基于滞回比较器的单刀触发开关

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

单刀按钮开关很容易实现按通按断的开关作用，因此在模拟电路和数字电路设计或应用中，单刀触发开关(按钮)的应用非常普遍，比如触发信号产生电路、复位信号产生电路等的应用中，都利用了单刀触发开关或按钮。

通常的按钮所用开关为机械弹性开关，机械触发开关很容易产生开关波动现象，所谓开关波动是指当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开，因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，这一连串的抖动相当于一系列的脉冲，而不是我们所需要的单一的脉冲,这种开关波动现象在所有的机械开关中都普遍存在着。为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖[1]。

比如计算机复位电路设计中，由于键抖动会引起一次按键被误读多次，为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。一般电路设计人员所采取的措施就是按键消抖，按键消抖电路就起这个作用：即在键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。

设计一种基于滞回比较器的单刀触发电子开关，利用滞回比较器的“惯性”特征，可以消除机械按钮普遍存在的开关波动现象，在触发电路或复位电路里使用这种电子触发按钮，可以使电路的控制更精准。

1 滞回比较器的特点

滞回比较器是相对于单限比较器而言的，由于单限比较器的输入电压在阈值电压附近的任何微小变化都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。

因此虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力较差，滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。

滞回比较器电路具有两个阈值电压，输入电压uI从小到大过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电压UT+，不等于从大变小过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电压UT-，电路具有滞回特性，滞回比较器的两个阈值电压差值的绝对值成为回差电压△UT，△UT越大，抗干扰能力越强，但灵敏度越差，需视应用场合合理设定[2]。

滞回比较器与单限比较器的相同之处在于：当输入电压向单一方向变化时，输出电压只跃变一次，而窗口比较器要跃变两次。图1是某滞回比较器的电压传输特性。

图1 滞回比较器的电压传输特性

2 基于滞回比较器的单刀触发开关

机械触发开关容易产生开关波动，而本设计在这方面是比较独特的，它只用一个运算放大器就可以实现这种触发功能，且完全消除了开关波动现象，这时运算放大器工作于滞回比较器工作方式，电气原理如图2所示。

图2 基于滞回比较器的单刀触发开关

从图2可以看到，该触发开关线路包括运算放大器电路、正反馈电阻电路、电容电路、电容充电电压产生电路、机械单刀触发开关电路等。

2.1 由运放A1引入正反馈电阻构成滞回比较器

本设计的核心电路是运算放大器A1电路，理想运算放大器的增益(放大倍数)非常高，这意味着理想运放的输出可方便地变高(+UB或逻辑“1”)或变低(—UB或逻辑“0”)，理想运放A1没有反馈电阻时，工作于单限比较器状态，这不是我们所需要的。

实际上，由于运放A1不可能是真正意义的理想运算放大器，故其开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输入电压足够大时，输出电压才为±UB。输出电压在从+UB变为-UB或从-UB变为+UB的过程中，随着输入电压的变化，将经过线性区，并需要一定的时间[3]。

将运放A1的输出端与同相输入端之间引入一个反馈电阻R4，由瞬时极性法可判断该反馈模式为正反馈，此时A1工作于滞回比较器模式，滞回比较器通过引入正反馈，加快了输出电压的转换速度，当uO=+UB、uP=UT+时，只要输入电压再增加一个无穷小电压，即uI略大于UT+时，就足以引起输出电压uO的下降，就会产生如下的正反馈过程：

uO↓→uP↓

强烈的正反馈使uO的下降导致uP下降，而uP下降又使得uO进一步下降，反馈的结果使uO迅速变为-UB，消除了中间线性区域，从而获得较为理想的电压传输特性。

同理，uP=UT-时，只要输入电压再减小一个无穷小电压，即uI略小于UT-时，就足以引起输出电压uO的再一次反转。

令uN=uP，求出的uI就是阈值电压，由此得出：

其中：UB为运放输出电压，分为±UB两种情形；UT+为上升沿阈值；UT-为下降沿阈值，电压单位伏特，电阻单位欧姆。

至于运放输出电压到底是+UB，还是-UB，取决于基于滞回比较器的单刀触发开关的状态，机械开关S1没有按下时，单刀触发开关处于初始状态，输出为逻辑“0”，即-UB；S1按下时，单刀触发开关由初始状态反转为逻辑“1”，即+UB，故以上求阈值UT±公式中，输出电压UB的极性要随单刀触发开关的状态变化而定，这是要十分注意的一点。

2.2 单刀触发电子开关

当第一次闭合机械按钮S1时，电容器C1便接到运放A1的反相输入端，假定A1输出初始状态为逻辑“0”，由于电容端电压不能突变的特性，机械按钮S1按下瞬时，A1反相端输入电压低于此时滞回比较器的下降沿阈值UT-(注意此时的运放输出为-UB，)，该运算放大器A1输出立即改变状态变为逻辑“1”，即输出为+UB，电容C1则开始通过电阻R1充电。

当S1放开时，电容C1将通过电阻R1连续充电，其值可高达+UB，现在由于断开S1，电容C1不再与运放A1相连接，电容器C1上的运放输出信息保留了下来，并且由于开关断开，A1反相端电压仍然不可能超过滞回比较器此时的上升沿阈值UT+，A1输出仍然保持逻辑“1”。

如果S1第二次闭合，充满电的电容器两端的逻辑“1”，就会出现在运放A1的反相输入端，在这瞬间A1的反相端电压超过了滞回比较器的上升沿阈值UT+，强烈的正反馈使A1的输出反转为逻辑“0”，即A1输出“-UB”，运算放大器又回到了初始状态。

A1的输出反转的同时，电容C1通过电阻R2放电,并且由A1输出端通过电阻R1向其反向充电，如果开关不松开，电容C1上的电压绝对值无论如何不可能超过0.01UB，故此时A1的反相端电压不可能低于滞回比较器此时的下降沿阈值UT-(注意此时UT—为负值)，运放输出保持初始状态不变。

开关S1松开，电容C1上电压虽然充电到-UB，但由于此时开关断开，该电压不再连接运放反相输入端，故运放输出保持初始状态“0”不变。

开关S1如果第三次闭合，单刀触发开关将再一次重复第一次开关闭合时的变化过程，以此类推、循环往复，输出一个几乎没有抖动的开关触发信号。

3 注意

1) 注意阻容网络电容C1容量、电阻R1阻值等参数的选择，充放电时间常数τ(τ=R1C1)大小非常重要，如果电容容量过小、或者电阻R1阻值过小，导致充电时间过短，机械开关抖动的频率的倒数(即周期)与电容充电时间大致相当，那么开关S1的机械抖动仍然会改变运放A1的输出逻辑值[4]。

因此，只有时间常数τ的选择远大于机械抖动的周期，开关机械抖动将不会影响此单刀触发开关的状态。

2) 必须记住，当运算放大器所用的电源不对称时，电阻R2/R3的连接点绝对不能接地，但是要接到正负电源的中点电平(1/2UB).由一对电阻构成的分压器已足能实现这个目的。

4 结语

本设计利用滞回比较器所特有的较强的抗干扰能力，使机械触发开关的机械抖动现象产生的电压变化不可能高于或低于相应的阈值电压，使本设计基于滞回比较器的单刀触发开关的输出信号逻辑值，不可能由于机械抖动而造成逻辑反转，从而实现了较稳定且单一的触发脉冲，本设计电路简单、思路巧妙，弥补了传统消抖手段技术的不足。