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問：機(jī)械開關(guān)和反跳電路中的開關(guān)反彈

有時(shí)，你可能使用觸摸開關(guān)或機(jī)械開關(guān)構(gòu)建了一個(gè)快速響應(yīng)電路，卻不明白為什么該電路不能正常工作。這可能是由于觸點(diǎn)回跳（也稱為顫動(dòng)）引起的。

開關(guān)觸點(diǎn)的工作原理

我們似乎可以直觀地認(rèn)為用于連接的開關(guān)是快速、直接且牢固的。但實(shí)際情況卻略有不同。

圖1：開關(guān)信號的理想狀態(tài)

圖2：開關(guān)信號的實(shí)際狀態(tài)

實(shí)際上，導(dǎo)電點(diǎn)之間的開關(guān)觸點(diǎn)是通過可移動(dòng)的機(jī)械元件來建立或分離的。由于開關(guān)觸點(diǎn)表面的老化、操作慣性、機(jī)械設(shè)計(jì)和微觀條件等因素的影響，一般的開關(guān)在打開或關(guān)閉連接所需的幾十毫秒內(nèi)會(huì)發(fā)生多次轉(zhuǎn)換。這種行為通常被稱為“開關(guān)反彈”，是實(shí)際使用中無法避免的。

機(jī)械開關(guān)有時(shí)會(huì)在規(guī)格書中列出其反彈時(shí)間信息，如 Würth Elektronik的WS-TASV系列J-Bend SMT觸摸開關(guān)4.7x3.5mm所示。

反跳電路的設(shè)計(jì)

下面我們來分享一個(gè)簡單的反跳電路，可使用一些常見的分立元件制作低通濾波器，從而消除這種多余的信號。

增加濾波器

簡單的RC濾波器是制作低通濾波器最經(jīng)濟(jì)、最簡單的方法之一。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電容通過R1+R2充電，使電壓緩慢上升。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電容通過R2以可控速率放電。

如果合理、適當(dāng)?shù)剡x擇濾波器元件，則可在平穩(wěn)轉(zhuǎn)換的充放電過程中吸收開關(guān)反彈。要計(jì)算電容和電阻的值，你可以使用以下適用于上述電路的時(shí)間常數(shù)公式：

τ = (R1 + R2) ? C1

τ：時(shí)間常數(shù)（以s為單位）

R：電阻值（以?為單位）

C：電容值（以F為單位）

時(shí)間常數(shù)是去開關(guān)顫動(dòng)所需時(shí)間和電路響應(yīng)時(shí)間之間的平衡。在一個(gè)時(shí)間常數(shù)內(nèi)，電壓將上升到其最終值的63%或下降到其最終值的37%。在兩種情況下，電壓會(huì)在五個(gè)時(shí)間常數(shù)后達(dá)到99%。

例如：
反彈時(shí)間：規(guī)格指定為10ms
選擇R1來限制電流，可以采用1 k?的經(jīng)典值
R2：選擇兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值來去顫動(dòng)：10 k?和47 k?
電源電壓為5 VDC

因此，通過計(jì)算得出兩個(gè)電容值：
C1= τ / (R1+R2)

然后得出此電路的兩個(gè)值范圍：
解決方案1：R1 = 1 k?，R2 = 10 k?，C1 = 1 μF
解決方案2：R1 = 1 k?，R2 = 47 k?，C1 = 220 nF

添加二極管

在R2的兩端分別添加一個(gè)D1二極管，可以分別控制充電時(shí)間和放電時(shí)間。這樣一來，使用R1和D1可為電容充電提供更快的轉(zhuǎn)換時(shí)間，而僅使用R2則可為電容提供不同的放電時(shí)間，因?yàn)樵谶@種情況下二極管處于阻塞狀態(tài)。

添加緩沖器

如果應(yīng)用不能支持未定義的值（例如0.8V和2.5V），則可能需要使用具有滯后作用的施密特觸發(fā)器緩沖器。下圖顯示了具有不同導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間以及附加滯后的電路。電路的響應(yīng)時(shí)間可能需要與單片機(jī)的采樣時(shí)間相協(xié)調(diào)。

瞬態(tài)保護(hù)

如果開關(guān)位于較遠(yuǎn)處或較長線路的末端，可能需要對過電壓、ESD或其他瞬態(tài)進(jìn)行保護(hù)。這與輸入電路前端的鐵氧體磁珠和TVS二極管一樣簡單。

審核編輯 黃宇