按鍵消抖電路瞬態(tài)設(shè)計(jì)及分析

按鍵是儀器儀表中普遍采用的人機(jī)輸入接口電路。在按鍵電路中必須考慮對(duì)按鍵的抖動(dòng)進(jìn)行軟件消抖和硬件消抖。

消抖具有使用硬件數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)，但也具有以下兩個(gè)缺點(diǎn)：

(1)在儀器鍵盤電路中，多個(gè)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(shí)鍵盤導(dǎo)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(fù)電平脈沖，而負(fù)電平脈沖很容易超出數(shù)字芯片的輸入最大允許電平范圍，導(dǎo)致數(shù)字芯片容易損壞。

(2)按鍵閉合和斷開時(shí)，電壓信號(hào)下降沿非常陡峭，劇烈變化的電壓信號(hào)將通過互容傳遞到相鄰導(dǎo)線上。

硬件消抖電路的設(shè)計(jì)主要是要考慮以下三個(gè)因素：

(1)消除信號(hào)的抖動(dòng)，確保按鍵電路輸出信號(hào)的平整;

(2)消除信號(hào)的下沖，因?yàn)橄聸_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(hào)變化的速度，避免在鄰線上引起容性串?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(diǎn)，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并連接后續(xù)電路，按鍵的另一端接地，當(dāng)按鍵沒有按下時(shí)，按鍵輸出高電平，當(dāng)按鍵按下 時(shí)，按鍵輸出低電平。圖2為加上濾波電容后的按鍵電路。

圖1 某儀器按鍵電路

圖2 按鍵消抖電路

圖3為按鍵消抖電路的電路模型。圖中R0為連接按鍵導(dǎo)線的電阻，L為導(dǎo)線電感，C0為導(dǎo)線對(duì)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。

圖3 按鍵消抖電路的電路模型

當(dāng)按鍵閉合時(shí)，其等效電路模型如圖4所示。當(dāng)按鍵斷開時(shí)，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)某一時(shí)刻按鍵合上，在此之前按鍵斷開，整個(gè)電路處于穩(wěn)態(tài)，即各個(gè)電容和電感上沒有電流流動(dòng)。此時(shí)輸出電壓U =u0 =VCC ×R (R +Ri)。則根據(jù)圖4整個(gè)電路可列出以下微分方程：

圖4 按鍵閉合時(shí)等效電路模型

圖5 按鍵斷開時(shí)等效電路模型

式中：i0為L 所在支路的電流;C 為C0,Cf和 Cp的等效電容，C 為三者之和。

(1)、式(2)進(jìn)行拉普拉斯變換后可得：

將上式運(yùn)用留數(shù)定理分解可得：

設(shè)某一時(shí)刻按鍵斷開，在此之前按鍵閉合，整個(gè)電路處于穩(wěn)態(tài)，即各個(gè)電容和電感上沒有電流流動(dòng)。此時(shí)輸出電壓U=u0=VCC × Ri R0 (RRi +R0 Ri +RR0)。根據(jù)圖5可列出以下微分方程：

3 按鍵電路瞬態(tài)分析

對(duì)式(5)進(jìn)行拉普拉斯反變換便可得到按鍵斷開電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)按鍵閉合的輸出電壓u(t)的時(shí)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：

對(duì)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)時(shí)按鍵斷開的輸出電壓u(t)的時(shí)域響應(yīng)。對(duì)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)時(shí)按鍵斷開的輸出電壓u(t)的時(shí)域響應(yīng)。

式(6)的時(shí)域響應(yīng)為電容充電的時(shí)域響應(yīng)，其響應(yīng)過程為單調(diào)上升，其上升時(shí)間為2.2T,充電時(shí)間常數(shù)T等于ReC,Re為Ri和R 的并聯(lián)。

T 越大上升時(shí)間越大，上升時(shí)間過大將影響按鍵的正常使用。按鍵按下一次的持續(xù)時(shí)間約為0.01~0.1 s,因此消抖電路將上升時(shí)間調(diào)整到500 μs以內(nèi)比較適合。

現(xiàn)測(cè)得已連接到單片機(jī)輸入引腳的按鍵電路其導(dǎo)線電阻R0為1.6 Ω，導(dǎo)線電感L為25 nH,導(dǎo)線對(duì)地電容Ci+Cp為9.6 pF,在電路中使用的上拉電阻R 為10 kΩ，單片機(jī)輸入引腳輸入阻抗Re為2 MΩ，使用電源電壓VCC為3.3 V,則不加濾波電容時(shí)，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2 V,而使用單片機(jī)引腳的最大輸入電壓范圍為-0.3 V~(VCC+0.3 V)，該下沖電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該電平范圍。

圖6 實(shí)測(cè)按鍵閉合瞬間的時(shí)域響應(yīng)

4 按鍵消抖電路設(shè)計(jì)

按鍵消抖電路的設(shè)計(jì)主要是利用電容的平滑功能，將毛刺平滑掉，濾波電容越大，信號(hào)越平滑。但是電容的增大會(huì)導(dǎo)致上升時(shí)間過大，電容太小則無法消除毛刺?，F(xiàn)針對(duì)一單片機(jī)按鍵電路為例進(jìn)行闡述。圖8為該電路未進(jìn)行硬件消抖時(shí)使用衰減探頭在示波器上觀察到的毛刺。

圖7 實(shí)測(cè)按鍵斷開瞬間時(shí)域響應(yīng)

圖8 按鍵電路毛刺

現(xiàn)測(cè)得該單片機(jī)按鍵電路寄生電感L 為30 nH,寄生電容C0+Cp為35 pF,導(dǎo)線直流電阻R0為0.2 Ω。查閱單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)，計(jì)算得到其輸入引腳輸入阻抗為2 MΩ，上拉電阻R 為10 kΩ。根據(jù)式(6)和式(7)可計(jì)算出未加濾波電容的按鍵電路在按鍵閉合時(shí)其二階系統(tǒng)的ξ為0.004 887,振蕩頻率為155.319 MHz。圖6為在示波器上觀察到的按鍵閉合瞬間的時(shí)域響應(yīng)。由圖可見最大的下沖幅度達(dá)到了-1.66 V,該電平遠(yuǎn)超出單片機(jī)的電壓范圍。

根據(jù)式(9)可計(jì)算得到按鍵斷開時(shí)充電時(shí)間常數(shù)為348.258 7 ns,信號(hào)上升時(shí)間為766.17 ns。圖7為在示波器上觀察到的按鍵斷開瞬間時(shí)域響應(yīng)。為消除按鍵抖動(dòng)，濾波電容越大越好，但電容增大將增大信號(hào)的上升時(shí)間。為不影響按鍵電路的正常功能，需將上升時(shí)間控制。在0.5 ms以內(nèi)。為此可得到當(dāng)上拉電阻為10 kΩ時(shí)濾波電容的最大值為22.85 nF,上拉電阻為1 kΩ時(shí)濾波電容的最大值為227.38 nF。

當(dāng)濾波電容為227.38 nF時(shí)，ξ值為0.275 9,ξ值小于1,當(dāng)按鍵閉合時(shí)依然會(huì)有衰減振蕩，此時(shí)的衰減振蕩頻率為1.849 8 MHz,下沖峰值約為-1.34 V,下沖持續(xù)時(shí)間約為271 ns,R=1 kΩ，Cf=227.38 nF。

由于下沖持續(xù)時(shí)間較長，危害性也將增大。圖9為R=1 kΩ，濾波電容為227.38 nF時(shí)的按鍵閉合瞬間時(shí)域響應(yīng)波形。圖10為R=1 kΩ，濾波電容為220 nF時(shí)在示波器上觀察到的按鍵閉合瞬間時(shí)域響應(yīng)波形。

圖9 按鍵閉合瞬間仿真波形

圖10 按鍵閉合 瞬間實(shí)測(cè)波形

因此，單靠增加電容來進(jìn)行濾波的方法是行不通的，由式(7)可知，增大R0可以顯著增加ξ，為此可以在按鍵導(dǎo)線上串接電阻。在最終的按鍵消抖電路設(shè)計(jì)中，串接電阻選為100 Ω，濾波電容為8.2 nF。此時(shí)ξ 為26.117 7,徹底消除了振蕩，此時(shí)的充電時(shí)間常數(shù)T 為81.94 μs,上升時(shí)間為180.268 μs。圖11為整個(gè)按鍵消抖電路的按鍵閉合和按鍵斷開瞬間的時(shí)域響應(yīng)波形仿真。圖12為整個(gè)按鍵消抖電路的按鍵閉合和按鍵斷開瞬間的實(shí)測(cè)時(shí)域響應(yīng)波形。圖13為一次按鍵按下實(shí)測(cè)完整波形。圖14為最終的按鍵消抖電路。由圖12可見，按鍵閉合時(shí)沒有過沖，按鍵斷開時(shí)上升時(shí)間小于0.5 ms。由圖13可見，在按鍵按下和松開之間的過程中，抖動(dòng)已被消除，而且完全不影響按鍵電路的正常功能。

圖11 消抖電路按鍵閉合和斷開瞬間的時(shí)域響應(yīng)波形仿真

圖12 消抖電路按鍵閉合和斷開瞬間實(shí)測(cè)時(shí)域響應(yīng)波形

圖13 一次按鍵按下實(shí)測(cè)完整波形

5 結(jié)語

本文分析了軟件消抖電路中存在的不足，指出了軟件消抖存在輸出信號(hào)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，提出了按鍵閉合時(shí)信號(hào)下降速度過快易引起容性串?dāng)_。針對(duì)軟件消抖電路的不足，本文分析了硬件消抖電路，建立了數(shù)學(xué)模型，仿真并實(shí)測(cè)了按鍵消抖電路的時(shí)域響應(yīng)。針對(duì)硬件消抖電路中僅使用濾波電容消除按鍵抖動(dòng)的方法，通過仿真和實(shí)測(cè)闡述了該方法反而會(huì)導(dǎo)致下沖持續(xù)時(shí)間更長，對(duì)后續(xù)電路危害性大。

圖14 按鍵消抖電路圖

針對(duì)該問題，本文分析計(jì)算了在按鍵導(dǎo)線中串接電阻以消除下沖，仿真并實(shí)測(cè)了整個(gè)硬件消抖電路的瞬時(shí)響應(yīng)，實(shí)測(cè)了硬件消抖電路按鍵按下和釋放整個(gè)過程的時(shí)域波形，消除了按鍵抖動(dòng)和下沖。