按鍵消抖電路瞬態(tài)研究與設(shè)計

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1、按鍵消抖電路瞬態(tài)研究與設(shè)計　　摘要：分析了軟件消抖存在輸出信號下沖電平超出后續(xù)數(shù)字芯片輸入電平范圍容，易危害數(shù)字芯片，且按鍵閉合時信號下降速度過快易引起容性串擾等缺點。針對軟件消抖電路的不足，分析了硬件消抖電路，建立了數(shù)學模型，仿真并實測了按鍵消抖電路的時域響應(yīng)。針對硬件消抖電路中僅使用濾波電容消除按鍵抖動的方法，通過仿真和實測闡述了該方法反而會導致下沖持續(xù)時間更長，對后續(xù)電路危害性大。分析計算了在按鍵導線中串接電阻以消除下沖，仿真并實測了整個硬件消抖電路的瞬時響應(yīng)，實測了硬件消抖電路按鍵按下和釋放整個過程的時域波形，消除了按鍵抖動和下沖。關(guān)鍵字：按

2、鍵消抖電路；瞬態(tài)分析；下沖電平；數(shù)學模型中圖分類號：TN710?34文獻標識碼：A文章編號：1004?373X（2014）06?0051?050引言按鍵是儀器儀表中普遍采用的人機輸入接口電路。在按鍵電路中必須考慮對按鍵的抖動進行軟件消抖[1?5]和硬件消抖[6?10]。軟件消抖具有使用硬件數(shù)量少的優(yōu)點，但也具有以下兩個缺點：8（1）在儀器鍵盤電路中，多個按鍵安裝在儀器面板上，鍵盤的輸出通過排線連接到主控板上，此時鍵盤導線寄生電感和寄生電容的存在，寄生電感寄生電容和排線電阻將組成二階振蕩系統(tǒng)，二階振蕩將形成負電平脈沖，而負電平脈沖很容易超出數(shù)字芯片的輸

3、入最大允許電平范圍，導致數(shù)字芯片容易損壞。（2）按鍵閉合和斷開時，電壓信號下降沿非常陡峭，劇烈變化的電壓信號將通過互容傳遞到相鄰導線上。硬件消抖電路的設(shè)計主要是要考慮以下三個因素：（1）消除信號的抖動，確保按鍵電路輸出信號的平整；（2）消除信號的下沖，因為下沖電平超出了后續(xù)數(shù)字芯片的最大輸入電平范圍；（3）降低信號變化的速度，避免在鄰線上引起容性串擾；（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。電容濾波消抖采用電阻和電容組成低通濾波器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單可靠的優(yōu)點，因此本文將重點闡述該消抖電路。1按鍵消抖電路結(jié)構(gòu)與電

4、路模型8圖1為某儀器按鍵電路原理圖，按鍵安裝在儀器面板上，通過導線連接到主控板上，按鍵的一端接上拉電阻并連接后續(xù)電路，按鍵的另一端接地，當按鍵沒有按下時，按鍵輸出高電平，當按鍵按下時，按鍵輸出低電平。圖2為加上濾波電容后的按鍵電路。圖3為按鍵消抖電路的電路模型。圖中R0為連接按鍵導線的電阻，L為導線電感，C0為導線對地電容，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)電路的輸入阻抗，R為上拉電阻，VCC為電源電壓，U為按鍵消抖電路的輸出電壓。當按鍵閉合時，其等效電路模型如圖4所示。當按鍵斷開時，其等效電路模型如圖5所示。2按鍵消抖電路

5、數(shù)學模型設(shè)某一時刻按鍵合上，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有電流流動。此時輸出電壓[U=u0=VCC×R（R+Ri）]。則根據(jù)圖4整個電路可列出以下微分方程：設(shè)某一時刻按鍵斷開，在此之前按鍵閉合，整個電路處于穩(wěn)態(tài)，即各個電容和電感上沒有電流流動。此時輸出電壓[U=u0=VCC×RiR0（RRi+R0Ri+RR0）]。根據(jù)圖5可列出以下微分方程：式中C為C0，Cf和Cp的等效電容，C為三者之和。對上式進行拉普拉斯變換可得到：對上式整理后可得：將上式運用留數(shù)定理分解可得：83按鍵電路瞬態(tài)分析對式（5）進行拉普拉斯反變換便可得到按

6、鍵斷開電路處于穩(wěn)態(tài)時按鍵閉合的輸出電壓u（t）的時域響應(yīng)。根據(jù)拉普拉斯變換的初值定理和終值定理，可得到：式（5）的時域響應(yīng)為典型的二階系統(tǒng)時域響應(yīng)，當ξ小于1時，其時域響應(yīng)為衰減振蕩，衰減因子為[e-ξωn]，振蕩頻率為[ωn1-ξ2]，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ξ大于1時，時域響應(yīng)為單調(diào)衰減，整個過程沒有下沖。因此消抖電路設(shè)計的一個目的就是要使ξ大于1。對式（6）進行拉普拉斯反變換便可得到按鍵閉合電路處于穩(wěn)態(tài)時按鍵斷開的輸出電壓u（t）的時域響應(yīng)。式（6）的時域響應(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

7、.2T，充電時間常數(shù)T等于ReC，Re為Ri和R的并聯(lián)。T越大上升時間越大，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，因此消抖電路將上升時間調(diào)整到500μs以內(nèi)比較適合?，F(xiàn)測得已連接到單片機輸入引腳的按鍵電路其導線電阻R0為1.6Ω，導線電感L為25nH，導線對地電容Ci+Cp為9.6pF，在電路中使用的上拉電阻R為10kΩ，單片機輸入引腳輸入阻抗Re為2MΩ，使用電源電壓VCC為3.38V，則不加濾波電容時，按鍵閉合和斷開的瞬態(tài)響應(yīng)分別如圖6和圖7所示，由圖6可見下沖峰值接近2V，而使用單片機引腳的最大輸入電壓

8、范圍為-0.3V～（VCC+0.3V），該下沖電壓遠遠超出該電平范圍。4按鍵消抖電路設(shè)計按鍵消抖電路的設(shè)計主