按鍵消抖電路瞬態(tài)設(shè)計(jì)及分析

　　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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)的瞬態(tài)響應(yīng)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(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(guò)大，電容太小則無(wú)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(zhǎng)，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(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(kāi)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(kāi)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(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(yīng)波形仿真

　　圖12 消抖電路按鍵閉合和斷開(kāi)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(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(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(guò)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(guò)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(zhǎng)，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(wèn)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(guò)程的時(shí)域波形，消除了按鍵抖動(dòng)和下沖