一种高可靠性的示波器矩阵扫描电路的制作方法

本发明涉及示波器技术领域，具体涉及一种高可靠性的示波器矩阵扫描电路。

背景技术：

键盘是计算机、pc、手机、数控设备、测试仪器等电子产品中主要的人机对话输入设备，随着电子产品功能的增加，要完成控制复杂多样的功能，则需要键盘提供足够的按键，当前的矩阵键盘主要是通过内部的矩阵扫描电路对键盘上的按键进行扫描，从而确定按键的位置。

例如，在示波器中常常需要用到控制面板上的按键、旋钮来进行参数调节和输入控制，从而达到人机交互操作的目的。其中，控制面板上的多个按键和多个旋钮可以构成矩阵式键盘，这种矩阵式键盘的稳定性将直接影响用户的操作体验，当出现按键或者旋钮失灵时，则无法对示波器设置正确的测量参数，会导致测试结果的不准确情形发生，因此如何提高示波器矩阵式键盘的输入可靠性仍是值得关注的技术。

无论是传统示波器，还是现代示波器都需要控制面板进行人机交互操作，在一些恶劣使用条件下或者是长期高强度的应用状态下，控制面板上的个别按键会发生串键现象，个别旋钮也会发生丢失键值现象，从而造成按键切换或旋钮输入过程发生错误，致使无法对示波器进行人为的操作控制，严重影响用户体验。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是如何加强示波器中矩阵扫描电路的按键切换和旋钮输入的可靠性，以提升用户的操作体验。

为解决上述技术问题，本申请提供一种高可靠性的示波器矩阵扫描电路，包括：矩阵开关模块，包括若干个按照行列分布的开关部件，每行的所述开关部件形成有第一扫描通道，每列的所述开关部件形成有第二扫描通道；第一扫描模块，包括通信端和多个第一检测端，多个所述第一检测端与各路所述第一扫描通道一一对应连接；所述第一扫描模块用于逐一接通每个所述第一检测端至所述通信端，利用所述通信端输出该第一检测端检测到的信号电平；第二扫描模块，包括接地端和多个第二检测端，多个所述第二检测端与各路所述第二扫描通道一一对应连接；所述第二扫描模块用于逐一接通每个所述第二检测端至所述接地端；电源模块，所述电源模块输出高电平，且所述电源模块的输出端设有多个并联的上拉电阻，各个所述上拉电阻与各路所述第一扫描通道一一对应连接，所述电源模块中每个所述上拉电阻的阻值范围是3.0-4.0kω；控制模块，与所述第一扫描模块和所述第二扫描模块信号连接；所述控制模块用于配置所述第二扫描模块在接通任意一个所述第二检测端口的过程中，配置所述第一扫描模块逐一接通每个所述第一检测端口。

所述开关部件包括至少一个输入端和一个输出端，所述开关部件的输入端与所在行对应的所述第一扫描通道连接，所述开关部件的输出端与所在列对应的所述第二扫描通道连接。

所述开关部件为按键或者旋钮，所述矩阵开关模块为若干个所述按键和/或若干个所述旋钮形成的矩阵电路。

每一个所述旋钮的输入端串联设有二极管，所述二极管用于辅助增强所述旋钮在发生动作时的跳变信号。

所述二极管为肖特基二极管，用于减少所述旋钮在发生动作时的跳变时间。

所述控制模块包括第一计数器和第二计数器，所述第一计数器和所述第二计数器均包括时钟端和发送端；所述第一扫描模块和所述第二扫描模块还均包括片选端；所述第一计数器的时钟端与外部的时钟源连接，发送端与所述第一扫描模块的片选端连接；所述第一计数器用于利用接收到的时钟信号进行循环计数，且在每次计数之后产生第一片选信号以配置所述第一扫描模块，使得所述第一扫描模块接通对应的所述第一检测端和所述通信端；所述第一计数器的计数值与所述第一检测端的端口号、所述第一扫描通道的序号相匹配；所述第二计数器的时钟端与所述第一计数器的发送端连接以形成级联计数状态，发送端与所述第二扫描模块的片选端连接；所述第二计数器用于利用所述第一片选信号进行循环计数，且在每次计数之后产生第二片选信号以配置所述第二扫描模块，使得所述第二扫描模块接通对应的所述第二检测端和所述接地端；所述第二计数器的计数值与所述第二检测端的端口号、所述第二扫描通道的序号相匹配。

所述控制模块还包括处理器，所述处理器包括时钟端、同步端和接收端；所述第一计数器和所述第二计数器还均包括同步端；所述处理器的时钟端与所述第一计数器的时钟端连接，用于提供时钟信号；所述处理器的同步端与所述第一计数器的同步端、所述第二计数器的同步端连接，用于提供同步信号，所述同步信号用于同步开始计数操作，且在所述第一计数器执行一轮循环计数时触发所述第二计数器执行一次计数；所述处理器的接收端与所述第一扫描模块的通信端连接，用于接收所述第一扫描模块输出的信号电平；所述处理器在所述信号电平为低时，根据所提供的时钟信号和同步信号确定所述第一计数器的计数值和所述第二计数器的计数值，从而确定所述矩阵开关模块中任意一个所述开关部件在发生动作时的键值。

所述第二计数器执行一轮循环计数时，所述控制模块对所述矩阵开关模块完成一轮扫描，完成一轮扫描的时间范围是1ms-20ms。

所述第一扫描模块和所述第二扫描模块均采用多路模拟复用器，所述第一计数器和所述第二计数器均采用二进制计数器。

本申请的有益效果是：

依据上述实施例的一种高可靠性的示波器矩阵扫描电路，其主要包括矩阵开关模块、第一扫描模块、第二扫描模块、电源模块和控制模块，其中矩阵开关模块包括若干个按照行列分布的开关部件，每行的开关部件形成有第一扫描通道，每列的开关部件形成有第二扫描通道；第一扫描模块包括通信端和多个第一检测端，多个第一检测端与各路第一扫描通道一一对应连接，该第一扫描模块用于逐一接通每个第一检测端至通信端，利用通信端输出该第一检测端检测到的信号电平；第二扫描模块包括接地端和多个第二检测端，多个第二检测端与各路第二扫描通道一一对应连接，该第二扫描模块用于逐一接通每个第二检测端至所述接地端；电源模块输出高电平，且电源模块的输出端设有多个并联的上拉电阻，各个上拉电阻与各路第一扫描通道一一对应连接；控制模块与第一扫描模块和第二扫描模块信号连接，该制模块用于配置第二扫描模块在接通任意一个第二检测端口的过程中，配置第一扫描模块逐一接通每个第一检测端口。第一方面，由于采用第一扫描模块、第二扫描模块分别来检测矩阵开关模块中形成的第一扫描通道和第二扫描通道，相当于对行通道、列通道分别进行扫描，利于提高扫描效率且可以提高扫描结果的稳定输出性能；第二方面，由于在矩阵开关模块中的每个旋钮的输入端串联二极管，如此便可以辅助增强旋钮在发生动作时的跳变信号，减少时延，利于达到跳变信号被及时触发的要求；第三方面，由于将每个旋钮上串联的二极管设置为肖特基二极管，充分利用了肖特基二极管的压降特性，可以最大限度地减少旋钮在发生动作时的跳变时间，利于提高矩阵扫描电路的反应灵敏性；第四方面，由于在电源模块的输出端设有多个并联的上拉电阻，且适宜设置上拉电阻的阻值，使得矩阵扫描模块中的检测信号达到合适的电平状态，利于在不影响按键/旋钮正常动作的情况下削弱干扰信号的不利影响，保证开关响应的准确性；第五方面，在控制模块中将第一计数器和第二计数器进行级联，利用从硬件结构上维护其产生的片选信号的正确时序，提供控制模块的控制稳定性能；第六方面，本申请提供的矩阵扫描电路从电路结构上对检测电平、跳变信号、控制时序进行了辅助增强，可以在不提高成本的情况下有效地提高示波器键盘扫描面板的可靠性，强化用户体验的同时，还能够避免恶劣使用条件下容易产生的串键现象，有效地保证按键或旋钮的键值不发生丢失，具有很强的实用价值。

附图说明

图1为本申请中示波器矩阵扫描电路的结构示意图；

图2为一种实施例中示波器矩阵扫描电路的电路图；

图3为一种实施例中按键的结构示意图；

图4为一种实施例中旋钮的结构示意图；

图5为一种实施例中第一计数器和第二计数器的计数原理示意图；

图6现有技术中矩阵键盘在开关动作时的信号测试图；

图7为本申请中矩阵扫描电路在开关动作时的信号测试图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

请参考图1和图2，本申请公开一种高可靠性的示波器矩阵扫描电路，其包括矩阵开关模块11、第一扫描模块12、第二扫描模块13、电源模块14和控制模块15，下面分别说明。

矩阵开关模块11包括若干个按照行列分布的开关部件（如附图标记111和112所示意的部件），每行的开关部件形成有第一扫描通道（如附图标记w0至w8所示意的行向检测线路），每列的开关部件形成有第二扫描通道（如附图标记l0-l7所示意的列向检测线路）。

第一扫描模块12包括通信端d1和多个第一检测端（如附图标记t0至t8），多个第一检测端与各路第一扫描通道一一对应连接。这里的第一扫描模块12用于逐一接通每个第一检测端（如附图标记t0）至通信端d1，利用通信端d1输出该第一检测端检测到的信号电平，也就是将其中一路第一扫描通道上的信号电平接通至通信端d1，从而通过通信端d1传输到控制模块15。

第二扫描模块13包括接地端e1和多个第二检测端（如附图标记q0至q7），多个第二检测端与各路第二扫描通道一一对应连接。这里的第二扫描模块13用于逐一接通每个第二检测端（如附图标记q0）至接地端e1，也就是将其中一路第二扫描通道上的信号电平接通至接地端e1，从而将该路第二扫描通道的电平设置为接地电平，比如零电平。

电源模块14输出高电平vcc，且电源模块14的输出端设有多个并联的上拉电阻（如附图标记r1至r9），各个上拉电阻与各路第一扫描通道（如附图标记w0至w8）一一对应连接，如此使得正常情况下第一扫描通道上维持与高电平vcc等大小的电平。

控制模块15与第一扫描模块12和第二扫描模块13信号连接，这里的控制模15用于配置第二扫描模块13在接通任意一个第二检测端口（如附图标记q0）的过程中，配置第一扫描模块12逐一接通每个第一检测端口（如附图标记t0）。这种控制时序可以通过级联的计时器来完成，仅需提供额外的时钟信号即可实现硬件计时功能，不需要特别的控制逻辑，具体原理将在下文讲解。

在本实施例中，参考图2中的附图标记111、112所示意的开关部件应当包括至少一个输入端和一个输出端，开关部件的输入端与行对应的第一扫描通道连接，开关部件的输出端与所在列对应的第二扫描通道连接。

在一具体实施例中，本实施例中涉及的开关部件可以为按键或者旋钮，使得矩阵开关模块11为若干个按键和/或若干个旋钮形成的矩阵电路。例如图2，矩阵开关模块11包括若干个按照行列分布的旋钮，以及若干个按照行列分布的按键，旋钮用于实现开关触发量的大小调节，按键用于实现一次触发。

在一个具体实施例中，开关部件111可以是图3中所示意的按键，其输入端连接第一扫描通道w5，输出端连接第二扫描通道l5，在按键被按下时第一扫描通道w5与第二扫描通道l5接通，使得第一扫描通道w5的电平跟随于第二扫描通道l5的电平。由于按键是常见的开关器件，属于现有技术，所以这里不再对其结构和工作原理展开详细说明。

在一个具体实施例中，开关部件112可以是图4中所示意的旋钮，其三个输入端分别连接第一扫描通道w6、w7、w8，输出端连接第二扫描通道l6。在旋钮被按下时第一扫描通道w6与第二扫描通道l6接通，实现普通按键功能；在旋钮转动时可以接通或断开w7和l6，接通或断开w8和l6，如此实现格雷码11、01、00、10的输出效果，从而判断旋钮的旋转方向和触发量的大小。由于旋钮是常见的开关器件，属于现有技术，所以这里不再对其结构和工作原理展开详细说明。

进一步地，参见图2和图4，每一个旋钮的输入端（如附图标记w7、w8）上串联设有二极管（如附图标记113、114），该些二极管用于辅助增强旋钮在发生动作时的跳变信号。为了产生更好地跳变信号，串联于旋钮输入端上的二极管可以采用肖特基二极管，用于减少旋钮在发生动作时的跳变时间。

本领域的技术人员可以理解，使用低压差肖特基二极管可以缩短旋钮由0到1的跳变时间，同时通过图4可以看出旋钮低电平到gnd有个二极管压降，那么使用低压差肖特基二极管还有另外一个好处，减小旋钮低电平到gnd的压降。以lvcmos的电平标准为例，vcc=3.3v，vih>=2.0v，vil<=0.7v，普通二极管压降在0.6v左右，而肖特基二极管的压降在0.3v左右，如此大大地降低了逻辑误判的可能性，利于提高旋钮动作的稳定性。

在本实施例中，参见图2，控制模块15可以包括第一计数器151和第二计数器152，第一计数器151和第二计数器152均包括时钟端（如附图标记k1、k2）和发送端（如附图标记s1、s2）。此外，第一扫描模块12和第二扫描模块13还均包括片选端（如附图标记n1、n2）。

其中，第一计数器151的时钟端k1通过时钟信号线clk1与外部的时钟源连接，发送端s1与第一扫描模块12的片选端n1连接；第一计数器151用于利用接收到的时钟信号进行循环计数，且在每次计数之后产生第一片选信号以配置第一扫描模块12，使得第一扫描模块接通对应的第一检测端（如附图标记t0至t8中的任一个端口）和通信端d1；此外，第一计数器151的计数值与第一检测端的端口号（可以用t0至t8来分别表示端口号）、第一扫描通道的序号（可以用附图标记w0至w8分别表示序号）相匹配，使得t0连接w0，以此类推。

其中，第二计数器152的时钟端k2通过时钟信号线clk2与第一计数器151的发送端s1中的一路信号线连接，从而两个计数器形成级联计数状态，第二计数器152的发送端s2与第二扫描模块13的片选端n2连接。第二计数器152用于利用第一片选信号进行循环计数，且在每次计数之后产生第二片选信号以配置第二扫描模块13，使得第二扫描模13块接通对应的第二检测端（如附图标记q0至q7中的任一个端口）和接地端e1。此外，第二计数器152的计数值与第二检测端的端口号（可以用q0至q7来分别表示端口号）、第二扫描通道的序号（可以用l0至l7来分别表示序号）相匹配，使得q0连接l0，以此类推。

进一步地，控制模块15还包括处理器153，该处理器153包括时钟端k3、同步端c3和接收端d2；此外，第一计数器151和第二计数器152还均包括同步端（如附图标记c1、c2）。其中，处理器153的时钟端k3与第一计数器151的时钟端k1连接，用于提供时钟信号；处理器153的同步端c3与第一计数器151的同步端c1、第二计数器152的同步端c2连接，用于提供同步信号，这里的同步信号用于同步开始计数操作，且在第一计数器151执行一轮循环计数时触发第二计数器152执行一次计数。

此外，处理器153的接收端d2与第一扫描模块12的通信端d1连接，用于接收第一扫描模块12输出的信号电平。处理器153在接收到的信号电平为低时，根据所提供的时钟信号和同步信号确定第一计数器151的计数值和第二计数器152的计数值，从而确定矩阵开关模块11中任意一个开关部件在发生动作时的键值。

在本实施例中，电源模块14中每个上拉电阻（如附图标记r1至r9）的阻值范围是3.0-10kω。在常规的扫描电路中会选用上拉电阻为10kω，甚至更高阻值的上拉电阻，这是因为更高阻值可以进一步拉高行扫描线路的电平，让按键发生动作时产生的信号跳变更加明显，更易于被扫描模块接收到。但是本申请为了实现较好的高电平输出效果和开关部件的响应效果，反其道而行之，设置上拉电阻为3.0-4.0kω，优选地设置每个上拉电阻的阻值为3.1kω。如此可以有效地降低行扫描线路上的电平，使得矩阵扫描模块中的检测信号达到合适的电平状态，利于在不影响按键/旋钮正常动作的情况下削弱干扰信号的不利影响，保证开关响应的准确性。

在本实施例中，第一扫描模块12和第二扫描模块13可以均采用多路模拟复用器，例如第一扫描模块12选用16路模拟开关74hc4067，第二扫描模块13选用8路模拟开关74hc4051。

在本实施例中，第一计数器151和第二计数器152可以均采用二进制计数器，比如二进制计数器74hc393。

在本实施例中，处理器153可以是cpu、mcu等逻辑处理芯片，由于此类芯片通常都具有时钟信号输出、同步信号输出、输入电平检测的功能，所以处理器153的时钟端k3、同步端c3和接收端d2所实现的功能均属于现有技术，这里不再进行详细说明。

在本申请中，第二计数器152执行一次计数，则仅有其中一个第二扫描通道（如附图标记l7）与地接通，l7通过q7与地接通期间，第一计数器151循环计数，如此依靠处理器153的接收端d2检测第一扫描通道w0至w8中是否存在低电平的通道，比如第一扫描通道w0存在低电平，则表明第一扫描通道w0和第二扫描通道l7相交位置的按键/旋钮被按下。例如图5所示的第一计数器151和第二计数器152的计数时序，在第一计数器151执行一次计数的过程中，第二计数器152已经进行了8次计数。

如此可以理解，第二计数器152执行一轮循环计数时，控制模块153对矩阵开关模块11完成一轮扫描，为实现更好的扫描效果，可以设置完成一轮扫描的时间范围是1ms-20ms，要远小于人任意一个开关部件的时间。

在本申请中，处理器153获知矩阵扫描模块中开关部件的键值的过程可以参考现有的矩阵键盘的扫描原理：先让三个横行或者三个竖列输出高电平，另外三个为输入模式，若扫描到高电平，则表示该行或该列有按键按下，接着切换输入输出，扫描另外三个，得到另外的坐标，由此确定按键按下的位置。

本领域的技术人员可以理解，采用本申请提供的技术方案能够实现以下的应有优势。（1）采用第一扫描模块、第二扫描模块分别来检测矩阵开关模块中形成的第一扫描通道和第二扫描通道，相当于对行通道、列通道分别进行扫描，利于提高扫描效率且可以提高扫描结果的稳定输出性能；（2）在矩阵开关模块中的每个旋钮的输入端串联二极管，如此便可以辅助增强旋钮在发生动作时的跳变信号，减少时延，利于达到跳变信号被及时触发的要求；（3）将每个旋钮上串联的二极管设置为肖特基二极管，充分利用了肖特基二极管的压降特性，可以最大限度地减少旋钮在发生动作时的跳变时间，利于提高矩阵扫描电路的反应灵敏性；（4）由于在电源模块的输出端设有多个并联的上拉电阻，且适宜设置上拉电阻的阻值，使得矩阵扫描模块中的检测信号达到合适的电平状态，利于在不影响按键/旋钮正常动作的情况下削弱干扰信号的不利影响，保证开关响应的准确性；（5）在控制模块中将第一计数器和第二计数器进行级联，利用从硬件结构上维护其产生的片选信号的正确时序，提供控制模块的控制稳定性能；（6）本申请提供的矩阵扫描电路从电路结构上对检测电平、跳变信号、控制时序进行了辅助增强，可以在不提高成本的情况下有效地提高示波器键盘扫描面板的可靠性，强化用户体验的同时，还能够避免恶劣使用条件下容易产生的串键现象，有效地保证按键或旋钮的键值不发生丢失，具有很强的实用价值。

本领域的技术人员可以理解，本申请技术方案可以认为是对现有技术的改进而产生的发明创造，现有技术的内容可以参考专利文献（cn200920350704.6），本申请技术方案的实质改进之处在于：（1）将现有旋钮上串联的二极管更换为肖特基二极管；（2）将现有电源上使用的10kω电阻更换为取值范围为3.0-3.1kω的上拉电阻。由此可知本申请技术方案的发明构思是：对以往的示波器矩阵扫描电路进行改进，主要是改变一些原有元器件的性能参数、类型来增强扫描电路的工作稳定性，从而避免开关部件发生意外的串键现象，加强示波器中矩阵扫描电路的按键切换和旋钮输入的可靠性，以提升用户的操作体验。这样改进的原因将在下文中进行详细说明。

针对第一点实质改进的技术特征，现有技术中往往采用的是普通的且无特别要求的二极管，所起的作用也仅仅是单向导通，然而本申请中明确限定旋钮上串联的二极管采用肖特基二极管，应用时可以充分发挥肖特基二极管除了单相导通之外的低压降特性，使用低压差肖特基二极管时可以缩短旋钮由0到1的跳变时间，减小旋钮低电平到gnd的压降，以lvcmos的电平标准为例，vcc=3.3v，vih>=2.0v，vil<=0.7v，普通二极管压降在0.6v左右，而肖特基二极管的压降在0.3v左右，如此大大地降低了逻辑误判的可能性，利于提高旋钮动作的稳定性。由于将每个旋钮上串联的二极管设置为肖特基二极管，充分利用了肖特基二极管的压降特性，可以最大限度地减少旋钮在发生动作时的跳变时间，利于提高矩阵扫描电路的反应灵敏性。因此，该技术特征起到了现有技术中类似特征没有达到的技术效果。

针对第二点实质改进的技术特征，现有技术中为矩阵键盘设置上拉电阻时采用了技术人员经常使用的10kω电阻，由此来保持行扫描线路上维持一个较高的默认电平，然而本申请技术方案却将电源上使用的10kω电阻更换为取值范围为3.0-3.1kω的上拉电阻，如此可以降低行扫描线路上的电平，使得矩阵扫描模块中的检测信号达到合适的电平状态，利于在不影响按键/旋钮正常动作的情况下削弱干扰信号的不利影响，保证开关响应的准确性。

为验证本申请技术方案的应用优势，进行了对比试验，不但对现有的矩阵键盘（如专利文献cn200920350704.6中采用的键盘扫描电路）进行了信号测试，还对本申请请求保护的示波器矩阵扫描电路进行了信号测试。

通过图6可以看出，现有矩阵键盘在开关部件（如按键、旋钮等）的内阻和电路驱动能力的共同影响下，一些开关部件会有干扰信号传入电路之中。正常情况下，开关部件动作之后，所在扫描通道上的检测信号被拉低，并小于处理器参照的触发信号，认为开关部件被按下。假如某个旋钮卡在00或者10的状态时，由于电路从0到1需要恢复时间，加上此时干扰信号在旋钮动作时所产生的噪声，如此会使得处理器再次检测到低于触发信号的低电平，此时会导致逻辑误判，造成旋钮的键值丢失的现象发生。

然而，通过图7可以看出，本申请公开的矩阵扫描电路不会因开关部件的恢复时间和干扰信号的双重影响而再次产生低电平，可以很好地克服键值丢失的现象，使得矩阵扫描电路具备高可靠性、高稳定性的工作特性，适宜在示波器等高精密的测试仪器中推广应用。此外，本申请中公开的技术方案虽然与现有技术相比，改进之处较为简单，却能够达到预料不到的技术效果，带来明显的应用优势。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。