無(wú)抖動(dòng)開關(guān)的研究與設(shè)計(jì)

黃秋萍，王漢祥，李富華

（蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215021）

1 引言

數(shù)據(jù)常常通過人工操作開關(guān)的方式進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)。這些開關(guān)有很多形式，從計(jì)算機(jī)鍵盤的單個(gè)按鍵下的彈簧觸點(diǎn)到數(shù)控機(jī)床上的按鈕開關(guān)。所有這些機(jī)械開關(guān)的通用特性是當(dāng)動(dòng)作時(shí)它們的彈簧觸點(diǎn)有抖動(dòng)的趨勢(shì)，從而引起持續(xù)幾毫秒的短時(shí)間的接觸和斷開。

在給定系統(tǒng)中，如果閉合的電氣開關(guān)代表邏輯1，而斷開的觸點(diǎn)代表邏輯0，接觸抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。因?yàn)楫?dāng)想要一個(gè)單獨(dú)的1時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生多個(gè)1和0，所以必須在開關(guān)輸入端設(shè)計(jì)防抖動(dòng)電路以防止問題的發(fā)生。

2 簡(jiǎn)單防抖動(dòng)電路

可將鎖存器作為圖1所示的非常方便的防抖動(dòng)電路。

當(dāng)圖1所示的開關(guān)打在上邊的位置時(shí)，電壓V（相當(dāng)于邏輯1）被加到S的輸入上，沒有電流流進(jìn)下面的電阻，輸入R將對(duì)應(yīng)于邏輯0的接地電位，相當(dāng)于S=1，R=0；同理打在下邊的位置時(shí)，相當(dāng)于S=0，R=1；在撥動(dòng)過程中相當(dāng)于S=0，R=0；具體仿真波形見圖2。

圖2中S高電平前后的小毛刺模擬“抖動(dòng)”，由圖可見Q信號(hào)上已無(wú)抖動(dòng)。但這是一種理想情況，當(dāng)S抖動(dòng)時(shí)R保持為低電平，如果開關(guān)從S打向R時(shí)，S和R同時(shí)發(fā)生抖動(dòng)，其結(jié)果見圖3。

由圖3可見，抖動(dòng)并未被完全消除。

3 RC防抖動(dòng)電路

利用RC積分電路來達(dá)成雜波的濾除與波形修整的電路，如圖4所示。在S1按下的瞬間由于接觸彈跳的關(guān)系，會(huì)使A點(diǎn)電壓呈現(xiàn)高速的斷續(xù)現(xiàn)象，在S1斷開時(shí)亦然，如圖5所示。然而由于電容兩端電壓需由電壓經(jīng)電阻慢慢充電才會(huì)上升，使得B點(diǎn)電位緩步上升；S1斷開時(shí)，電容電壓經(jīng)R 放電，使B 點(diǎn)電壓緩緩下降。此變化經(jīng)史密特反相修整后，可得到標(biāo)準(zhǔn)負(fù)脈沖波輸出。

該電路確實(shí)消除了抖動(dòng)現(xiàn)象，但必須用到電阻、電容和史密特觸發(fā)器，若用在模擬電路中，能與模擬電路的工藝兼容；但在數(shù)字電路中就不便于集成，即使能集成，所占的版圖面積也較大，下面要介紹的是適合于FPGA實(shí)現(xiàn)的防抖電路。

4 用觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的防抖電路

由于FPGA內(nèi)富含觸發(fā)器，所以該電路用了四個(gè)D型觸發(fā)器和一個(gè)RS觸發(fā)器，電路上半部分為消抖電路，下半部分為微分電路。

4.1 消抖電路

Key_press信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)D觸發(fā)器延時(shí)處理后（第一級(jí)D觸發(fā)器的同步功效大于延時(shí)，所以為了使延時(shí)時(shí)間準(zhǔn)確，延時(shí)電路必須有兩級(jí)），再用RS觸發(fā)器進(jìn)行處理。

假設(shè)一般人的按鍵速度是10次/s，亦即按鍵時(shí)間是100ms，所以按下的時(shí)間可估算為50ms，如果取樣信號(hào)clk_div頻率為10ms（100Hz），則可取樣5次。對(duì)于不穩(wěn)定的噪聲在5ms以下，則至多可取樣一次。RS觸發(fā)器前接上與門后，則RS的組態(tài)為：（1）S=0，R=0，pulse不變；（2）S=1，R=0，pulse=1；（3）S=0，R=1，pulse=0，即必須抽樣到兩次1（認(rèn)為是穩(wěn)定地按下按鍵）才會(huì)輸出1，兩次0（認(rèn)為是穩(wěn)定地放掉按鍵）才會(huì)輸出0，該部分電路已可完成消抖的功能。

4.2 微分電路

為了避免因信號(hào)長(zhǎng)度不同而使計(jì)數(shù)器產(chǎn)生錯(cuò)誤，再接一級(jí)微分電路，然后才接至計(jì)數(shù)器電路，電路的仿真波形如圖7所示。從pulse波形可以發(fā)現(xiàn)，由外部輸入類似按鍵的Key_press信號(hào)的前后噪聲都被消除掉了；而且再經(jīng)過一次微分后，輸出信號(hào)single_pulse高電平的寬度只有一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期。

該電路適用于FPGA實(shí)現(xiàn)的芯片設(shè)計(jì)，因FPGA內(nèi)富含觸發(fā)器，若是ASIC則要制版流片，成本太高且占用了太多的芯片面積，下面要介紹的是適用于ASIC的節(jié)省面積的消抖電路。

5 由RS鎖存器構(gòu)建的防抖電路

此電路結(jié)構(gòu)與圖1、圖4的防抖動(dòng)電路有部分相似，在這兩個(gè)電路基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，詳見圖8，對(duì)此電路做一簡(jiǎn)單仿真，似乎并不能起消抖的作用，仿真波形見圖9。

對(duì)圖8在CSMC 0.8μm工藝模型下做瞬態(tài)分析可以得到如圖10的波形圖。

從圖10可知，當(dāng)高低電平變化間隔時(shí)間小于6ns時(shí)，輸出將一直保持高電平，這便意味著該電路能消除6ns以下的抖動(dòng)，大于6ns的抖動(dòng)將不能被消除。

另外，靠近S端的兩個(gè)反相器的寬長(zhǎng)比的設(shè)置要特別注意，N管的寬長(zhǎng)比要大于P管的，通過調(diào)節(jié)寬長(zhǎng)比可以微調(diào)防抖動(dòng)時(shí)間。

6 結(jié)論

文章對(duì)四種防抖動(dòng)開關(guān)電路進(jìn)行了分析和仿真，這四種電路各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要分別選用。

［1］James Palmer,David Perlman.Schaum’s Outlines Introduction to Digital Systems[M]. American,McGraw Hill companies,Inc.1993.148.

［2］周潤(rùn)景，圖雅，張麗敏.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2007.380-381.

［3］ 唐光明.基于中斷技術(shù)的開關(guān)軟件消抖算法[J].現(xiàn)代機(jī)械，2006（3）：107-108.

［4］邢遠(yuǎn)秀，陳姚節(jié).鍵盤消抖電路的研究與分析[J].中國(guó)科技信息，2008（1）：67-68.

［5］曾旎，奚大順，李向陽(yáng).按鍵開關(guān)的抖動(dòng)與消除方法[J].電子世界，2005（9）：55-56.