一种用于快速通断机械开关的干扰过滤装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子电路设计及电子信号处理领域，特别是涉及一种用于快速通断机械开关的干扰过滤装置及方法。
【背景技术】
[0002]在电子产品中，开关作为一种人机交互手段应用非常普遍。常用的开关多为机械开关，由于机械触点的弹性作用，在其按下和释放过程中，都不可避免会产生抖动，导致开关信号在开关闭合时不会马上稳定地接通，在开关释放时不会立即断开，信号波形会在开关闭合及释放时出现一连串的抖动。通常情况下，手动开关的通断频率大致低于10次/秒，两次开关操作的时间间隔不会低于100毫秒，开关抖动导致的信号抖动时间一般在10毫秒?20毫秒，通过简单的RC滤波可以较好的滤除信号的抖动。但对于类似电鼓这样的通断频率较高的开关信号检测而言，专业鼓手的击打频率可以轻松超过20?30次/秒，两次开关动作的时间间隔可能会低于30?50mS，由于开关信号的间隔时间与抖动导致的干扰信号的持续时间接近，传统的RC滤波电路对这样的干扰信号显得无能为力。另外，对于薄膜开关，由于薄膜的压电效应，在击打薄膜开关时，薄膜震动所产生的压电信号会叠加到开关信号上，使信号干扰更严重。尤其对于将多个开关进行串并联组合并通过检测开关信号电压值的大小来对闭合的开关进行识别的应用，开关信号对所受的干扰变得更加敏感。
[0003]在申请号为201320109704.3的实用新型专利中，公开了一种按键防抖电路，通过RC滤波对开关信号进行处理，该按键防抖电路的电路结构如图1所示，其工作原理过程如下:当开关闭合时，电容CO对地短路，电容CO两端的电压因直接对地放电而快速降为O;当开关电路断开时，电容CO经电阻RO充电，电容CO两端电压缓慢上升而不会立即恢复高电压。通过调整电阻RO和电容CO的参数可以改变电容CO的充电时间常数，从而有效滤除按键抖动对信号的干扰。上述电路用于对普通的通断频率较低的开关信号的干扰滤波，但不用于对通断频率较高的开关信号的干扰滤波，因为电容的充放电导致开关信号的延迟，并影响对后续开关信号的检测。
【发明内容】
[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于快速通断机械开关的干扰过滤装置及方法，用于解决现有技术中的滤波技术由于电容充放电导致开关信号的延迟，并影响对后续打击信号的检测的问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于快速通断机械开关的干扰过滤装置，包括:开关，用于产生开关信号；延时电路，用于在所述开关信号的触发下，经内部延时后输出延时及脉宽均可调的控制脉冲;开关电路，连接于所述延时电路，用于在所述控制脉冲的控制下实现通断；以及采样保持电路，连接于所述开关电路，用于在开关电路闭合时，对输入信号进行快速采样以跟踪输入信号的变化，在开关电路断开时，输出电压保持不变。
[0006]作为本发明的用于快速通断机械开关的干扰过滤装置的一种优选方案，所述开关包括机械开关，其第一端接地，第二端连接于所述输入电路的信号输入端。
[0007]作为本发明的用于快速通断机械开关的干扰过滤装置的一种优选方案，所述干扰过滤装置还包括输入电路，连接于所述开关及所述延时电路之间，用于为所述开关信号提供阻抗匹配。
[0008]进一步地，所述输入电路包括上拉电阻和第一运算放大器，其中，所述上拉电阻的第一端与电源VCC相连，第二端与所述开关的第二端及第一运算放大器的同相输入端相连，所述第一运算放大器的反相输入端与输出端相连。
[0009]作为本发明的用于快速通断机械开关的干扰过滤装置的一种优选方案，所述延时电路包括触发电路、延时充放电电路以及延时信号整形电路。
[0010]优选地，所述触发电路包括三极管、第一电阻及第二电阻，其中，所述第一电阻的第一端与三极管的发射极及电源VCC相连，第二端与三极管的基极及第二电阻的第一端相连，所述第二电阻的第二端与输入电路的输出端及开关电路的输入端相连。
[0011 ] 优选地，所述延时充放电电路包括第三电阻、第一电容和第四电阻，其中，所述第三电阻的第一端与所述三极管的集电极相连，第二端与第一电容的第一极、第四电阻的第一端以及所述延时信号整形电路的输入端相连，所述第一电容的第二极和第四电阻的第二端接地。
[0012]优选地，所述延时信号整形电路包括第一非门和第二非门，其中，所述第一非门的输入端与所述第三电阻的第二端相连，输出端与第二非门的输入端相连，所述第二非门的输出端与开关电路控制端相连，其输出用于控制开关电路的通断。
[0013]作为本发明的用于快速通断机械开关的干扰过滤装置的一种优选方案，所述开关电路包括PMOS管，所述PMOS管的栅极与延时电路的输出端相连，源极与输入电路的输出端和延时电路中的第二电阻的第二端相连，漏极与采样保持电路的输入端相连。
[0014]作为本发明的用于快速通断机械开关的干扰过滤装置的一种优选方案，所述采样保持电路包括第二电容和第二运算放大器，其中，所述第二电容的第一极与第二运算放大器的同相输入端以及开关电路的输出端相连，所述第二运算放大器的反相输入端与输出端相连，并作为信号输出端。
[0015]作为本发明的用于快速通断机械开关的干扰过滤装置的一种优选方案，所述开关包括若干个机械开关及若干个分压电阻，所述若干个机械开关的第一端接地，所述若干个分压电阻依次连接于相邻两个机械开关的第二端。
[0016]本发明的用于快速通断机械开关的干扰过滤装置的原理为:当所述开关处于断开状态时，开关信号保持高电平，所述延时电路的输出信号控制所述开关电路处于导通状态，使所述采样保持电路能快速跟踪开关信号的变化。当所述开关闭合时，开关信号由高变低，由于干扰信号在时间上滞后于有用信号(例如压电干扰信号比开关信号滞后大约0.2毫秒)，使得干扰信号在开关信号变低之后出现。在开关信号变低过程中，所述采样保持电路快速跟踪开关信号的变化，且在干扰信号出现之前，所述开关电路受所述延时电路输出信号的控制而断开，使得所述采样保持电路最终定格于所述开关电路断开时的电压值。在开关电路断开期间，所述采样保持电路的输出信号保持不变，从而避开开关通断过程中的干扰信号的影响，直到干扰信号结束，所述延时电路的输出信号恢复低电平时，所述开关电路再次闭合，所述采样保持电路重新恢复对开关信号变化的快速跟踪，准备下一次开关通断过程中对干扰信号的滤波处理。
[0017]本发明还提供一种用于快速通断机械开关的干扰过滤方法，包括步骤:I)当开关闭合时，开关信号由高变低，触发所述延时电路在经历可设定的第一延迟时间后其输出信号由低变高，然后再经历另一可设定的第二延迟时间后其输出信号由高变低;2)所述延时电路输出低电平时将所述开关电路导通，使得所述采样保持电路得以快速跟踪开关信号的变化;所述延时电路输出高电平时将所述开关电路断开，使得所述采样保持电路与开关信号断开并保持输出电压不变;3)调整所述第一延迟时间及第二延迟时间，使所述开关电路在开关闭合后且干扰信号出现之前断开，然后在开关断开后且干扰信号结束后闭合，从而使所述采样保持电路的输出信号免受时间上滞后于开关信号的干扰信号的影响。
[0018]作为本发明的用于快速通断机械开关的干扰过滤方法的一种优选方案，对于包括多个机械开关进行串并联的干扰过滤装置，当其中一个或多个开关闭合时，开关信号由高变低，干扰信号滞后于开关信号的变化，在开关信号变低的过程中，所述采样保持电路快速跟踪开关信号的变化，且在干扰信号出现之前，所述开关电路受所述延时电路输出信号的控制而断开，使得所述采样保持电路最终定格于所述开关电路断开时的电压值，在开关电路断开期间，所述采样保持电路的输出信号保持不变，从而避开开关通断过程中的干扰信号的影响。直到干扰信号结束，所述延时电路的输出信号恢复低电平时，所述开关电路再次闭合，