按鍵消抖電路瞬態設計及分析

　　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量少的優點，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，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線上。

　　硬件消抖電路的設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，具有電路結構簡單可靠的優點，因此本文將重點闡述該消抖電路。

　　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，通過導線連接到主控板上，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為連接按鍵導線的電阻，L為導線電感，C0為導線對地電容，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，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 按鍵消抖電路數學模型

　　設某一時刻按鍵合上，在此之前按鍵斷開，整個電路處于穩態，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：

　　將上式運用留數定理分解可得：

　　設某一時刻按鍵斷開，在此之前按鍵閉合，整個電路處于穩態，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)。根據圖5可列出以下微分方程：

　　3 按鍵電路瞬態分析

　　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態時按鍵閉合的輸出電壓u(t)的時域響應。

　　根據拉普拉斯變換的初值定理和終值定理，可得到：