2016年1月6日公開 はじめに 「スイッチのチャタリングはアナログ的振る舞いか?デジタル的振る舞いか?」ということで、アナログ・チックだろうという考えのもと技術ノートの話題としてみます(「メカ的だろう!」と言われると進めなくなりますので…ご容赦を…)。 さてこの技術ノートでは、スイッチのチャタリング対策(「チャタ取り」とも呼ばれる)について、電子回路の超初級ネタではありますが、デジタル回路、マイコンによるソフトウェア、そしてCR回路によるものと、3種類を綴ってみたいと思います。 チャタリングのようすとは? まずは最初に、チャタリングの発生しているようすをオシロスコープで観測してみましたので、これを図1にご紹介します。こんなふうにバタバタと変化します。チャタリングは英語で「Chattering」と書きますが、この動詞である「Chatter」は「ぺちゃくちゃしゃべる。〈鳥が〉けたたましく鳴く。〈サルが〉キャッキャッと鳴く。〈歯・機械などが〉ガチガチ[ガタガタ]音を立てる」という意味です(weblio辞書より)。そういえばいろんなところでChatterを聞くなあ…(笑)。 図1. 電子回路入門 チャタリング防止 - Qiita. スイッチのチャタリングが発生しているようす (横軸は100us/DIV) 先鋒はRTL(デジタル回路) 余談ですが、エンジニア駆け出し4年目位のときに7kゲートのゲートアレーを設計しました。ここで外部からの入力信号のストローブ設計を間違えて、バグを出してしまいました…(汗)。外部からの入力信号が非同期で、それの処理を忘れたというところです。チャタリングと似たような原因でありました。ESチェックで分かったのでよかったのですが、ゲートアレー自体は作り直しでした。中はほぼ完ぺきでしたが、がっくりでした。外部とのI/Fは(非同期ゆえ)難しいです(汗)…。 当時はFPGAでプロトタイプを設計し(ICはXC2000! )、回路図(紙)渡しで作りました。テスト・ベクタは業者さんに1か月入り込んで、そこのエンジニアの方と一緒にワーク・ステーションの前で作り込みました。その会社の偉い方がやってきて、私を社外の人と思わず、私の肩に手をやり「あれ?誰だれ君はどした?」と聞いてきたりした楽しい思い出です(笑)。 図2.
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1secです。この時定数で波形が大きく鈍りますので、それを安定に検出するためにシュミット・トリガ・インバータ74HC14を用いています。 74HC16xのカウンタは同期回路の神髄が詰まったもの この回路でスイッチを押すと、74HC16xのカウンタを使った自己満足的なシーケンサ回路が動作し、デジタル信号波形のタイミングが変化していきます。波形をオシロで観測しながらスイッチを押していくと、波形のタイミングがきちんとずれていくようすを確認することができました。 74HC16xとシーケンサと聞いてピーンと来たという方は、「いぶし銀のデジタル回路設計者」の方と拝察いたします。74HC16xは、同期シーケンサの基礎技術がスマートに、煮詰まったかたちで詰め込まれ、応用されているHCMOS ICなのであります。動作を解説するだけでも同期回路の神髄に触れることもできると思いますし(半日説明できるかも)、いろいろなシーケンス回路も実現できます。 不適切だったことは後から気が付く! 「やれやれ出来たぞ」というところでしたが、基板が完成して数か月してから気が付きました。使用したチャタリング防止用コンデンサは1uFということで容量が大きめでありますが、電源が入ってスイッチがオフである「チャージ状態」では、コンデンサ(図7ではC15/C16)は5Vになっています。これで電源スイッチを切ると74HC14の電源電圧が低下し、ICの入力端子より「チャージ状態」のC15/C16の電圧が高くなってしまいます。ここからIC内部のダイオードを通して入力端子に電流が流れてしまい、ICが劣化するとか、最悪ラッチアップが生じてしまう危険性があります。 ということで、本来であればこのC15/C16と74HC14の入力端子間には1kΩ程度で電流制限抵抗をつけておくべきでありました…(汗)。この基板は枚数も大量に作るものではなかったので、このままにしておきましたが…。 図6. 複数の設定スイッチのある回路基板の チャタリング防止をCR回路でやってみた 図7. スイッチのチャタリングの概要。チャタリングを防止する方法 | マルツオンライン. 図6の基板のCR回路によるチャタリング防止 (気づくのが遅かったがC15/C16と74HC14の間には ラッチアップ防止の抵抗を直列に入れるべきであった!) 回路の動作をオシロスコープで一応確認してみる 図7の回路では100kΩ(R2/R4)と1uF(C15/C16)が支配的な時定数要因になっています。スイッチがオンしてコンデンサから電流が流れ出る(放電)ときは、時定数は100kΩ×1uFになります。スイッチが開放されてコンデンサに電流が充電するときは、時定数は(100kΩ + 4.
)、さらにそれをN88 BASICで画面表示させ、HP-GLでプロッタにプロットするというものでした。当然デバッガなども無く、いきなりオブジェクトをEPROMに焼いて確認という開発スタイルでした。 それは大学4年生として最後の夏休みの1. 5か月程度のバイトでした。昼休み時間には青い空の下で、若手社員さんから仕事の大変さについて教わっていたものでした…。 今回そのお客様訪問後に、このことを思い出し、ネットでサーチしてみると(会社名さえ忘れかけていました)、今は違うところで会社を営業されていることを見つけ、私の設計したソフトが応用されている装置も「Web歴史展示館」上に展示されているものを見つけることができました(感動の涙)。 それではここでも本題に… またまた閑話休題ということで…。図 4はマイコンを利用した回路基板です。これらの設定スイッチが正しく動くようにC言語でチャタリング防止機能を書きました。これも一応これで問題なく動いています。 ソースコードを図5に示します。こちらもチャタリング対策のアプローチとしても、多岐の方法論があろうかと思いますが、一例としてご覧ください(汗)。 図4. TNJ-017：スイッチ読み出しでのチャタリング防止の3種類のアプローチ | アナログ・デバイセズ. こんなマイコン回路基板のスイッチのチャタリング 防止をC言語でやってみた // 5 switches from PE2 to PE6 swithchstate = (PINE & 0x7c); // wait for starting switch if (switchcount < 1000) { if (swithchstate == 0x7c) { // switch not pressed switchcount = 0; lastswithchstate = swithchstate;} else if (swithchstate! = lastswithchstate) { else { // same key is being pressed switchcount++;}} // Perform requested operation if (switchcount == 1000) { ※ ここで「スイッチが規定状態に達した」として、目的の 動作をさせる処理を追加 ※ // wait for ending of switch press while (switchcount < 1000) { if ((PINE & 0x7c)!