按鍵消抖電路瞬態(tài)分析和設(shè)計(jì)

顏福才

摘 要： 分析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，且按鍵閉合時(shí)信號(hào)下降速度過快易引起容性串?dāng)_等缺點(diǎn)。針對(duì)軟件消抖電路的不足，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。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。

關(guān)鍵字： 按鍵消抖電路； 瞬態(tài)分析； 下沖電平； 數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0051?05

0 引 言

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[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(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(jiǎn)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。

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：

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×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(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換可得到：

對(duì)上式整理后可得：

將上式運(yùn)用留數(shù)定理分解可得：

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：

式（5）的時(shí)域響應(yīng)為典型的二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)，當(dāng)ξ小于1時(shí)，其時(shí)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(huì)產(chǎn)生下沖，一次下沖持續(xù)時(shí)間取決于振蕩頻率。當(dāng)ξ大于1時(shí)，時(shí)域響應(yīng)為單調(diào)衰減，整個(gè)過程沒有下沖。因此消抖電路設(shè)計(jì)的一個(gè)目的就是要使ξ大于1。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

參考文獻(xiàn)

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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。

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。

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。

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。

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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。

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。

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。

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。

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