崔建國，寧永香

(山西工程技術學院，山西 陽泉 045000)

單刀按鈕開關很容易實現按通按斷的開關作用，因此在模擬電路和數字電路設計或應用中，單刀觸發(fā)開關(按鈕)的應用非常普遍，比如觸發(fā)信號產生電路、復位信號產生電路等的應用中，都利用了單刀觸發(fā)開關或按鈕。

通常的按鈕所用開關為機械彈性開關，機械觸發(fā)開關很容易產生開關波動現象，所謂開關波動是指當機械觸點斷開、閉合時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開，因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，這一連串的抖動相當于一系列的脈沖，而不是我們所需要的單一的脈沖,這種開關波動現象在所有的機械開關中都普遍存在著。為了不產生這種現象而作的措施就是按鍵消抖[1]。

比如計算機復位電路設計中，由于鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次，為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動。一般電路設計人員所采取的措施就是按鍵消抖，按鍵消抖電路就起這個作用：即在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。

設計一種基于滯回比較器的單刀觸發(fā)電子開關，利用滯回比較器的“慣性”特征，可以消除機械按鈕普遍存在的開關波動現象，在觸發(fā)電路或復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。

1 滯回比較器的特點

滯回比較器是相對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閾值電壓，輸入電壓uI從小到大過程中使輸出電壓uO產生躍變的閾值電壓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，滯回比較器的兩個閾值電壓差值的絕對值成為回差電壓△UT，△UT越大，抗干擾能力越強，但靈敏度越差，需視應用場合合理設定[2]。

滯回比較器與單限比較器的相同之處在于：當輸入電壓向單一方向變化時，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

機械觸發(fā)開關容易產生開關波動，而本設計在這方面是比較獨特的，它只用一個運算放大器就可以實現這種觸發(fā)功能，且完全消除了開關波動現象，這時運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

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

2.1 由運放A1引入正反饋電阻構成滯回比較器

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

實際上，由于運放A1不可能是真正意義的理想運算放大器，故其開環(huán)差模增益不是無窮大，只有當它的差模輸入電壓足夠大時，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，將經過線性區(qū)，并需要一定的時間[3]。

將運放A1的輸出端與同相輸入端之間引入一個反饋電阻R4，由瞬時極性法可判斷該反饋模式為正反饋，此時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換速度，當uO=+UB、uP=UT+時，只要輸入電壓再增加一個無窮小電壓，即uI略大于UT+時，就足以引起輸出電壓uO的下降，就會產生如下的正反饋過程：

uO↓→uP↓

強烈的正反饋使uO的下降導致uP下降，而uP下降又使得uO進一步下降，反饋的結果使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，只要輸入電壓再減小一個無窮小電壓，即uI略小于UT-時，就足以引起輸出電壓uO的再一次反轉。

令uN=uP，求出的uI就是閾值電壓，由此得出：

其中：UB為運放輸出電壓，分為±UB兩種情形；UT+為上升沿閾值；UT-為下降沿閾值，電壓單位伏特，電阻單位歐姆。

至于運放輸出電壓到底是+UB，還是-UB，取決于基于滯回比較器的單刀觸發(fā)開關的狀態(tài)，機械開關S1沒有按下時，單刀觸發(fā)開關處于初始狀態(tài)，輸出為邏輯“0”，即-UB；S1按下時，單刀觸發(fā)開關由初始狀態(tài)反轉為邏輯“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)開關的狀態(tài)變化而定，這是要十分注意的一點。

2.2 單刀觸發(fā)電子開關

當第一次閉合機械按鈕S1時，電容器C1便接到運放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，機械按鈕S1按下瞬時，A1反相端輸入電壓低于此時滯回比較器的下降沿閾值UT-(注意此時的運放輸出為-UB，)，該運算放大器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S1放開時，電容C1將通過電阻R1連續(xù)充電，其值可高達+UB，現在由于斷開S1，電容C1不再與運放A1相連接，電容器C1上的運放輸出信息保留了下來，并且由于開關斷開，A1反相端電壓仍然不可能超過滯回比較器此時的上升沿閾值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”，就會出現在運放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+，強烈的正反饋使A1的輸出反轉為邏輯“0”，即A1輸出“-UB”，運算放大器又回到了初始狀態(tài)。

A1的輸出反轉的同時，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，如果開關不松開，電容C1上的電壓絕對值無論如何不可能超過0.01UB，故此時A1的反相端電壓不可能低于滯回比較器此時的下降沿閾值UT-(注意此時UT—為負值)，運放輸出保持初始狀態(tài)不變。

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

開關S1如果第三次閉合，單刀觸發(fā)開關將再一次重復第一次開關閉合時的變化過程，以此類推、循環(huán)往復，輸出一個幾乎沒有抖動的開關觸發(fā)信號。

3 注意

1) 注意阻容網絡電容C1容量、電阻R1阻值等參數的選擇，充放電時間常數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，導致充電時間過短，機械開關抖動的頻率的倒數(即周期)與電容充電時間大致相當，那么開關S1的機械抖動仍然會改變運放A1的輸出邏輯值[4]。

因此，只有時間常數τ的選擇遠大于機械抖動的周期，開關機械抖動將不會影響此單刀觸發(fā)開關的狀態(tài)。

2) 必須記住，當運算放大器所用的電源不對稱時，電阻R2/R3的連接點絕對不能接地，但是要接到正負電源的中點電平(1/2UB).由一對電阻構成的分壓器已足能實現這個目的。

4 結語

本設計利用滯回比較器所特有的較強的抗干擾能力，使機械觸發(fā)開關的機械抖動現象產生的電壓變化不可能高于或低于相應的閾值電壓，使本設計基于滯回比較器的單刀觸發(fā)開關的輸出信號邏輯值，不可能由于機械抖動而造成邏輯反轉，從而實現了較穩(wěn)定且單一的觸發(fā)脈沖，本設計電路簡單、思路巧妙，彌補了傳統(tǒng)消抖手段技術的不足。