按鍵消抖電路瞬態(tài)分析和設(shè)計(jì)

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1、按鍵消抖電路瞬態(tài)分析和設(shè)計(jì)按鍵是儀器儀表屮普遍采用的人機(jī)輸入接U電路。在按鍵電路屮必須考慮對按鍵的抖動進(jìn)行軟件消抖和硬件消抖。軟件消抖具有使用硬件數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)，似也具有以K兩個缺點(diǎn)：（1）在儀器鍵盤電路中，多個按鍵安裝在儀器而板上，鍵盤的輸出通過排線連接到主控板上，此時鍵盤導(dǎo)線寄生電感和寄生電界的存在，寄生電感寄生電科和排線電阻將組成一.階振蕩系統(tǒng)，二階振蕩將形成負(fù)電平脈沖，而負(fù)電T脈沖很容易超出數(shù)字芯片的輸入最人允許電平范圍，導(dǎo)致數(shù)字芯片容易損壞。（2）按鍵閉合和斷開吋，屯壓信號下降沿非常陡峭

2、，劇烈變化的電壓信號將通過互容傳遞到和鄰導(dǎo)線上。硬件消抖電路的設(shè)計(jì)主要是要考慮以卜‘三個因素:（1）消除信號的抖動，確保按鍵電路輸出信號的平整；（2）消除信號的K沖，因?yàn)橄聸_電乎超出了?續(xù)數(shù)字芯片的最人輸入電平范昨h（3）降低信號變化的速度，避免在鄰線上引起界性串?dāng)_;（4）不影響按鍵電路的正常功能。常見的硬件消抖電路包括電容濾波消抖和觸發(fā)器消抖。電容濾波消抖采用屯阻和電容組成低通濾波器，ft有屯路結(jié)構(gòu)簡單可靠的優(yōu)/、?:，因此本文將重點(diǎn)闡述該消抖電路。1按鍵消抖電路結(jié)構(gòu)與電路模型圖1為某儀器按鍵

3、電路原理圖，按鍵安裝在儀器面板上，通過導(dǎo)線連接到主控板上，按鍵的一端接上拉電阻丼連接后續(xù)電路，按鍵的另一端接地，當(dāng)按鍵沒有按下吋，按鍵輸出?電平，當(dāng)按鍵按卜吋，按鍵輸出低電平。圖2為加上濾波電容后的按鍵電路。圖2按鍵消抖電路閣3為按鍵消抖電路的電路模型。閣中R。為連接按鍵導(dǎo)線的電阻，L為導(dǎo)線電感，C。為導(dǎo)線對地電各，Cf為濾波電容,Cp為按鍵后續(xù)電路的輸入電容，Ri為按鍵后續(xù)電路的輸入阯抗，R為上拉電阻，Vo：為電源電壓,U為按鍵消抖電路的輸出電壓。陶3按鍵消抖電路的電路模型當(dāng)按鍵閉合吋，其等效

4、電路模型如圖4所示。當(dāng)按鍵斷開吋，其等效電路模型如圖5所示。2按鍵消抖電路數(shù)學(xué)模型設(shè)某一吋刻按鍵合上，在此之前按鍵斷開，整個電路處于穩(wěn)態(tài)，即各個電容和電感上沒冇電流流動。此時輸出電壓U=uQ=VCCxR(R+Rj)。則根據(jù)圖4整個電路可列出以下微分方程：⑴LL_J1(0二=r=LJGND<5▽/￡/4按鍵M合吋等效電路模耶圖5按鍵斷開時等效電路模型式中：b為L所在支路的電流；C為CQ，Cf和Cp的等效電界，C為三者之和。對式(1)式(2)進(jìn)行拉普拉斯變換后可得：KxA;州=⑽+娜)-Cu0+^-

5、0)KKLsf0(s)-/io(0)+=U(s)(4)由于fo(0)=0,所以由式⑷可得：r<5.將其代入式⑶中，可得:(7(5)=什丄?SCu0Rlx+(Cu0R/i0+ccL)s+VCCR,KKLCs2^(RKKqC^RL^RL]s^KR^KK^KHq將上式運(yùn)川留數(shù)定理分解hJ?得:Bs+L>(5).4=?=式中:KH^KKCuaKL-AKHLCm

6、鍵斷開，仵此之前按鍵閉合，整個電路處r穩(wěn)態(tài)，即各個電容和也感.1?.沒有也流流動。此時輸出電壓0=腳=70^

7、^0(1^+%氏+1^0)。根據(jù)圖5可列出以下微分方程:Vcc^U_cd(J+U式中(:為G,G和G的等效電容,c為三者之和。對上式進(jìn)行拉普拉斯變換可得到：=CSU(s、?(:u0+對上式整理后可得:HKCs+尺+W/r=KR.C7fT?將上式運(yùn)用留數(shù)定理分解可得:ftyg：(9)Rt+R叫ur.YKKCkTr3按鍵電路瞬態(tài)分析對忒(5)進(jìn)彳y?拉普拉斯反變換便可得到按鍵斷開電路處于穩(wěn)態(tài)

8、吋按鍵閉合的輸出電壓u(t)的時域響應(yīng)。Bs、二K(WO32+2^0)^+/)山+2￡(oas+(x)^根裾拉普拉斯變換的初位定理和終位定理，可得到:=/<(t+CuJiL-AHHLC_RHLC~}=HKR^RH^RtKa式⑸的時域響應(yīng)為典型的二階系統(tǒng)時域響應(yīng)，當(dāng)f、于丨時,其時域響應(yīng)為衰減搌蕩，衰減子為＜，，振蕩頻率為coj-e＞振蕩就會產(chǎn)生下沖，一次下沖持續(xù)時間取決于振蕩頻率。當(dāng)《大于I時，時域響應(yīng)為單調(diào)袞減,整個過程沒有下沖。因此消抖電路設(shè)計(jì)的一個目的就是要使大于1。對式(6)進(jìn)行拉普拉

9、斯反變換便可得到按鍵閉合電路處于穩(wěn)態(tài)時按鍵斷丌的輸出電n;u(t)的吋域響應(yīng)。對式(6)進(jìn)行拉普拉斯反變換便可得到按鍵閉合電路處于穩(wěn)態(tài)吋按鍵斷開的輸出電壓u(t)的時域響應(yīng)。咧，KKtCu0-A.KKC一KKC=Wn針CCR+/C式(6)的吋域響應(yīng)為電容充電的時域響應(yīng)，其響應(yīng)過程為單調(diào)上升，其上升時間為2.2T，充電時間常數(shù)T等于ReC，Re*RjUR的并聯(lián)。T越火卜.升時間越大，上升時間過大將影響按鍵的正常使用。按鍵按下一次的持續(xù)時間約為0.01~0.1s，W此消抖電路將上升時M調(diào)整到500p