Несколько кнопок управляют одной удаленной нагрузкой

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2020

Tom Hornak

EDN

Иногда вам необходимо из нескольких точек удаленно включать или выключать систему с двумя состояниями, например, источник света. Можно подключить простые кнопочные переключатели параллельно к однопроводной шине. Однако, если шина просто управляет переключением триггера, система должна знать свое текущее состояние, чтобы правильно установить новое требуемое состояние. Например, если вы хотите убедиться, что свет включен, то, прежде чем решать, переключать ли триггер, нужно либо обеспечить визуальную обратную связь, либо электрическую обратную связь через второй провод. Кроме того, переключатели должны быть бездребезговыми.

Схема на Рисунке 1 обеспечивает установку того или иного состояния в зависимости от времени, в течение которого удерживается нажатой любая кнопка от S₁ до S_N. Нажатие в течение нескольких миллисекунд, например, гарантирует, что система установится в одно определенное состояние. А нажатие, например, в течение одной секунды гарантирует, что система установится в другое состояние. При этом не требуется ни визуальная, ни электрическая обратная связь.

Рисунок 1.	Кратковременное нажатие любой из кнопок от S1 до SN фиксирует выход Q1 в состоянии «лог. 1», а выход Q2 – в состоянии «лог. 0». Длительное нажатие устанавливает схему в противоположное состояние: низкий уровень Q1 и высокий уровень Q2.

Схема представляет собой простой RS-триггер на двух КМОП элементах «И-НЕ» с триггерами Шмитта на входах. Можно использовать половины микросхем CD4093 или a 74HC132. На Рисунке 2 показаны сигналы в отдельных узлах схемы. Красные линии соответствуют «короткому» нажатию кнопки, а синие линии соответствуют «длинному» нажатию.

Рисунок 2.	Красные линии соответствуют кратковременному нажатию кнопки на интервале времени B; синие линии соответствуют продолжительному нажатию.

На Рисунке 2 на отрезке времени A все кнопки отпущены, напряжения V₁ и V₂ имеют высокие уровни, а выходы Q₁ и Q₂ хранят последнее введенное состояние. На рисунке это показано произвольно как низкий уровень на выходе Q₁ и высокий на выходе Q₂, но истинным также может быть и противоположное состояние. Когда одна из кнопок замыкается (интервал B), уровень V₁ становится низким, но из-за задержки, вносимой цепью R₂ и C₂, уровень V₂ сохраняется высоким. В результате уровень Q₁ будет высоким, а Q₂ – низким, независимо от предыдущего состояния на интервале A.

Если нажать кнопку на короткое время (красная линия, интервал C), V₁ вернется к высокому уровню раньше, чем V₂ достигнет порога переключения V_HL логического элемента IC_1B. Цепь остается заблокированной с высоким уровнем выхода Q₁ и низким уровнем Q₂ (красные лини на участках от C до E). Если удерживать кнопку нажатой продолжительное время, уровень V₁ останется низким, сохраняя «лог. 1» на выходе Q₁ (синие линии на участках C и D). C₂ постепенно разряжается через R₂ (интервал C), пока V₂ не пересечет нижний порог гистерезиса IC_1B (V_HL) в конце участка C. В результате Q₂ переключится в «лог. 1». Пока кнопка нажата (участок D), C₂ продолжает разряжаться еще больше, поддерживая высокий уровень Q₂. После отпускания кнопки (участок E) V₁ возвращается к высокому уровню. Теперь, поскольку уровень Q₂ также высокий, уровень Q₁ становится низким. С₂ снова заряжается через R₂, подготавливая цепь к следующей активации.

Таким образом, короткое нажатие кнопки фиксирует высокий уровень Q₁ и низкий уровень Q₂. Продолжительное нажатие фиксирует низкий уровень Q₁ и высокий уровень Q₂, но только после отпускания кнопки. Важно, чтобы на конечное состояние Q₁ и Q₂ не влияли дребезг контактов или отражения от несогласованного конца шины.

Поскольку задержка в цепи триггера незначительна, минимальное время нажатия кнопки определяется временем, необходимым для полного разряда конденсатора С₁ и паразитной емкости шины через последовательное сопротивление шины. Это время никогда не превысит 1 мс. Максимальное время короткого нажатия – это время, за которое C₂ разряжается до 90% от напряжения питания V_DD. При номиналах компонентов, показанных на Рисунке 1, это время составляет 110 мс. Минимальное время продолжительного нажатия  – это время, необходимое конденсатору C₂ для разряда ниже V_HL. Для худшего случая, когда V_HL = V_DD/2, и для показанных на схеме номиналов компонентов R₂ и C₂, это минимальное время равно 690 мс. Максимального времени нажатия нет. Таким образом, существует широкий допуск как для времени короткого, так и для времени продолжительного нажатия, и между ними имеется большой запас.

C₁ блокирует любые помехи, попадающие на шину извне. Сопротивление R₁ выбирается таким, чтобы независимо от утечек поддерживать высокий уровень шины. Кроме того, в течение нескольких миллисекунд после отпускания кнопки через R₁ должны перезарядиться до уровня V_DD конденсатор C₁ и емкость шины. Таким образом, номиналы R₁ и C₁ зависят от особенностей шины.