按鍵消抖電路瞬態(tài)分析和設(shè)計(jì)

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(gè)缺點(diǎn)：（1） 在儀器鍵盤電路中，多個(gè)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(shí)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，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(gè)因

2、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 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

3、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(gè)電路處于穩(wěn)態(tài)，即 各個(gè)電容和電感上沒冇電流流動。此時(shí)輸出電壓u =uq =vcc xr (r +rj)。則根據(jù)圖4整個(gè)電路 可列出以下微分方

4、程：ll_ 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(shí)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=+娜)-cu0+-0)kklsf0(s)- /io(0) += u(s)(4)由于fo (0)=0,所以由式可得：r<5.將其代入式中，可得:(7(5)=什丄scu0rlx +(cu0r/i0 + ccl)s + vccr,kk lcs2 (rk kqcrlr ls krkk k hq將上式運(yùn)川留數(shù)定理分解hj得:bs + l>(5).4

5、=« =式中:khkkcuakl-akhlcm<jt:cuekrn + /a a - a(m:kok +kl+ klkktcikkkhkk,cd n、！ krlc jkfc + kl + kl設(shè)某一吋刻按鍵斷開，仵此之前按鍵閉合，整個(gè)電路處r穩(wěn)態(tài)，即各個(gè)電容和也感.1.沒有也 流流動。此時(shí)輸出電壓0=腳=70|0(1+%氏+10)。根據(jù)圖5可列出以下微分方程:vccu _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

6、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)吋按鍵 閉合的輸出電壓u (t)的時(shí)域響應(yīng)。bs 、二 k (wo32 + 20) +/)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-ahh lc _ rh lc = hkrrhrtka式的時(shí)域響應(yīng)為典型的二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)，當(dāng)f、于丨時(shí),其時(shí)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(shí)間取決于振蕩頻率。當(dāng)大于i時(shí)，時(shí)域響應(yīng)為單調(diào) 袞減,整個(gè)過

7、程沒有下沖。因此消抖電路設(shè)計(jì)的一個(gè)目 的就是要使大于1。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)時(shí)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(shí)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(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*rjur的并聯(lián)。t越火卜.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0.010.1 s，w此消抖電路將上升時(shí)m調(diào) 整到500ps以

8、內(nèi)比較適合?，F(xiàn)測得己連接到單片機(jī)輸入引腳的按鍵電路其導(dǎo)線電附心為1.6 q,導(dǎo)線電感l(wèi)為25 nh,導(dǎo)線對地電容ci+cp為9.6 pf,在電路屮使川的上拉電阻r為10 kq， 單片機(jī)輸入引腳輸入肌抗re為2 mq,使用電源電灰vo：為3.3 v,則不加濾波電界時(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可見卜*沖峰值接近2 v，而使用肀 片機(jī)引腳的最大輸入電壓范圍力-03 v(vcc+0.3v),該下沖屯壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超岀該電平范圍。圖6實(shí)測按鍵閉合瞬間的吋域響應(yīng)4按鍵消抖電路設(shè)計(jì)按鍵消抖電路的設(shè)計(jì)主耍是利用電容的平泔功能，將毛刺平滑掉，濾波屯容越大，信號越平滑4u.是電容的增大會導(dǎo)致

9、上7|時(shí)間過大，電容太小則無法消除毛刺。 現(xiàn)針對一單r機(jī)按鍵hi路為例進(jìn)行闡述。圖8為該屯路未進(jìn)行硬件消抖時(shí)使川袞減探久在示 波器上觀察到的毛刺。圍7變測按鍵斷開瞬間時(shí)域響應(yīng)陶8按鍵電路毛刺現(xiàn)測得該單片機(jī)按鍵電路寄牛電感l(wèi)為30 nh,寄生電界cq+cp為35 pf,導(dǎo)線直流電阻r0 為0.2 q。杳閱單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊，計(jì)算得到其輸入引腳輸入阻抗為2 mq，上拉電阻r為10 kq。 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吋其二階系統(tǒng)的$為 0.004 887,振蕩頻率為155.319 mhz。閣6為在示波器上觀察到的按鍵閉合瞬間的時(shí)域響應(yīng)。 由閣可見最人的下沖幅度達(dá)到了-

10、1.66 v,該電平遠(yuǎn)超出單片機(jī)的電樂范啁。根裾式（9）可 計(jì)算得到按鍵斷開吋充電吋間常數(shù)為348.258 7 ns,信號上升吋間為766.17 ns。圖7為在示 波器上觀察到的按鍵斷開瞬間吋域響應(yīng)。為消除按鍵抖動，濾波電容越大越好，但電界增大 將增大信號的上升吋間。為不影響按鍵電路的正常功能，需將上升吋間控制。在0.5 ms以 內(nèi)。為此可得到當(dāng)上拉電阻為10 kq吋濾波電矜的最人值為22.85 nf，上拉電阻為1 kq吋濾 波電容的最大值為227.38 nf。當(dāng)濾波電容為227.38 nf時(shí),$值為0.275 9, $位小于1，當(dāng)按 鍵閉合時(shí)依然會冇袞減振蕩，此時(shí)的袞減振蕩頻率為1.849

11、8 mhz,下沖峰值約為-1.34 v， 下沖持續(xù)吋間約為271 ns，r=1 kq，cf=227.38 nf。由丁*下沖持續(xù)吋間較k，危害性也將增大。 |?|9*r=lkq，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 kq， 濾波電界為220 nf吋在示波器上觀察到的按鍵w合瞬間吋域響應(yīng)波形。圍9按鍵m合瞬間仿真波形陶10按鍵閉合瞬問實(shí)測波形因此，單靠增加電界來進(jìn)行濾波的方法足行不通的，中式（7）可知，增人r0可以顯著增 加i為此可以在按鍵導(dǎo)線上串接屯pji。在最終的按鍵消抖電路設(shè)計(jì)屮，中接屯阻選為100 0, 濾波電容為8.2 nf。此時(shí)$為26.117 7,

12、徹底消除了振蕩,此時(shí)的充電時(shí)間常數(shù)t為81.94 ps, 上升吋問為180.268叫。圖11為整個(gè)按鍵消抖電路的按鍵w合和按鍵斷開瞬間的吋域響應(yīng) 波形仿真。閣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)測時(shí)域響應(yīng)波形。閣 13為一次按鍵按下實(shí)測完整波形。圖14為敁終的按鍵消抖電路。由閣12可見，按鍵閉合 吋沒有過沖，按鍵斷開吋上升吋間小于0.5 ms。由圖13可見，在按鍵按下和松開之間的過 程中，抖動已被消除，而且完全不影響按鍵電路的正常功能。x io*x 10*29靠765432o9r765閣11消抖屯路按鍵閉介和斷開瞬間的時(shí)域響應(yīng)波形仿真閱12消抖電路按鍵閉合和斷開瞬間實(shí)測時(shí)域響應(yīng)波形圖13 一次按鍵按下實(shí)測完整波形5結(jié)語本文分析了軟件消抖電路中存在的不足，桁!i!了軟件消抖存仵輸ili信號下沖電平超 出r;續(xù)數(shù)字芯片輸入電平范鬧界易危害數(shù)字芯提出了按鍵閉合時(shí)信號下降速度過快從引 起界性串?dāng)_。針對軟件消抖電路的不足，本文分析了硬件消抖電路，建立了