关于机械开关硬件消抖电路设计
摘要：通过分析机械开关产生抖动的原因和可能造成的影响，电力论文范文指出了设计机械开关消抖电路的必要性，给出了三种硬件消抖电路的设计方法，电路简单，工作稳定可靠，可在数字电路设计中广泛使用。
关键词：机械开关 抖动 消抖电路 简单 可靠
0引言
机械开关是数字电路中经常使用的一种开关器件，在许多数字电子系统中，都要通过机械开关与传感器或人工操作设备发生联系，由机械触点实现开关的闭合与断开。机械开关的种类很多，按照其作用不同可分为按钮开关、触发开关和旋转式开关。按钮开关常用在手动输入时钟、时钟启动·停止的触发电路等场合。触发开关常用在频繁地切换“H”、“L”输入的场合。也可用在手动设置地址或数据的场合。旋转式开关常用在预先设置数据或从多个输入数据中选择其中之一的场合。按照其触点多少可分为单刀单掷开关和单刀双掷开关等。按照其经常所处的状态可分为常开开关和常闭开关。机械开关是靠弹簧力接触的。在断开接触时没有什么问题，但是反过来在接触时由于弹簧力的反作用，在接触的瞬间会离开接点，然后经过多次跳动最后才能稳定下来。因此，在开关处于悬空状态和接触状态之间就产生了噪声（如图1所示），将其称为抖动。图1机械开关产生抖动的机理这些抖动持续的时间很短，在几十毫秒以内，一般为5ms～10ms，不易被使用者发现。但如果将这样产生的vo直接送入后级门电路中，有可能会对后级门电路的输出造成影响。假设将图1中的vo直接送入一个反相器后我们来观察它的输出（如图2所示）。图2机械开关噪声送入后级反相器时的情况门电路输入的究竟是高电平还是低电平是由门电路的阈值电压决定的。对于TTL电路阈值电压约为1.2V，对于CMOS电路阈值电压约为2.5V。高于阈值电压的输入为高电平，低于阈值电压的输入则为低电平。因此，当带有噪声的vo加在该反相器的输入端时，就会在其输出端产生一些窄脉冲。若这样的脉冲进入后级电路，原来按一次开关产生一个输入脉冲的电路，则会变成按一次会产生好几个脉冲。这样就可能造成后级电路的误动作。使用中这种情况是不能允许的。但如果是在使用时不需要利用输入脉冲边沿时刻的场合，即使产生噪声也不会带来什么问题。因此采取措施消除机械开关的抖动在实际应用中是很有必要的。消除机械开关抖动的目的是去除由于噪声产生的抖动脉冲。
1硬件消除抖动的方法消除机械开关的抖动有软件和硬件两种方法，硬件法适合于开关数目较少的场合；软件法适合于开关数目较多的场合。一般软件编程的思路是：当检测出开关闭合后，执行一个延时程序，产生5ms～10ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测开关的状态，若仍保持闭合状态电平，则确认为真正有开关按下。当检测到开关断开后，也要给出5ms～10ms的延时，等待后沿抖动消失后才能转入该开关状态决定的处理程序。本文中主要讨论硬件去除抖动的方法。在此主要介绍三种硬件去抖电路。
1.1使用基本RS触发器图3（a）所示为一由基本RS触发器构成的消抖动电路，该基本RS触发器由两个与非门构成。与非门可以选择74LS00。（a）电路连接图（b）输出波形图图3用基本RS触发器构成的消抖动电路单刀双掷开关的B点与基本RS触发器的RD端相连，A点与SD端相连。基本RS触发器的输出Q作为整个开关电路的输出。假设开关原来与B点接通，RD为0，SD为1，触发器置0，Q=0。当将开关由B拨向A的过程中，有一短暂瞬间，离开B还没到A，RD、SD均为1，触发器保持，Q不变。当开关与A点闭合瞬间，此时的B点已为高电平,RD便为1，即使A点出现抖动，只要在A点出现低电平，SD便为0，RD为1，触发器置1，Q=1。即使由于抖动在A点产生了高电平，触发器的状态依然能保持原来的1状态不变。输出波形图如图图3（b）所示。同理，当将开关由A拨向B的过程中，只要在B点出现低电平，Q就为0。这样，当开关与A点闭合时，Q端输出的是稳定的高电平，当开关与B点闭合，Q端输出的是稳定的低电平。从而消除了抖动现象。用或非门构成的基本RS触发器也可达到消除抖动的效果。通过这种开关电路加基本RS触发器的电路，可以起到不产生噪声的效果。
1.2使用RC电路通过利用电容器和电阻对噪声波形积分。可以吸收因触点跳动产生的噪声。具体电路如图4所示，图4（a）是按下开关后输出高电平的电路，图4（b）是按下开关后输出低电平的电路。（a）高电平输出（b）低电平输出图4用RC电路+施密特触发器构成的消抖动电路以图4（a）电路为例分析其消抖原理。图4（a）电路中，当开关K断开时，电容器充电，最大充电到+5V，输出vo为低电平。当开关K闭合时,电容器通过开关K到地迅速放电到0V，此时输出变为高电平。当开关抖动时，电容器将多次充电，缓慢充到高电平，再迅速放电到0V。充电时间常数RC足够大，当开关抖回到闭合位置前，电容器没有机会再充到施密特触发器的正向阈值电压以上，使得输出vo保持为高电平。当开关重新断开时，电容器总是可以充到+5V。当它超过施密特触发器的正向阈值电压时，输出vo变为低电平。如图5所示。这样，虽然开关在闭合时发生了抖动，但只要闭合一次开关，输出端处只得到一个单脉冲。图5图4（a）电路消抖原理图4（b）电路中，施密特反相器的输入端是通过一个10kΩ的电阻接地，因此，在选择反相器时使用TTL电路不能够确保一定输出低电平，由TTL电路输入端负载特性很容易知道其原因。因此，该电路是CMOS专用电路。为了保证电路工作更可靠，图4电路中使用的反相器可选用施密特反相器7414或74HC14。
1.3使用单稳态触发器通过555定时器组成的单稳态触发器同样可以消除开关的抖动。电路如图6所示。（a）电路连接图（b）输出波形图图6用单稳态触发器构成的消抖动电路输出端vo平时为低电平，当有输入脉冲vi下降沿到来时，翻转为高电平，此时电源通过R对C充电，当电容C上的电压充到2／3VCC时，555定时器内部放电管导通，C通过放电管迅速放电，输出端vo翻转为低电平。在电容两端电压从0V上升到2／3VCC过程中，输出端一直保持高电平，此时即使输入端有抖动脉冲输入。输出端也保持不变。通过合理选择暂稳态时间Td，就能达到防抖动的效果。Td=1.1RC。若想开关按得快些，可缩短暂稳态时间Td，但按下开关的时间不能超过Td，否则还是会有抖动。2结束语在数字电路设计中经常应用开关来获取数据，而由于机械开关本身的特性导致会产生噪声，为了保证通过开关后取出的数据不至于使后级电路发生误动作，设计时就必须考虑机械开关防抖动电路的设计。本文主要从硬件设计方面介绍了三种防抖动电路，从具体电路出发，分析了每种电路消除抖动的原理，这些电路可以用来防止和消除产生的噪声。电路设计均比较简单，工作稳定可靠，可以在数字电路设计中广泛使用。
参考文献
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