按鍵消抖電路瞬態(tài)設(shè)計及分析

　　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進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，但也具有以下兩個缺點：

　　(1)在儀器鍵盤電路中，多個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)，二階振蕩將形成負電平脈沖，而負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，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)計主要是要考慮以下三個因素：

　　(1)消除信號的抖動，確保按鍵電路輸出信號的平整;

　　(2)消除信號的下沖，因為下沖電平超出了后續(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，因此本文將重點闡述該消抖電路。

　　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，當按鍵沒有按下時，按鍵輸出高電平，當按鍵按下 時，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

　　當按鍵閉合時，其等效電路模型如圖4所示。當按鍵斷開時，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)某一時刻按鍵合上，在此之前按鍵斷開，整個電路處于穩(wěn)態(tài)，即各個電容和電感上沒有電流流動。此時輸出電壓U =u0 =VCC ×R (R +Ri)。則根據(jù)圖4整個電路可列出以下微分方程：

　　圖4 按鍵閉合時等效電路模型

　　圖5 按鍵斷開時等效電路模型

　　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)進行拉普拉斯變換后可得：

　　將上式運用留數(shù)定理分解可得：

　　設(shè)某一時刻按鍵斷開，在此之前按鍵閉合，整個電路處于穩(wěn)態(tài)，即各個電容和電感上沒有電流流動。此時輸出電壓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)時按鍵閉合的輸出電壓u(t)的時域響應(yīng)。

　　根據(jù)拉普拉斯變換的初值定理和終值定理，可得到：