按键消抖电路瞬态设计及分析

　　按键是仪器仪表中普遍采用的人机输入接口电路。在按键电路中必须考虑对按键的抖动进行软件消抖和硬件消抖。

　　消抖具有使用硬件数量少的优点，但也具有以下两个缺点：

　　(1)在仪器键盘电路中，多个按键安装在仪器面板上，键盘的输出通过排线连接到主控板上，此时键盘导线寄生电感和寄生电容的存在，寄生电感寄生电容和排线电阻将组成二阶振荡系统，二阶振荡将形成负电平脉冲，而负电平脉冲很容易超出数字芯片的输入最大允许电平范围，导致数字芯片容易损坏。

　　(2)按键闭合和断开时，电压信号下降沿非常陡峭，剧烈变化的电压信号将通过互容传递到相邻导线上。

　　硬件消抖电路的设计主要是要考虑以下三个因素：

　　(1)消除信号的抖动，确保按键电路输出信号的平整;

　　(2)消除信号的下冲，因为下冲电平超出了后续数字芯片的最大输入电平范围;

　　(3)降低信号变化的速度，避免在邻线上引起容性串扰;

　　(4)不影响按键电路的正常功能。

　　常见的硬件消抖电路包括电容滤波消抖和触发器消抖。电容滤波消抖采用电阻和电容组成低通滤波器，具有电路结构简单可靠的优点，因此本文将重点阐述该消抖电路。

　　1 按键消抖电路结构与电路模型

　　图1为某仪器按键电路原理图，按键安装在仪器面板上，通过导线连接到主控板上，按键的一端接上拉电阻并连接后续电路，按键的另一端接地，当按键没有按下时，按键输出高电平，当按键按下 时，按键输出低电平。图2为加上滤波电容后的按键电路。

　　图1 某仪器按键电路

　　图2 按键消抖电路

　　图3为按键消抖电路的电路模型。图中R0为连接按键导线的电阻，L为导线电感，C0为导线对地电容，Cf为滤波电容，Cp为按键后续电路的输入电容，Ri为按键后续电路的输入阻抗，R 为上拉电阻，VCC为电源电压，U为按键消抖电路的输出电压。

　　图3 按键消抖电路的电路模型

　　当按键闭合时，其等效电路模型如图4所示。当按键断开时，其等效电路模型如图5所示。

　　2 按键消抖电路数学模型

　　设某一时刻按键合上，在此之前按键断开，整个电路处于稳态，即各个电容和电感上没有电流流动。此时输出电压U =u0 =VCC ×R (R +Ri)。则根据图4整个电路可列出以下微分方程：

　　图4 按键闭合时等效电路模型

　　图5 按键断开时等效电路模型

　　式中：i0为L 所在支路的电流;C 为C0,Cf和 Cp的等效电容，C 为三者之和。

　　(1)、式(2)进行拉普拉斯变换后可得：

　　将上式运用留数定理分解可得：

　　设某一时刻按键断开，在此之前按键闭合，整个电路处于稳态，即各个电容和电感上没有电流流动。此时输出电压U=u0=VCC × Ri R0 (RRi +R0 Ri +RR0)。根据图5可列出以下微分方程：

　　3 按键电路瞬态分析

　　对式(5)进行拉普拉斯反变换便可得到按键断开电路处于稳态时按键闭合的输出电压u(t)的时域响应。

　　根据拉普拉斯变换的初值定理和终值定理，可得到：