按键消抖电路瞬态分析和设计

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1、按键消抖电路瞬态分析和设计按键是仪器仪表屮普遍采用的人机输入接U电路。在按键电路屮必须考虑对按键的抖动进行软件消抖和硬件消抖。软件消抖具有使用硬件数量少的优点，似也具有以K两个缺点：（1）在仪器键盘电路中，多个按键安装在仪器而板上，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界的存在，寄生电感寄生电科和排线电阻将组成一.阶振荡系统，二阶振荡将形成负电平脉冲，而负电T脉冲很容易超出数字芯片的输入最人允许电平范围，导致数字芯片容易损坏。（2）按键闭合和断开吋，屯压信号下降沿非常陡峭

2、，剧烈变化的电压信号将通过互容传递到和邻导线上。硬件消抖电路的设计主要是要考虑以卜‘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K冲，因为下冲电乎超出了•续数字芯片的最人输入电平范昨h（3）降低信号变化的速度，避免在邻线上引起界性串扰;（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。电容滤波消抖采用屯阻和电容组成低通滤波器，ft有屯路结构简单可靠的优/、•:，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

3、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丼连接后续电路，按键的另一端接地，当按键没有按下吋，按键输出®电平，当按键按卜吋，按键输出低电平。图2为加上滤波电容后的按键电路。图2按键消抖电路阁3为按键消抖电路的电路模型。阁中R。为连接按键导线的电阻，L为导线电感，C。为导线对地电各，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阯抗，R为上拉电阻，Vo：为电源电压,U为按键消抖电路的输出电压。陶3按键消抖电路的电路模型当按键闭合吋，其等效

4、电路模型如图4所示。当按键断开吋，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吋刻按键合上，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冇电流流动。此时输出电压U=uQ=VCCxR(R+Rj)。则根据图4整个电路可列出以下微分方程：⑴LL_J1(0二=r=LJGND<5▽/£/4按键M合吋等效电路模耶图5按键断开时等效电路模型式中：b为L所在支路的电流；C为CQ，Cf和Cp的等效电界，C为三者之和。对式(1)式(2)进行拉普拉斯变换后可得：KxA;州=⑽+娜)-Cu0+^-

5、0)KKLsf0(s)-/io(0)+=U(s)(4)由于fo(0)=0,所以由式⑷可得：r<5.将其代入式⑶中，可得:(7(5)=什丄•SCu0Rlx+(Cu0R/i0+ccL)s+VCCR,KKLCs2^(RKKqC^RL^RL]s^KR^KK^KHq将上式运川留数定理分解hJ•得:Bs+L>(5).4=«=式中:KH^KKCuaKL-AKHLCm

6、键断开，仵此之前按键闭合，整个电路处r稳态，即各个电容和也感.1•.没有也流流动。此时输出电压0=脚=70^

7、^0(1^+%氏+1^0)。根据图5可列出以下微分方程:Vcc^U_cd(J+U式中(:为G,G和G的等效电容,c为三者之和。对上式进行拉普拉斯变換可得到：=CSU(s、•(:u0+对上式整理后可得:HKCs+尺+W/r=KR.C7fT«将上式运用留数定理分解可得:ftyg：(9)Rt+R叫ur.YKKCkTr3按键电路瞬态分析对忒(5)进彳y•拉普拉斯反变换便可得到按键断开电路处于稳态

8、吋按键闭合的输出电压u(t)的时域响应。Bs、二K(WO32+2^0)^+/)山+2£(oas+(x)^根裾拉普拉斯变换的初位定理和终位定理，可得到:=/<(t+CuJiL-AHHLC_RHLC~}=HKR^RH^RtKa式⑸的时域响应为典型的二阶系统时域响应，当f、于丨时,其时域响应为衰减搌荡，衰减子为＜，，振荡频率为coj-e＞振荡就会产生下冲，一次下冲持续时间取决于振荡频率。当《大于I时，时域响应为单调袞减,整个过程没有下冲。因此消抖电路设计的一个目的就是要使大于1。对式(6)进行拉普拉

9、斯反变换便可得到按键闭合电路处于稳态时按键断丌的输出电n;u(t)的吋域响应。对式(6)进行拉普拉斯反变换便可得到按键闭合电路处于稳态吋按键断开的输出电压u(t)的时域响应。咧，KKtCu0-A.KKC一KKC=Wn針CCR+/C式(6)的吋域响应为电容充电的时域响应，其响应过程为单调上升，其上升时间为2.2T，充电时间常数T等于ReC，Re*RjUR的并联。T越火卜.升时间越大，上升时间过大将影响按键的正常使用。按键按下一次的持续时间约为0.01~0.1s，W此消抖电路将上升时M调整到500p