Министерство  общего и профессионального образования 

Российской  Федерации.

Ульяновский  Государственный Технический Университет.

Кафедра “Вычислительная  Техника”.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Лабораторная  Работа №1 

по дисциплине "Периферийные устройства ЭВМ" 
 
 
 
 
 
 
 

       
 

                                                                                              Выполнил:                                                                             

     студент гр. ЭВМд-32

     Шишков  С. А

                                                                                               Проверил:                                                                                        

     Куцоконь  Н.С. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ульяновск 2010 
 

     Цель: 

     Предложить  клавиатуру с защитой от дребезга и двойного нажатия. 

    Клавиатура  с защитой от дребезга и двойного нажатия 

    Клавиши являются устройствами преобразования одного вида информации (механического движения) в другой (чаще всего электрический сигнал). Они должны иметь определенные размеры и форму и обеспечивать необходимый ход при определенном усилии нажатия (оптимальным считается ход в пределах 4-7 мм, а усилие около 0,9 Н). Основными техническими характеристиками клавиш являются электрические параметры коммутируемого сигнала, потребляемая мощность, показатель надежности (количество срабатываний), стоимость.

    По  устройству клавиши делятся на две  группы: контактные и бесконтактные.

    Контактные  клавиши представляют собой контактные переключатели, преимуществом которых является большая передаваемая мощность, малое переходное сопротивление, простота конструкции. Недостатками таких клавиш являются: ложное срабатывание из-за колебаний упругого элемента при замыкании и размыкании контактов (дребезг); невысокая частота переключений; непостоянство переходного сопротивления электрических контактов из-за электроэрозии и оплавления при переключениях, а также влияния окружающей среды; большое усилие нажатия; чувствительность к вибрациям; относительно невысокий срок службы. В ряде случаев дребезг контактов является серьезным недостатком, а иногда недопустим. Например, если клавиатура работает совместно с электронной аппаратурой (клавиатура настольных ЭВМ, дисплеев), то дребезг контактов может привести к повторным; (ложным) срабатываниям регистрирующих схем. Отрицательное воздействие дребезга контактов можно устранить схемным путем.

    Бесконтактные клавиши управляются магнитным полем или излучением, а также используются сенсорные клавиши. Рассмотрим управление магнитным полем. В настоящее время существует три основные технологии, на основе которых изготавливают магнитные датчики: магниторезистивная (MR), на основе эффекта Холла и на базе геркона (reed). Эти технологии сравниваются в таблице 1. Из этой таблицы видно, что наиболее интересными технологиями являются магниторезистивная (если потребителю важны технические характеристики) и технология на основе геркона (если более важным критерием является цена). Наиболее перспективной, по-моему, является магниторезистивная технология, поэтому в данной работе рассмотрим работу клавиатуры с магниторезистивными клавишами. Преимущества таких клавиш: повышенная надежность, отсутствие дребезга, малый дрейф рабочих характеристик и большой срок службы.  
 
 
 
 
 
 
 
 

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    На  следующем рисунке показана упрощенная конструкция клавиши с магниторезистивным чувствительным элементом фирмы Rafi—Raimund Finsterholz (ФРГ).  

      Описание  устройства: 

     рисунок1:

     конструктивная 

     схема бесконтактной 

     клавиши с магниторезисторами. 
 

     В исходном состоянии магнитный поток, наводимый постоянным магнитом 1, замыкается через полюсные наконечники 2, магнитопровод 3 и воздушный зазор, в котором размещается первый магниторезистор 4. При нажатии на кнопку 5 постоянный магнит опускается и магнитный поток замыкается через воздушный зазор, где размещается второй магниторезистор 6. 

      Т.к. необходимо получить в зоне расположения магниторезисторов максимальный перепад  индукции, для постоянного магнита  выбирается материал, обладающий повышенными  магнитными свойствами (сплав ЮНДК25БА).

      Магнитопровод изготовляется из магнитомягкого материала, обеспечивающего малое сопротивление  основному магнитному потоку. Такая  конструкция клавиши гарантирует  величину перепада индукции в области  магниторезистора около 0,45T. 

      При проектировании бесконтактной клавиши существенное значение имеет выбор материала магниторезистора. Как известно, наиболее резко эффект магнитосопротивления проявляется в полупроводниковом материале, представляющем собой эвтектический сплав антимонидов индия и никеля. Для того, чтобы получить ту или иную подвижность носителей в основном материале (антимониде индия), последний легируется теллуром. За счет этого можно изменять магниторезистивное отношение материала, учитывая то, что у материала с  большим магниторезистивным отношением худшие температурные  характеристики. Это поясняется кривыми на рисунках 2 и 3, где изображены соответственно зависимости магниторезистивного отношения и температурного коэффициента сопротивления от индукции.  

 

     Материал  магниторезистора выбирается  на  основании его характеристик, в соответствии с заданным диапазоном рабочих температур, требуемым изменением значения сопротивления магниторезистора и значением магнитной индукции, воздействующей на магниторезистор.

     Пусть диапазон температур, в которых должна работать клавиша, от –10 до +60°C, а индукция магнитного поля, воздействующего на магниторезистор, меняется от 0 до 0,5 T. Рассмотрим приемлемость использования для этого случая магниторезистора, изготовленного, например из материала III. 

     R₀- значение сопротивления магниторезистора при B=0 и T=25°C.  

     При увеличении температуры до верхнего предела (+60°C) и отсутствии магнитного поля сопротивление этого магниторезистора вычисляется из выражения: 

 

     где a₀ – температурный коэффициент сопротивления материала магниторезистора при отсутствии магнитного поля (определяется по кривым, показанным на рисунке 3),

     DT – перепад температур. 

     Для материала III R₀₍₆₀₎ = 0,96R₀.

     Аналогично  для температуры T= -10°C и B=0 R_0(-10) =1,04R₀ .

     Для индукции B=0,5 T магниторезистивное отношение k рассматриваемого материала при T= 25°C соответствии  с кривыми рисунка 2 равно 3,4. Следовательно, магниторезистора при T= 25°C и B=0 : R_B = k R₀ =3,4R₀ .

     Сопротивление магниторезистора при T= 60°C и B=0,5T определяется из выражения: 

 

     где a_B - температурный коэффициент сопротивления при B=0,5T.

     Для описываемого материала R_B(60) = 2,92R₀  . Сопротивление магниторезистора при индукции B=0,5T и T= -10°C равно R_B(-10)=3,88R .

      Из  таблицы аналогичных расчетов для нескольких материалов следует, что материал I для этого диапазона неприемлем, а материал II даст наилучшие результаты (сопротивление магниторезистора в наиболее неблагоприятном температурном режиме изменяется под действием магнитного поля с B=0,5T в 4,2 раза).  

 

     Если  полученная кратность изменения  сопротивления магниторезистора недостаточна, то следует увеличить перепад  магнитной индукции, воздействующей на магниторезистор при нажатии  на клавишу. 

     Магниторезистор является управляющим элементом, который осуществляет переход транзистора (управляемого элемента) из закрытого в открытое состояние. При этом имеется 3 возможности включения магниторезистора (рисунок 4).

      рисунок 4: схемы возможных  включений магниторезисторов. 

     В схеме, приведенной на рисунке 4,а значение сопротивления магниторезистора R_B меньше R, причем при B=0 (клавиша в исходном состоянии отпущена) падение напряжения на R_B недостаточно для открытия транзистора. При нажатии на клавишу магниторезистор оказывается под воздействием магнитного поля и транзистор полностью открывается.  

     В схеме, изображенной на рис.4,б, R_B >R и при отпущенной клавише (магнитное поле на магниторезистор не действует) транзистор открыт. При нажатии на клавишу значение сопротивления R_B вырастает и транзистор закрывается. 

     Наиболее  эффективна схема на рис.4,в, поскольку она позволяет получать то же значение управляющего напряжения на входе транзистора при меньшем перепаде индукции, воздействующей на магниторезисторы. Однако эта схема требует наличия двух магниторезисторов и такой конструкции магнитной системы, которая обеспечивает поочередное воздействие магнитного поля на оба магниторезистора (рис.1). Выбор той или иной схем обусловлен конкретными технико-экономическими факторами. 

     При необходимости иметь высокую крутизну переднего фронта выходного импульса в качестве элемента, управляемого магниторезистором, можно использовать триггер Шмидта, выполненный в виде интегральной микросхемы. 

     В некоторых случаях требуется, чтобы  при нажатии клавиши возникал один короткий выходной импульс. На рис.5 приведена электрическая схема бесконтактной клавиши, позволяющей формировать один прямоугольный импульс с амплитудой 3В и длительностью t = 10мкс независимо от времени нажатия на клавишу.. 

рисунок 5: электрическая схема бесконтактной клавиши. 

     Схема работает следующим образом:

     В исходном состоянии магниторезистор  R_B1 пронизывает магнитным потоком и его сопротивление имеет большое значение, а магниторезистор R_B2 находится вне магнитного поля и его сопротивление мало. Вследствие этого падение напряжения на сопротивлении R_B2 недостаточно для срабатывания схемы. При нажатии на клавишу пронизывается магнитным потоком магниторезистор R_B2, а R_B1 оказывается вне действия магнитного потока, следовательно сопротивление магниторезистора R_B2 возрастает, а R_B1 падает. Это в свою очередь вызывает увеличение падения напряжения на магниторезисторе R_B2, в результате которого срабатывает триггер Шмидта Тг (интегральное сопротивление). На выходе последнего возникает скачок напряжения с большой крутизной переднего фронта, что дает возможность с помощью двух транзисторов Т1 и Т2 сформировать необходимый прямоугольный импульс.