在電氣和電子工程中，開關(guān)是一種能夠“接合”或“斷開”電路的組件，從而中斷電流或?qū)㈦娏鲝囊粋€(gè)導(dǎo)體轉(zhuǎn)到另一個(gè)導(dǎo)體。正如工程師們所知，開關(guān)有許多不同的類型，包括撥動(dòng)開關(guān)、搖臂開關(guān)、按鈕開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)和限位開關(guān)、磁性開關(guān)和磁簧開關(guān)以及繼電器等。所有開關(guān)都有一個(gè)共同點(diǎn)：就是有抖動(dòng)。這就是它們的工作方式。

 

通常情況下，這種抖動(dòng)對電路幾乎沒有影響，但如果是數(shù)字電路，只要速度足夠快，就能檢測到多次抖動(dòng)并對之作出響應(yīng)，并因此造成嚴(yán)重后果。工程師的任務(wù)就是要避免或減輕這種抖動(dòng)的影響，或者給開關(guān)“去抖動(dòng)”。雖然業(yè)界長期以來一直都在采取硬件去抖動(dòng)，但直到最近才轉(zhuǎn)向基于軟件的去抖動(dòng)方式。然而，在某些情況下，硬件去抖動(dòng)是更好的選擇。

 

本文解釋了什么是抖動(dòng)，并討論了去抖動(dòng)的軟件和硬件方法。然后用實(shí)例證明硬件去抖動(dòng)是更好的選擇，并闡述如何實(shí)現(xiàn)該方法。最后以來自 NKK Switches、ON Semiconductor、Texas Instruments、Maxim Integrated 和 LogiSwitch 等公司的產(chǎn)品為例，展示了幾個(gè)具體的開關(guān)器件和硬件去抖動(dòng)組件。

 

什么是開關(guān)抖動(dòng)？

 

當(dāng)開關(guān)或繼電器翻轉(zhuǎn)或撥動(dòng)，或者每次設(shè)備改變狀態(tài)時(shí)，人們通常視之為瞬間單一反應(yīng)，但實(shí)際上可能涉及 100 個(gè)以上的接合或斷開動(dòng)作，這些動(dòng)作持續(xù)幾千分之一秒，最后接觸才會(huì)穩(wěn)定下來。

 

例如像 NKK 的 M2011SS1W01 這樣的單刀單擲 (SPST) 常開 (NO) 面板安裝撥動(dòng)開關(guān)。假設(shè)該開關(guān)的一側(cè)（可視為輸入端）連接到地（0 伏），而另一側(cè)（在本例中為輸出端）通過上拉電阻 (R1) 連接到 5 伏電源（顯示為 +ve）（圖 1）。

觀察到開關(guān)抖動(dòng)在開關(guān)啟動(dòng)（閉合）和停用（打開）時(shí)都可能發(fā)生。有時(shí)抖動(dòng)可能會(huì)全程跨越兩個(gè)電源軌，即不是邏輯 0 就是邏輯 1 狀態(tài)。在這種情況下，這些都是“干凈”的抖動(dòng)。相比之下，如果信號(hào)只達(dá)到一個(gè)中間電壓，這些被稱為“臟”抖動(dòng)。

 

對于像 NKK 的 M2012SS1W01-BC 這樣的單刀雙擲 (SPDT) 面板安裝撥動(dòng)開關(guān)，在常開 (NO) 和常閉 (NC) 端子上都可能發(fā)生抖動(dòng)（圖 2）。在這種情況下，為了簡單起見，只顯示了“干凈”的抖動(dòng)。

 

 

在許多情況下，這種信號(hào)抖動(dòng)持續(xù)是沒有影響的。當(dāng)一個(gè)開關(guān)連接到一個(gè)電子設(shè)備上時(shí)，如果這個(gè)設(shè)備的速度足夠快，可以檢測到多次抖動(dòng)并做出響應(yīng)，那么就會(huì)引起問題。需要做的是，在電子設(shè)備對開關(guān)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)前就對其進(jìn)行去抖動(dòng)。

 

軟件與硬件去抖動(dòng)比較

 

在 20 世紀(jì) 60 年代和 70 年代，開關(guān)去抖動(dòng)采用了各種硬件技術(shù)，從與 SPST 開關(guān)一起使用的簡單電阻電容 (RC) 延遲電路到更復(fù)雜的置位/復(fù)位 (SR) 鎖存器功能。

 

最近，由于許多系統(tǒng)都采用了微處理器單元 (MPU) 或微控制器單元 (MCU)，因此使用軟件技術(shù)來消除來自任何開關(guān)的信號(hào)已經(jīng)變得很普遍。然而，軟件去抖動(dòng)并不總是最好的方法。有一些采用小型、低性能、存儲(chǔ)空間有限的處理器的應(yīng)用，其代碼空間和/或時(shí)鐘周期有限，就無法實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)例程。在這些情況下，硬件實(shí)現(xiàn)可能是一個(gè)更好的解決方案。

 

另外，很多軟件開發(fā)人員對開關(guān)的物理特性并不熟悉，比如開關(guān)的去抖動(dòng)特性除了在不同的激活方式下會(huì)有不同的變化外，還可能受到溫度、濕度等環(huán)境條件的影響。

 

軟件開發(fā)人員缺乏開關(guān)專業(yè)技術(shù)，加上現(xiàn)有關(guān)于開關(guān)抖動(dòng)的文獻(xiàn)往往是混亂和矛盾的，進(jìn)一步加劇了這一問題的嚴(yán)重性。例如，我們通常讀到開關(guān)在激活或停用后 1 毫秒 (ms) 就會(huì)停止抖動(dòng)。然而，知名嵌入式系統(tǒng)專家 Jack Ganssle 對各種類型的開關(guān)進(jìn)行了實(shí)證測試，將每個(gè)開關(guān)激活 300 次，并記錄下了觸點(diǎn)打開和關(guān)閉的最小和最大抖動(dòng)量。據(jù)其報(bào)告記錄，平均抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間為 1.6 ms，最大抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間為 6.2 ms。一些工業(yè)和軍事“最佳實(shí)踐”建議在初始激活后等待 20 ms，然后再假設(shè)開關(guān)已經(jīng)停止抖動(dòng)；另一些人則主張?jiān)谧罱K檢測到抖動(dòng)后等待 20 毫秒再觸發(fā)任何動(dòng)作。

 

此外，還有很多簡單的無處理器的系統(tǒng)也需要消除開關(guān)抖動(dòng)。舉幾個(gè)這類系統(tǒng)的例子：驅(qū)動(dòng)七段式顯示器對來自繼電器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；用作門或閘電機(jī)控制裝置的555 單次定時(shí)器的觸發(fā)輸入；以及采用鍵控輸入的基于寄存器的有限狀態(tài)機(jī) (FSM)。還有電子微調(diào)電位器 (Pot)，其值是用開關(guān)輸入（加、減，有時(shí)是存儲(chǔ)）修改的，這時(shí)開關(guān)抖動(dòng)就會(huì)有問題。

 

所有這些例子都清楚地表明，掌握一些如何進(jìn)行硬件去抖動(dòng)的知識(shí)對任何設(shè)計(jì)人員或開發(fā)人員都是有用的。

 

用 RC 網(wǎng)絡(luò)對 SPST 開關(guān)進(jìn)行硬件去抖動(dòng)

 

一個(gè)最簡單的基于硬件的開關(guān)去抖動(dòng)方案就是將電阻電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)與 SPST 開關(guān)結(jié)合起來使用。這種電路有很多變型。其中一個(gè)較通用的實(shí)現(xiàn)方案是采用兩個(gè)電阻和一個(gè)二極管（圖 3）。

 

 

當(dāng)開關(guān)啟動(dòng)（閉合）時(shí)，電容 C1 通過電阻 R2 放電。如果這個(gè)電路中省略了二極管 D1，那么當(dāng)開關(guān)停用（打開）時(shí)，C1 將通過電阻 (R1 + R2) 充電。但是，D1 的存在意味著 C1 只能通過 R1 充電。

 

在某些情況下，人們只關(guān)注開關(guān)的激活（即觸發(fā)動(dòng)作發(fā)生），在這種情況下，D1 可以省略。但是，如果要在開關(guān)被激活和停用時(shí)觸發(fā)動(dòng)作，并且要考慮將延遲降到最低，建議增加 D1。

 

觀察電容器電壓 VC 所表現(xiàn)出的指數(shù)充放電曲線。將此信號(hào)直接送入下游數(shù)字邏輯功能的輸入端并不是一個(gè)好主意，因?yàn)橄掠螖?shù)字邏輯功能不會(huì)喜歡看到一個(gè)在“好”的邏輯 0 和邏輯 1 值之間的未定義區(qū)域徘徊的信號(hào)。相反，該信號(hào)應(yīng)被送入帶有施密特觸發(fā)器輸入的緩沖器的輸入端。此外，通常要使用反相緩沖器，如 Texas Instruments 的 CD74HC14M96 的一個(gè)通道，因?yàn)榉聪喙δ艿那袚Q速度比非反相功能快。

 

用 SR 鎖存器對 SPDT 開關(guān)進(jìn)行去抖動(dòng)

 

在 SPDT 開關(guān)情況下，常見的硬件去抖動(dòng)方案是采用 SR 鎖存器。自從 20 世紀(jì) 60 年代 IBM 等公司將這種技術(shù)應(yīng)用于大型計(jì)算機(jī)的開關(guān)面板后，這種方法就被認(rèn)為是簡單硬件去抖動(dòng)解決方案中的精華。這種鎖存器可以使用兩個(gè)背對背的雙輸入 NAND 門形成；例如，采用 Texas Instruments 的 SN74HC00DR 四路雙輸入 NAND IC 的兩個(gè)通道（圖 4）。

 

 

當(dāng)開關(guān)的 NC 端子接地時(shí)，如圖 4 上半部分所示，這將迫使門 g2 的輸出變?yōu)檫壿?1。反過來，門 g1 輸入端的兩個(gè)邏輯 1 又迫使其輸出端變?yōu)檫壿?0。相比之下，當(dāng)開關(guān)的 NO 端子接地時(shí)，如圖 4 下半部分所示，這就迫使門 g1 的輸出變?yōu)檫壿?1。反過來，門 g2 輸入端的兩個(gè)邏輯 1 又迫使其輸出端變?yōu)檫壿?0。

 

這個(gè)電路之所以工作得這么好，是因?yàn)楫?dāng)它的兩個(gè)輸入都處于不活動(dòng)的邏輯 1 狀態(tài)時(shí)，SR 鎖存器會(huì)記住它以前的值。請記住，如圖 2 所示，當(dāng)一個(gè) SPDT 開關(guān)被撥動(dòng)時(shí)，在該時(shí)刻，無論其哪一個(gè)端子接地，都會(huì)發(fā)生抖動(dòng)。由于這些抖動(dòng)信號(hào)在其原值（邏輯 0）和新值（邏輯 1）之間，所以對 SR 鎖存器的當(dāng)前狀態(tài)沒有影響。只有在這個(gè)端子停止抖動(dòng)后，其相對的端子才開始抖動(dòng)，此時(shí) SR 鎖存器才會(huì)改變其狀態(tài)。

 

用專用設(shè)備對 SPST 開關(guān)進(jìn)行去抖動(dòng)

 

前面的解決方案有一個(gè)問題，就是很多設(shè)計(jì)者喜歡使用 SPST 開關(guān)，因?yàn)樗鼈兊某杀酒毡榈陀?SPDT。市場上有很多有名的專用 SPST 去抖動(dòng)器件，如 ON Semiconductor 的 MC14490DWG 和 Maxim Integrated 的 MAX6818EAP+T。

 

另一家制造商 LogiSwitch 也提供了一套三通道、六通道和九通道的去抖動(dòng)解決方案，同時(shí)采用通孔和表面貼裝 (SMD) 封裝。例如，考慮使用 LogiSwitch LS18-S 器件的電路（圖 5）。

 

 

與 LogiSwitch 產(chǎn)品家族所有成員一樣，LS18-S 支持 2.5 至 5.5 伏的工作電壓范圍（供電電壓值不影響器件的響應(yīng)時(shí)間）。此外，與其他一些專用 IC 解決方案不同，LogiSwitch 去抖動(dòng)器件不需要任何額外的元件，如外部時(shí)鐘、RC 時(shí)序網(wǎng)絡(luò)或輸入或輸出上的上拉電阻。

 

LS18-S 采用 LogiSwitch 專有的自適應(yīng) NoBounce（無抖動(dòng)）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高水平抗噪能力。在啟動(dòng)或終止一個(gè)周期時(shí)禁止小于 20 ms 持續(xù)時(shí)間的噪聲尖峰，然后在開關(guān)激活和釋放的最后一次抖動(dòng)后，無論抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間長短，輸出都會(huì)延遲 20 毫秒。

 

結(jié)語

 

開關(guān)有很多不同的類型，包括撥動(dòng)開關(guān)、搖臂開關(guān)和按鈕開關(guān)，這些開關(guān)都可能會(huì)抖動(dòng)。如果開關(guān)抖動(dòng)不得到緩解，就會(huì)導(dǎo)致微處理器和其他電子電路將一次開關(guān)激活視為多個(gè)事件。

 

人們常常利用微控制器中運(yùn)行的軟件對開關(guān)發(fā)出的抖動(dòng)信號(hào)進(jìn)行消抖。如上所述，雖然這是一種低成本的解決方案，但它可能并不是所有情況下的最佳選擇。這些情況包括：系統(tǒng)基于性能和存儲(chǔ)空間有限的微控制器，軟件開發(fā)人員缺乏開關(guān)相關(guān)問題專業(yè)知識(shí)，或者系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)沒有微控制器。

 

作為替代選擇，我們可以使用各種方法在硬件中進(jìn)行去抖動(dòng)，具體方法包括電阻電容網(wǎng)絡(luò)、SR 鎖存器以及專用集成電路。

（來源：Digi-Key，作者：Clive "Max" Maxfield）