路中的某个点连到ENA端上，并且要让信号源的边沿信号能够正常施加给ENA端。现在，既然图2-2中的Q点为消抖电路的输出端，因此，将Q点与ENA端点连接就是在所必然。其次，图1-2中的开关K的a点接图2-2中的哪个点呢？显然，按照图3-1的图示，将信号源接在图3-1中的 点既可，如图4-1所示。

再证明这种接法是否合理。

当开关K接至 端时， =0，根据RS触发器特征方程 ，得知， 即Q端的输出状态是 端的反状态，这不影响整个装置的工作状态，也就是说，整个装置处于正常工作状态。

当要进行手动操作时，将K按向 端， =0， =1，则 ，由此观察图2-3，Q端产生了一个上跳变。

同样，其逆过程则产生了一个下跳变。

结论是，由基本RS触发器构成的消抖电路在图4-1中的连接方法及应用过程是合理的。

5EDA应用

EDA技术在当今电子设计自动化中得到广泛应用，在数字电路教学中引入EDA也逐渐成为潮流，一个有作为的电子电路教学工作者，将EDA作为一种新的技术要求也是必然的。借助于Multisim技术以及VHDL语言，将使得教学更加形象、生动和高效。

如图3-1的消抖电路，使用VHDL对其作如下描述：[8LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

LIBRARYAltera;

USEAltera.MAXPLUS2.ALL;

ENTITYrsffe_vIS--定义输入输出端口

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;--逻辑功能描述

ELSIFr='1'ANDs='0'THENstate：='1';

ELSEstate：='0';

ENDIF;

q<=state;（状态输出）

ENDPROCESS;

ENDxiaodou;

由于圖3-1中的开关K不可能同时与 端和 相接触，所以以上代码中无需对不定态进行描述。

结束语

《数字电子技术》是很多大学生感到很不好学习的一门课，即便是电子类专业的学生也感觉难点很多，其中触发器的交错性、反馈门之间的相关性等最使得学生感到茫然。以基本RS触发器构成的消抖电路是有的《数字电路》教科书介绍过的一种电子装置，但几乎无一涉及其具体应用。本文从设计一个应用实例入手，剖析了触发器的动作规律，将理论融汇于实践之中，再通过实践验证理论，切实做到理论与实际相结合。最后通过一个VHDL实验引入一种较新的教学内容，促进学生尽快构建新技术理念。

参考文献

[1]何勰绯.探析触发器在大型数据库的应用[J].中国信息化.2018，11.48-49.

[2]姚旭升，陈涛.开关输入浪涌抑制及优化设计[J].无线电工程.2018，48（9）：799-802.

[3]斯宾塞.教育论[M].北京：人民教育出版社，1962：62.

[4]陈明选，刘径言.教育信息化进程中教学设计的转型[J].电化教学研究.2012，33（08）：10-16.

[5]李文娜，苏丽华.数字电子技术基础[M].北京：中国电力出版社，2016，131.

[6]郭冬梅.“保险学”课程的抛锚式教学设计.电化教学研究[J]，2012，33（08）：99-102.

[7]斯宾塞.教育论[M].北京：人民教育出版社，1962，60.

[8]廖裕评，陆瑞强.CPLD数字电路设计[M].北京：清华大学出版社，2002，232-233.

*基金项目：四川旅游学院校级科研项目：基于触发器消抖电路应用与教学研究（2020SCTU78）