電気信号のON/OFFを取り除く回路

■問題
電気回路 ― 基礎

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，プッシュ・スイッチを入れた瞬間，電気信号が勝手にON/OFFを繰り返す現象(バウンス)を取り除く，デバウンス回路です．この回路で，バウンスがない正常な場合，Vcの電圧波形は，図2の(a)～(d)のどれでしょうか．プッシュ・スイッチは，10msで押してONさせ，スイッチのオン抵抗は0Ω，オフ抵抗は無限大とします．

図1　スイッチのバウンスを取り除くデバウンス回路

図2　図1にバウンスが無い場合のVcの電圧波形
正しい波形はどれか？

(a)の波形　(b)の波形　(c)の波形　(d)の波形

■ヒント

　図1のプッシュ・スイッチは，0ms～10msの間はOFF(非導通)，10ms以降はON(導通)です．なので，このスイッチのON/OFFにより，10msを境にしてコンデンサの状態は充電，あるいは放電となります．また，そのときの時定数を検討すると分かります．

■解答

(b)の波形

　図1のプッシュ・スイッチは，0ms～10msの間がOFF(非導通)なので，その間に，C₁がR₁とR₂を介し5V充電されています．10ms以降は，ON(導通)となり，R₂とプッシュ・スイッチを介して放電し，GNDの電圧と等しくなります．充電と放電の状態を表しているのは，図2の(b)と(d)となります．放電は，C₁からR₂を通りGNDに向けて流れる経路なので，その時定数は「C₁R₂=10ms」です．(d)は時定数が無く，10msの時定数を持つのは(b)となります．なので，バウンスがない正常な場合のVcの電圧波形は，(b)の波形となります．

■解説

●デバウンス回路でない場合のOUTの波形
　図3は，図1のR₂とC₁を外した回路でデバウンス回路ではありません．この回路の動作は，INの電圧はプッシュ・スイッチがONのとき0V(Low)，OFFのとき5V(High)のディジタル信号となります．A₁のシュミット・トリガ入力のインバータを通して出力します．シュミット・トリガ入力のインバータは，INの電圧に雑音が重畳されたときにOUTの信号が誤動作しないようにします．この回路を用いて，プッシュ・スイッチのバウンスにより，OUTの波形がどうなるかシミュレーションで確認します．ここで，図3のプッシュ・スイッチ(X₁)は，図4のサブサーキットに対応しています．

図3　デバウンス回路でないときのOUTをシミュレーションする．

　図4のV₁は，10ms～30ms間のバウンスを，スイッチのON/OFFを記述した「bouncing.txt」を読み込むことで模擬します．

図4　図3のプッシュ・スイッチのサブサーキット
bouncing.txtを読み込み，プッシュ・スイッチのバウンスによる影響を模擬する．

　図5は，図3のシミュレーション結果で，上段がINの電圧波形，下段がOUTの電圧波形です．10ms以降では，バウンスによりINの電圧が5V(High)と0V(Low)を繰り返し，それがシュミット・トリガ入力のインバータによって反転したOUTの信号となります．このように1回のプッシュ・スイッチを押す信号が，バウンスの影響によりディジタル信号のHighとLowを繰り返えした信号になるので良くありません．

図5　図3のシミュレーション結果 INとOUTは，バウンスの影響によりON/OFFを繰り返す．

●スイッチが理想のときのデバウンス回路の動作
　図6は，図1をシミュレーションする回路です．

図6　図1をシミュレーションする回路

　プッシュ・スイッチ(X₁)のサブサーキットは図7で，バウンスが出ないようになっていて，10msに1回だけONとなります．

図7　図6のプッシュ・スイッチのサブサーキット
V₁は10msに1回だけONとなるよう矩形波とする．

　図8は，図6のシミュレーション結果で，上段がINの電圧波形，中段がVcの電圧波形，下段がOUTの電圧波形です．

図8　図6のシミュレーション結果

　Vcの電圧波形は，0ms～10ms間，プッシュ・スイッチがOFFなので5Vとなります．10ms以降は式1の時定数でC₁は放電して0Vとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　これが，正解の図2の(b)の波形となります．シュミット・トリガ入力のインバータは，1.5Vの閾値で出力がHighとなるように設定しているので，下段のOUTの波形は，Vcの電圧が1.5Vより下がると出力が5Vとなります．また，図8には示しませんでしたが，プッシュ・スイッチがOFFになるときは，式2の時定数でC₁は充電となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　式1と式2を比べると，充電は放電より長い時間がかかるようにしています．

●バウンスの影響を取り除くデバウンス回路の動作
　図9は，プッシュ・スイッチ(X₁)のサブサーキットをバウンスがある図4に変更した回路です．この回路をシミュレーションし，プッシュ・スイッチで生まれたバウンスにより，短時間にON/OFFを繰り替えしたときの，デバウンス回路の出力を確認します．

図9　プッシュ・スイッチで生まれたバウンスの影響をシミュレーションする回路
X₁のプッシュ・スイッチは図4のサブサーキットへ変更している．

　図10は，図9のシミュレーション結果です．上段がINの電圧波形，中段がVcの電圧波形，下段がOUTの電圧波形です．バウンスの影響によりINの電圧波形は乱れます．INの電圧波形が0Vになるとき，C₁は式1の時定数τ₁で放電するので，Vcの波形はINの波形と同期せず，0Vまでは落ちません．また，INの電圧波形が0Vから高い電圧側へ戻るとき，式2の時定数τ2で充電するので，Vcの電圧変化は，わずかしか変化しません．この動作により，中段のVcの波形となり，スイッチで生まれたバウンスは取り除かれ，OUTにはプッシュ・スイッチを1回押した信号が伝わります．

図10　図9のシミュレーション結果
スイッチで生まれたバウンスの影響は取り除かれている．

　今回解説したように，機械的な接点を持つスイッチは，短時間に接点がON/OFFを繰り返すバウンスが発生します．デバウンス回路は，バウンスの影響を取り除き，1回押した信号を正確に伝えることができます．

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice5_032.zip

●データ・ファイル内容
Switch_debouncing_bad_cir.asc：図3の回路
pushbuttom_SW.asc：図4の回路
pushbuttom_SW.asy：図4のシンボル
Switch_circuit.asc：図6の回路
pushbuttom_SW_ideal.asc：図7の回路
pushbuttom_SW_ideal.asy：図7のシンボル
Switch_debouncing.asc：図9の回路
bouncing.txt：バウンスを模擬するファイル