開(kāi)關(guān)反彈和其他骯臟的小秘密

Maxim提供了一種簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)降低開(kāi)關(guān)振鈴的影響。這些器件適用于具有按鈕面板、觸摸屏顯示器和簡(jiǎn)單按鈕設(shè)備的應(yīng)用。這些器件還提供過(guò)壓和ESD保護(hù)。MAX6816/MAX6817/MAX6818在單個(gè)IC中集成了多種功能，因此無(wú)需大量分立元件。

開(kāi)關(guān)可以做一些非常奇怪的事情。大多數(shù)工程師在將開(kāi)關(guān)或繼電器連接到數(shù)字系統(tǒng)后不久就知道了這個(gè)骯臟的小秘密。開(kāi)關(guān)在數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)間尺度上不會(huì)干凈利落地成敗。相反，典型的開(kāi)關(guān)在打開(kāi)或關(guān)閉所需的幾十毫秒內(nèi)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，這是由于年齡、工作慣性、機(jī)械設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)接觸表面的微觀條件等影響。通常稱為“開(kāi)關(guān)反彈”，這種行為是生活中不可避免的事實(shí)。

將標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)連接到數(shù)字計(jì)數(shù)電路后，您可以觀察到打開(kāi)時(shí)的多個(gè)計(jì)數(shù)和關(guān)閉時(shí)的多個(gè)計(jì)數(shù)（圖 1 和圖 2）。這種不穩(wěn)定的操作可能會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成嚴(yán)重破壞，因?yàn)閺拈L(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，確切的計(jì)數(shù)數(shù)量不一定會(huì)重復(fù)。開(kāi)關(guān)反彈在單元之間、批次之間，甚至在單個(gè)開(kāi)關(guān)的使用壽命內(nèi)都不一致。薄膜開(kāi)關(guān)和其他一些類型在新的時(shí)似乎不會(huì)反彈，但所有機(jī)械開(kāi)關(guān)有時(shí)會(huì)反彈。沒(méi)有什么可以確保另一個(gè)相同類型的開(kāi)關(guān)將以相同的方式工作，或者特定開(kāi)關(guān)在老化時(shí)保持無(wú)反彈。

圖1.對(duì)于小型按鈕開(kāi)關(guān)，這種上升沿開(kāi)關(guān)的反彈間隔約為 5ms，包括 10 次轉(zhuǎn)換。就像彈跳球一樣，開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率向右增加。

圖2.另一個(gè)上升沿開(kāi)關(guān)反彈（對(duì)于5A觸點(diǎn)繼電器）顯示大約5.5ms的反彈間隔，其中包括20個(gè)全幅度轉(zhuǎn)換和一些較小的轉(zhuǎn)換。

除了彈跳，開(kāi)關(guān)和數(shù)字系統(tǒng)還有其他煩人的習(xí)慣。例如，當(dāng)您在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行開(kāi)關(guān)接線時(shí)，會(huì)發(fā)生奇怪的事情。根據(jù)定義，開(kāi)路開(kāi)關(guān)具有高阻抗，因此干擾信號(hào)很容易承受負(fù)載。任何電容或電感耦合到開(kāi)關(guān)接線的噪聲脈沖都可能導(dǎo)致幻象開(kāi)關(guān)閉合。

想象一下，一種稱為可編程邏輯控制器（PLC）的專用工業(yè)計(jì)算機(jī)，它通過(guò)一個(gè)巨大的繼電器控制電機(jī)。放置在電機(jī)附近的限位開(kāi)關(guān)為PLC上的數(shù)字輸入提供位置反饋。當(dāng)PLC告訴電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，流向繼電器的電流浪涌，電機(jī)可以在長(zhǎng)接線中耦合到其他導(dǎo)體，導(dǎo)致數(shù)字輸入中的接地反彈或電容耦合尖峰。

如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，PLC 可能會(huì)將此尖峰解釋為過(guò)早關(guān)閉開(kāi)關(guān)并關(guān)閉操作。當(dāng)PLC關(guān)閉負(fù)載時(shí)，由于接線電容，接線電感以及繼電器和電機(jī)的感應(yīng)踢的影響，也會(huì)發(fā)生類似的事情。如果PLC及其數(shù)字輸入設(shè)計(jì)不當(dāng)，這些尖峰和瞬變會(huì)導(dǎo)致數(shù)字輸入讀數(shù)錯(cuò)誤。

家庭、辦公室和工業(yè)中使用的設(shè)備上的數(shù)字和模擬輸入會(huì)受到過(guò)壓、電壓瞬變和ESD沖擊的影響。過(guò)壓是由接線不當(dāng)、各種故障條件和電源排序引起的（其中一個(gè)斷電的盒子連接到另一個(gè)通電的盒子，即使是暫時(shí)的）。如上所述，電壓瞬變通常與容性或電感耦合尖峰有關(guān)。ESD 在安裝過(guò)程中可能會(huì)撞擊連接器、操作員控制臺(tái)或端子條。如果系統(tǒng)閂鎖，這些瞬變中的任何一個(gè)都可能導(dǎo)致破壞。如果不是破壞性的，它們可能會(huì)導(dǎo)致 CPU 重置、看門(mén)狗溢出和其他類型的不穩(wěn)定操作。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該意識(shí)到這些問(wèn)題以及用于解決這些問(wèn)題的方法。解決此類接口問(wèn)題的一種解決方案是一系列新的IC。IC （MAX6816/6817/6818單/雙/八通道開(kāi)關(guān)去抖器）提供萬(wàn)無(wú)一失、無(wú)軟件的去抖動(dòng)，以及過(guò)壓和ESD保護(hù)。本文重點(diǎn)介紹IC開(kāi)關(guān)去抖器的應(yīng)用，同時(shí)介紹阻止過(guò)壓、電壓/電流尖峰、開(kāi)關(guān)反彈和ESD的經(jīng)典方法。

開(kāi)關(guān)反彈

如果被問(wèn)到，大多數(shù)工程師會(huì)說(shuō)開(kāi)關(guān)在軟件中是去抖動(dòng)的，去抖動(dòng)“沒(méi)有問(wèn)題”。如果你適當(dāng)注意細(xì)節(jié)，這兩個(gè)假設(shè)都是正確的。軟件去抖動(dòng)可以處理反彈，但不能解決過(guò)壓、ESD或其他瞬變問(wèn)題。

也可以使用電阻器和電容器進(jìn)行去抖動(dòng)。通常，您需要一個(gè)上拉電阻、一個(gè)串聯(lián)電阻和一個(gè)電容、一個(gè)施密特觸發(fā)器緩沖器輸入端的電阻器，以及一個(gè)二極管（通常），以確保電容電荷在關(guān)斷期間不會(huì)迫使大量電流通過(guò)緩沖器的輸入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于多輸入系統(tǒng)，由此產(chǎn)生的器件數(shù)量可能難以處理（圖3），因此本文將不詳細(xì)介紹此方法。

圖3.分立元件可以提供去抖動(dòng)以及ESD和過(guò)壓保護(hù)，但設(shè)計(jì)合理的分立接口可以考慮所有可能的故障，這對(duì)于多個(gè)輸入來(lái)說(shuō)卻很笨拙。

通過(guò)軟件進(jìn)行去抖動(dòng)是當(dāng)今使用的主要方法。一個(gè)好的去抖例程實(shí)際上是實(shí)時(shí)軟件，它充當(dāng)簡(jiǎn)單的低通數(shù)字濾波器。非開(kāi)關(guān)數(shù)字輸入通常也通過(guò)去抖濾波器進(jìn)行路由。該技術(shù)可以通過(guò)在報(bào)告輸入打開(kāi)或關(guān)閉之前確保穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)消除輸入端的短瞬變。

下面的偽代碼說(shuō)明了一個(gè)輸入的軟件去抖動(dòng)例程。如果您泛化例程并使用基于指針的變量等，它可以容納多個(gè)輸入。雖然充其量是一種平庸的方法，但盡管存在下面討論的問(wèn)題和缺陷，但經(jīng)常使用這種類型的例程。

此例程對(duì)開(kāi)關(guān)閉包進(jìn)行反抖，但即使開(kāi)關(guān)反彈，它也會(huì)接受打開(kāi)作為合法狀態(tài)。雖然是無(wú)意的，但這種不對(duì)稱操作在鍵盤(pán)和其他對(duì)關(guān)閉但對(duì)打開(kāi)執(zhí)行操作的系統(tǒng)中可能是可以接受的。對(duì)于通用輸入，應(yīng)去抖動(dòng)兩條邊。

另一個(gè)缺點(diǎn)是，此例程假定開(kāi)關(guān)在未關(guān)閉時(shí)處于打開(kāi)狀態(tài)，從而忽略開(kāi)關(guān)不穩(wěn)定（仍在跳動(dòng)）的第三種狀態(tài)。因此，更好的例程將報(bào)告最后一個(gè)非反彈狀態(tài)，直到交換機(jī)達(dá)到新的去抖狀態(tài)。但是，此操作也可能導(dǎo)致問(wèn)題。在這種情況下，軟件應(yīng)該識(shí)別“變化”的第三種狀態(tài)。

許多去抖動(dòng)例程重復(fù)對(duì)輸入進(jìn)行采樣，等待它在預(yù)先安排的樣本數(shù)量?jī)?nèi)保持相同狀態(tài)。如果交換機(jī)在該時(shí)間間隔內(nèi)更改狀態(tài)，例程將以相同的方式測(cè)試新?tīng)顟B(tài)的穩(wěn)定性。此操作可能會(huì)導(dǎo)致較大的延遲，從而占用大量 CPU 時(shí)間。作為極端情況，應(yīng)用于其通用輸入端口之一的高頻 PLC（無(wú)論是無(wú)意、故意還是由于故障）將完全掛起處理器?？撮T(mén)狗定時(shí)器可能會(huì)恢復(fù)處理器，但問(wèn)題會(huì)無(wú)限期地再次出現(xiàn);這不是一個(gè)堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。此外，您需要大量的RAM和代碼來(lái)對(duì)具有大量輸入的大型工業(yè)系統(tǒng)（例如PLC或通用輸入板）進(jìn)行去抖動(dòng)。每個(gè)輸入需要一個(gè)閉合計(jì)數(shù)器、一個(gè)開(kāi)路計(jì)數(shù)器和 2 位來(lái)定義其狀態(tài)。

瞬態(tài)和ESD抑制

ESD的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)防是每個(gè)外部輸入端的瞬態(tài)抑制器或MOV器件。例如，四通道和八通道TransZorb是?簡(jiǎn)單且相對(duì)便宜的器件，可以減少雜亂和空間要求，但必須注意避免故障電流的交叉耦合。這種方法在工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)中很常見(jiàn)，工程師了解省略此類保護(hù)的危險(xiǎn)。

一個(gè)好的做法是將一個(gè)220Ω電阻與V串聯(lián)抄送端口輸入設(shè)備的行。例如，像八進(jìn)制74HC244或74HC573這樣的普通CMOS輸入器件消耗的電流非常小。如果它閂鎖，220Ω電阻將電流和功耗限制在安全水平。不過(guò)，電源循環(huán)仍然是必要的。通常，不應(yīng)將微控制器的端口引腳直接連接到外部輸入。閂鎖是一個(gè)問(wèn)題，但輻射EMI可能會(huì)更糟。

由于除非將足夠的電流注入其中一個(gè)引腳，否則器件無(wú)法閂鎖，因此一些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，與CMOS數(shù)字輸入串聯(lián)的電阻可以防止這些問(wèn)題。事實(shí)上，現(xiàn)代CMOS IC中SCR鎖存的閾值可能超過(guò)50mA。這種高電流閾值（在下一節(jié)中介紹）實(shí)際上在一定程度上可以防止過(guò)壓，但不一定對(duì)ESD有效。15kV ESD沖擊可以迫使大量電流通過(guò)寄生路徑和電阻周?chē)踔量梢酝ㄟ^(guò)100KΩ強(qiáng)制大電流。

過(guò)壓保護(hù)

過(guò)壓保護(hù)使系統(tǒng)能夠承受超出供電軌的連續(xù)和長(zhǎng)期瞬態(tài)輸入。例如，沒(méi)有V的IC抄送應(yīng)用具有來(lái)自外部電源的 24V 電壓，施加到輸入端。這種施加的電壓通常會(huì)“反向驅(qū)動(dòng)”保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，迫使電壓進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部的電源軌。一種有效的對(duì)策是使用與輸入串聯(lián)的電阻器，作用于連接到電源軌的保護(hù)二極管。橫跨 V 的齊納二極管抄送還應(yīng)考慮輸入端口的電源軌。為確保保護(hù)電路在最壞情況下不會(huì)失效，應(yīng)計(jì)算該齊納二極管和串聯(lián)輸入電阻的最大功耗。

MAX6816、MAX6817和MAX6818開(kāi)關(guān)去抖器

幾年前，Maxim工程師發(fā)現(xiàn)需要一種簡(jiǎn)單的接口器件，該器件能夠消除開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)，同時(shí)保護(hù)開(kāi)關(guān)免受ESD和過(guò)壓的影響。一些客戶使用μP監(jiān)控IC的手動(dòng)復(fù)位輸入，如MAX811，只是為了獲得采用SOT-23封裝的單通道去抖器功能。其他人則使用ESD保護(hù)的RS-232收發(fā)器作為通用數(shù)字輸入設(shè)備?？蛻舯籖S-232 IC所吸引，因?yàn)樗鼈兛梢栽诔惺?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓和ESD的同時(shí)處理低壓轉(zhuǎn)換。綜合這些因素，Maxim生產(chǎn)了一系列開(kāi)關(guān)去抖器，具有ESD保護(hù)和可靠的輸入特性（圖4和圖5）。

圖4.MAX6816系列開(kāi)關(guān)去抖器的通用框圖包括一個(gè)ESD和過(guò)壓保護(hù)的輸入結(jié)構(gòu)，后接一個(gè)數(shù)字濾波器，用于對(duì)輸入進(jìn)行去抖動(dòng)并施加欠壓鎖定。

圖5.在這種典型的單去抖器應(yīng)用中，唯一的元件是小型旁路電容和4引腳SOT-23封裝。

MAX6816和MAX6817

MAX6816為單開(kāi)關(guān)去抖器，采用4引腳SOT-23封裝，MAX6817為雙開(kāi)關(guān)去抖器，采用6引腳SOT-23封裝。它們提供去抖邏輯和數(shù)字濾波器、高達(dá) ±25V 的輸入過(guò)壓保護(hù)和高達(dá) ±15kV 的 ESD 保護(hù)，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。它們采用 2.7V 至 5.5V 的單電源電壓工作，典型電源電流僅為 6μA。它們還提供欠壓鎖定電路，確保上電時(shí)輸出狀態(tài)正確。由于每個(gè)輸入端的專有ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)過(guò)壓箝位二極管和一個(gè)63kΩ上拉電阻，因此這些IC無(wú)需外部元件即可提供與開(kāi)關(guān)的直接接口。它們的標(biāo)稱去抖動(dòng)延遲（40ms ± 20ms）掩蓋了即使是最丑陋的開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的反彈（圖 6）。

圖6.MAX6816開(kāi)關(guān)去抖動(dòng)器系列的時(shí)序圖顯示，輸入穩(wěn)定后約40ms，輸出狀態(tài)發(fā)生變化。額外的MAX6818輸出指示任何輸入的狀態(tài)變化。/CH可降低輪詢開(kāi)銷，尤其是在多輸入系統(tǒng)中。

MAX6818

MAX6818八通道開(kāi)關(guān)去抖器設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)總線接口（圖7）。它監(jiān)視 6818 個(gè)開(kāi)關(guān)，除了單器件和雙器件的去抖動(dòng)和輸入保護(hù)功能外，還提供狀態(tài)改變輸出 （/CH） 和三態(tài)數(shù)據(jù)總線輸出。特別是，其/CH輸出大大簡(jiǎn)化了μP的輪詢和中斷。每次系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)輸出（通過(guò)驅(qū)動(dòng)/EN低電平）時(shí)，IC都會(huì)將/CH復(fù)位至高電平。當(dāng)任何輸入改變狀態(tài)時(shí)，/CH變?yōu)榈碗娖?。MAX74與573HC20和其他標(biāo)準(zhǔn)<>引腳八通道邏輯器件引腳兼容。它可以輕松處理多個(gè)輸入。

圖7.在典型應(yīng)用中，MAX6818數(shù)據(jù)輸出保持三態(tài)，直到/EN被拉低。變化輸出（/CH）在每次讀取后復(fù)位為高電平，并在任何輸入端的狀態(tài)變化后設(shè)置為低電平。它可以由系統(tǒng)輪詢或綁定到中斷，如圖所示。

MAX6816、MAX6817和MAX6818開(kāi)關(guān)去抖器解決了數(shù)字系統(tǒng)與噪聲、瞬態(tài)、“彈跳”輸入端連接相關(guān)的多個(gè)問(wèn)題。它們通過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少 CPU 時(shí)間和開(kāi)銷以及更換多個(gè)無(wú)源元件，使系統(tǒng)更加穩(wěn)健可靠。

審核編輯：郭婷