基于VHDL語(yǔ)言的幾種消抖電路的設計

摘要：按鍵被廣泛用于基于FPGA的數字電路系統設計中，機械式按鍵開(kāi)關(guān)在按鍵操作時(shí)經(jīng)常會(huì )出現抖動(dòng)現象，如果不進(jìn)行消除將會(huì )造成電路系統的誤操作?；诖私榻B了基于VHDL語(yǔ)言的計數器型消抖電路、D觸發(fā)器型消抖電路、狀態(tài)機型消抖電路的工作原理、相關(guān)程序、波形仿真及結果分析，并下栽到EP2C35F672C8芯片上進(jìn)行驗證，消抖效果良好，性能穩定，可廣泛用于FPGA的按鍵電路中。
關(guān)鍵詞：VHDL；消抖；FPGA

0 引言
按鍵開(kāi)關(guān)是許多電子產(chǎn)品不可缺少的輸入設備，在智能化電子產(chǎn)品中，按鍵開(kāi)關(guān)作為人機交互的主要器件之一，可以實(shí)現人機對話(huà)，完成各種功能操作，而機械式按鍵開(kāi)關(guān)由于其低成本、高可靠性被廣泛使用。在按鍵操作時(shí)，機械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)閉合或開(kāi)啟的瞬間會(huì )出現電壓抖動(dòng)，實(shí)際應用中如果不進(jìn)行處理將會(huì )造成誤觸發(fā)。常見(jiàn)的硬件消抖方法有：利用電容的充放電原理；利用RS觸發(fā)的保持功能；由同相器組成的積分去抖電路；用反相器組成的翻轉式去抖電路；不可重復觸發(fā)單穩態(tài)等等。本文采用VHDL語(yǔ)言設計了幾種按鍵開(kāi)關(guān)的消抖電路。

1 計數器型消抖電路
1．1 計數器型消抖電路(一)
計數器型消抖電路(一)是設置一個(gè)模值為(N+1)的控制計數器，clk在上升沿時(shí)，如果按鍵開(kāi)關(guān)key_in='1'，計數器加1，key_in='0' 時(shí)，計數器清零。當計數器值為2時(shí)，key_out輸出才為1，其他值為0時(shí)。計數器值為N時(shí)處于保持狀態(tài)。因此按鍵key_in持續時(shí)間大于N個(gè)clk時(shí)鐘周期時(shí)，計數器輸出一個(gè)單脈沖，否則沒(méi)有脈沖輸出。如果按鍵開(kāi)關(guān)抖動(dòng)產(chǎn)生的毛刺寬度小于N個(gè)時(shí)鐘周期，因而毛刺作用不可能使計數器有輸出，防抖動(dòng)目的得以實(shí)現。clk的時(shí)鐘周期與N的值可以根據按鍵抖動(dòng)時(shí)間由設計者自行設定。
主要程序結構如下：


圖1是N為3的波形仿真圖，當按鍵持續時(shí)間大于3個(gè)時(shí)鐘周期，計數器輸出一個(gè)單脈沖，其寬度為1個(gè)時(shí)鐘周期，小于3個(gè)時(shí)鐘周期的窄脈沖用作模擬抖動(dòng)干擾，從圖1可以看出，抖動(dòng)不能干擾正常的單脈沖輸出。

該方案的特點(diǎn)是能很好消除按鍵抖動(dòng)產(chǎn)生的窄脈沖，還可以濾去干擾、噪音等其他尖峰波，但遇到脈寬大于N個(gè)Tclk時(shí)鐘周期的干擾、噪音等時(shí)會(huì )有輸出從而產(chǎn)生誤操作，而對于按鍵操作要求按鍵時(shí)間必須大于N個(gè)Tclk時(shí)鐘周期，否則按鍵操作也沒(méi)有輸出。

1．2 計數器型消抖電路(二)
計數器型消抖電路(二)是控制計數器工作一個(gè)循環(huán)周期(N+1個(gè)狀態(tài))，且僅在計數器為0時(shí)輸出為“1”。電路設計了連鎖控制設施。在計數器處于狀態(tài)0時(shí)，此時(shí)若有按鍵操作，則計數器進(jìn)入狀態(tài)1，同時(shí)輸出單脈沖(其寬度等于時(shí)鐘周期)。計數器處于其他狀態(tài)，都沒(méi)有單脈沖輸出。計數器處于狀態(tài)N時(shí)，控制en='0'，導致計數器退出狀態(tài)N，進(jìn)入狀態(tài)0。計數器能否保持狀態(tài)0，取決于人工按鍵操作，若按鍵key_ in='1'，控制en='1'(計數器能正常工作)，key_in='0'，計數器狀態(tài)保持。顯見(jiàn)計數器處于狀態(tài)0，人工不按鍵，則計數器保持狀態(tài)0。