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Wie funktionieren entprellte Taster und automatischer Reset?


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Binärzähler

Lauflicht


Entprellter Taster, Reset

Attention idea

Takt manuell erzeugen

Dynamische Digitalschaltungen arbeiten mit sehr hohen Frequenzen, mit vielen Millionen Taktimpulsen pro Sekunde. Wir können dem Ablauf solcher Schaltungen nicht folgen.

  • Wir brauchen einen Takt, der langsam, Schritt für Schritt abläuft.
  • Wir müssen einen Taktimpuls manuell auslösen können: mit einem Taster.

Einzelne Impulse mit einem Taster zu erzeugen, ist nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick aussieht. Wir sehen uns Schaltungen an, die saubere Taktimpulse erzeugen.

Dynamische Digitalschaltungen müssen meistens beim Einschalten automatisch zurückgesetzt werden. Wie das geht, sehen wir uns am Schluss an.

Schalter prellen

Jeder mechanische Schalter schaltet nicht perfekt.

  • Beim Schließen des Kontakts hüpft dieser einige Male, schließt und öffnet sich, bis der Kontakt ganz geschlossen ist.
  • Beim Öffnen des Kontakts erfolgt ein ähnliches Öffnen und Schließen, bis der Kontakt vollständig geöffnet ist.

Dieses sogenannte Prellen wird von Digitalschaltungen als eine Folge von Impulsen wahrgenommen. Wir wollen aber nur einen Impuls erzeugen, der Kontakt soll entprellt werden.

Wie ein Taster entprellt wird, kennen wir bereits aus NAND-Gatter mit Gedächtnis. Dieser Schaltung stellen wir eine zweite Variante gegenüber.

Entprellter Taster mit RS-Flip-Flop

In NAND-Gatter mit Gedächtnis haben wir bereits gesehen, wie ein Taster entprellt werden kann.

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Bild 1: Entprellen mit einem RS-Flip-Flop

Die Schaltung in mit zwei NAND-Gattern wird öfter angewandt als die mit integrierten RS-Flip-Flops, da meistens nur ein oder zwei Taster entprellt werden müssen.

Wir benötigen einen Taster mit Umschalter und ein RS-Flip-Flop oder zwei Gatter. Die Schaltung ist etwas aufwendig. Sie hat aber den Vorteil, dass sie sehr zuverlässig ist.

Entprellter Taster mit 4049

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Bild 1: Entprellen mit zwei 4049 Invertern

Anstelle eines Standdard-CMOS 4049 kann auch eine 74HC4049 verwendet werden.

Die beiden Inverter bilden ein RS-Flip-Flop. Die Ausgänge werden nicht unmittelbar zurückgeführt, sondern über Widerstände. Die Eingänge werden über den Umschalter auf 0 gelegt und die Widerstände entkoppeln die Ausgänge.

Eine einfache Schaltung, die aber immer noch einen Umschalter benötigt.

Entprellter Taster mit Kondensator

Für die obigen Schaltungen ist ein Taster mit Umschalter erforderlich. Die folgenden Schaltungen kommen mit einem einfachen Taster aus.

Kontakte prellen für einige Millisekunden. Wenn wir die Zeit nach dem Schließen des Kontakts ausblenden, können wir das Prellen unterdrücken. Die Schaltung besteht aus zwei Widerständen und einem Kondensator.

Attention pin

Entprellen per Software

Häufig werden Taster an Mikrocontroller angeschlossen. Sie benötigen keine Schaltung zum Entprellen.

Das Entprellen erfolgt stattdessen per Software. Nach dem Schließen oder Öffnen des Tasters wird per Software eine bestimmte Zeit gewartet.

Taster-entprellt.png
Bild 2: Entprellter Taster
Attention :-(

So geht's nicht

Leider haben wir die Rechnung ohne CMOS gemacht.

CMOS-Bausteine regieren unwillig auf langsam ansteigende und abfallende Spannungen am Takteingang. Sie halten diese meistens für mehrere Taktimpulse.

HCMOS erwartet, dass der Takt in maximal 400ns schaltet.

Siehe Analoge Spannung an Digital

Entprellter Taster mit Schmitt-Trigger

Die Lösung des Problems ist ein Schmitt-Trigger. Eine Schmitt-Trigger-Schaltung schaltet auch bei sich langsam ändernden Spannungen korrekt.

Taster-entprellt-Schmitt-Trigger.png
Bild 3: Entprellter Taster mit Schmitt-Trigger

Die Schaltung in Bild 3 zeigt einen entprellten Taster mit Kondensator und Schmitt-Trigger. Der 74HC14 enthält sechs invertierende Schmitt-Trigger. Deshalb gibt die Schaltung in Bild 3 gibt eine 0 aus, wenn der Taster betätigt wurde.

  • Es gibt CMOS-Bausteine, die am Takt-Eingang einen Schmitt-Trigger haben. Er wird durch das Symbol im Gatter des Schmitt-Triggers gekennzeichnet.
Attention >

Takt-Modul

Das Takt-Modul ist einfach aufzubauen und für Versuche und Tests mit dynamischen Digitalschaltungen unentbehrlich.

Funktionsweise Taster mit Schmitt-Trigger

Der Ausgang des Schmitt-Triggers wird an den Takteingang einer Schaltung gelegt.

Schaltungen mit Kondensator und Widerstand sind in So funktioniert's beschrieben.

  • Wenn der Taster für längere Zeit (0,1s) nicht betätigt wird, hält der Widerstand R2 den Ausgang auf 0V, logisch 0.
  • Wenn der Taster geschlossen wird, wird der Kondensator C1 über den Widerstand R1 auf 5V aufgeladen, wodurch der Ausgang auf logisch 1 gesetzt wird.
  • Die Zeit, bis der Kondensator über R1 aufgeladen ist, beträgt etwa t1 = R1 * C1 = 10kΩ * 0,1µF = 1ms.
  • Wenn der Taster geöffnet wird, fällt die Spannung am Kondensator bis auf 0V ab.
  • Die Zeit, bis der Kondensator über R2 entladen ist, beträgt etwa t2 = R2 * C1 = 100kΩ * 0,1µF = 10ms.

Der Kondensator wird schnell aufgeladen und relativ langsam entladen.

  • Wenn der Taster beim Schließen prellt, schießt und öffnet er für eine gewisse Zeit mehrmals hintereinander. Dies geschieht innerhalb weniger ms.
  • Der Kondensator wird dann mehrmals hintereinander aufgeladen und zwischendurch entladen. Während des Prellens kann er sich jedoch nur geringfügig entladen. Das mehrfache Aufladen des Kondensators hat keine Auswirkung auf den Ausgang.
  • Erst, wenn der Taster losgelassen wird und sich nicht wieder schließt, kann sich der Kondensator vollständig entladen und den Ausgang auf 0 setzen.
  • Am Takt-Eingang der Schaltung liegt sich nur ein einziger Impuls an.
  • Wenn der Taster geöffnet wird, öffnet und schließt sich der Taster für eine gewisse Zeit mehrmals hintereinander.
  • Der Kondensator entlädt sich mehrmals hintereinander ein wenig, aber erst dann vollständig, wenn der Taster dauerhaft geöffnet ist.
  • Der Kondensator entlädt sich relativ langsam in 10ms.

Insbesondere kann ein einfacher Taster verwendet werden, und es ist nur ein Gatter erforderlich.

Spannungsverlauf

In So funktioniert's: wird der Spannungsverlauf in einer Schaltung mit einem Kondensator und einem Widerstand beschrieben. Der Verlauf ist nicht ganz einfach. Es gibt aber eine gute Näherung durch Geraden, die für unsere Zwecke völlig ausreicht.

Der Kondensator C1 wird über den Widerstand R1 schnell aufgeladen und über R2 langsam entladen. Die Ladekurve verläuft steil nach oben, die Entladekurve flach nach unten.

Jedes Mal, wenn der Taster geschlossen wird, wird der Kondensator geladen, und jedes Mal, wenn der Kontakt geöffnet wird, wird der Kondensator entladen.

Es ergibt sich dann etwa folgende Kurve:

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Bild 4: Spannungsverlauf beim Prellen

In Bild 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung am Kondensator. Die Zeit nach rechts und die Spannung nach oben. Die Linien sind rot gekennzeichnet, wenn der Taster geschlossen ist. Blau ist offen. Die Spannung am Kondensator steigt schnell auf 5V an, wenn der Kontakt geschlossen ist, und fällt langsam auf 0V ab, wenn der Kontakt geöffnet ist.

Wir sehen, dass, wenn der Kontakt kurzzeitig geöffnet ist, die Spannung am Kondensator nur wenig sinkt und erst am Ende, wenn der Kontakt lange geöffnet ist, auf 0V abfällt.

Ein invertierender Schmitt-Trigger (schwarz) erkennt eine 1 am oberen Pegel (magenta) und gibt 0 aus. Wenn am Ende die Spannung am Kondensator unter den unteren Pegel (türkis) gefallen ist, wird eine 0 erkannt und eine 1 ausgegeben.

Alternative Schaltung

Die Schaltung mit dem entprellten Taster in Bild 3 erzeugt am Ausgang des Schmitt-Triggers eine logische 0, wenn der Taster geschlossen ist. Am Eingang liegt eine 1.

In manchen Fällen ist es besser, am Eingang eine 0 zu erzeugen.

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Bild 5: Entprellter Taster mit Schmitt-Trigger mit Taster an 0V

Die Schaltung in Bild 5 erzeugt am Eingang des Schmitt-Triggers eine 0 und am Ausgang eine 1, wenn der Taster betätigt wird.

Automatischer Reset

Fast alle dynamischen Digitalschaltungen müssen nach dem Einschalten in einen eindeutigen Zustand gebracht werden. Zu diesem Zweck verfügen sie über einen Reset-Eingang. Wir müssen einen automatischen Reset-Impuls nach dem Einschalten erzeugen.

Die Schaltung ist einfach: ein Widerstand und ein Kondensator.

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Bild 6: Resetschaltungen

Die Schaltung in Bild 6 links erzeugt einen positiven Reset-Impuls, die Schaltung in der Mitte einen negativen. Ein Reset-Impuls kann einfach mit einem Taster erzeugt werden.

Die Wirkungsweise ist einfach. Vor dem Einschalten der Versorgungsspannung ist der Kondensator entladen. Danach lädt er sich langsam auf. Die Widerstände R1, R2 und R4 bestimmen endgültigen Pegel am Ausgang.

Attention pin

Schmitt-Trigger

Schaltungen mit einem Kondensator am Reset-Eingang eines CMOS-Bauelements funktionieren meistens. Wer sicher gehen will, achtet darauf, dass der Reset-Eingang eine Schmitt-Trigger-Funktion hat, oder setzt ein Schmitt-Trigger-Gatter davor.

Attention attention

Wenn sowohl am Takt- als auch am Reset-Eingang eines Digitalbausteins ein RC-Glied liegt, sollte die Zeitkonstante t=R*C am Reset-Eingang mindestens doppelt so groß sein wie am Takt, d.h. ist der Kondensator oder der Widerstand am Reset-Eingang doppelt so groß.