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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(dòng)進(jìn)行軟件消抖和硬件消抖。 消抖具有使用硬件數量少的優(yōu)點(diǎn)，但也具有以下兩個(gè)缺點(diǎn)： (1)在儀器鍵盤(pán)電路中，多個(gè)按鍵安裝在儀器面板上，鍵盤(pán)的輸出通過(guò)排線(xiàn)連接到主控板上，此時(shí)鍵盤(pán)導線(xiàn)寄生電感和寄生電容的存在，寄生電感寄生電容和排線(xiàn)電阻將組成二階振蕩系統，二階振蕩將形成負電平脈沖，而負電平脈沖很容易超出數字芯片的輸入最大允許電平范圍，導致數字芯片容易損壞。 (2)按鍵閉合和斷開(kāi)時(shí)，電壓信號下降沿非常陡峭，劇烈變化的電壓信號將通過(guò)互容傳遞到相鄰導線(xiàn)上。 硬件消抖電路的設計主要是要考慮以下三個(gè)因素： (1)消除信號的抖動(dòng)，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數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(xiàn)上引起容性串擾; (4)不影響按鍵電路的正常功能。 常見(jiàn)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，具有電路結構簡(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 按鍵消抖電路結構與電路模型 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(guò)導線(xiàn)連接到主控板上，按鍵的一端接上拉電阻并連接后續電路，按鍵的另一端接地，當按鍵沒(méi)有按下時(shí)，按鍵輸出高電平，當按鍵按下 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為連接按鍵導線(xiàn)的電阻，L為導線(xiàn)電感，C0為導線(xiàn)對地電容，Cf為濾波電容，Cp為按鍵后續電路的輸入電容，Ri為按鍵后續電路的輸入阻抗，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 當按鍵閉合時(shí)，其等效電路模型如圖4所示。當按鍵斷開(kāi)時(shí)，其等效電路模型如圖5所示。 2 按鍵消抖電路數學(xué)模型 設某一時(shí)刻按鍵合上，在此之前按鍵斷開(kāi)，整個(gè)電路處于穩態(tài)，即各個(gè)電容和電感上沒(méi)有電流流動(dòng)。此時(shí)輸出電壓U =u0 =VCC ×R (R +Ri)。則根據圖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(kāi)時(shí)等效電路模型 式中：i0為L(cháng) 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： 將上式運用留數定理分解可得： 設某一時(shí)刻按鍵斷開(kāi)，在此之前按鍵閉合，整個(gè)電路處于穩態(tài)，即各個(gè)電容和電感上沒(méi)有電流流動(dòng)。此時(shí)輸出電壓U=u0=VCC × Ri R0 (RRi +R0 Ri +RR0)。根據圖5可列出以下微分方程： 3 按鍵電路瞬態(tài)分析 對式(5)進(jìn)行拉普拉斯反變換便可得到按鍵斷開(kāi)電路處于穩態(tài)時(shí)按鍵閉合的輸出電壓u(t)的時(shí)域響應。 根據拉普拉斯變換的初值定理和終值定理，可得到： 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態(tài)時(shí)按鍵斷開(kāi)的輸出電壓u(t)的時(shí)域響應。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態(tài)時(shí)按鍵斷開(kāi)的輸出電壓u(t)的時(shí)域響應。 式(6)的時(shí)域響應為電容充電的時(shí)域響應，其響應過(guò)程為單調上升，其上升時(shí)間為2.2T,充電時(shí)間常數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(guò)大將影響按鍵的正常使用。按鍵按下一次的持續時(shí)間約為0.01~0.1 s,因此消抖電路將上升時(shí)間調整到500 μs以?xún)缺容^適合。 現測得已連接到單片機輸入引腳的按鍵電路其導線(xiàn)電阻R0為1.6 Ω，導線(xiàn)電感L為25 nH,導線(xiàn)對地電容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(kāi)的瞬態(tài)響應分別如圖6 和圖7 所示，由圖6 可見(jiàn)下沖峰值接近2 V,而使用單片機引腳的最大輸入電壓范圍為-0.3 V~(VCC+0.3 V)，該下沖電壓遠遠超出該電平范圍。 圖6 實(shí)測按鍵閉合瞬間的時(shí)域響應 4 按鍵消抖電路設計 按鍵消抖電路的設計主要是利用電容的平滑功能，將毛刺平滑掉，濾波電容越大，信號越平滑。但是電容的增大會(huì )導致上升時(shí)間過(guò)大，電容太小則無(wú)法消除毛刺�，F針對一單片機按鍵電路為例進(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(guān)察到的毛刺。 圖7 實(shí)測按鍵斷開(kāi)瞬間時(shí)域響應 圖8 按鍵電路毛刺 現測得該單片機按鍵電路寄生電感L 為30 nH,寄生電容C0+Cp為35 pF,導線(xiàn)直流電阻R0為0.2 Ω。查閱單片機數據手冊，計算得到其輸入引腳輸入阻抗為2 MΩ，上拉電阻R 為10 kΩ。根據式(6)和式(7)可計算出未加濾波電容的按鍵電路在按鍵閉合時(shí)其二階系統的ξ為0.004 887,振蕩頻率為155.319 MHz。圖6為在示波器上觀(guān)察到的按鍵閉合瞬間的時(shí)域響應。由圖可見(jiàn)最大的下沖幅度達到了-1.66 V,該電平遠超出單片機的電壓范圍。 根據式(9)可計算得到按鍵斷開(kāi)時(shí)充電時(shí)間常數為348.258 7 ns,信號上升時(shí)間為766.17 ns。圖7為在示波器上觀(guān)察到的按鍵斷開(kāi)瞬間時(shí)域響應。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?xún)�。為此可得到當上拉電阻�?0 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。 當濾波電容為227.38 nF時(shí)，ξ值為0.275 9,ξ值小于1,當按鍵閉合時(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,下沖持續時(shí)間約為271 ns,R=1 kΩ，Cf=227.38 nF。 由于下沖持續時(shí)間較長(cháng)，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)域響應波形。圖10為R=1 kΩ，濾波電容為220 nF時(shí)在示波器上觀(guān)察到的按鍵閉合瞬間時(shí)域響應波形。 圖9 按鍵閉合瞬間仿真波形 圖10 按鍵閉合 瞬間實(shí)測波形 因此，單靠增加電容來(lái)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(zhù)增加ξ，為此可以在按鍵導線(xiàn)上串接電阻。在最終的按鍵消抖電路設計中，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(kāi)瞬間的時(shí)域響應波形仿真。圖12為整個(gè)按鍵消抖電路的按鍵閉合和按鍵斷開(kāi)瞬間的實(shí)測時(shí)域響應波形。圖13為一次按鍵按下實(shí)測完整波形。圖14為最終的按鍵消抖電路。由圖12可見(jiàn)，按鍵閉合時(shí)沒(méi)有過(guò)沖，按鍵斷開(kāi)時(shí)上升時(shí)間小于0.5 ms。由圖13可見(jiàn)，在按鍵按下和松開(kāi)之間的過(guò)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(kāi)瞬間的時(shí)域響應波形仿真 圖12 消抖電路按鍵閉合和斷開(kāi)瞬間實(shí)測時(shí)域響應波形 圖13 一次按鍵按下實(shí)測完整波形 5 結語(yǔ) 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下沖電平超出后續數字芯片輸入電平范圍容易危害數字芯片，提出了按鍵閉合時(shí)信號下降速度過(guò)快易引起容性串擾。針對軟件消抖電路的不足，本文分析了硬件消抖電路，建立了數學(xué)模型，仿真并實(shí)測了按鍵消抖電路的時(shí)域響應。針對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(guò)仿真和實(shí)測闡述了該方法反而會(huì )導致下沖持續時(shí)間更長(cháng)，對后續電路危害性大。 圖14 按鍵消抖電路圖 針對該問(wèn)題，本文分析計算了在按鍵導線(xiàn)中串接電阻以消除下沖，仿真并實(shí)測了整個(gè)硬件消抖電路的瞬時(shí)響應，實(shí)測了硬件消抖電路按鍵按下和釋放整個(gè)過(guò)程的時(shí)域波形，消除了按鍵抖動(dòng)和下沖 |
