一种用于按键消抖实验演示教学的电路模块的制作方法

本实用新型涉及一种电子技术实验装置，具体是一种能够对采用硬件方式实现的按键消抖进行演示教学的电路模块，属于实验装置与设备设计技术领域。

背景技术：

按键开关在电子设备中应用非常广泛，常见的按键开关包括普通按键开关，普通按键开关具有两个固定端，按键是否被按下决定了两个固定端之间处于断开或者接通两个状态；此外单刀双掷开关也是常见的一种按键开关，单刀双掷按键开关具有两个固定端和一个活动端，活动端可以在手动控制下与第一固定端或者第二固定端接触。

无论是哪种开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，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，这些抖动会使得电压或者电流波形产生“毛刺”，如图2所示，在手动操作开关时，单刀双掷开关的两个固定端电压均会产生“毛刺”，这些“毛刺”维持的时间大概为5ms～10ms，因此不容易被人为察觉，但在电路中这些“毛刺”都是干扰信号，往往会造成一系列的信号误读。为了消除这种现象必须进行按键消抖。

按键消抖的措施主要分为软件和硬件方式。软件消抖主要思路利用延时函数，“避开”开关输出信号的抖动期，待到信号稳定时再采集开关输出信号。

硬件消抖则根据不同的开关类型选择不同的硬件电路。例如现有技术中通常对于单刀双掷开关采用RS触发器(也即是现有技术中广泛使用的集成RS触发器芯片)进行消抖，对于按键开关则使用电容进行消抖。

由于各种消抖电路所选用的器件不同，其基于的工作原理也各不相同，并且抖动这种现象维持的时间较短，不容易被认为察觉，因此在实际教学中，学生往往对各种硬件消抖电路的工作特点认识不清晰，并且难以直观地观察到经过各种硬件消抖电路处理前和处理后的信号的具体波形。

也即是现有技术中缺少一种能对各种硬件消抖实现现象进行直观的演示教学的电路模块。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：设计出一种能提供经各种硬件消抖电路处理前和处理后的信号，并将其输出，使得能对各种硬件消抖实验现象进行直观的演示教学；并且电路结构简单的用于按键消抖实验演示教学的电路模块。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。

一种用于按键消抖实验演示教学的电路模块，其特征在于：包括第一按键开关、第二按键开关、单刀双掷开关、电容C和CPLD控制器；

所述单刀双掷开关具有第一固定端、第二固定端和活动端；所述第一按键开关具有第一固定端和第二固定端，所述第二按键开关具有第一固定端和第二固定端；

所述CPLD控制器包括第一消抖子模块和第二消抖子模块；

所述第一消抖子模块主要由RS触发器模块构成；所述RS触发器模块的置位端与单刀双掷开关的第一固定端相连接，RS触发器模块的复位端与单刀双掷开关的第二固定端相连接，单刀双掷开关的活动端接地；RS触发器模块的置位端和复位端均与电源正极VCC相连接；RS触发器模块的数据输出端为第一消抖子模块的消抖信号输出端；

所述第二消抖子模块主要由D触发器模块组成；所述D触发器模块的时钟输入端与可控分频模块的信号输出端相连接，所述可控分频模块的时钟输入端与晶体振荡器的时钟输出端相连接，D触发器模块的数据输入端与第一按键开关的第一固定端相连接，第一按键开关的第一固定端与电源VCC相连接，第一按键开关的第二固定端接地；D触发器模块的数据输出端为第二消抖子模块的消抖信号输出端；

第三消抖子模块主要由电容C构成；所述第二按键开关的第一固定端通过电阻R与电源VCC相连接，第二按键开关的第二固定端接地，第二按键开关的第一固定端与电容C的一端相连接，电容C的另一端与第二按键开关的第二固定端相连接；第二按键开关的第一固定端为第三消抖子模块的消抖信号输出端。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

本实用新型中，设置了三个消抖子模块，三个消抖子模块分别采用了三种不同的硬件电路，因此本实用新型可以分别提供三路经各个消抖子模块处理前和处理后的信号，并能将其输出，因此本实用新型具有能对各种硬件消抖实验现象进行直观的演示教学的优点。

此外，本实用新型的第一消抖子模块和第二消抖子模块均设置在CPLD控制器中，相比现有技术中分别用集成RS触发器芯片和集成D触发器芯片实现RS触发器模块和D触发器模块的方式相比，本实用新型具有电路结构简单的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构图；

图2为第一消抖子模块工作波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型一种用于按键消抖实验演示教学的电路模块是一个用于硬件电路实验的演示教具。

主要包括以下元器件：

(1)常见的开关：第一按键开关、第二按键开关、单刀双掷开关。其中单刀双掷开关具有第一固定端、第二固定端和活动端；第一按键开关和第二按键开关均具有第一固定端和第二固定端。

(2)电容C和CPLD控制器；

本实用新主要由三个消抖子模块构成。

第一消抖子模块和第二消抖子模块设置在CPLD控制器内；

第一消抖子模块主要由RS触发器模块构成；RS触发器模块的置位端与单刀双掷开关的第一固定端相连接，RS触发器模块的复位端与单刀双掷开关的第二固定端相连接，单刀双掷开关的活动端接地；RS触发器模块的置位端和复位端均与电源正极VCC相连接；RS触发器模块的数据输出端为第一消抖子模块的消抖信号输出端；

其中，RS触发器模块是采用CPLD设计中的原理图设计方式实现的，也即是在例如ISE开关平台中通过调用RS触发器的原理图符号实现设计。

第二消抖子模块主要由D触发器模块组成；D触发器模块的时钟输入端与可控分频模块的信号输出端相连接，可控分频模块的时钟输入端与晶体振荡器的时钟输出端相连接，D触发器模块的数据输入端与第一按键开关的第一固定端相连接，第一按键开关的第一固定端与电源VCC相连接，第一按键开关的第二固定端接地；D触发器模块的数据输出端为第二消抖子模块的消抖信号输出端。

其中，D触发器模块是采用CPLD设计中的原理图设计方式实现的，也即是在例如ISE开关平台中通过调用D触发器的原理图符号实现设计。可控分频模块可以由硬件描述语言代码实现，并封装为一个原理图符号以供调用，其分频系数可以通过外接输入信号提供，当然可控分频模块也可以采用类似D触发器模块的实现方式，通过直接调用原理图符号实现，例如调用74292模块。

第三消抖子模块主要由电容C构成；第二按键开关的第一固定端通过电阻R与电源VCC相连接，第二按键开关的第二固定端接地，第二按键开关的第一固定端与电容C的一端相连接，电容C的另一端与第二按键开关的第二固定端相连接；第二按键开关的第一固定端为第三消抖子模块的消抖信号输出端。

本实用新型的工作原理如下：

第一消抖子模块主要适用于单刀双掷开关的消抖，如图2所示，活动端由第二固定端掷向第一固定端时，第一固定端的电压出现毛刺，当活动端由第一固定端掷向第二固定端时，第二固定端的电压出现毛刺，消除毛刺的方法是利用RS触发器的记忆功能消除开关抖动带来的毛刺，设单刀双掷开关的活动端原来与第二固定端接触，这时RS触发器模块的复位端接地，得到低电平，触发器的状态为0。当开关由第二固定端掷向第一固定端时，其中有一个短暂的悬浮时间，这时触发器的置位端和复位端均为1，触发器输出保持为0；活动端与第一固定端接触时，第一固定端的电位由于机械抖动产生毛刺。但是，首先第二固定端已为高电平，第二固定端一旦出现低电平，触发器的状态翻转为，即是第一固定端再出现高电平也不会改变触发器的状态，所以由RS触发器输出端输出的电压波形不会出现毛刺。综上，RS触发器输出的信号作为开关信号不会导致误动作，成功实现消除抖动。

第二消抖子模块适用于按键开关，这种消抖方式主要在FPGA系统中被广泛使用，D触发器模块需要一个100HZ的信号作为时钟输入信号，并且要求按键开关输出信号的抖动小于D触发器模块时钟信号的周期(10ms)并且按键被按下的持续时间大于10ms，(由于通常按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒，抖动时间也不超过10ms，因此以上连个条件都能满足)因此只要可控分频模块能够输出100HZ的信号即可实现上述要求，这对于CPLD内置的可控分频模块很容易实现。实现消抖的原理也非常简单：D触发器模块会在上升沿到达时进行数据采集，而两个上升沿之间的时间差为10ms，又由于键开关输出信号的抖动时间小于10ms，并且按键被按下的持续时间大于10ms，因此抖动便被“避开”实现了消抖。

第三消抖子模块也适用于按键开关是，具体是采用并联电容法，用电容的放电延时实现硬件消抖，此方式在现有技术中应用广泛，具体原理这里不再赘述。

本实用新型的使用方法是：对于第一消抖子模块，将示波器探针分别与单刀双掷开关具有第一固定端、第二固定端和第一消抖子模块的消抖信号输出端相接触，便可提取显示被第一消抖子模块处理前和处理后的信号波形供教师演示、讲解，当手动的拨动单刀双掷开关时，便可以观察到输入到消抖子模块的信号抖动以及从消抖子模块输出的信号的消抖情况。

对于第二消抖子模块，类似第一消抖子模块，将示波器探针分别与第一按键开关的第一固定端和第二消抖子模块的消抖信号输出端相接触便可提取显示被第二消抖子模块处理前和处理后的信号波形供教师演示、讲解，当手动的拨动单刀双掷开关时，便可以观察到输入到消抖子模块的信号抖动以及从消抖子模块输出的信号的消抖情况。对于第三消抖子模块，则可以将示波器探针与第二按键开关的第一固定端相接触便可提取显示被第三消抖子模块处理前和处理后的信号波形。因此本实用新型主要是提供消抖前后的信号波形对比，以方便进行演示和理解。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。