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(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?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：