硬件消抖——开关并电容的那点事儿

一年前做过的小脚丫的消抖实验和不消抖实验的区别，开关如果不消抖，产生的毛刺和电平变化确实给开关带来了不良影响，比如按键不灵，需要按暂停或者切换的时候要反复按多次才有随机概率实现需要的功能。所以对消抖的概念和重要性比较深刻。

昨天学习STM32的按键消抖知识，教程提到一点：

本实验板连接的按键带硬件消抖功能，见图 ，它利用电容充放电的延时，消除了波纹，从而简化软件的处理，软件只需要直接检测引脚的电平即可。

基于上述原理图，作出关于该电容消抖效果实验的研究。以下内容为对本次实验的记录，其大纲如下：
1.首先基于原理图从理论角度对该滤波电路进行分析
2.用示波器对按键按下和松开时的波形进行检测
3.基于实验结果分析消抖电路
4.对电容并联开关的消抖电路进行简要总结

理论分析

该开关电路的原理图主要分为两种情况，第一种是按键按下时，第二种是按键松开时。

假设按键没有按下时，电容C62和电阻R64串联在3V3的电源和地之间，电容两端的电压是3.3V。已知电容没有电位瞬变的能力，在按下按键的瞬间，电容的初始状态V(0)=3.3V，同时电容开始放电，两端电压逐渐减少。但是此时电容放电的回路中并没有串联任何的电阻，只是经过了按键开关而已，我们姑且认假设按键开关和导线的电阻在 1-10Ω之间，那么时间常数的计算t=RC=1×10^(-7)s，这里特别说明104的电容值指的是100nF（后续会给出为什么这里选择的电容值是100nF最为合适，这里我们先跳过）。
通过分析可以看到，在按键按下时，其电位从0V到3.3V的变化时长只需要ns级的变化。

现在我们开始推到按键松开时的情况。
按键松开时，电容的初始状态V(0)=3.3V，同时电容开始充电，两端电压逐渐增大。通过原理图我们可以看到，3V3的电源经过电阻4.7kΩ给电容进行充电，则时间常数t=RC=0.47ms。
则我们可以看到，按键按下时，其电位从3.3V到0V的变化时长是100us级甚至到了ms级。

那么，该电容是如何进行消抖的，我们可以把开关产生抖动的过程细化如下：
由于机械开关的弹性性能，我们在按下开关时，并不能一步到位直接将电位抬升到电源电压，而是产生了多次抖动，取其中一次抖动做出分析，则可以认为在该抖动过程中，开关做了一次关和开的动作，即按下之后立刻松开，通过上述分析，假设这次抖动持续的时间超过40ns级（前面分析是100ns，这里我们放松条件），则我们姑且认为电容两端的电位上升到了3.3V，因为前面分析过按键按下时其电位变化时间是100ns级。当抖动过程进入了开的动作，上述分析说过，从3.3V到0V的持续时间需要达到ms级别，也就是说产生一次持续时间超过40ns的抖动时，需要经过ms级的时间才能恢复到低电平完成一次有效的抖动对开关造成影响（这里指的是抖动足以被误读为一次按键动作），否则电位只会被抬升到高电平处而不会恢复到低电平。
对于没有超过40ns的抖动，我们可以认为持续时间不足以将电位抬升到3.3V，故不足以产生一次有效的抖动。

简单总结如下：
在按键按下时产生的抖动，只有超过ms级的抖动才有可能是一次有效抖动，没有超过40ns的抖动不足以改变电位，超过40ns但是达不到ms级的抖动只会将电位拉到高电平，同时由于后续的抖动和真正的按键按下时的高电平的到来，可以认为电位会持续保持高电平直到按键松开。因此，所有的抖动都会因为第一次有效抖动的到来而被覆盖。
在按键松开时产生的抖动，超过40ns的抖动都可以将电位重新抬升到3.3V，故可以认为，只有在不抖动且按键完全松开时，其电位经过ms级的时间后恢复回低电平。因此，所有的抖动都会因为按键松开前是高电平而被覆盖。

上述分析是基于本人对弹性按键和电路的理解做出的合理推论分析，如有错误，不吝赐教。

在进行理论分析之后，为了确定我的分析思路无误，我在网上搜索了比较多的分析，其中有一篇文章的建模分析我觉得写的非常漂亮，值得参考学习，这里也推荐给各位道友：按键消抖电路瞬态电路分析

文章要点如下：
1.通过瞬态电路分析得到，按键在按下时电平变化的时间需要100ns级，在松开时电平变化时间需要100us-ms级别，和上述分析一致。
2.为了保证按键功能正常且具有良好的消抖效果，电容的容值为10-100nF级别最为合适。
3.电容并联开关的消抖电路具有消抖作用，但是会带来阻尼振荡，如果电路开关要求高，则不建议采用此类消抖电路。

实测结果

实验一：示波器检测按键波形

为了对分析进行验证，用示波器对我的想法进行验证。得到触发波形如下：
图一

图二

图三

其中图一是按键按下时的触发波形，图二是按键松开时的触发波形。
分析上图，按键按下时输出为高电平，如图一所示，此时可以看到从低电平到高电平，时间大概是200ns左右，中间伴有少量纹波（阻尼振荡），细心的朋友还可以发现实质上电路产生了两次阻尼振荡，这次暂时未推理验证，只是多次实验结果可以看到按键按下时都会有两次阻尼振荡，且第一次持续时间大概是30ns，第二次的持续时间大概是500ns。
图二展示的是按键松开时的波形，从高电平恢复到低电平，时间大概经过了1.7ms左右。同时多次测试表明，在电压下降前，总是伴随有比较明显的抖动，但抖动的电压变化较小，和上述原理分析相符合。且从时间数量级上看，和理论分析的结果相符合。

图三是没有硬件消抖的按键响应波形，可以看到，产生的按键抖动较多，持续时间大概为30us。

实验二：去掉滤波电容电路实验

为了进一步检验该消抖电路是否有效，本人拆除了滤波电容，进行了多次按键测试（测试基于野火STM32F429挑战者的点亮LED灯实验），实验结果如下：
带有硬件消抖电路的按键可以有效完成每次按键动作；
没有硬件消抖电路的按键出现按键动作失效的次数较多；

因此通过实验一和实验二，可以有充分的理由说明：

上述的理论分析是合理的，该消抖电路能起到一定的消抖作用，但是会带来阻尼振荡。

题外话

不知道读者有没有浏览过网上的资料，基本认为按键抖动的时间段大概是5-10ms左右，如下图所示：

百度百科上也是这么描述：
这里需要说明的一点是，个人认为应该是网上的数据有问题，尽量用自己的实践来证明吧。

通过实际测试可以看到按键的抖动时间已经很短了，基本保持在500us以内。·偶尔出现的1ms以上个人认为是操作失误，正常的按键动作基本都是抖动500us以内。

总结结论

电容并联开关的硬件消抖电路具有一定的消抖作用，在要求不高的场合下可以使用，但是会产生阻尼振荡的现象，所以对于要求较高的电路，最好不采用电容并联开关的消抖电路，防止阻尼振荡产生的超量电压对电路造成的伤害。

上文分享的文章提到：

在开关旁串一个100Ω左右的电阻既可以起到良好的消抖效果，还可以解决阻尼振荡的问题（具体有待验证）

当然也是有代价的，即低电平会被抬高，但是相比较于另一个电阻，其阻值分到的压降不大，基本满足TTL电平要求。