基于滯回比較器的單刀觸發(fā)開關(guān)

崔建國(guó)，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

單刀按鈕開關(guān)很容易實(shí)現(xiàn)按通按斷的開關(guān)作用，因此在模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計(jì)或應(yīng)用中，單刀觸發(fā)開關(guān)(按鈕)的應(yīng)用非常普遍，比如觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路、復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生電路等的應(yīng)用中，都利用了單刀觸發(fā)開關(guān)或按鈕。

通常的按鈕所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，機(jī)械觸發(fā)開關(guān)很容易產(chǎn)生開關(guān)波動(dòng)現(xiàn)象，所謂開關(guān)波動(dòng)是指當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下子斷開，因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，這一連串的抖動(dòng)相當(dāng)于一系列的脈沖，而不是我們所需要的單一的脈沖,這種開關(guān)波動(dòng)現(xiàn)象在所有的機(jī)械開關(guān)中都普遍存在著。為了不產(chǎn)生這種現(xiàn)象而作的措施就是按鍵消抖[1]。

比如計(jì)算機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)中，由于鍵抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被誤讀多次，為確保CPU對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動(dòng)。一般電路設(shè)計(jì)人員所采取的措施就是按鍵消抖，按鍵消抖電路就起這個(gè)作用：即在鍵閉合穩(wěn)定時(shí)讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。

設(shè)計(jì)一種基于滯回比較器的單刀觸發(fā)電子開關(guān)，利用滯回比較器的“慣性”特征，可以消除機(jī)械按鈕普遍存在的開關(guān)波動(dòng)現(xiàn)象，在觸發(fā)電路或復(fù)位電路里使用這種電子觸發(fā)按鈕，可以使電路的控制更精準(zhǔn)。

1 滯回比較器的特點(diǎn)

滯回比較器是相對(duì)于單限比較器而言的，由于單限比較器的輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來源于輸入信號(hào)還是外部干擾。

因此雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力較差，滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，因而也就具有一定的抗干擾能力。

滯回比較器電路具有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓uI從小到大過程中使輸出電壓uO產(chǎn)生躍變的閾值電壓UT+，不等于從大變小過程中使輸出電壓uO產(chǎn)生躍變的閾值電壓UT-，電路具有滯回特性，滯回比較器的兩個(gè)閾值電壓差值的絕對(duì)值成為回差電壓△UT，△UT越大，抗干擾能力越強(qiáng)，但靈敏度越差，需視應(yīng)用場(chǎng)合合理設(shè)定[2]。

滯回比較器與單限比較器的相同之處在于：當(dāng)輸入電壓向單一方向變化時(shí)，輸出電壓只躍變一次，而窗口比較器要躍變兩次。圖1是某滯回比較器的電壓傳輸特性。

圖1 滯回比較器的電壓傳輸特性

2 基于滯回比較器的單刀觸發(fā)開關(guān)

機(jī)械觸發(fā)開關(guān)容易產(chǎn)生開關(guān)波動(dòng)，而本設(shè)計(jì)在這方面是比較獨(dú)特的，它只用一個(gè)運(yùn)算放大器就可以實(shí)現(xiàn)這種觸發(fā)功能，且完全消除了開關(guān)波動(dòng)現(xiàn)象，這時(shí)運(yùn)算放大器工作于滯回比較器工作方式，電氣原理如圖2所示。

圖2 基于滯回比較器的單刀觸發(fā)開關(guān)

從圖2可以看到，該觸發(fā)開關(guān)線路包括運(yùn)算放大器電路、正反饋電阻電路、電容電路、電容充電電壓產(chǎn)生電路、機(jī)械單刀觸發(fā)開關(guān)電路等。

2.1 由運(yùn)放A1引入正反饋電阻構(gòu)成滯回比較器

本設(shè)計(jì)的核心電路是運(yùn)算放大器A1電路，理想運(yùn)算放大器的增益(放大倍數(shù))非常高，這意味著理想運(yùn)放的輸出可方便地變高(+UB或邏輯“1”)或變低(—UB或邏輯“0”)，理想運(yùn)放A1沒有反饋電阻時(shí)，工作于單限比較器狀態(tài)，這不是我們所需要的。

實(shí)際上，由于運(yùn)放A1不可能是真正意義的理想運(yùn)算放大器，故其開環(huán)差模增益不是無窮大，只有當(dāng)它的差模輸入電壓足夠大時(shí)，輸出電壓才為±UB。輸出電壓在從+UB變?yōu)?UB或從-UB變?yōu)?UB的過程中，隨著輸入電壓的變化，將經(jīng)過線性區(qū)，并需要一定的時(shí)間[3]。

將運(yùn)放A1的輸出端與同相輸入端之間引入一個(gè)反饋電阻R4，由瞬時(shí)極性法可判斷該反饋模式為正反饋，此時(shí)A1工作于滯回比較器模式，滯回比較器通過引入正反饋，加快了輸出電壓的轉(zhuǎn)換速度，當(dāng)uO=+UB、uP=UT+時(shí)，只要輸入電壓再增加一個(gè)無窮小電壓，即uI略大于UT+時(shí)，就足以引起輸出電壓uO的下降，就會(huì)產(chǎn)生如下的正反饋過程：

uO↓→uP↓

強(qiáng)烈的正反饋使uO的下降導(dǎo)致uP下降，而uP下降又使得uO進(jìn)一步下降，反饋的結(jié)果使uO迅速變?yōu)?UB，消除了中間線性區(qū)域，從而獲得較為理想的電壓傳輸特性。

同理，uP=UT-時(shí)，只要輸入電壓再減小一個(gè)無窮小電壓，即uI略小于UT-時(shí)，就足以引起輸出電壓uO的再一次反轉(zhuǎn)。

令uN=uP，求出的uI就是閾值電壓，由此得出：

其中：UB為運(yùn)放輸出電壓，分為±UB兩種情形；UT+為上升沿閾值；UT-為下降沿閾值，電壓?jiǎn)挝环兀娮鑶挝粴W姆。

至于運(yùn)放輸出電壓到底是+UB，還是-UB，取決于基于滯回比較器的單刀觸發(fā)開關(guān)的狀態(tài)，機(jī)械開關(guān)S1沒有按下時(shí)，單刀觸發(fā)開關(guān)處于初始狀態(tài)，輸出為邏輯“0”，即-UB；S1按下時(shí)，單刀觸發(fā)開關(guān)由初始狀態(tài)反轉(zhuǎn)為邏輯“1”，即+UB，故以上求閾值UT±公式中，輸出電壓UB的極性要隨單刀觸發(fā)開關(guān)的狀態(tài)變化而定，這是要十分注意的一點(diǎn)。

2.2 單刀觸發(fā)電子開關(guān)

當(dāng)?shù)谝淮伍]合機(jī)械按鈕S1時(shí)，電容器C1便接到運(yùn)放A1的反相輸入端，假定A1輸出初始狀態(tài)為邏輯“0”，由于電容端電壓不能突變的特性，機(jī)械按鈕S1按下瞬時(shí)，A1反相端輸入電壓低于此時(shí)滯回比較器的下降沿閾值UT-(注意此時(shí)的運(yùn)放輸出為-UB，)，該運(yùn)算放大器A1輸出立即改變狀態(tài)變?yōu)檫壿嫛?”，即輸出為+UB，電容C1則開始通過電阻R1充電。

當(dāng)S1放開時(shí)，電容C1將通過電阻R1連續(xù)充電，其值可高達(dá)+UB，現(xiàn)在由于斷開S1，電容C1不再與運(yùn)放A1相連接，電容器C1上的運(yùn)放輸出信息保留了下來，并且由于開關(guān)斷開，A1反相端電壓仍然不可能超過滯回比較器此時(shí)的上升沿閾值UT+，A1輸出仍然保持邏輯“1”。

如果S1第二次閉合，充滿電的電容器兩端的邏輯“1”，就會(huì)出現(xiàn)在運(yùn)放A1的反相輸入端，在這瞬間A1的反相端電壓超過了滯回比較器的上升沿閾值UT+，強(qiáng)烈的正反饋使A1的輸出反轉(zhuǎn)為邏輯“0”，即A1輸出“-UB”，運(yùn)算放大器又回到了初始狀態(tài)。

A1的輸出反轉(zhuǎn)的同時(shí)，電容C1通過電阻R2放電,并且由A1輸出端通過電阻R1向其反向充電，如果開關(guān)不松開，電容C1上的電壓絕對(duì)值無論如何不可能超過0.01UB，故此時(shí)A1的反相端電壓不可能低于滯回比較器此時(shí)的下降沿閾值UT-(注意此時(shí)UT—為負(fù)值)，運(yùn)放輸出保持初始狀態(tài)不變。

開關(guān)S1松開，電容C1上電壓雖然充電到-UB，但由于此時(shí)開關(guān)斷開，該電壓不再連接運(yùn)放反相輸入端，故運(yùn)放輸出保持初始狀態(tài)“0”不變。

開關(guān)S1如果第三次閉合，單刀觸發(fā)開關(guān)將再一次重復(fù)第一次開關(guān)閉合時(shí)的變化過程，以此類推、循環(huán)往復(fù)，輸出一個(gè)幾乎沒有抖動(dòng)的開關(guān)觸發(fā)信號(hào)。

3 注意

1) 注意阻容網(wǎng)絡(luò)電容C1容量、電阻R1阻值等參數(shù)的選擇，充放電時(shí)間常數(shù)τ(τ=R1C1)大小非常重要，如果電容容量過小、或者電阻R1阻值過小，導(dǎo)致充電時(shí)間過短，機(jī)械開關(guān)抖動(dòng)的頻率的倒數(shù)(即周期)與電容充電時(shí)間大致相當(dāng)，那么開關(guān)S1的機(jī)械抖動(dòng)仍然會(huì)改變運(yùn)放A1的輸出邏輯值[4]。

因此，只有時(shí)間常數(shù)τ的選擇遠(yuǎn)大于機(jī)械抖動(dòng)的周期，開關(guān)機(jī)械抖動(dòng)將不會(huì)影響此單刀觸發(fā)開關(guān)的狀態(tài)。

2) 必須記住，當(dāng)運(yùn)算放大器所用的電源不對(duì)稱時(shí)，電阻R2/R3的連接點(diǎn)絕對(duì)不能接地，但是要接到正負(fù)電源的中點(diǎn)電平(1/2UB).由一對(duì)電阻構(gòu)成的分壓器已足能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)利用滯回比較器所特有的較強(qiáng)的抗干擾能力，使機(jī)械觸發(fā)開關(guān)的機(jī)械抖動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的電壓變化不可能高于或低于相應(yīng)的閾值電壓，使本設(shè)計(jì)基于滯回比較器的單刀觸發(fā)開關(guān)的輸出信號(hào)邏輯值，不可能由于機(jī)械抖動(dòng)而造成邏輯反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了較穩(wěn)定且單一的觸發(fā)脈沖，本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、思路巧妙，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)消抖手段技術(shù)的不足。