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Entprellung

2016-03-11T15:46:35Z

87.178.96.182: /* Selbstsättigender Filter (nach Jürgen Schuhmacher) */ sonst zu empfindlicgh

== Problembeschreibung ==
Mechanische stromführende Komponenten wie [[Schalter]] und [[Taster]] neigen beim Ein- und Ausschalten zum sogenannten '''Prellen''', d.h sie schalten schnell mehrfach aus und ein, was durch mechanische Vibrationen des Schaltkontaktes verursacht wird, sofern sie nicht mit aufwändigen mechanischen Masßnahmen dagegen geschützt sind. Besonders die [[Drehgeber]] sind aufgrund der Raststellungen und der Bewegung des Bedieners dafür empfindlich. Auch optoelektronische Bauelemente und chemische Kontaktschalter, sowie Flüssigkeitsschalter haben das Problem.

Vereinfacht dargestellt, sieht eine von einem prellenden Schalter oder Taster geschaltete Spannung wie folgt aus:
[[Bild:Entprellen.png]]

Es existieren also mehrere kurze Einschaltimpules, welche bei Tastern als Mehrfachbefehl und bei Drehgebern als falsche Winkelbewegung interpretiert werden kann. Bei Schaltern wiederum, kommt es in der elektronischen Baugruppe zu mehreren Resets und Einschaltvorgängen, die unnötig Strom ziehen oder im schlechtesten Fall die Schaltung stressen oder beschädigen können. Wichtige Schalter und solche, die hohe Ströme führen sollen, werden dazu mit geeigneten Maßnahmen wie Redundanz, Stufenschaltkonzepten oder bei Gas- und Flüssigkeitschaltern durch elektrochemische Maßnahmen abgesichert. Bei einfachen Schaltern spart man sich dies jedoch.

Da es bei diesen einfachen, ungeschützten Schaltern keine sichere Möglichkeit gibt, diese Effekte zu vermeiden, muss das falsche Signal durch die Elektronik sinnvoll ausgewertet werden. Dafür gibt es verschiedene Ansätze:

== Hardwareentprellung ==

===Prellfreie Schalter===

Wie bereits angedeutet, hält die elektromechanische Industrie für Spezialanwendungen verschiedene Sonderkonstruktionen bereit, die saubere Schaltzustände nach Aussen generieren, indem sie entweder eine mechanische Dämpfung in Form eines selbsthemmenden Federmechanismus oder eine integrierte elektronische Signalverzögerung benutzen. Solche Systeme sind jedoch teuer und werden meist nur im Leistungsbereich eingesetzt. Zudem sind sie nicht 100% sicher und fallen alterungsbedingt aus. Wo immer es geht, werden daher weitere Maßnahmen getroffen, ein Prellen zu unterdrücken.

===Wechselschalter===

Für die Entprellung von Wechselschaltern (engl. Double Throw Switch) kann ein klassisches RS-[[Flipflop]] genutzt werden. Bei dieser Variante werden neben zwei NAND-Gattern nur noch zwei Pull-Up Widerstände benötigt.

[[Bild:NAND_debouncer.png|thumb|left|350px|'''Taster entprellen mit NAND-RS-Flipflop''']]

 

In der gezeigten Schalterstellung liegt an der Position /S der Pegel 0 an. Damit ist das Flipflop gesetzt und der Ausgang auf dem Pegel 1. Schließt der Schalter zwischen den Kontakten 2 und 3, liegt an der Postion /R der Pegel 0 an. Dies bedeutet, dass der Ausgang des Flipflops auf den Pegel 0 geht. Sobald der Schalter von einem zum anderen Kontakt wechselt, beginnt er in der Regel zu prellen. Während des Prellens wechselt der Schalter zwischen den beiden Zuständen "Schalter berührt Kontakt" und "Schalter ist frei in der Luft". Der Ausgang des Flipflops bleibt in dieser Prellzeit aber stabil, da der Schalter während des Prellens nie den gegenüberliegenden Kontakt berührt und das RS-Flipflop seinen Zustand allein halten kann. Die Prellzeit ist stark vom Schaltertyp abhängig und liegt zwischen 0,1 und 10ms. Die Dimensionierung der Widerstände ist relativ unkritisch. Als Richtwert können hier 100kOhm verwendet werden.

====Wechselschalter ohne Flip-Flop====

Wenn man mal gerade kein Flip-Flop zur Hand hat, kann man sich auch mit dieser Schaltung behelfen.

[[Bild:WechselEntprellC.PNG|thumb|left|350px|'''Wechsler entprellen mit Kondensator''']]

 

Zur Funktionsweise:
Beim Umschalten wird der Kondensator immer sofort umgeladen.
Während der Kontakt prellt, befindet er sich in der Luft und hat keinerlei Verbindung. Während dieser Zeit übernimmt der Kondensator das halten des Pegels.

Dimensionierung:
Ist der entprellte Taster an ein IC Angeschlossen, ist der ''Input Leakage Current'' der ausschlaggebende Strom. Falls weitere Ströme fließen sind diese mit zu berücksichtigen. Bei einem Mikrocontroller von Atmel sind 1µA typisch.
Es gilt:
:<math>\frac{dU}{dt} = \frac{I}{C}</math>
Da eine Prellung ca. 10ms dauert und die Spannung in dieser Zeit beispielsweise um maximal 0,5V fallen soll kommt man auf folgende Kapazität:
:<math> C = \frac{I \cdot dt}{dU} = \frac{1\mu A \cdot 10ms}{0,5V} = 20nF </math>

Um Stromspitzen zu verringern kann ein Widerstand mit eingefügt werden. Eine Zeitkonstante von 1µs bis 1ms scheint sinnvoll. Also 500 Ohm bis 500kOhm sind nutzbar, wobei bei niedrigem Widerstand die Stromspitzen höher sind, und bei 500kOhm der Pinstrom störend wird.

===Einfacher Taster===

Auch wenn das RS-Flipflop sehr effektiv ist, wird diese Variante der Entprellung nur selten angewendet. Grund dafür ist, dass in Schaltungen häufiger einfache Taster eingesetzt werden. Diese sind oft kleiner und preisgünstiger. Um einfache Taster (engl. Single Throw Switch) zu entprellen, kann ein einfacher RC-Tiefpass eingesetzt werden. Hierbei wird ein Kondensator über einen Widerstand je nach Schalterstellung auf- oder entladen. Das RC-Glied bildet einen Tiefpass, sodass die Spannung über den Kondensator nicht von einen Pegel auf den anderen springen kann.

[[Bild:RC_debouncer.png|thumb|left|300px|Taster entprellen mit RC-Entpreller]]

[[Datei:Entprellen1a.png|thumb|350px| Entstehender Spannungsverlauf]]
{{Absatz}}

Wenn der Schalter geöffnet ist, lädt sich der Kondensator langsam über die beiden Widerstände R1 und R2 auf Vcc auf. Beim Erreichen der Umschaltschwelle springt der Ausgang auf den Pegel 0. Wird der Schalter geschlossen, entlädt sich der Kondensator langsam über den Widerstand R2. Demnach ändert sich der Ausgang des Inverters auf den Pegel 1. Während der Taster prellt, kann sich die Spannung über dem Kondensator nicht sprunghaft ändern, da das Auf- und Entladen eher langsam über die Widerstände erfolgt. Außerdem sind die Schaltschwellen für den Übergang LOW->HIGH und HIGH->LOW stark verschieden (Hysterese, siehe Artikel [[Schmitt-Trigger]]). Bei richtiger Dimensionierung der Bauelemente wird somit der Ausgang des Inverters prellfrei.

Zu beachten ist, dass der Inverter '''unbedingt''' einer mit [[Schmitt-Trigger]]-Eingängen sein muss, weil bei Standard-Logikeingängen im Bereich von üblicherweise 0,8V - 2,0V der Ausgang nicht definiert ist. Als Inverter kann zum Beispiel der 74HC14 oder der CD40106 (pinkompatibel) eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein CD4093 eingesetzt werden. Bei dem CD4093 handelt es sich um NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger-Eingängen. Um aus einem NAND-Gatter einen Inverter zu machen, müssen einfach nur die beiden Eingänge verbunden werden oder ein Eingang fest auf HIGH gelegt werden.

Für eine geeignete Dimensionierung muss man etwas mit den Standardformeln für einen Kondensator jonglieren. Die Spannung über den Kondensator beim Entladen berechnet sich nach:
:<math>U_C(t) = U_0 \cdot e^{\frac{-t}{R_2 C_1}}</math>

Damit der Ausgang des Inverters stabil ist, muss die Spannung über den Kondensator und damit die Spannung am Eingang des Inverters über der Spannung bleiben, bei welcher der Inverter umschaltet. Diese Schwellwertspannung ist genau die zeitabhängige Spannung über den Kondensator.
:<math>U_C(t)\!\ = U_{th}</math>

Durch Umstellen der Formel ergibt sich nun:
:<math>R_2=\frac{-t}{C_1 \cdot ln\left(\frac{U_{th}}{U_0} \right)}</math>

Ein Taster prellt üblicherweise etwa 10ms. Zur Sicherheit kann bei der Berechnung des Widerstandes eine Prellzeit von 20ms angenommen werden. U_0 ist die Betriebsspannung also Vcc. Die Schwellwertspannung muss aus dem Datenblatt des eingesetzten Schmitt-Triggers abgelesen werden. Beim 74HC14 beträgt der gesuchte Wert 2,0V. Nimmt man für den Kondensator 1µF und beträgt die Betriebsspannung 5V, ergibt sich für den Widerstand ein Wert von etwa 22kOhm.

Wird der Schalter geöffnet, lädt sich der Kondensator nach folgender Formel auf:
:<math>U_C(t) = U_0 \cdot \left( 1-e^{\frac{-t}{(R_1+R_2)\cdot C_1}} \right)</math>

Mit U_th=U_C ergibt das Umstellen nach (R_1+R_2):
:<math>R_1+R_2 = \frac{-t}{C_1 \cdot ln\left(1-\frac{U_{th}}{U_0} \right)} </math>

Für die Schwellspannung lässt sich aus dem Datenblatt ein Wert von 2,3V ablesen. Mit diesem Wert und den Annahmen von oben ergibt sich für R_1+R_2 ein Wert von 32kOhm. Somit ergibt sich für R_1 ein Wert von etwa 10kOhm.

Anmerkung: Beim 74LS14 von Hitachi z. B. sind die oberen und unteren Schaltschwellwerte unterschiedlich. Es muss darauf geachtet werden, dass U_{th} beim Entladen die untere Schwelle und U_{th} beim Laden die obere Schwelle einnimmt.

== Softwareentprellung ==

In den Zeiten der elektronischen Auswertung von Tastern und Schaltern ist das softwaretechnische Entprellen oft billiger, als die Benutzung eines teuren Schalters. Daher werden heute z.B. auch Computertastaturen nicht mehr mit prellarmen Tasten oder Entprellkondensatoren ausgestattet.

Bei Verwendung des in den meisten Geräten ohnehin vorhandenen Mikrocontrollers z.B., kann man sich die zusätzliche Hardware sparen, da die Entprellung in Software praktisch genauso gut funktioniert. Dabei ist nur zu beachten, dass zusätzliche Rechenleistung und je nach Umsetzung auch einige Hardwareressourcen (z.B. Timer) benötigt werden. Dafür hat man aber den Vorteil, kurze Pulse, die offensichtlich keine Tastenbetätigung sein können sondern z. B. durch Einstreuungen hervorgerufen werden, einfach ausfiltern zu können.

=== Flankenerkennung ===
Bei einem Taster gibt es insgesamt 4 theoretische Zustände:

* 1. war nicht gedrückt und ist nicht gedrückt
* 2. war nicht gedrückt und ist gedrückt (steigende Flanke)
* 3. war gedrückt und ist immer noch gedrückt
* 4. war gedrückt und ist nicht mehr gedrückt (fallende Flanke)

Diese einzelnen Zustände lassen sich jetzt bequem abfragen/durchlaufen. Die Entprellung geschieht dabei durch die ganze Laufzeit des Programms. Die Taster werden hierbei als Active-Low angeschlossen, um die internen Pull-Ups zu nutzen.

Diese Routine gibt für den Zustand "steigende Flanke" den Wert "1" zurück, sonst "0"

<syntaxhighlight lang="c">
#define TASTERPORT PINC
#define TASTERBIT PINC1

char taster(void)
{
static unsigned char zustand;
char rw = 0;

if(zustand == 0 && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gedrueckt (steigende Flanke)
{
zustand = 1;
rw = 1;
}
else if (zustand == 1 && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gehalten
{
zustand = 2;
rw = 0;
}
else if (zustand == 2 && (TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird losgelassen (fallende Flanke)
{
zustand = 3;
rw = 0;
}
else if (zustand == 3 && (TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster losgelassen
{
zustand = 0;
rw = 0;
}

return rw;
}
</syntaxhighlight>

Eine Erweiterung, damit beliebig lange das Halten einer Taste erkannt wird kann man ganz einfach so implementieren:

<syntaxhighlight lang="c">
// zustand kann entweder zum ersten mal als gehalten detektiert werden oder aber jedes weitere mal
else if (((zustand == 1) || (zustand == 2)) && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gehalten
{
zustand = 2;
rw = 0;
}
</syntaxhighlight>

=== Warteschleifen-Verfahren ===

Soll nun mit einem Mikrocontroller gezählt werden, wie oft ein Kontakt oder ein Relais geschaltet wird, muss das Prellen des Kontaktes exakt berücksichtigt - und von einem gewollten Mehrfachschalten abgegrenzt werden, da sonst möglicherweise Fehlimpulse gezählt- oder andererseits echte Schaltvorgänge übersprungen werden. Dies muss beim Schreiben des Programms hinsichtlich des Abtastens des Kontaktes unbedingt Rechnung getragen werden.

Beim folgenden einfachen Beispiel für eine Entprellung ist zu beachten, dass der AVR im Falle eines Tastendrucks 200ms wartet, also brach liegt. Bei zeitkritischen Anwendungen sollte man ein anderes Verfahren nutzen (z. B. Abfrage der Tastenzustände in einer Timer-Interrupt-Service-Routine).

<syntaxhighlight lang="c">
#include <avr/io.h>
#include <inttypes.h>
#ifndef F_CPU
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* bei alter avr-libc: #include <avr/delay.h> */

/* Einfache Funktion zum Entprellen eines Tasters */
inline uint8_t debounce(volatile uint8_t *port, uint8_t pin)
{
if ( !(*port & (1 << pin)) )
{
/* Pin wurde auf Masse gezogen, 100ms warten */
_delay_ms(50); // Maximalwert des Parameters an _delay_ms
_delay_ms(50); // beachten, vgl. Dokumentation der avr-libc
if ( *port & (1 << pin) )
{
/* Anwender Zeit zum Loslassen des Tasters geben */
_delay_ms(50);
_delay_ms(50);
return 1;
}
}
return 0;
}

int main(void)
{
DDRB &= ~( 1 << PB0 ); /* PIN PB0 auf Eingang Taster) */
PORTB |= ( 1 << PB0 ); /* Pullup-Widerstand aktivieren */
...
if (debounce(&PINB, PB0))
{
/* Falls Taster an PIN PB0 gedrueckt */
/* LED an Port PD7 an- bzw. ausschalten: */
PORTD = PORTD ^ ( 1 << PD7 );
}
...
}
</syntaxhighlight>

Die obige Routine hat leider mehrere Nachteile:
* sie detektiert nur das Loslassen (unergonomisch)
* sie verzögert die Mainloop immer um 100ms bei gedrückter Taste
* sie verliert Tastendrücke, je mehr die Mainloop zu tun hat.

Eine ähnlich einfach zu benutzende Routine, aber ohne all diese Nachteile findet sich im Forenthread
[http://www.mikrocontroller.net/topic/164194#new Entprellung für Anfänger]

Der ''DEBOUNCE'' Befehl in dem BASIC-Dialekt BASCOM für AVR ist ebenfalls nach dem Warteschleifen-Verfahren programmiert. Die Wartezeit beträgt standardmäßig 25 ms, kann aber vom Anwender überschrieben werden. Vgl. [http://avrhelp.mcselec.com/bascom-avr.html?DEBOUNCE BASCOM Online-Manual zu DEBOUNCE].

Eine C-Implementierung für eine Tastenabfrage mit Warteschleife ist im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial#IO-Register_als_Parameter_und_Variablen|AVR-GCC-Tutorial: IO-Register als Parameter und Variablen]] angeben.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Controller durch die Warteschleife blockiert wird. Günstiger ist die Implementierung mit einem Timer-Interrupt.

==== Warteschleifenvariante mit Maske und Pointer (nach Christian Riggenbach) ====

Hier eine weitere Funktion, um Taster zu entprellen: Durch den zusätzlichen Code kann eine Entprellzeit von durchschnittlich 1-3ms (mindestens 8*150µs = 1ms) erreicht werden. Grundsätzlich prüft die Funktion den Pegel der Pins auf einem bestimmten Port. Wenn die/der Pegel 8 Mal konstant war, wird die Schleife verlassen. Diese Funktion kann sehr gut eingesetzt werden, um in einer Endlosschleife Taster anzufragen, da sie, wie erwähnt, eine kurze Wartezeit hat.

<syntaxhighlight lang="c">
void entprellung( volatile uint8_t *port, uint8_t maske ) {
uint8_t port_puffer;
uint8_t entprellungs_puffer;

for( entprellungs_puffer=0 ; entprellungs_puffer!=0xff ; ) {
entprellungs_puffer<<=1;
port_puffer = *port;
_delay_us(150);
if( (*port & maske) == (port_puffer & maske) )
entprellungs_puffer |= 0x01;
}
}
</syntaxhighlight>
Die Funktion wird wie folgt aufgerufen:
<syntaxhighlight lang="c">
// Bugfix 20100414
// http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_port_pass
entprellung( &PINB, (1<<PINB2) ); // ggf. Prellen abwarten
if( PINB & (1<<PINB2) ) // dann stabilen Wert einlesen
{
// mach was
}
else
{
// mach was anderes
}
</syntaxhighlight>
Als Maske kann ein beliebiger Wert übergeben werden. Sie verhindert, dass nichtverwendete Taster die Entprellzeit negativ beeinflussen.

==== Debounce-Makro von Peter Dannegger ====

Peter Dannegger hat in [http://www.mikrocontroller.net/topic/164194#1566921 "Entprellen für Anfänger"] folgende vereinfachtes Entprellverfahren beschrieben. Das Makro arbeitet in der Originalversion mit ''active low'' geschalteten Tastern, kann aber einfach für ''active high'' geschaltete Taster angepasst werden ([[Pollin Funk-AVR-Evaluationsboard#Tasty Reloaded|Tasty Reloaded]]).

<syntaxhighlight lang="c">
/************************************************************************/
/* */
/* Not so powerful Debouncing Example */
/* No Interrupt needed */
/* */
/* Author: Peter Dannegger */
/* */
/************************************************************************/
// Target: ATtiny13

#include <avr/io.h>
#define F_CPU 9.6e6
#include <util/delay.h>

#define debounce( port, pin ) \
({ \
static uint8_t flag = 0; /* new variable on every macro usage */ \
uint8_t i = 0; \
\
if( flag ){ /* check for key release: */ \
for(;;){ /* loop ... */ \
if( !(port & 1<<pin) ){ /* ... until key pressed or ... */ \
i = 0; /* 0 = bounce */ \
break; \
} \
_delay_us( 98 ); /* * 256 = 25ms */ \
if( --i == 0 ){ /* ... until key >25ms released */ \
flag = 0; /* clear press flag */ \
i = 0; /* 0 = key release debounced */ \
break; \
} \
} \
}else{ /* else check for key press: */ \
for(;;){ /* loop ... */ \
if( (port & 1<<pin) ){ /* ... until key released or ... */ \
i = 0; /* 0 = bounce */ \
break; \
} \
_delay_us( 98 ); /* * 256 = 25ms */ \
if( --i == 0 ){ /* ... until key >25ms pressed */ \
flag = 1; /* set press flag */ \
i = 1; /* 1 = key press debounced */ \
break; \
} \
} \
} \
i; /* return value of Macro */ \
})

/*
Testapplication
*/
int main(void)
{
DDRB &= ~(1<<PB0);
PORTB |= 1<<PB0;
DDRB |= 1<<PB2;
DDRB &= ~(1<<PB1);
PORTB |= 1<<PB1;
DDRB |= 1<<PB3;
for(;;){
if( debounce( PINB, PB1 ) )
PORTB ^= 1<<PB2;
if( debounce( PINB, PB0 ) )
PORTB ^= 1<<PB3;
}
}

</syntaxhighlight>

Wenn das Makro für die gleiche Taste (Pin) an mehreren Stellen aufgerufen werden soll, muss eine Funktion angelegt werden, damit beide Aufrufe an die gleiche Zustandsvariable ''flag'' auswerten [http://www.mikrocontroller.net/topic/195914#1918727]:

<syntaxhighlight lang="c">
// Hilfsfunktion
uint8_t debounce_C1( void )
{
return debounce(PINC, PC1);
}

// Beispielanwendung
int main(void)
{
DDRB |= 1<<PB2;
DDRB |= 1<<PB3;
DDRC &= ~(1<<PC1);
PORTC |= 1<<PC1; // Pullup für Taster

for(;;){
if( debounce_C1() ) // nicht: debounce(PINC, PC1)
PORTB ^= 1<<PB2;
if( debounce_C1() ) // nicht: debounce(PINC, PC1)
PORTB ^= 1<<PB3;
}
}
</syntaxhighlight>

=== Timer-Verfahren (nach Peter Dannegger) ===

==== Grundroutine (AVR Assembler) ====

Siehe dazu: [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-20435.html#new Forum]

Vorteile
* besonders kurzer Code
* schnell

Außerdem können 8 Tasten (aktiv low) gleichzeitig bearbeitet werden, es dürfen also
alle exakt zur selben Zeit gedrückt werden. Andere Routinen können z. B. nur eine Taste verarbeiten, d.h. die zuerst oder zuletzt gedrückte gewinnt, oder es kommt Unsinn heraus.

Die eigentliche Einlese- und Entprellroutine ist nur 8 Instruktionen
kurz. Der entprellte Tastenzustand ist im Register ''key_state''. Mit nur 2 weiteren Instruktionen wird dann der Wechsel von ''Taste offen'' zu
''Taste gedrückt'' erkannt und im Register ''key_press'' abgelegt. Im Beispielcode werden dann damit 8 LEDs ein- und ausgeschaltet. Jede Taste entspricht einem Bit in den Registern, d.h. die Verarbeitung erfolgt bitweise mit logischen Operationen. Zum Verständnis empfiehlt es sich daher, die Logikgleichungen mit Gattern für ein Bit = eine Taste aufzumalen. Die Register kann man sich als Flipflops denken, die mit der Entprellzeit als Takt arbeiten. D.h. man kann das auch so z. B. in einem GAL22V10 realisieren.

Als Kommentar sind neben den einzelnen Instruktionen alle 8 möglichen
Kombinationen der 3 Signale dargestellt.

Beispielcode für AVR (Assembler):

<syntaxhighlight lang="avrasm">
.nolist
.include "c:\avr\inc\1200def.inc"
.list
.def save_sreg = r0
.def iwr0 = r1
.def iwr1 = r2

.def key_old = r3
.def key_state = r4
.def key_press = r5

.def leds = r16
.def wr0 = r17

.equ key_port = pind
.equ led_port = portb

rjmp init
.org OVF0addr ;timer interrupt 24ms
in save_sreg, SREG
get8key: ;/old state iwr1 iwr0
mov iwr0, key_old ;00110011 10101010 00110011
in key_old, key_port ;11110000
eor iwr0, key_old ; 11000011
com key_old ;00001111
mov iwr1, key_state ; 10101010
or key_state, iwr0 ; 11101011
and iwr0, key_old ; 00000011
eor key_state, iwr0 ; 11101000
and iwr1, iwr0 ; 00000010
or key_press, iwr1 ;store key press detect
;
; insert other timer functions here
;
out SREG, save_sreg
reti
;-------------------------------------------------------------------------
init:
ldi wr0, 0xFF
out ddrb, wr0
ldi wr0, 1<<CS02 | 1<<CS00 ;divide by 1024 * 256
out TCCR0, wr0
ldi wr0, 1<<TOIE0 ;enable timer interrupt
out TIMSK, wr0

clr key_old
clr key_state
clr key_press
ldi leds, 0xFF
main: cli
eor leds, key_press ;toggle LEDs
clr key_press ;clear, if key press action done
sei
out led_port, leds
rjmp main
;-------------------------------------------------------------
</syntaxhighlight>

==== Komfortroutine (C für AVR) ====

Siehe dazu: [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-310276.html Forum]

'''Anmerkung''' Wenn statt active-low (Ruhezustand High) active-high (Ruhezustand Low) verwendet wird muss eine Zeile geändert werden siehe:
[http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-310276.html gesamter Beitrag im Forum],
[http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#606555 Stelle 1 im Beitrag], ([http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#2306398 Stelle 2 im Beitrag] muss *nicht* geändert werden, da hier die Polarität gar keinen Einfluß hat).

'''Anmerkung 2''' Zur Initialisierung siehe [http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#3572793 Forum]

Funktionsprinzip wie oben plus zusätzliche Features:
* Kann Tasten sparen durch unterschiedliche Aktionen bei kurzem oder langem Drücken
* Wiederholfunktion, z. B. für die Eingabe von Werten

Das Programm ist für avr-gcc/avr-libc geschrieben, kann aber mit ein paar Anpassungen auch mit anderen Compilern und Mikrocontrollern verwendet werden. Eine Portierung für den AT91SAM7 findet man [http://www.google.com/codesearch?q=show:ac2viP-2E2Y:pzkOO5QRsoc:RPICuprYy-A&sa=N&cd=1&ct=rc&cs_p=svn://mikrocontroller.net/mp3dec/trunk&cs_f=keys.c#a0 hier] (aus dem Projekt [[ARM MP3/AAC Player]]).
<syntaxhighlight lang="c">
/************************************************************************/
/* */
/* Debouncing 8 Keys */
/* Sampling 4 Times */
/* With Repeat Function */
/* */
/* Author: Peter Dannegger */
/* danni@specs.de */
/* */
/************************************************************************/

#include <stdint.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 1000000 // processor clock frequency
#warning kein F_CPU definiert
#endif

#define KEY_DDR DDRB
#define KEY_PORT PORTB
#define KEY_PIN PINB
#define KEY0 0
#define KEY1 1
#define KEY2 2
#define ALL_KEYS (1<<KEY0 | 1<<KEY1 | 1<<KEY2)

#define REPEAT_MASK (1<<KEY1 | 1<<KEY2) // repeat: key1, key2
#define REPEAT_START 50 // after 500ms
#define REPEAT_NEXT 20 // every 200ms

#define LED_DDR DDRA
#define LED_PORT PORTA
#define LED0 0
#define LED1 1
#define LED2 2

volatile uint8_t key_state; // debounced and inverted key state:
// bit = 1: key pressed
volatile uint8_t key_press; // key press detect

volatile uint8_t key_rpt; // key long press and repeat

ISR( TIMER0_OVF_vect ) // every 10ms
{
static uint8_t ct0, ct1, rpt;
uint8_t i;

TCNT0 = (uint8_t)(int16_t)-(F_CPU / 1024 * 10e-3 + 0.5); // preload for 10ms

i = key_state ^ ~KEY_PIN; // key changed ?
ct0 = ~( ct0 & i ); // reset or count ct0
ct1 = ct0 ^ (ct1 & i); // reset or count ct1
i &= ct0 & ct1; // count until roll over ?
key_state ^= i; // then toggle debounced state
key_press |= key_state & i; // 0->1: key press detect

if( (key_state & REPEAT_MASK) == 0 ) // check repeat function
rpt = REPEAT_START; // start delay
if( --rpt == 0 ){
rpt = REPEAT_NEXT; // repeat delay
key_rpt |= key_state & REPEAT_MASK;
}
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key has been pressed. Each pressed key is reported
// only once
//
uint8_t get_key_press( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read and clear atomic !
key_mask &= key_press; // read key(s)
key_press ^= key_mask; // clear key(s)
sei();
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key has been pressed long enough such that the
// key repeat functionality kicks in. After a small setup delay
// the key is reported being pressed in subsequent calls
// to this function. This simulates the user repeatedly
// pressing and releasing the key.
//
uint8_t get_key_rpt( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read and clear atomic !
key_mask &= key_rpt; // read key(s)
key_rpt ^= key_mask; // clear key(s)
sei();
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key is pressed right now
//
uint8_t get_key_state( uint8_t key_mask )

{
key_mask &= key_state;
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
uint8_t get_key_short( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read key state and key press atomic !
return get_key_press( ~key_state & key_mask );
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
uint8_t get_key_long( uint8_t key_mask )
{
return get_key_press( get_key_rpt( key_mask ));
}

int main( void )
{
LED_PORT = 0xFF;
LED_DDR = 0xFF;

// Configure debouncing routines
KEY_DDR &= ~ALL_KEYS; // configure key port for input
KEY_PORT |= ALL_KEYS; // and turn on pull up resistors

TCCR0 = (1<<CS02)|(1<<CS00); // divide by 1024
TCNT0 = (uint8_t)(int16_t)-(F_CPU / 1024 * 10e-3 + 0.5); // preload for 10ms
TIMSK |= 1<<TOIE0; // enable timer interrupt

sei();

while(1){
if( get_key_short( 1<<KEY1 ))
LED_PORT ^= 1<<LED1;

if( get_key_long( 1<<KEY1 ))
LED_PORT ^= 1<<LED2;

// single press and repeat

if( get_key_press( 1<<KEY2 ) || get_key_rpt( 1<<KEY2 )){
uint8_t i = LED_PORT;

i = (i & 0x07) | ((i << 1) & 0xF0);
if( i < 0xF0 )
i |= 0x08;
LED_PORT = i;
}
}
}
</syntaxhighlight>

Das single-press-und-repeat-Beispiel geht nicht in jeder Beschaltung; folgendes Beispiel sollte universeller sein (einzelne LED an/aus):
<syntaxhighlight lang="c">
// single press and repeat
if( get_key_press( 1<<KEY2 ) || get_key_rpt( 1<<KEY2 ))
LED_PORT ^=0x08;
</syntaxhighlight>

Neuere Variante, die einer Taste folgende Funktionen erlaubt:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1753367
<syntaxhighlight lang="c">
- get_key_press()
- get_key_rpt()
- get_key_press() mit get_key_rpt()
- get_key_short() mit get_key_long()
- get_key_short() mit get_key_long_r() und get_key_rpt_l()
</syntaxhighlight>
Erweiterung für die Erkennung von zwei gleichzeitig gedrückten Tasten:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1753367
<syntaxhighlight lang="c">
- get_key_common()
</syntaxhighlight>

===== Funktionsweise =====
Der Code basiert auf 8 parallelen vertikalen Zählern, die über die Variablen ct0 und ct1 aufgebaut werden

[[Bild:VertCount.png|framed|center|'''8 vertikale Zähler in 2 8-Bit Variablen''']]

wobei jeweils ein Bit in ct0 mit dem gleichwertigen Bit in ct1 zusammengenommen einen 2-Bit-Zähler bildet.
Der Code der sich um die 8 Zähler kümmert, ist so geschrieben, daß er alle 8 Zähler gemeinsam parallel behandelt.

<syntaxhighlight lang="c">
i = key_state ^ ~KEY_PIN; // key changed ?
</syntaxhighlight>
i enthält an dieser Stelle für jede Taste, die sich im Vergleich mit dem vorhergehenden entprellten Zustand (keystate) verändert hat, ein 1 Bit.

<syntaxhighlight lang="c">
ct0 = ~( ct0 & i ); // reset or count ct0
ct1 = ct0 ^ (ct1 & i); // reset or count ct1
</syntaxhighlight>

Diese beiden Anweisungen erniedrigen den 2-Bit Zähler ct0/ct1 für jedes Bit um 1, welches in i gesetzt ist. Liegt an der entsprechenden Stelle in i ein 0 Bit vor (keine Änderung des Zustands), so wird der Zähler ct0/ct1 für dieses Bit auf 1 gesetzt.
Der Grundzustand des Zählers ist als ct0 == 1 und ct1 == 1 (Wert 3). Der Zähler zählt daher mit jedem ISR Aufruf, bei dem die Taste im Vergleich zu keystate als verändert erkannt wurde

ct1 ct0
1 1 // 3
1 0 // 2
0 1 // 1
0 0 // 0
1 1 // 3

<syntaxhighlight lang="c">
i &= ct0 & ct1; // count until roll over ?
</syntaxhighlight>
in i bleibt nur dort ein 1-Bit erhalten, wo sowohl in ct1 als auch in ct0 ein 1 Bit vorgefunden wird, der betreffende Zähler also bis 3 zählen konnte. Durch die zusätzliche Verundung mit i wird der Fall abgefangen, dass ein konstanter Zählerwert von 3 in i ein 1 Bit hinterlässt. Im Endergebnis bedeutet dass, dass nur ein Zählerwechsel von 0 auf 3 zu einem 1 Bit an der betreffenden Stelle in i führt, aber auch nur dann, wenn in i an dieser Bitposition ebenfalls ein 1 Bit war (welches wiederrum deswegen auf 1 war, weil an diesem Eingabeport eine Veränderung zum letzten bekannten entprellten Zustand festgestellt wurde). Alles zusammengenommen heißt das, dass ein Tastendruck dann erkannt wird, wenn die Taste 4 mal hintereinander in einem anderen Zustand vorgefunden wurde als dem zuletzt bekannten entprellten Tastenzustand.

An dieser Stelle ist i daher ein Vektor von 8 Bits, von denen jedes einzelne der Bits darüber Auskunft gibt, ob die entsprechende Taste mehrmals hintereinander im selben Zustand angetroffen wurde, der nicht mit dem zuletzt bekannten Tastenzustand übereinstimmt. Ist das der Fall, dann wird eine entsprechende Veränderung des Tastenzustands in key_state registriert
<syntaxhighlight lang="c">
key_state ^= i; // then toggle debounced state
</syntaxhighlight>
und wenn sich in key_state das entsprechende Bit von 0 auf 1 verändert hat, wird dieses Ereignis als 'Taste wurde niedergedrückt' gewertet.
<syntaxhighlight lang="c">
key_press |= key_state & i; // 0->1: key press detect
</syntaxhighlight>

Damit ist der Tasteneingang entprellt. Und zwar sowohl beim Drücken einer Taste als auch beim Loslassen (damit Tastenpreller beim Loslassen nicht mit dem Niederdrücken einer Taste verwechselt werden). Der weitere Code beschäftigt sich dann nur noch damit, diesen entprellten Tastenzustand weiter zu verarbeiten.

Der Codeteil sieht durch die Verwendung der vielen bitweisen Operationen relativ komplex aus. Behält man aber im Hinterkopf, dass einige der bitweisen wie ein 'paralles If' gleichzeitig auf allen 8 Bits eingesetzt werden, dann vereinfacht sich vieles. Ein
<syntaxhighlight lang="c">
key_press |= key_state & i;
</syntaxhighlight>
ist nichts anderes als ein
<syntaxhighlight lang="c">
// teste ob Bit 0 sowohl in key_state als auch in i gesetzt ist
// und setze Bit 0 in key_press, wenn das der Fall ist
if( ( key_state & ( 1 << 0 ) ) &&
( i & ( 1 << 0 ) )
key_press |= ( 1 << 0 );

// Bit 1
if( ( key_state & ( 1 << 1 ) ) &&
( i & ( 1 << 1 ) )
key_press |= ( 1 << 1 );

// Bit 2
if( ( key_state & ( 1 << 2 ) ) &&
( i & ( 1 << 2 ) )
key_press |= ( 1 << 2 );

...
</syntaxhighlight>
nur als wesentlich kompaktere Operation ausgeführt und für alle 8 Bits gleichzeitig.
Die Kürze und Effizienz dieser paar Codezeilen ergibt sich aus dem Umstand, dass jedes Bit in den Variablen für eine Taste steht und alle 8 (maximal möglichen) Tasten gleichzeitig die Operationen durchlaufen.

Funktionsweisen der verschienden Modi anhand von Zeitstrahlen erklärt:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1844458

"Walkthrough" der verschiedenen Zuständer der Einzelnen Variablen anhand eines Tastendrucks (avrfreaks.net)
http://www.avrfreaks.net/comment/726676#comment-726676

===== Reduziert auf lediglich 1 Taste =====
Diskussionen im Forum zeigen immer wieder, dass viele eine Abneigung gegen diesen Code haben, weil er ihnen sehr kompliziert vorkommt.

Der Code ist nicht leicht zu analysieren und er zieht alle Register dessen, was möglich ist, um sowohl Laufzeit als auch Speicherverbrauch einzusparen. Oft hört man auch das Argument: Ich benötige ja nur eine Entprellung für 1 Taste, gibt es da nichts Einfacheres?

Hier ist die 'Langform' des Codes, so wie man das für lediglich 1 Taste schreiben würde, wenn man exakt dasselbe Entprellverfahren einsetzen würde. Man sieht: Da ist keine Hexerei dabei: In key_state wird der letzte bekannte entprellte Zustand der Taste gehalten. Der Pin-Eingang wird mit diesem Zustand verglichen und wenn sich die beiden unterscheiden, dann wird ein Zähler heruntergezählt. Produziert dieses herunterzählen einen Unterlauf des Zählers, dann gilt die Taste als entprellt und wenn dann auch noch die Taste gerade gedrückt ist, dann wird dieses in key_press entsprechend vermerkt.

<syntaxhighlight lang="c">
uint8_t key_state;
uint8_t key_counter;
volatile uint8_t key_press;

ISR( ... Overflow ... )
{
uint8_t input = KEY_PIN & ( 1 << KEY0 );

if( input != key_state ) {
key_counter--;
if( key_counter == 0xFF ) {
key_counter = 3;
key_state = input;
if( input )
key_press = TRUE;
}
}
else
key_counter = 3;

}

uint8_t get_key_press()
{
uint8_t result;

cli();
result = key_press;
key_press = FALSE;
sei();

return result;
}
</syntaxhighlight>

Der vollständige Entprellcode, wie weiter oben gelistet, besticht jetzt aber darin, dass er compiliert kleiner ist als diese anschaulichere Variante für lediglich 1 Taste. Und das bei gleichzeitig erhöhter Funktionalität. Denn zb. ein Autorepeat ist in diesem Code noch gar nicht eingebaut. Und spätestens wenn man dann eine 2.te Taste entprellen möchte, dann ist auch der SRAM-Speicherverbrauch dieser Langform höher als der des Originals für 8 Tasten. Daraus folgt: Selbst für lediglich 1 Taste ist die Originalroutine die bessere Wahl.

Und wegen der Komplexität mal eine Frage: Sind Sie selbst in der Lage eine entsprechend effiziente sqrt() Funktion zu schreiben, wie die, die sie in der Standard-C-Bibliothek vorfinden? Nein? Dann dürften Sie eigentlich Ihrer Argumentation nach die Bibliotheksfunktion sqrt() nicht verwenden, sondern müssten sich statt dessen selbst eine Wurzel-Funktion schreiben.

=== Selbstsättigender Filter (nach Jürgen Schuhmacher) ===
Durch die Nutzung der diskreten Signalanalyse in Software kann die Funktionalität einer einfachen Entprellung mit einem Widerstand, einem Kondensator und einem Schmitttrigger wie in Hardware nachgebildet werden, indem ein abstrakter IIR-Filter benutzt wird, der eine Kondensatorladekurve emuliert. Mit der Vorschrift Y(t) = k Y(t-1) + Input wird ein einfaches Filter erzeugt, dass dem Eingangswert träge folgt. Bei Überschreiten eines bestimmten Wertes erfolgt mit einer einfachen Abfrage das Schalten des Ausgangssignals.

Für Assembler und VHDL bei FPGAs eignet sich aufgrund der leicht zu implementierenden binären Operationen folgende Darstellung mit einer Auflösung des Filterwertspeichers von nur 8 bit: Wert_Neu = Wert_Alt - Wert_Alt/16 + 16*(Taste = True). Der Filterwert bildet dann den gedämpften Verlauf des Eingangs (flankenverschliffen) ab und kann Prellen bis nahe an den Grenzbereich zum schnellen Tasten unterdrücken. Der Ausgangswert ist dann einfach das höchstwertige Bit des Filterwertes.

[[Datei:Entprellung mit IIR-Filter.gif]]

Dazu muss das Signal des Tasters idealerweise um den Faktor 10-20 schneller abgetastet werden, als die höchste gewünschte Tippgeschwindigkeit vorgibt. Noch schneller abzutasten ist möglich, führt aber zu mehr Bedarf an Bits beim Filter. Die Schmittriggerfunktion kann dadurch gebildet werden, dass eine 1 am Ausgang bei z.B. Überschreiten einer 55% Grenze und eine 0 bei Unterschreitung der 45%-Grenze ausgeben wird. Im Zwischenbereich wird der alte Wert gehalten. Die realen Grenzen dieser [[Hysterese]] müssen an die Applikation angepasst werden, da zu enge Grenzen sonst zu empfindlich gegenüber Störungen wären.

=== Einfacher Mittelwertfilter (nach Lothar Miller) ===
Für digitale Schaltungen oder PLDs empfiehlt sich ein FIR-Filter mit aneinandergereihten FlipFlops. Man schiebt das Eingangssignal in eine FlipFlop-Kette und schaltet oberhalb der Mitte um:

SignalInput -> FF1 -> FF2 -> FF3 -> FF4 -> FF5 -> FF6 -> FF7 -> FF8

Wenn alle FFs = 1 (Summe der FFs=8) dann SignalOutput = 1 
Wenn alle FFs = 0 (Summe der FFs=0) dann SignalOutput = 0

Dieses Verfahren kann sehr einfach in Logik abgebildet werden, weil für die Berechnung des Ausgangs nur ein NOR bz. ein AND Gatter nötig ist.

Das reale Signal muss dazu aber genügend langsam abgetastet werden, sodaß die Filterperiode die Prelldauer übersteigt, um zu verhindern, daß nicht inmitten einer passiven Phase eines Prellvorgangs ein 8fach 1 gesehen wird. Damit wird die Interetation vergleichsweise langsam.

== Gegenüberstellung der Verfahren ==
* HW - "entprellte Schalter": Sehr teuer, grosse Bauform, verschleissbelastet, geringe Haltbarkeit
* HW - "Umschalter" : benötigt aufwändigeren Schalter, benötigt Elektronik
* HW - "Umschalter ohne FF" : benötigt aufwändigeren Schalter und kleinen Kondensator
* HW - "Kondensatorentprellung" : benötigt etwas mehr Platz, kommt mit schlechten Schaltern zurecht

* SW - Flankenverfahren:
* SW - Warteschleife: Durch die Warteschleifen eine nicht zu vernachlässigende Verzögerung im Code. Speziell wenn mehrere Tasten zu überwachen sind, nicht unproblematisch
* SW - Timer: Universalfunktionalität, die durch geringen Speicherverbrauch, geringen Rechenzeitverbrauch und gute Funktion besticht. Der 'Verbrauch' eines Timers sieht auf den ersten Blick schlimmer aus, als er ist, denn in den meisten Programmen hat man sowieso einen Basistimer für die Zeitsteuerung des Programms im Einsatz, der für die Tastenentprellung mitbenutzt werden kann.
* SW - Filter: sehr geringer Platzbedarf in FPGAs, relativ gute Wirkung
* SW - Filter 2: sehr geringer Platzbedarf, gute Wirkung

== Links zum Thema ==

* [http://www.edn.com/design/analog/4324067/Contact-debouncing-algorithm-emulates-Schmitt-trigger Contact-debouncing algorithm (Artikel)], [http://www.edn.com/Pdf/ViewPdf?contentItemId=4324067 als PDF]
* [[AVR-Tutorial: Tasten]]
* [[AVR-GCC-Tutorial#.28Tasten-.29Entprellung|AVR-GCC-Tutorial Tastenentprellung]]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-20435.html Beitrag im Forum, AVR Assembler]
* [http://www.ganssle.com/debouncing.pdf A guide to debouncing (engl.), praktische Erläuterungen zum Entprellen in Soft- und Hardware]
* [http://www.pololu.com/docs/0J16/all Understanding Destructive LC Voltage Spikes]

[[Kategorie:AVR]]
[[Kategorie:Signalverarbeitung]]

Entprellung

2016-03-11T15:43:08Z

87.178.96.182: /* Einfacher Mittelwertfilter (nach Lothar Miller) */

== Problembeschreibung ==
Mechanische stromführende Komponenten wie [[Schalter]] und [[Taster]] neigen beim Ein- und Ausschalten zum sogenannten '''Prellen''', d.h sie schalten schnell mehrfach aus und ein, was durch mechanische Vibrationen des Schaltkontaktes verursacht wird, sofern sie nicht mit aufwändigen mechanischen Masßnahmen dagegen geschützt sind. Besonders die [[Drehgeber]] sind aufgrund der Raststellungen und der Bewegung des Bedieners dafür empfindlich. Auch optoelektronische Bauelemente und chemische Kontaktschalter, sowie Flüssigkeitsschalter haben das Problem.

Vereinfacht dargestellt, sieht eine von einem prellenden Schalter oder Taster geschaltete Spannung wie folgt aus:
[[Bild:Entprellen.png]]

Es existieren also mehrere kurze Einschaltimpules, welche bei Tastern als Mehrfachbefehl und bei Drehgebern als falsche Winkelbewegung interpretiert werden kann. Bei Schaltern wiederum, kommt es in der elektronischen Baugruppe zu mehreren Resets und Einschaltvorgängen, die unnötig Strom ziehen oder im schlechtesten Fall die Schaltung stressen oder beschädigen können. Wichtige Schalter und solche, die hohe Ströme führen sollen, werden dazu mit geeigneten Maßnahmen wie Redundanz, Stufenschaltkonzepten oder bei Gas- und Flüssigkeitschaltern durch elektrochemische Maßnahmen abgesichert. Bei einfachen Schaltern spart man sich dies jedoch.

Da es bei diesen einfachen, ungeschützten Schaltern keine sichere Möglichkeit gibt, diese Effekte zu vermeiden, muss das falsche Signal durch die Elektronik sinnvoll ausgewertet werden. Dafür gibt es verschiedene Ansätze:

== Hardwareentprellung ==

===Prellfreie Schalter===

Wie bereits angedeutet, hält die elektromechanische Industrie für Spezialanwendungen verschiedene Sonderkonstruktionen bereit, die saubere Schaltzustände nach Aussen generieren, indem sie entweder eine mechanische Dämpfung in Form eines selbsthemmenden Federmechanismus oder eine integrierte elektronische Signalverzögerung benutzen. Solche Systeme sind jedoch teuer und werden meist nur im Leistungsbereich eingesetzt. Zudem sind sie nicht 100% sicher und fallen alterungsbedingt aus. Wo immer es geht, werden daher weitere Maßnahmen getroffen, ein Prellen zu unterdrücken.

===Wechselschalter===

Für die Entprellung von Wechselschaltern (engl. Double Throw Switch) kann ein klassisches RS-[[Flipflop]] genutzt werden. Bei dieser Variante werden neben zwei NAND-Gattern nur noch zwei Pull-Up Widerstände benötigt.

[[Bild:NAND_debouncer.png|thumb|left|350px|'''Taster entprellen mit NAND-RS-Flipflop''']]

 

In der gezeigten Schalterstellung liegt an der Position /S der Pegel 0 an. Damit ist das Flipflop gesetzt und der Ausgang auf dem Pegel 1. Schließt der Schalter zwischen den Kontakten 2 und 3, liegt an der Postion /R der Pegel 0 an. Dies bedeutet, dass der Ausgang des Flipflops auf den Pegel 0 geht. Sobald der Schalter von einem zum anderen Kontakt wechselt, beginnt er in der Regel zu prellen. Während des Prellens wechselt der Schalter zwischen den beiden Zuständen "Schalter berührt Kontakt" und "Schalter ist frei in der Luft". Der Ausgang des Flipflops bleibt in dieser Prellzeit aber stabil, da der Schalter während des Prellens nie den gegenüberliegenden Kontakt berührt und das RS-Flipflop seinen Zustand allein halten kann. Die Prellzeit ist stark vom Schaltertyp abhängig und liegt zwischen 0,1 und 10ms. Die Dimensionierung der Widerstände ist relativ unkritisch. Als Richtwert können hier 100kOhm verwendet werden.

====Wechselschalter ohne Flip-Flop====

Wenn man mal gerade kein Flip-Flop zur Hand hat, kann man sich auch mit dieser Schaltung behelfen.

[[Bild:WechselEntprellC.PNG|thumb|left|350px|'''Wechsler entprellen mit Kondensator''']]

 

Zur Funktionsweise:
Beim Umschalten wird der Kondensator immer sofort umgeladen.
Während der Kontakt prellt, befindet er sich in der Luft und hat keinerlei Verbindung. Während dieser Zeit übernimmt der Kondensator das halten des Pegels.

Dimensionierung:
Ist der entprellte Taster an ein IC Angeschlossen, ist der ''Input Leakage Current'' der ausschlaggebende Strom. Falls weitere Ströme fließen sind diese mit zu berücksichtigen. Bei einem Mikrocontroller von Atmel sind 1µA typisch.
Es gilt:
:<math>\frac{dU}{dt} = \frac{I}{C}</math>
Da eine Prellung ca. 10ms dauert und die Spannung in dieser Zeit beispielsweise um maximal 0,5V fallen soll kommt man auf folgende Kapazität:
:<math> C = \frac{I \cdot dt}{dU} = \frac{1\mu A \cdot 10ms}{0,5V} = 20nF </math>

Um Stromspitzen zu verringern kann ein Widerstand mit eingefügt werden. Eine Zeitkonstante von 1µs bis 1ms scheint sinnvoll. Also 500 Ohm bis 500kOhm sind nutzbar, wobei bei niedrigem Widerstand die Stromspitzen höher sind, und bei 500kOhm der Pinstrom störend wird.

===Einfacher Taster===

Auch wenn das RS-Flipflop sehr effektiv ist, wird diese Variante der Entprellung nur selten angewendet. Grund dafür ist, dass in Schaltungen häufiger einfache Taster eingesetzt werden. Diese sind oft kleiner und preisgünstiger. Um einfache Taster (engl. Single Throw Switch) zu entprellen, kann ein einfacher RC-Tiefpass eingesetzt werden. Hierbei wird ein Kondensator über einen Widerstand je nach Schalterstellung auf- oder entladen. Das RC-Glied bildet einen Tiefpass, sodass die Spannung über den Kondensator nicht von einen Pegel auf den anderen springen kann.

[[Bild:RC_debouncer.png|thumb|left|300px|Taster entprellen mit RC-Entpreller]]

[[Datei:Entprellen1a.png|thumb|350px| Entstehender Spannungsverlauf]]
{{Absatz}}

Wenn der Schalter geöffnet ist, lädt sich der Kondensator langsam über die beiden Widerstände R1 und R2 auf Vcc auf. Beim Erreichen der Umschaltschwelle springt der Ausgang auf den Pegel 0. Wird der Schalter geschlossen, entlädt sich der Kondensator langsam über den Widerstand R2. Demnach ändert sich der Ausgang des Inverters auf den Pegel 1. Während der Taster prellt, kann sich die Spannung über dem Kondensator nicht sprunghaft ändern, da das Auf- und Entladen eher langsam über die Widerstände erfolgt. Außerdem sind die Schaltschwellen für den Übergang LOW->HIGH und HIGH->LOW stark verschieden (Hysterese, siehe Artikel [[Schmitt-Trigger]]). Bei richtiger Dimensionierung der Bauelemente wird somit der Ausgang des Inverters prellfrei.

Zu beachten ist, dass der Inverter '''unbedingt''' einer mit [[Schmitt-Trigger]]-Eingängen sein muss, weil bei Standard-Logikeingängen im Bereich von üblicherweise 0,8V - 2,0V der Ausgang nicht definiert ist. Als Inverter kann zum Beispiel der 74HC14 oder der CD40106 (pinkompatibel) eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein CD4093 eingesetzt werden. Bei dem CD4093 handelt es sich um NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger-Eingängen. Um aus einem NAND-Gatter einen Inverter zu machen, müssen einfach nur die beiden Eingänge verbunden werden oder ein Eingang fest auf HIGH gelegt werden.

Für eine geeignete Dimensionierung muss man etwas mit den Standardformeln für einen Kondensator jonglieren. Die Spannung über den Kondensator beim Entladen berechnet sich nach:
:<math>U_C(t) = U_0 \cdot e^{\frac{-t}{R_2 C_1}}</math>

Damit der Ausgang des Inverters stabil ist, muss die Spannung über den Kondensator und damit die Spannung am Eingang des Inverters über der Spannung bleiben, bei welcher der Inverter umschaltet. Diese Schwellwertspannung ist genau die zeitabhängige Spannung über den Kondensator.
:<math>U_C(t)\!\ = U_{th}</math>

Durch Umstellen der Formel ergibt sich nun:
:<math>R_2=\frac{-t}{C_1 \cdot ln\left(\frac{U_{th}}{U_0} \right)}</math>

Ein Taster prellt üblicherweise etwa 10ms. Zur Sicherheit kann bei der Berechnung des Widerstandes eine Prellzeit von 20ms angenommen werden. U_0 ist die Betriebsspannung also Vcc. Die Schwellwertspannung muss aus dem Datenblatt des eingesetzten Schmitt-Triggers abgelesen werden. Beim 74HC14 beträgt der gesuchte Wert 2,0V. Nimmt man für den Kondensator 1µF und beträgt die Betriebsspannung 5V, ergibt sich für den Widerstand ein Wert von etwa 22kOhm.

Wird der Schalter geöffnet, lädt sich der Kondensator nach folgender Formel auf:
:<math>U_C(t) = U_0 \cdot \left( 1-e^{\frac{-t}{(R_1+R_2)\cdot C_1}} \right)</math>

Mit U_th=U_C ergibt das Umstellen nach (R_1+R_2):
:<math>R_1+R_2 = \frac{-t}{C_1 \cdot ln\left(1-\frac{U_{th}}{U_0} \right)} </math>

Für die Schwellspannung lässt sich aus dem Datenblatt ein Wert von 2,3V ablesen. Mit diesem Wert und den Annahmen von oben ergibt sich für R_1+R_2 ein Wert von 32kOhm. Somit ergibt sich für R_1 ein Wert von etwa 10kOhm.

Anmerkung: Beim 74LS14 von Hitachi z. B. sind die oberen und unteren Schaltschwellwerte unterschiedlich. Es muss darauf geachtet werden, dass U_{th} beim Entladen die untere Schwelle und U_{th} beim Laden die obere Schwelle einnimmt.

== Softwareentprellung ==

In den Zeiten der elektronischen Auswertung von Tastern und Schaltern ist das softwaretechnische Entprellen oft billiger, als die Benutzung eines teuren Schalters. Daher werden heute z.B. auch Computertastaturen nicht mehr mit prellarmen Tasten oder Entprellkondensatoren ausgestattet.

Bei Verwendung des in den meisten Geräten ohnehin vorhandenen Mikrocontrollers z.B., kann man sich die zusätzliche Hardware sparen, da die Entprellung in Software praktisch genauso gut funktioniert. Dabei ist nur zu beachten, dass zusätzliche Rechenleistung und je nach Umsetzung auch einige Hardwareressourcen (z.B. Timer) benötigt werden. Dafür hat man aber den Vorteil, kurze Pulse, die offensichtlich keine Tastenbetätigung sein können sondern z. B. durch Einstreuungen hervorgerufen werden, einfach ausfiltern zu können.

=== Flankenerkennung ===
Bei einem Taster gibt es insgesamt 4 theoretische Zustände:

* 1. war nicht gedrückt und ist nicht gedrückt
* 2. war nicht gedrückt und ist gedrückt (steigende Flanke)
* 3. war gedrückt und ist immer noch gedrückt
* 4. war gedrückt und ist nicht mehr gedrückt (fallende Flanke)

Diese einzelnen Zustände lassen sich jetzt bequem abfragen/durchlaufen. Die Entprellung geschieht dabei durch die ganze Laufzeit des Programms. Die Taster werden hierbei als Active-Low angeschlossen, um die internen Pull-Ups zu nutzen.

Diese Routine gibt für den Zustand "steigende Flanke" den Wert "1" zurück, sonst "0"

<syntaxhighlight lang="c">
#define TASTERPORT PINC
#define TASTERBIT PINC1

char taster(void)
{
static unsigned char zustand;
char rw = 0;

if(zustand == 0 && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gedrueckt (steigende Flanke)
{
zustand = 1;
rw = 1;
}
else if (zustand == 1 && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gehalten
{
zustand = 2;
rw = 0;
}
else if (zustand == 2 && (TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird losgelassen (fallende Flanke)
{
zustand = 3;
rw = 0;
}
else if (zustand == 3 && (TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster losgelassen
{
zustand = 0;
rw = 0;
}

return rw;
}
</syntaxhighlight>

Eine Erweiterung, damit beliebig lange das Halten einer Taste erkannt wird kann man ganz einfach so implementieren:

<syntaxhighlight lang="c">
// zustand kann entweder zum ersten mal als gehalten detektiert werden oder aber jedes weitere mal
else if (((zustand == 1) || (zustand == 2)) && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gehalten
{
zustand = 2;
rw = 0;
}
</syntaxhighlight>

=== Warteschleifen-Verfahren ===

Soll nun mit einem Mikrocontroller gezählt werden, wie oft ein Kontakt oder ein Relais geschaltet wird, muss das Prellen des Kontaktes exakt berücksichtigt - und von einem gewollten Mehrfachschalten abgegrenzt werden, da sonst möglicherweise Fehlimpulse gezählt- oder andererseits echte Schaltvorgänge übersprungen werden. Dies muss beim Schreiben des Programms hinsichtlich des Abtastens des Kontaktes unbedingt Rechnung getragen werden.

Beim folgenden einfachen Beispiel für eine Entprellung ist zu beachten, dass der AVR im Falle eines Tastendrucks 200ms wartet, also brach liegt. Bei zeitkritischen Anwendungen sollte man ein anderes Verfahren nutzen (z. B. Abfrage der Tastenzustände in einer Timer-Interrupt-Service-Routine).

<syntaxhighlight lang="c">
#include <avr/io.h>
#include <inttypes.h>
#ifndef F_CPU
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* bei alter avr-libc: #include <avr/delay.h> */

/* Einfache Funktion zum Entprellen eines Tasters */
inline uint8_t debounce(volatile uint8_t *port, uint8_t pin)
{
if ( !(*port & (1 << pin)) )
{
/* Pin wurde auf Masse gezogen, 100ms warten */
_delay_ms(50); // Maximalwert des Parameters an _delay_ms
_delay_ms(50); // beachten, vgl. Dokumentation der avr-libc
if ( *port & (1 << pin) )
{
/* Anwender Zeit zum Loslassen des Tasters geben */
_delay_ms(50);
_delay_ms(50);
return 1;
}
}
return 0;
}

int main(void)
{
DDRB &= ~( 1 << PB0 ); /* PIN PB0 auf Eingang Taster) */
PORTB |= ( 1 << PB0 ); /* Pullup-Widerstand aktivieren */
...
if (debounce(&PINB, PB0))
{
/* Falls Taster an PIN PB0 gedrueckt */
/* LED an Port PD7 an- bzw. ausschalten: */
PORTD = PORTD ^ ( 1 << PD7 );
}
...
}
</syntaxhighlight>

Die obige Routine hat leider mehrere Nachteile:
* sie detektiert nur das Loslassen (unergonomisch)
* sie verzögert die Mainloop immer um 100ms bei gedrückter Taste
* sie verliert Tastendrücke, je mehr die Mainloop zu tun hat.

Eine ähnlich einfach zu benutzende Routine, aber ohne all diese Nachteile findet sich im Forenthread
[http://www.mikrocontroller.net/topic/164194#new Entprellung für Anfänger]

Der ''DEBOUNCE'' Befehl in dem BASIC-Dialekt BASCOM für AVR ist ebenfalls nach dem Warteschleifen-Verfahren programmiert. Die Wartezeit beträgt standardmäßig 25 ms, kann aber vom Anwender überschrieben werden. Vgl. [http://avrhelp.mcselec.com/bascom-avr.html?DEBOUNCE BASCOM Online-Manual zu DEBOUNCE].

Eine C-Implementierung für eine Tastenabfrage mit Warteschleife ist im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial#IO-Register_als_Parameter_und_Variablen|AVR-GCC-Tutorial: IO-Register als Parameter und Variablen]] angeben.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Controller durch die Warteschleife blockiert wird. Günstiger ist die Implementierung mit einem Timer-Interrupt.

==== Warteschleifenvariante mit Maske und Pointer (nach Christian Riggenbach) ====

Hier eine weitere Funktion, um Taster zu entprellen: Durch den zusätzlichen Code kann eine Entprellzeit von durchschnittlich 1-3ms (mindestens 8*150µs = 1ms) erreicht werden. Grundsätzlich prüft die Funktion den Pegel der Pins auf einem bestimmten Port. Wenn die/der Pegel 8 Mal konstant war, wird die Schleife verlassen. Diese Funktion kann sehr gut eingesetzt werden, um in einer Endlosschleife Taster anzufragen, da sie, wie erwähnt, eine kurze Wartezeit hat.

<syntaxhighlight lang="c">
void entprellung( volatile uint8_t *port, uint8_t maske ) {
uint8_t port_puffer;
uint8_t entprellungs_puffer;

for( entprellungs_puffer=0 ; entprellungs_puffer!=0xff ; ) {
entprellungs_puffer<<=1;
port_puffer = *port;
_delay_us(150);
if( (*port & maske) == (port_puffer & maske) )
entprellungs_puffer |= 0x01;
}
}
</syntaxhighlight>
Die Funktion wird wie folgt aufgerufen:
<syntaxhighlight lang="c">
// Bugfix 20100414
// http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_port_pass
entprellung( &PINB, (1<<PINB2) ); // ggf. Prellen abwarten
if( PINB & (1<<PINB2) ) // dann stabilen Wert einlesen
{
// mach was
}
else
{
// mach was anderes
}
</syntaxhighlight>
Als Maske kann ein beliebiger Wert übergeben werden. Sie verhindert, dass nichtverwendete Taster die Entprellzeit negativ beeinflussen.

==== Debounce-Makro von Peter Dannegger ====

Peter Dannegger hat in [http://www.mikrocontroller.net/topic/164194#1566921 "Entprellen für Anfänger"] folgende vereinfachtes Entprellverfahren beschrieben. Das Makro arbeitet in der Originalversion mit ''active low'' geschalteten Tastern, kann aber einfach für ''active high'' geschaltete Taster angepasst werden ([[Pollin Funk-AVR-Evaluationsboard#Tasty Reloaded|Tasty Reloaded]]).

<syntaxhighlight lang="c">
/************************************************************************/
/* */
/* Not so powerful Debouncing Example */
/* No Interrupt needed */
/* */
/* Author: Peter Dannegger */
/* */
/************************************************************************/
// Target: ATtiny13

#include <avr/io.h>
#define F_CPU 9.6e6
#include <util/delay.h>

#define debounce( port, pin ) \
({ \
static uint8_t flag = 0; /* new variable on every macro usage */ \
uint8_t i = 0; \
\
if( flag ){ /* check for key release: */ \
for(;;){ /* loop ... */ \
if( !(port & 1<<pin) ){ /* ... until key pressed or ... */ \
i = 0; /* 0 = bounce */ \
break; \
} \
_delay_us( 98 ); /* * 256 = 25ms */ \
if( --i == 0 ){ /* ... until key >25ms released */ \
flag = 0; /* clear press flag */ \
i = 0; /* 0 = key release debounced */ \
break; \
} \
} \
}else{ /* else check for key press: */ \
for(;;){ /* loop ... */ \
if( (port & 1<<pin) ){ /* ... until key released or ... */ \
i = 0; /* 0 = bounce */ \
break; \
} \
_delay_us( 98 ); /* * 256 = 25ms */ \
if( --i == 0 ){ /* ... until key >25ms pressed */ \
flag = 1; /* set press flag */ \
i = 1; /* 1 = key press debounced */ \
break; \
} \
} \
} \
i; /* return value of Macro */ \
})

/*
Testapplication
*/
int main(void)
{
DDRB &= ~(1<<PB0);
PORTB |= 1<<PB0;
DDRB |= 1<<PB2;
DDRB &= ~(1<<PB1);
PORTB |= 1<<PB1;
DDRB |= 1<<PB3;
for(;;){
if( debounce( PINB, PB1 ) )
PORTB ^= 1<<PB2;
if( debounce( PINB, PB0 ) )
PORTB ^= 1<<PB3;
}
}

</syntaxhighlight>

Wenn das Makro für die gleiche Taste (Pin) an mehreren Stellen aufgerufen werden soll, muss eine Funktion angelegt werden, damit beide Aufrufe an die gleiche Zustandsvariable ''flag'' auswerten [http://www.mikrocontroller.net/topic/195914#1918727]:

<syntaxhighlight lang="c">
// Hilfsfunktion
uint8_t debounce_C1( void )
{
return debounce(PINC, PC1);
}

// Beispielanwendung
int main(void)
{
DDRB |= 1<<PB2;
DDRB |= 1<<PB3;
DDRC &= ~(1<<PC1);
PORTC |= 1<<PC1; // Pullup für Taster

for(;;){
if( debounce_C1() ) // nicht: debounce(PINC, PC1)
PORTB ^= 1<<PB2;
if( debounce_C1() ) // nicht: debounce(PINC, PC1)
PORTB ^= 1<<PB3;
}
}
</syntaxhighlight>

=== Timer-Verfahren (nach Peter Dannegger) ===

==== Grundroutine (AVR Assembler) ====

Siehe dazu: [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-20435.html#new Forum]

Vorteile
* besonders kurzer Code
* schnell

Außerdem können 8 Tasten (aktiv low) gleichzeitig bearbeitet werden, es dürfen also
alle exakt zur selben Zeit gedrückt werden. Andere Routinen können z. B. nur eine Taste verarbeiten, d.h. die zuerst oder zuletzt gedrückte gewinnt, oder es kommt Unsinn heraus.

Die eigentliche Einlese- und Entprellroutine ist nur 8 Instruktionen
kurz. Der entprellte Tastenzustand ist im Register ''key_state''. Mit nur 2 weiteren Instruktionen wird dann der Wechsel von ''Taste offen'' zu
''Taste gedrückt'' erkannt und im Register ''key_press'' abgelegt. Im Beispielcode werden dann damit 8 LEDs ein- und ausgeschaltet. Jede Taste entspricht einem Bit in den Registern, d.h. die Verarbeitung erfolgt bitweise mit logischen Operationen. Zum Verständnis empfiehlt es sich daher, die Logikgleichungen mit Gattern für ein Bit = eine Taste aufzumalen. Die Register kann man sich als Flipflops denken, die mit der Entprellzeit als Takt arbeiten. D.h. man kann das auch so z. B. in einem GAL22V10 realisieren.

Als Kommentar sind neben den einzelnen Instruktionen alle 8 möglichen
Kombinationen der 3 Signale dargestellt.

Beispielcode für AVR (Assembler):

<syntaxhighlight lang="avrasm">
.nolist
.include "c:\avr\inc\1200def.inc"
.list
.def save_sreg = r0
.def iwr0 = r1
.def iwr1 = r2

.def key_old = r3
.def key_state = r4
.def key_press = r5

.def leds = r16
.def wr0 = r17

.equ key_port = pind
.equ led_port = portb

rjmp init
.org OVF0addr ;timer interrupt 24ms
in save_sreg, SREG
get8key: ;/old state iwr1 iwr0
mov iwr0, key_old ;00110011 10101010 00110011
in key_old, key_port ;11110000
eor iwr0, key_old ; 11000011
com key_old ;00001111
mov iwr1, key_state ; 10101010
or key_state, iwr0 ; 11101011
and iwr0, key_old ; 00000011
eor key_state, iwr0 ; 11101000
and iwr1, iwr0 ; 00000010
or key_press, iwr1 ;store key press detect
;
; insert other timer functions here
;
out SREG, save_sreg
reti
;-------------------------------------------------------------------------
init:
ldi wr0, 0xFF
out ddrb, wr0
ldi wr0, 1<<CS02 | 1<<CS00 ;divide by 1024 * 256
out TCCR0, wr0
ldi wr0, 1<<TOIE0 ;enable timer interrupt
out TIMSK, wr0

clr key_old
clr key_state
clr key_press
ldi leds, 0xFF
main: cli
eor leds, key_press ;toggle LEDs
clr key_press ;clear, if key press action done
sei
out led_port, leds
rjmp main
;-------------------------------------------------------------
</syntaxhighlight>

==== Komfortroutine (C für AVR) ====

Siehe dazu: [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-310276.html Forum]

'''Anmerkung''' Wenn statt active-low (Ruhezustand High) active-high (Ruhezustand Low) verwendet wird muss eine Zeile geändert werden siehe:
[http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-310276.html gesamter Beitrag im Forum],
[http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#606555 Stelle 1 im Beitrag], ([http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#2306398 Stelle 2 im Beitrag] muss *nicht* geändert werden, da hier die Polarität gar keinen Einfluß hat).

'''Anmerkung 2''' Zur Initialisierung siehe [http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#3572793 Forum]

Funktionsprinzip wie oben plus zusätzliche Features:
* Kann Tasten sparen durch unterschiedliche Aktionen bei kurzem oder langem Drücken
* Wiederholfunktion, z. B. für die Eingabe von Werten

Das Programm ist für avr-gcc/avr-libc geschrieben, kann aber mit ein paar Anpassungen auch mit anderen Compilern und Mikrocontrollern verwendet werden. Eine Portierung für den AT91SAM7 findet man [http://www.google.com/codesearch?q=show:ac2viP-2E2Y:pzkOO5QRsoc:RPICuprYy-A&sa=N&cd=1&ct=rc&cs_p=svn://mikrocontroller.net/mp3dec/trunk&cs_f=keys.c#a0 hier] (aus dem Projekt [[ARM MP3/AAC Player]]).
<syntaxhighlight lang="c">
/************************************************************************/
/* */
/* Debouncing 8 Keys */
/* Sampling 4 Times */
/* With Repeat Function */
/* */
/* Author: Peter Dannegger */
/* danni@specs.de */
/* */
/************************************************************************/

#include <stdint.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 1000000 // processor clock frequency
#warning kein F_CPU definiert
#endif

#define KEY_DDR DDRB
#define KEY_PORT PORTB
#define KEY_PIN PINB
#define KEY0 0
#define KEY1 1
#define KEY2 2
#define ALL_KEYS (1<<KEY0 | 1<<KEY1 | 1<<KEY2)

#define REPEAT_MASK (1<<KEY1 | 1<<KEY2) // repeat: key1, key2
#define REPEAT_START 50 // after 500ms
#define REPEAT_NEXT 20 // every 200ms

#define LED_DDR DDRA
#define LED_PORT PORTA
#define LED0 0
#define LED1 1
#define LED2 2

volatile uint8_t key_state; // debounced and inverted key state:
// bit = 1: key pressed
volatile uint8_t key_press; // key press detect

volatile uint8_t key_rpt; // key long press and repeat

ISR( TIMER0_OVF_vect ) // every 10ms
{
static uint8_t ct0, ct1, rpt;
uint8_t i;

TCNT0 = (uint8_t)(int16_t)-(F_CPU / 1024 * 10e-3 + 0.5); // preload for 10ms

i = key_state ^ ~KEY_PIN; // key changed ?
ct0 = ~( ct0 & i ); // reset or count ct0
ct1 = ct0 ^ (ct1 & i); // reset or count ct1
i &= ct0 & ct1; // count until roll over ?
key_state ^= i; // then toggle debounced state
key_press |= key_state & i; // 0->1: key press detect

if( (key_state & REPEAT_MASK) == 0 ) // check repeat function
rpt = REPEAT_START; // start delay
if( --rpt == 0 ){
rpt = REPEAT_NEXT; // repeat delay
key_rpt |= key_state & REPEAT_MASK;
}
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key has been pressed. Each pressed key is reported
// only once
//
uint8_t get_key_press( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read and clear atomic !
key_mask &= key_press; // read key(s)
key_press ^= key_mask; // clear key(s)
sei();
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key has been pressed long enough such that the
// key repeat functionality kicks in. After a small setup delay
// the key is reported being pressed in subsequent calls
// to this function. This simulates the user repeatedly
// pressing and releasing the key.
//
uint8_t get_key_rpt( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read and clear atomic !
key_mask &= key_rpt; // read key(s)
key_rpt ^= key_mask; // clear key(s)
sei();
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key is pressed right now
//
uint8_t get_key_state( uint8_t key_mask )

{
key_mask &= key_state;
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
uint8_t get_key_short( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read key state and key press atomic !
return get_key_press( ~key_state & key_mask );
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
uint8_t get_key_long( uint8_t key_mask )
{
return get_key_press( get_key_rpt( key_mask ));
}

int main( void )
{
LED_PORT = 0xFF;
LED_DDR = 0xFF;

// Configure debouncing routines
KEY_DDR &= ~ALL_KEYS; // configure key port for input
KEY_PORT |= ALL_KEYS; // and turn on pull up resistors

TCCR0 = (1<<CS02)|(1<<CS00); // divide by 1024
TCNT0 = (uint8_t)(int16_t)-(F_CPU / 1024 * 10e-3 + 0.5); // preload for 10ms
TIMSK |= 1<<TOIE0; // enable timer interrupt

sei();

while(1){
if( get_key_short( 1<<KEY1 ))
LED_PORT ^= 1<<LED1;

if( get_key_long( 1<<KEY1 ))
LED_PORT ^= 1<<LED2;

// single press and repeat

if( get_key_press( 1<<KEY2 ) || get_key_rpt( 1<<KEY2 )){
uint8_t i = LED_PORT;

i = (i & 0x07) | ((i << 1) & 0xF0);
if( i < 0xF0 )
i |= 0x08;
LED_PORT = i;
}
}
}
</syntaxhighlight>

Das single-press-und-repeat-Beispiel geht nicht in jeder Beschaltung; folgendes Beispiel sollte universeller sein (einzelne LED an/aus):
<syntaxhighlight lang="c">
// single press and repeat
if( get_key_press( 1<<KEY2 ) || get_key_rpt( 1<<KEY2 ))
LED_PORT ^=0x08;
</syntaxhighlight>

Neuere Variante, die einer Taste folgende Funktionen erlaubt:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1753367
<syntaxhighlight lang="c">
- get_key_press()
- get_key_rpt()
- get_key_press() mit get_key_rpt()
- get_key_short() mit get_key_long()
- get_key_short() mit get_key_long_r() und get_key_rpt_l()
</syntaxhighlight>
Erweiterung für die Erkennung von zwei gleichzeitig gedrückten Tasten:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1753367
<syntaxhighlight lang="c">
- get_key_common()
</syntaxhighlight>

===== Funktionsweise =====
Der Code basiert auf 8 parallelen vertikalen Zählern, die über die Variablen ct0 und ct1 aufgebaut werden

[[Bild:VertCount.png|framed|center|'''8 vertikale Zähler in 2 8-Bit Variablen''']]

wobei jeweils ein Bit in ct0 mit dem gleichwertigen Bit in ct1 zusammengenommen einen 2-Bit-Zähler bildet.
Der Code der sich um die 8 Zähler kümmert, ist so geschrieben, daß er alle 8 Zähler gemeinsam parallel behandelt.

<syntaxhighlight lang="c">
i = key_state ^ ~KEY_PIN; // key changed ?
</syntaxhighlight>
i enthält an dieser Stelle für jede Taste, die sich im Vergleich mit dem vorhergehenden entprellten Zustand (keystate) verändert hat, ein 1 Bit.

<syntaxhighlight lang="c">
ct0 = ~( ct0 & i ); // reset or count ct0
ct1 = ct0 ^ (ct1 & i); // reset or count ct1
</syntaxhighlight>

Diese beiden Anweisungen erniedrigen den 2-Bit Zähler ct0/ct1 für jedes Bit um 1, welches in i gesetzt ist. Liegt an der entsprechenden Stelle in i ein 0 Bit vor (keine Änderung des Zustands), so wird der Zähler ct0/ct1 für dieses Bit auf 1 gesetzt.
Der Grundzustand des Zählers ist als ct0 == 1 und ct1 == 1 (Wert 3). Der Zähler zählt daher mit jedem ISR Aufruf, bei dem die Taste im Vergleich zu keystate als verändert erkannt wurde

ct1 ct0
1 1 // 3
1 0 // 2
0 1 // 1
0 0 // 0
1 1 // 3

<syntaxhighlight lang="c">
i &= ct0 & ct1; // count until roll over ?
</syntaxhighlight>
in i bleibt nur dort ein 1-Bit erhalten, wo sowohl in ct1 als auch in ct0 ein 1 Bit vorgefunden wird, der betreffende Zähler also bis 3 zählen konnte. Durch die zusätzliche Verundung mit i wird der Fall abgefangen, dass ein konstanter Zählerwert von 3 in i ein 1 Bit hinterlässt. Im Endergebnis bedeutet dass, dass nur ein Zählerwechsel von 0 auf 3 zu einem 1 Bit an der betreffenden Stelle in i führt, aber auch nur dann, wenn in i an dieser Bitposition ebenfalls ein 1 Bit war (welches wiederrum deswegen auf 1 war, weil an diesem Eingabeport eine Veränderung zum letzten bekannten entprellten Zustand festgestellt wurde). Alles zusammengenommen heißt das, dass ein Tastendruck dann erkannt wird, wenn die Taste 4 mal hintereinander in einem anderen Zustand vorgefunden wurde als dem zuletzt bekannten entprellten Tastenzustand.

An dieser Stelle ist i daher ein Vektor von 8 Bits, von denen jedes einzelne der Bits darüber Auskunft gibt, ob die entsprechende Taste mehrmals hintereinander im selben Zustand angetroffen wurde, der nicht mit dem zuletzt bekannten Tastenzustand übereinstimmt. Ist das der Fall, dann wird eine entsprechende Veränderung des Tastenzustands in key_state registriert
<syntaxhighlight lang="c">
key_state ^= i; // then toggle debounced state
</syntaxhighlight>
und wenn sich in key_state das entsprechende Bit von 0 auf 1 verändert hat, wird dieses Ereignis als 'Taste wurde niedergedrückt' gewertet.
<syntaxhighlight lang="c">
key_press |= key_state & i; // 0->1: key press detect
</syntaxhighlight>

Damit ist der Tasteneingang entprellt. Und zwar sowohl beim Drücken einer Taste als auch beim Loslassen (damit Tastenpreller beim Loslassen nicht mit dem Niederdrücken einer Taste verwechselt werden). Der weitere Code beschäftigt sich dann nur noch damit, diesen entprellten Tastenzustand weiter zu verarbeiten.

Der Codeteil sieht durch die Verwendung der vielen bitweisen Operationen relativ komplex aus. Behält man aber im Hinterkopf, dass einige der bitweisen wie ein 'paralles If' gleichzeitig auf allen 8 Bits eingesetzt werden, dann vereinfacht sich vieles. Ein
<syntaxhighlight lang="c">
key_press |= key_state & i;
</syntaxhighlight>
ist nichts anderes als ein
<syntaxhighlight lang="c">
// teste ob Bit 0 sowohl in key_state als auch in i gesetzt ist
// und setze Bit 0 in key_press, wenn das der Fall ist
if( ( key_state & ( 1 << 0 ) ) &&
( i & ( 1 << 0 ) )
key_press |= ( 1 << 0 );

// Bit 1
if( ( key_state & ( 1 << 1 ) ) &&
( i & ( 1 << 1 ) )
key_press |= ( 1 << 1 );

// Bit 2
if( ( key_state & ( 1 << 2 ) ) &&
( i & ( 1 << 2 ) )
key_press |= ( 1 << 2 );

...
</syntaxhighlight>
nur als wesentlich kompaktere Operation ausgeführt und für alle 8 Bits gleichzeitig.
Die Kürze und Effizienz dieser paar Codezeilen ergibt sich aus dem Umstand, dass jedes Bit in den Variablen für eine Taste steht und alle 8 (maximal möglichen) Tasten gleichzeitig die Operationen durchlaufen.

Funktionsweisen der verschienden Modi anhand von Zeitstrahlen erklärt:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1844458

"Walkthrough" der verschiedenen Zuständer der Einzelnen Variablen anhand eines Tastendrucks (avrfreaks.net)
http://www.avrfreaks.net/comment/726676#comment-726676

===== Reduziert auf lediglich 1 Taste =====
Diskussionen im Forum zeigen immer wieder, dass viele eine Abneigung gegen diesen Code haben, weil er ihnen sehr kompliziert vorkommt.

Der Code ist nicht leicht zu analysieren und er zieht alle Register dessen, was möglich ist, um sowohl Laufzeit als auch Speicherverbrauch einzusparen. Oft hört man auch das Argument: Ich benötige ja nur eine Entprellung für 1 Taste, gibt es da nichts Einfacheres?

Hier ist die 'Langform' des Codes, so wie man das für lediglich 1 Taste schreiben würde, wenn man exakt dasselbe Entprellverfahren einsetzen würde. Man sieht: Da ist keine Hexerei dabei: In key_state wird der letzte bekannte entprellte Zustand der Taste gehalten. Der Pin-Eingang wird mit diesem Zustand verglichen und wenn sich die beiden unterscheiden, dann wird ein Zähler heruntergezählt. Produziert dieses herunterzählen einen Unterlauf des Zählers, dann gilt die Taste als entprellt und wenn dann auch noch die Taste gerade gedrückt ist, dann wird dieses in key_press entsprechend vermerkt.

<syntaxhighlight lang="c">
uint8_t key_state;
uint8_t key_counter;
volatile uint8_t key_press;

ISR( ... Overflow ... )
{
uint8_t input = KEY_PIN & ( 1 << KEY0 );

if( input != key_state ) {
key_counter--;
if( key_counter == 0xFF ) {
key_counter = 3;
key_state = input;
if( input )
key_press = TRUE;
}
}
else
key_counter = 3;

}

uint8_t get_key_press()
{
uint8_t result;

cli();
result = key_press;
key_press = FALSE;
sei();

return result;
}
</syntaxhighlight>

Der vollständige Entprellcode, wie weiter oben gelistet, besticht jetzt aber darin, dass er compiliert kleiner ist als diese anschaulichere Variante für lediglich 1 Taste. Und das bei gleichzeitig erhöhter Funktionalität. Denn zb. ein Autorepeat ist in diesem Code noch gar nicht eingebaut. Und spätestens wenn man dann eine 2.te Taste entprellen möchte, dann ist auch der SRAM-Speicherverbrauch dieser Langform höher als der des Originals für 8 Tasten. Daraus folgt: Selbst für lediglich 1 Taste ist die Originalroutine die bessere Wahl.

Und wegen der Komplexität mal eine Frage: Sind Sie selbst in der Lage eine entsprechend effiziente sqrt() Funktion zu schreiben, wie die, die sie in der Standard-C-Bibliothek vorfinden? Nein? Dann dürften Sie eigentlich Ihrer Argumentation nach die Bibliotheksfunktion sqrt() nicht verwenden, sondern müssten sich statt dessen selbst eine Wurzel-Funktion schreiben.

=== Selbstsättigender Filter (nach Jürgen Schuhmacher) ===
Durch die Nutzung der diskreten Signalanalyse in Software kann die Funktionalität einer einfachen Entprellung mit einem Widerstand, einem Kondensator und einem Schmitttrigger wie in Hardware nachgebildet werden, indem ein abstrakter IIR-Filter benutzt wird, der eine Kondensatorladekurve emuliert. Mit der Vorschrift Y(t) = k Y(t-1) + Input wird ein einfaches Filter erzeugt, dass dem Eingangswert träge folgt. Bei Überschreiten eines bestimmten Wertes erfolgt mit einer einfachen Abfrage das Schalten des Ausgangssignals.

Für Assembler und VHDL bei FPGAs eignet sich aufgrund der leicht zu implementierenden binären Operationen folgende Darstellung mit einer Auflösung des Filterwertspeichers von nur 8 bit: Wert_Neu = Wert_Alt - Wert_Alt/16 + 16*(Taste = True). Der Filterwert bildet dann den gedämpften Verlauf des Eingangs (flankenverschliffen) ab und kann Prellen bis nahe an den Grenzbereich zum schnellen Tasten unterdrücken. Der Ausgangswert ist dann einfach das höchstwertige Bit des Filterwertes.

[[Datei:Entprellung mit IIR-Filter.gif]]

Dazu muss das Signal des Tasters idealerweise um den Faktor 10-20 schneller abgetastet werden, als die höchste gewünschte Tippgeschwindigkeit vorgibt. Noch schneller abzutasten ist möglich, führt aber zu mehr Bedarf an Bits beim Filter. Die Schmittriggerfunktion kann dadurch gebildet werden, dass eine 1 am Ausgang bei z.B. Überschreiten einer 55% Grenze und eine 0 bei Unterschreitung der 45%-Grenze ausgeben wird. Im Zwischenbereich wird der alte Wert gehalten.

=== Einfacher Mittelwertfilter (nach Lothar Miller) ===
Für digitale Schaltungen oder PLDs empfiehlt sich ein FIR-Filter mit aneinandergereihten FlipFlops. Man schiebt das Eingangssignal in eine FlipFlop-Kette und schaltet oberhalb der Mitte um:

SignalInput -> FF1 -> FF2 -> FF3 -> FF4 -> FF5 -> FF6 -> FF7 -> FF8

Wenn alle FFs = 1 (Summe der FFs=8) dann SignalOutput = 1 
Wenn alle FFs = 0 (Summe der FFs=0) dann SignalOutput = 0

Dieses Verfahren kann sehr einfach in Logik abgebildet werden, weil für die Berechnung des Ausgangs nur ein NOR bz. ein AND Gatter nötig ist.

Das reale Signal muss dazu aber genügend langsam abgetastet werden, sodaß die Filterperiode die Prelldauer übersteigt, um zu verhindern, daß nicht inmitten einer passiven Phase eines Prellvorgangs ein 8fach 1 gesehen wird. Damit wird die Interetation vergleichsweise langsam.

== Gegenüberstellung der Verfahren ==
* HW - "entprellte Schalter": Sehr teuer, grosse Bauform, verschleissbelastet, geringe Haltbarkeit
* HW - "Umschalter" : benötigt aufwändigeren Schalter, benötigt Elektronik
* HW - "Umschalter ohne FF" : benötigt aufwändigeren Schalter und kleinen Kondensator
* HW - "Kondensatorentprellung" : benötigt etwas mehr Platz, kommt mit schlechten Schaltern zurecht

* SW - Flankenverfahren:
* SW - Warteschleife: Durch die Warteschleifen eine nicht zu vernachlässigende Verzögerung im Code. Speziell wenn mehrere Tasten zu überwachen sind, nicht unproblematisch
* SW - Timer: Universalfunktionalität, die durch geringen Speicherverbrauch, geringen Rechenzeitverbrauch und gute Funktion besticht. Der 'Verbrauch' eines Timers sieht auf den ersten Blick schlimmer aus, als er ist, denn in den meisten Programmen hat man sowieso einen Basistimer für die Zeitsteuerung des Programms im Einsatz, der für die Tastenentprellung mitbenutzt werden kann.
* SW - Filter: sehr geringer Platzbedarf in FPGAs, relativ gute Wirkung
* SW - Filter 2: sehr geringer Platzbedarf, gute Wirkung

== Links zum Thema ==

* [http://www.edn.com/design/analog/4324067/Contact-debouncing-algorithm-emulates-Schmitt-trigger Contact-debouncing algorithm (Artikel)], [http://www.edn.com/Pdf/ViewPdf?contentItemId=4324067 als PDF]
* [[AVR-Tutorial: Tasten]]
* [[AVR-GCC-Tutorial#.28Tasten-.29Entprellung|AVR-GCC-Tutorial Tastenentprellung]]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-20435.html Beitrag im Forum, AVR Assembler]
* [http://www.ganssle.com/debouncing.pdf A guide to debouncing (engl.), praktische Erläuterungen zum Entprellen in Soft- und Hardware]
* [http://www.pololu.com/docs/0J16/all Understanding Destructive LC Voltage Spikes]

[[Kategorie:AVR]]
[[Kategorie:Signalverarbeitung]]

Entprellung

2016-03-11T15:35:53Z

87.178.96.182: /* Prellfreie Schalter */ nicht sicher

== Problembeschreibung ==
Mechanische stromführende Komponenten wie [[Schalter]] und [[Taster]] neigen beim Ein- und Ausschalten zum sogenannten '''Prellen''', d.h sie schalten schnell mehrfach aus und ein, was durch mechanische Vibrationen des Schaltkontaktes verursacht wird, sofern sie nicht mit aufwändigen mechanischen Masßnahmen dagegen geschützt sind. Besonders die [[Drehgeber]] sind aufgrund der Raststellungen und der Bewegung des Bedieners dafür empfindlich. Auch optoelektronische Bauelemente und chemische Kontaktschalter, sowie Flüssigkeitsschalter haben das Problem.

Vereinfacht dargestellt, sieht eine von einem prellenden Schalter oder Taster geschaltete Spannung wie folgt aus:
[[Bild:Entprellen.png]]

Es existieren also mehrere kurze Einschaltimpules, welche bei Tastern als Mehrfachbefehl und bei Drehgebern als falsche Winkelbewegung interpretiert werden kann. Bei Schaltern wiederum, kommt es in der elektronischen Baugruppe zu mehreren Resets und Einschaltvorgängen, die unnötig Strom ziehen oder im schlechtesten Fall die Schaltung stressen oder beschädigen können. Wichtige Schalter und solche, die hohe Ströme führen sollen, werden dazu mit geeigneten Maßnahmen wie Redundanz, Stufenschaltkonzepten oder bei Gas- und Flüssigkeitschaltern durch elektrochemische Maßnahmen abgesichert. Bei einfachen Schaltern spart man sich dies jedoch.

Da es bei diesen einfachen, ungeschützten Schaltern keine sichere Möglichkeit gibt, diese Effekte zu vermeiden, muss das falsche Signal durch die Elektronik sinnvoll ausgewertet werden. Dafür gibt es verschiedene Ansätze:

== Hardwareentprellung ==

===Prellfreie Schalter===

Wie bereits angedeutet, hält die elektromechanische Industrie für Spezialanwendungen verschiedene Sonderkonstruktionen bereit, die saubere Schaltzustände nach Aussen generieren, indem sie entweder eine mechanische Dämpfung in Form eines selbsthemmenden Federmechanismus oder eine integrierte elektronische Signalverzögerung benutzen. Solche Systeme sind jedoch teuer und werden meist nur im Leistungsbereich eingesetzt. Zudem sind sie nicht 100% sicher und fallen alterungsbedingt aus. Wo immer es geht, werden daher weitere Maßnahmen getroffen, ein Prellen zu unterdrücken.

===Wechselschalter===

Für die Entprellung von Wechselschaltern (engl. Double Throw Switch) kann ein klassisches RS-[[Flipflop]] genutzt werden. Bei dieser Variante werden neben zwei NAND-Gattern nur noch zwei Pull-Up Widerstände benötigt.

[[Bild:NAND_debouncer.png|thumb|left|350px|'''Taster entprellen mit NAND-RS-Flipflop''']]

 

In der gezeigten Schalterstellung liegt an der Position /S der Pegel 0 an. Damit ist das Flipflop gesetzt und der Ausgang auf dem Pegel 1. Schließt der Schalter zwischen den Kontakten 2 und 3, liegt an der Postion /R der Pegel 0 an. Dies bedeutet, dass der Ausgang des Flipflops auf den Pegel 0 geht. Sobald der Schalter von einem zum anderen Kontakt wechselt, beginnt er in der Regel zu prellen. Während des Prellens wechselt der Schalter zwischen den beiden Zuständen "Schalter berührt Kontakt" und "Schalter ist frei in der Luft". Der Ausgang des Flipflops bleibt in dieser Prellzeit aber stabil, da der Schalter während des Prellens nie den gegenüberliegenden Kontakt berührt und das RS-Flipflop seinen Zustand allein halten kann. Die Prellzeit ist stark vom Schaltertyp abhängig und liegt zwischen 0,1 und 10ms. Die Dimensionierung der Widerstände ist relativ unkritisch. Als Richtwert können hier 100kOhm verwendet werden.

====Wechselschalter ohne Flip-Flop====

Wenn man mal gerade kein Flip-Flop zur Hand hat, kann man sich auch mit dieser Schaltung behelfen.

[[Bild:WechselEntprellC.PNG|thumb|left|350px|'''Wechsler entprellen mit Kondensator''']]

 

Zur Funktionsweise:
Beim Umschalten wird der Kondensator immer sofort umgeladen.
Während der Kontakt prellt, befindet er sich in der Luft und hat keinerlei Verbindung. Während dieser Zeit übernimmt der Kondensator das halten des Pegels.

Dimensionierung:
Ist der entprellte Taster an ein IC Angeschlossen, ist der ''Input Leakage Current'' der ausschlaggebende Strom. Falls weitere Ströme fließen sind diese mit zu berücksichtigen. Bei einem Mikrocontroller von Atmel sind 1µA typisch.
Es gilt:
:<math>\frac{dU}{dt} = \frac{I}{C}</math>
Da eine Prellung ca. 10ms dauert und die Spannung in dieser Zeit beispielsweise um maximal 0,5V fallen soll kommt man auf folgende Kapazität:
:<math> C = \frac{I \cdot dt}{dU} = \frac{1\mu A \cdot 10ms}{0,5V} = 20nF </math>

Um Stromspitzen zu verringern kann ein Widerstand mit eingefügt werden. Eine Zeitkonstante von 1µs bis 1ms scheint sinnvoll. Also 500 Ohm bis 500kOhm sind nutzbar, wobei bei niedrigem Widerstand die Stromspitzen höher sind, und bei 500kOhm der Pinstrom störend wird.

===Einfacher Taster===

Auch wenn das RS-Flipflop sehr effektiv ist, wird diese Variante der Entprellung nur selten angewendet. Grund dafür ist, dass in Schaltungen häufiger einfache Taster eingesetzt werden. Diese sind oft kleiner und preisgünstiger. Um einfache Taster (engl. Single Throw Switch) zu entprellen, kann ein einfacher RC-Tiefpass eingesetzt werden. Hierbei wird ein Kondensator über einen Widerstand je nach Schalterstellung auf- oder entladen. Das RC-Glied bildet einen Tiefpass, sodass die Spannung über den Kondensator nicht von einen Pegel auf den anderen springen kann.

[[Bild:RC_debouncer.png|thumb|left|300px|Taster entprellen mit RC-Entpreller]]

[[Datei:Entprellen1a.png|thumb|350px| Entstehender Spannungsverlauf]]
{{Absatz}}

Wenn der Schalter geöffnet ist, lädt sich der Kondensator langsam über die beiden Widerstände R1 und R2 auf Vcc auf. Beim Erreichen der Umschaltschwelle springt der Ausgang auf den Pegel 0. Wird der Schalter geschlossen, entlädt sich der Kondensator langsam über den Widerstand R2. Demnach ändert sich der Ausgang des Inverters auf den Pegel 1. Während der Taster prellt, kann sich die Spannung über dem Kondensator nicht sprunghaft ändern, da das Auf- und Entladen eher langsam über die Widerstände erfolgt. Außerdem sind die Schaltschwellen für den Übergang LOW->HIGH und HIGH->LOW stark verschieden (Hysterese, siehe Artikel [[Schmitt-Trigger]]). Bei richtiger Dimensionierung der Bauelemente wird somit der Ausgang des Inverters prellfrei.

Zu beachten ist, dass der Inverter '''unbedingt''' einer mit [[Schmitt-Trigger]]-Eingängen sein muss, weil bei Standard-Logikeingängen im Bereich von üblicherweise 0,8V - 2,0V der Ausgang nicht definiert ist. Als Inverter kann zum Beispiel der 74HC14 oder der CD40106 (pinkompatibel) eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein CD4093 eingesetzt werden. Bei dem CD4093 handelt es sich um NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger-Eingängen. Um aus einem NAND-Gatter einen Inverter zu machen, müssen einfach nur die beiden Eingänge verbunden werden oder ein Eingang fest auf HIGH gelegt werden.

Für eine geeignete Dimensionierung muss man etwas mit den Standardformeln für einen Kondensator jonglieren. Die Spannung über den Kondensator beim Entladen berechnet sich nach:
:<math>U_C(t) = U_0 \cdot e^{\frac{-t}{R_2 C_1}}</math>

Damit der Ausgang des Inverters stabil ist, muss die Spannung über den Kondensator und damit die Spannung am Eingang des Inverters über der Spannung bleiben, bei welcher der Inverter umschaltet. Diese Schwellwertspannung ist genau die zeitabhängige Spannung über den Kondensator.
:<math>U_C(t)\!\ = U_{th}</math>

Durch Umstellen der Formel ergibt sich nun:
:<math>R_2=\frac{-t}{C_1 \cdot ln\left(\frac{U_{th}}{U_0} \right)}</math>

Ein Taster prellt üblicherweise etwa 10ms. Zur Sicherheit kann bei der Berechnung des Widerstandes eine Prellzeit von 20ms angenommen werden. U_0 ist die Betriebsspannung also Vcc. Die Schwellwertspannung muss aus dem Datenblatt des eingesetzten Schmitt-Triggers abgelesen werden. Beim 74HC14 beträgt der gesuchte Wert 2,0V. Nimmt man für den Kondensator 1µF und beträgt die Betriebsspannung 5V, ergibt sich für den Widerstand ein Wert von etwa 22kOhm.

Wird der Schalter geöffnet, lädt sich der Kondensator nach folgender Formel auf:
:<math>U_C(t) = U_0 \cdot \left( 1-e^{\frac{-t}{(R_1+R_2)\cdot C_1}} \right)</math>

Mit U_th=U_C ergibt das Umstellen nach (R_1+R_2):
:<math>R_1+R_2 = \frac{-t}{C_1 \cdot ln\left(1-\frac{U_{th}}{U_0} \right)} </math>

Für die Schwellspannung lässt sich aus dem Datenblatt ein Wert von 2,3V ablesen. Mit diesem Wert und den Annahmen von oben ergibt sich für R_1+R_2 ein Wert von 32kOhm. Somit ergibt sich für R_1 ein Wert von etwa 10kOhm.

Anmerkung: Beim 74LS14 von Hitachi z. B. sind die oberen und unteren Schaltschwellwerte unterschiedlich. Es muss darauf geachtet werden, dass U_{th} beim Entladen die untere Schwelle und U_{th} beim Laden die obere Schwelle einnimmt.

== Softwareentprellung ==

In den Zeiten der elektronischen Auswertung von Tastern und Schaltern ist das softwaretechnische Entprellen oft billiger, als die Benutzung eines teuren Schalters. Daher werden heute z.B. auch Computertastaturen nicht mehr mit prellarmen Tasten oder Entprellkondensatoren ausgestattet.

Bei Verwendung des in den meisten Geräten ohnehin vorhandenen Mikrocontrollers z.B., kann man sich die zusätzliche Hardware sparen, da die Entprellung in Software praktisch genauso gut funktioniert. Dabei ist nur zu beachten, dass zusätzliche Rechenleistung und je nach Umsetzung auch einige Hardwareressourcen (z.B. Timer) benötigt werden. Dafür hat man aber den Vorteil, kurze Pulse, die offensichtlich keine Tastenbetätigung sein können sondern z. B. durch Einstreuungen hervorgerufen werden, einfach ausfiltern zu können.

=== Flankenerkennung ===
Bei einem Taster gibt es insgesamt 4 theoretische Zustände:

* 1. war nicht gedrückt und ist nicht gedrückt
* 2. war nicht gedrückt und ist gedrückt (steigende Flanke)
* 3. war gedrückt und ist immer noch gedrückt
* 4. war gedrückt und ist nicht mehr gedrückt (fallende Flanke)

Diese einzelnen Zustände lassen sich jetzt bequem abfragen/durchlaufen. Die Entprellung geschieht dabei durch die ganze Laufzeit des Programms. Die Taster werden hierbei als Active-Low angeschlossen, um die internen Pull-Ups zu nutzen.

Diese Routine gibt für den Zustand "steigende Flanke" den Wert "1" zurück, sonst "0"

<syntaxhighlight lang="c">
#define TASTERPORT PINC
#define TASTERBIT PINC1

char taster(void)
{
static unsigned char zustand;
char rw = 0;

if(zustand == 0 && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gedrueckt (steigende Flanke)
{
zustand = 1;
rw = 1;
}
else if (zustand == 1 && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gehalten
{
zustand = 2;
rw = 0;
}
else if (zustand == 2 && (TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird losgelassen (fallende Flanke)
{
zustand = 3;
rw = 0;
}
else if (zustand == 3 && (TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster losgelassen
{
zustand = 0;
rw = 0;
}

return rw;
}
</syntaxhighlight>

Eine Erweiterung, damit beliebig lange das Halten einer Taste erkannt wird kann man ganz einfach so implementieren:

<syntaxhighlight lang="c">
// zustand kann entweder zum ersten mal als gehalten detektiert werden oder aber jedes weitere mal
else if (((zustand == 1) || (zustand == 2)) && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gehalten
{
zustand = 2;
rw = 0;
}
</syntaxhighlight>

=== Warteschleifen-Verfahren ===

Soll nun mit einem Mikrocontroller gezählt werden, wie oft ein Kontakt oder ein Relais geschaltet wird, muss das Prellen des Kontaktes exakt berücksichtigt - und von einem gewollten Mehrfachschalten abgegrenzt werden, da sonst möglicherweise Fehlimpulse gezählt- oder andererseits echte Schaltvorgänge übersprungen werden. Dies muss beim Schreiben des Programms hinsichtlich des Abtastens des Kontaktes unbedingt Rechnung getragen werden.

Beim folgenden einfachen Beispiel für eine Entprellung ist zu beachten, dass der AVR im Falle eines Tastendrucks 200ms wartet, also brach liegt. Bei zeitkritischen Anwendungen sollte man ein anderes Verfahren nutzen (z. B. Abfrage der Tastenzustände in einer Timer-Interrupt-Service-Routine).

<syntaxhighlight lang="c">
#include <avr/io.h>
#include <inttypes.h>
#ifndef F_CPU
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* bei alter avr-libc: #include <avr/delay.h> */

/* Einfache Funktion zum Entprellen eines Tasters */
inline uint8_t debounce(volatile uint8_t *port, uint8_t pin)
{
if ( !(*port & (1 << pin)) )
{
/* Pin wurde auf Masse gezogen, 100ms warten */
_delay_ms(50); // Maximalwert des Parameters an _delay_ms
_delay_ms(50); // beachten, vgl. Dokumentation der avr-libc
if ( *port & (1 << pin) )
{
/* Anwender Zeit zum Loslassen des Tasters geben */
_delay_ms(50);
_delay_ms(50);
return 1;
}
}
return 0;
}

int main(void)
{
DDRB &= ~( 1 << PB0 ); /* PIN PB0 auf Eingang Taster) */
PORTB |= ( 1 << PB0 ); /* Pullup-Widerstand aktivieren */
...
if (debounce(&PINB, PB0))
{
/* Falls Taster an PIN PB0 gedrueckt */
/* LED an Port PD7 an- bzw. ausschalten: */
PORTD = PORTD ^ ( 1 << PD7 );
}
...
}
</syntaxhighlight>

Die obige Routine hat leider mehrere Nachteile:
* sie detektiert nur das Loslassen (unergonomisch)
* sie verzögert die Mainloop immer um 100ms bei gedrückter Taste
* sie verliert Tastendrücke, je mehr die Mainloop zu tun hat.

Eine ähnlich einfach zu benutzende Routine, aber ohne all diese Nachteile findet sich im Forenthread
[http://www.mikrocontroller.net/topic/164194#new Entprellung für Anfänger]

Der ''DEBOUNCE'' Befehl in dem BASIC-Dialekt BASCOM für AVR ist ebenfalls nach dem Warteschleifen-Verfahren programmiert. Die Wartezeit beträgt standardmäßig 25 ms, kann aber vom Anwender überschrieben werden. Vgl. [http://avrhelp.mcselec.com/bascom-avr.html?DEBOUNCE BASCOM Online-Manual zu DEBOUNCE].

Eine C-Implementierung für eine Tastenabfrage mit Warteschleife ist im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial#IO-Register_als_Parameter_und_Variablen|AVR-GCC-Tutorial: IO-Register als Parameter und Variablen]] angeben.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Controller durch die Warteschleife blockiert wird. Günstiger ist die Implementierung mit einem Timer-Interrupt.

==== Warteschleifenvariante mit Maske und Pointer (nach Christian Riggenbach) ====

Hier eine weitere Funktion, um Taster zu entprellen: Durch den zusätzlichen Code kann eine Entprellzeit von durchschnittlich 1-3ms (mindestens 8*150µs = 1ms) erreicht werden. Grundsätzlich prüft die Funktion den Pegel der Pins auf einem bestimmten Port. Wenn die/der Pegel 8 Mal konstant war, wird die Schleife verlassen. Diese Funktion kann sehr gut eingesetzt werden, um in einer Endlosschleife Taster anzufragen, da sie, wie erwähnt, eine kurze Wartezeit hat.

<syntaxhighlight lang="c">
void entprellung( volatile uint8_t *port, uint8_t maske ) {
uint8_t port_puffer;
uint8_t entprellungs_puffer;

for( entprellungs_puffer=0 ; entprellungs_puffer!=0xff ; ) {
entprellungs_puffer<<=1;
port_puffer = *port;
_delay_us(150);
if( (*port & maske) == (port_puffer & maske) )
entprellungs_puffer |= 0x01;
}
}
</syntaxhighlight>
Die Funktion wird wie folgt aufgerufen:
<syntaxhighlight lang="c">
// Bugfix 20100414
// http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_port_pass
entprellung( &PINB, (1<<PINB2) ); // ggf. Prellen abwarten
if( PINB & (1<<PINB2) ) // dann stabilen Wert einlesen
{
// mach was
}
else
{
// mach was anderes
}
</syntaxhighlight>
Als Maske kann ein beliebiger Wert übergeben werden. Sie verhindert, dass nichtverwendete Taster die Entprellzeit negativ beeinflussen.

==== Debounce-Makro von Peter Dannegger ====

Peter Dannegger hat in [http://www.mikrocontroller.net/topic/164194#1566921 "Entprellen für Anfänger"] folgende vereinfachtes Entprellverfahren beschrieben. Das Makro arbeitet in der Originalversion mit ''active low'' geschalteten Tastern, kann aber einfach für ''active high'' geschaltete Taster angepasst werden ([[Pollin Funk-AVR-Evaluationsboard#Tasty Reloaded|Tasty Reloaded]]).

<syntaxhighlight lang="c">
/************************************************************************/
/* */
/* Not so powerful Debouncing Example */
/* No Interrupt needed */
/* */
/* Author: Peter Dannegger */
/* */
/************************************************************************/
// Target: ATtiny13

#include <avr/io.h>
#define F_CPU 9.6e6
#include <util/delay.h>

#define debounce( port, pin ) \
({ \
static uint8_t flag = 0; /* new variable on every macro usage */ \
uint8_t i = 0; \
\
if( flag ){ /* check for key release: */ \
for(;;){ /* loop ... */ \
if( !(port & 1<<pin) ){ /* ... until key pressed or ... */ \
i = 0; /* 0 = bounce */ \
break; \
} \
_delay_us( 98 ); /* * 256 = 25ms */ \
if( --i == 0 ){ /* ... until key >25ms released */ \
flag = 0; /* clear press flag */ \
i = 0; /* 0 = key release debounced */ \
break; \
} \
} \
}else{ /* else check for key press: */ \
for(;;){ /* loop ... */ \
if( (port & 1<<pin) ){ /* ... until key released or ... */ \
i = 0; /* 0 = bounce */ \
break; \
} \
_delay_us( 98 ); /* * 256 = 25ms */ \
if( --i == 0 ){ /* ... until key >25ms pressed */ \
flag = 1; /* set press flag */ \
i = 1; /* 1 = key press debounced */ \
break; \
} \
} \
} \
i; /* return value of Macro */ \
})

/*
Testapplication
*/
int main(void)
{
DDRB &= ~(1<<PB0);
PORTB |= 1<<PB0;
DDRB |= 1<<PB2;
DDRB &= ~(1<<PB1);
PORTB |= 1<<PB1;
DDRB |= 1<<PB3;
for(;;){
if( debounce( PINB, PB1 ) )
PORTB ^= 1<<PB2;
if( debounce( PINB, PB0 ) )
PORTB ^= 1<<PB3;
}
}

</syntaxhighlight>

Wenn das Makro für die gleiche Taste (Pin) an mehreren Stellen aufgerufen werden soll, muss eine Funktion angelegt werden, damit beide Aufrufe an die gleiche Zustandsvariable ''flag'' auswerten [http://www.mikrocontroller.net/topic/195914#1918727]:

<syntaxhighlight lang="c">
// Hilfsfunktion
uint8_t debounce_C1( void )
{
return debounce(PINC, PC1);
}

// Beispielanwendung
int main(void)
{
DDRB |= 1<<PB2;
DDRB |= 1<<PB3;
DDRC &= ~(1<<PC1);
PORTC |= 1<<PC1; // Pullup für Taster

for(;;){
if( debounce_C1() ) // nicht: debounce(PINC, PC1)
PORTB ^= 1<<PB2;
if( debounce_C1() ) // nicht: debounce(PINC, PC1)
PORTB ^= 1<<PB3;
}
}
</syntaxhighlight>

=== Timer-Verfahren (nach Peter Dannegger) ===

==== Grundroutine (AVR Assembler) ====

Siehe dazu: [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-20435.html#new Forum]

Vorteile
* besonders kurzer Code
* schnell

Außerdem können 8 Tasten (aktiv low) gleichzeitig bearbeitet werden, es dürfen also
alle exakt zur selben Zeit gedrückt werden. Andere Routinen können z. B. nur eine Taste verarbeiten, d.h. die zuerst oder zuletzt gedrückte gewinnt, oder es kommt Unsinn heraus.

Die eigentliche Einlese- und Entprellroutine ist nur 8 Instruktionen
kurz. Der entprellte Tastenzustand ist im Register ''key_state''. Mit nur 2 weiteren Instruktionen wird dann der Wechsel von ''Taste offen'' zu
''Taste gedrückt'' erkannt und im Register ''key_press'' abgelegt. Im Beispielcode werden dann damit 8 LEDs ein- und ausgeschaltet. Jede Taste entspricht einem Bit in den Registern, d.h. die Verarbeitung erfolgt bitweise mit logischen Operationen. Zum Verständnis empfiehlt es sich daher, die Logikgleichungen mit Gattern für ein Bit = eine Taste aufzumalen. Die Register kann man sich als Flipflops denken, die mit der Entprellzeit als Takt arbeiten. D.h. man kann das auch so z. B. in einem GAL22V10 realisieren.

Als Kommentar sind neben den einzelnen Instruktionen alle 8 möglichen
Kombinationen der 3 Signale dargestellt.

Beispielcode für AVR (Assembler):

<syntaxhighlight lang="avrasm">
.nolist
.include "c:\avr\inc\1200def.inc"
.list
.def save_sreg = r0
.def iwr0 = r1
.def iwr1 = r2

.def key_old = r3
.def key_state = r4
.def key_press = r5

.def leds = r16
.def wr0 = r17

.equ key_port = pind
.equ led_port = portb

rjmp init
.org OVF0addr ;timer interrupt 24ms
in save_sreg, SREG
get8key: ;/old state iwr1 iwr0
mov iwr0, key_old ;00110011 10101010 00110011
in key_old, key_port ;11110000
eor iwr0, key_old ; 11000011
com key_old ;00001111
mov iwr1, key_state ; 10101010
or key_state, iwr0 ; 11101011
and iwr0, key_old ; 00000011
eor key_state, iwr0 ; 11101000
and iwr1, iwr0 ; 00000010
or key_press, iwr1 ;store key press detect
;
; insert other timer functions here
;
out SREG, save_sreg
reti
;-------------------------------------------------------------------------
init:
ldi wr0, 0xFF
out ddrb, wr0
ldi wr0, 1<<CS02 | 1<<CS00 ;divide by 1024 * 256
out TCCR0, wr0
ldi wr0, 1<<TOIE0 ;enable timer interrupt
out TIMSK, wr0

clr key_old
clr key_state
clr key_press
ldi leds, 0xFF
main: cli
eor leds, key_press ;toggle LEDs
clr key_press ;clear, if key press action done
sei
out led_port, leds
rjmp main
;-------------------------------------------------------------
</syntaxhighlight>

==== Komfortroutine (C für AVR) ====

Siehe dazu: [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-310276.html Forum]

'''Anmerkung''' Wenn statt active-low (Ruhezustand High) active-high (Ruhezustand Low) verwendet wird muss eine Zeile geändert werden siehe:
[http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-310276.html gesamter Beitrag im Forum],
[http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#606555 Stelle 1 im Beitrag], ([http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#2306398 Stelle 2 im Beitrag] muss *nicht* geändert werden, da hier die Polarität gar keinen Einfluß hat).

'''Anmerkung 2''' Zur Initialisierung siehe [http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#3572793 Forum]

Funktionsprinzip wie oben plus zusätzliche Features:
* Kann Tasten sparen durch unterschiedliche Aktionen bei kurzem oder langem Drücken
* Wiederholfunktion, z. B. für die Eingabe von Werten

Das Programm ist für avr-gcc/avr-libc geschrieben, kann aber mit ein paar Anpassungen auch mit anderen Compilern und Mikrocontrollern verwendet werden. Eine Portierung für den AT91SAM7 findet man [http://www.google.com/codesearch?q=show:ac2viP-2E2Y:pzkOO5QRsoc:RPICuprYy-A&sa=N&cd=1&ct=rc&cs_p=svn://mikrocontroller.net/mp3dec/trunk&cs_f=keys.c#a0 hier] (aus dem Projekt [[ARM MP3/AAC Player]]).
<syntaxhighlight lang="c">
/************************************************************************/
/* */
/* Debouncing 8 Keys */
/* Sampling 4 Times */
/* With Repeat Function */
/* */
/* Author: Peter Dannegger */
/* danni@specs.de */
/* */
/************************************************************************/

#include <stdint.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 1000000 // processor clock frequency
#warning kein F_CPU definiert
#endif

#define KEY_DDR DDRB
#define KEY_PORT PORTB
#define KEY_PIN PINB
#define KEY0 0
#define KEY1 1
#define KEY2 2
#define ALL_KEYS (1<<KEY0 | 1<<KEY1 | 1<<KEY2)

#define REPEAT_MASK (1<<KEY1 | 1<<KEY2) // repeat: key1, key2
#define REPEAT_START 50 // after 500ms
#define REPEAT_NEXT 20 // every 200ms

#define LED_DDR DDRA
#define LED_PORT PORTA
#define LED0 0
#define LED1 1
#define LED2 2

volatile uint8_t key_state; // debounced and inverted key state:
// bit = 1: key pressed
volatile uint8_t key_press; // key press detect

volatile uint8_t key_rpt; // key long press and repeat

ISR( TIMER0_OVF_vect ) // every 10ms
{
static uint8_t ct0, ct1, rpt;
uint8_t i;

TCNT0 = (uint8_t)(int16_t)-(F_CPU / 1024 * 10e-3 + 0.5); // preload for 10ms

i = key_state ^ ~KEY_PIN; // key changed ?
ct0 = ~( ct0 & i ); // reset or count ct0
ct1 = ct0 ^ (ct1 & i); // reset or count ct1
i &= ct0 & ct1; // count until roll over ?
key_state ^= i; // then toggle debounced state
key_press |= key_state & i; // 0->1: key press detect

if( (key_state & REPEAT_MASK) == 0 ) // check repeat function
rpt = REPEAT_START; // start delay
if( --rpt == 0 ){
rpt = REPEAT_NEXT; // repeat delay
key_rpt |= key_state & REPEAT_MASK;
}
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key has been pressed. Each pressed key is reported
// only once
//
uint8_t get_key_press( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read and clear atomic !
key_mask &= key_press; // read key(s)
key_press ^= key_mask; // clear key(s)
sei();
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key has been pressed long enough such that the
// key repeat functionality kicks in. After a small setup delay
// the key is reported being pressed in subsequent calls
// to this function. This simulates the user repeatedly
// pressing and releasing the key.
//
uint8_t get_key_rpt( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read and clear atomic !
key_mask &= key_rpt; // read key(s)
key_rpt ^= key_mask; // clear key(s)
sei();
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key is pressed right now
//
uint8_t get_key_state( uint8_t key_mask )

{
key_mask &= key_state;
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
uint8_t get_key_short( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read key state and key press atomic !
return get_key_press( ~key_state & key_mask );
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
uint8_t get_key_long( uint8_t key_mask )
{
return get_key_press( get_key_rpt( key_mask ));
}

int main( void )
{
LED_PORT = 0xFF;
LED_DDR = 0xFF;

// Configure debouncing routines
KEY_DDR &= ~ALL_KEYS; // configure key port for input
KEY_PORT |= ALL_KEYS; // and turn on pull up resistors

TCCR0 = (1<<CS02)|(1<<CS00); // divide by 1024
TCNT0 = (uint8_t)(int16_t)-(F_CPU / 1024 * 10e-3 + 0.5); // preload for 10ms
TIMSK |= 1<<TOIE0; // enable timer interrupt

sei();

while(1){
if( get_key_short( 1<<KEY1 ))
LED_PORT ^= 1<<LED1;

if( get_key_long( 1<<KEY1 ))
LED_PORT ^= 1<<LED2;

// single press and repeat

if( get_key_press( 1<<KEY2 ) || get_key_rpt( 1<<KEY2 )){
uint8_t i = LED_PORT;

i = (i & 0x07) | ((i << 1) & 0xF0);
if( i < 0xF0 )
i |= 0x08;
LED_PORT = i;
}
}
}
</syntaxhighlight>

Das single-press-und-repeat-Beispiel geht nicht in jeder Beschaltung; folgendes Beispiel sollte universeller sein (einzelne LED an/aus):
<syntaxhighlight lang="c">
// single press and repeat
if( get_key_press( 1<<KEY2 ) || get_key_rpt( 1<<KEY2 ))
LED_PORT ^=0x08;
</syntaxhighlight>

Neuere Variante, die einer Taste folgende Funktionen erlaubt:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1753367
<syntaxhighlight lang="c">
- get_key_press()
- get_key_rpt()
- get_key_press() mit get_key_rpt()
- get_key_short() mit get_key_long()
- get_key_short() mit get_key_long_r() und get_key_rpt_l()
</syntaxhighlight>
Erweiterung für die Erkennung von zwei gleichzeitig gedrückten Tasten:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1753367
<syntaxhighlight lang="c">
- get_key_common()
</syntaxhighlight>

===== Funktionsweise =====
Der Code basiert auf 8 parallelen vertikalen Zählern, die über die Variablen ct0 und ct1 aufgebaut werden

[[Bild:VertCount.png|framed|center|'''8 vertikale Zähler in 2 8-Bit Variablen''']]

wobei jeweils ein Bit in ct0 mit dem gleichwertigen Bit in ct1 zusammengenommen einen 2-Bit-Zähler bildet.
Der Code der sich um die 8 Zähler kümmert, ist so geschrieben, daß er alle 8 Zähler gemeinsam parallel behandelt.

<syntaxhighlight lang="c">
i = key_state ^ ~KEY_PIN; // key changed ?
</syntaxhighlight>
i enthält an dieser Stelle für jede Taste, die sich im Vergleich mit dem vorhergehenden entprellten Zustand (keystate) verändert hat, ein 1 Bit.

<syntaxhighlight lang="c">
ct0 = ~( ct0 & i ); // reset or count ct0
ct1 = ct0 ^ (ct1 & i); // reset or count ct1
</syntaxhighlight>

Diese beiden Anweisungen erniedrigen den 2-Bit Zähler ct0/ct1 für jedes Bit um 1, welches in i gesetzt ist. Liegt an der entsprechenden Stelle in i ein 0 Bit vor (keine Änderung des Zustands), so wird der Zähler ct0/ct1 für dieses Bit auf 1 gesetzt.
Der Grundzustand des Zählers ist als ct0 == 1 und ct1 == 1 (Wert 3). Der Zähler zählt daher mit jedem ISR Aufruf, bei dem die Taste im Vergleich zu keystate als verändert erkannt wurde

ct1 ct0
1 1 // 3
1 0 // 2
0 1 // 1
0 0 // 0
1 1 // 3

<syntaxhighlight lang="c">
i &= ct0 & ct1; // count until roll over ?
</syntaxhighlight>
in i bleibt nur dort ein 1-Bit erhalten, wo sowohl in ct1 als auch in ct0 ein 1 Bit vorgefunden wird, der betreffende Zähler also bis 3 zählen konnte. Durch die zusätzliche Verundung mit i wird der Fall abgefangen, dass ein konstanter Zählerwert von 3 in i ein 1 Bit hinterlässt. Im Endergebnis bedeutet dass, dass nur ein Zählerwechsel von 0 auf 3 zu einem 1 Bit an der betreffenden Stelle in i führt, aber auch nur dann, wenn in i an dieser Bitposition ebenfalls ein 1 Bit war (welches wiederrum deswegen auf 1 war, weil an diesem Eingabeport eine Veränderung zum letzten bekannten entprellten Zustand festgestellt wurde). Alles zusammengenommen heißt das, dass ein Tastendruck dann erkannt wird, wenn die Taste 4 mal hintereinander in einem anderen Zustand vorgefunden wurde als dem zuletzt bekannten entprellten Tastenzustand.

An dieser Stelle ist i daher ein Vektor von 8 Bits, von denen jedes einzelne der Bits darüber Auskunft gibt, ob die entsprechende Taste mehrmals hintereinander im selben Zustand angetroffen wurde, der nicht mit dem zuletzt bekannten Tastenzustand übereinstimmt. Ist das der Fall, dann wird eine entsprechende Veränderung des Tastenzustands in key_state registriert
<syntaxhighlight lang="c">
key_state ^= i; // then toggle debounced state
</syntaxhighlight>
und wenn sich in key_state das entsprechende Bit von 0 auf 1 verändert hat, wird dieses Ereignis als 'Taste wurde niedergedrückt' gewertet.
<syntaxhighlight lang="c">
key_press |= key_state & i; // 0->1: key press detect
</syntaxhighlight>

Damit ist der Tasteneingang entprellt. Und zwar sowohl beim Drücken einer Taste als auch beim Loslassen (damit Tastenpreller beim Loslassen nicht mit dem Niederdrücken einer Taste verwechselt werden). Der weitere Code beschäftigt sich dann nur noch damit, diesen entprellten Tastenzustand weiter zu verarbeiten.

Der Codeteil sieht durch die Verwendung der vielen bitweisen Operationen relativ komplex aus. Behält man aber im Hinterkopf, dass einige der bitweisen wie ein 'paralles If' gleichzeitig auf allen 8 Bits eingesetzt werden, dann vereinfacht sich vieles. Ein
<syntaxhighlight lang="c">
key_press |= key_state & i;
</syntaxhighlight>
ist nichts anderes als ein
<syntaxhighlight lang="c">
// teste ob Bit 0 sowohl in key_state als auch in i gesetzt ist
// und setze Bit 0 in key_press, wenn das der Fall ist
if( ( key_state & ( 1 << 0 ) ) &&
( i & ( 1 << 0 ) )
key_press |= ( 1 << 0 );

// Bit 1
if( ( key_state & ( 1 << 1 ) ) &&
( i & ( 1 << 1 ) )
key_press |= ( 1 << 1 );

// Bit 2
if( ( key_state & ( 1 << 2 ) ) &&
( i & ( 1 << 2 ) )
key_press |= ( 1 << 2 );

...
</syntaxhighlight>
nur als wesentlich kompaktere Operation ausgeführt und für alle 8 Bits gleichzeitig.
Die Kürze und Effizienz dieser paar Codezeilen ergibt sich aus dem Umstand, dass jedes Bit in den Variablen für eine Taste steht und alle 8 (maximal möglichen) Tasten gleichzeitig die Operationen durchlaufen.

Funktionsweisen der verschienden Modi anhand von Zeitstrahlen erklärt:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1844458

"Walkthrough" der verschiedenen Zuständer der Einzelnen Variablen anhand eines Tastendrucks (avrfreaks.net)
http://www.avrfreaks.net/comment/726676#comment-726676

===== Reduziert auf lediglich 1 Taste =====
Diskussionen im Forum zeigen immer wieder, dass viele eine Abneigung gegen diesen Code haben, weil er ihnen sehr kompliziert vorkommt.

Der Code ist nicht leicht zu analysieren und er zieht alle Register dessen, was möglich ist, um sowohl Laufzeit als auch Speicherverbrauch einzusparen. Oft hört man auch das Argument: Ich benötige ja nur eine Entprellung für 1 Taste, gibt es da nichts Einfacheres?

Hier ist die 'Langform' des Codes, so wie man das für lediglich 1 Taste schreiben würde, wenn man exakt dasselbe Entprellverfahren einsetzen würde. Man sieht: Da ist keine Hexerei dabei: In key_state wird der letzte bekannte entprellte Zustand der Taste gehalten. Der Pin-Eingang wird mit diesem Zustand verglichen und wenn sich die beiden unterscheiden, dann wird ein Zähler heruntergezählt. Produziert dieses herunterzählen einen Unterlauf des Zählers, dann gilt die Taste als entprellt und wenn dann auch noch die Taste gerade gedrückt ist, dann wird dieses in key_press entsprechend vermerkt.

<syntaxhighlight lang="c">
uint8_t key_state;
uint8_t key_counter;
volatile uint8_t key_press;

ISR( ... Overflow ... )
{
uint8_t input = KEY_PIN & ( 1 << KEY0 );

if( input != key_state ) {
key_counter--;
if( key_counter == 0xFF ) {
key_counter = 3;
key_state = input;
if( input )
key_press = TRUE;
}
}
else
key_counter = 3;

}

uint8_t get_key_press()
{
uint8_t result;

cli();
result = key_press;
key_press = FALSE;
sei();

return result;
}
</syntaxhighlight>

Der vollständige Entprellcode, wie weiter oben gelistet, besticht jetzt aber darin, dass er compiliert kleiner ist als diese anschaulichere Variante für lediglich 1 Taste. Und das bei gleichzeitig erhöhter Funktionalität. Denn zb. ein Autorepeat ist in diesem Code noch gar nicht eingebaut. Und spätestens wenn man dann eine 2.te Taste entprellen möchte, dann ist auch der SRAM-Speicherverbrauch dieser Langform höher als der des Originals für 8 Tasten. Daraus folgt: Selbst für lediglich 1 Taste ist die Originalroutine die bessere Wahl.

Und wegen der Komplexität mal eine Frage: Sind Sie selbst in der Lage eine entsprechend effiziente sqrt() Funktion zu schreiben, wie die, die sie in der Standard-C-Bibliothek vorfinden? Nein? Dann dürften Sie eigentlich Ihrer Argumentation nach die Bibliotheksfunktion sqrt() nicht verwenden, sondern müssten sich statt dessen selbst eine Wurzel-Funktion schreiben.

=== Selbstsättigender Filter (nach Jürgen Schuhmacher) ===
Durch die Nutzung der diskreten Signalanalyse in Software kann die Funktionalität einer einfachen Entprellung mit einem Widerstand, einem Kondensator und einem Schmitttrigger wie in Hardware nachgebildet werden, indem ein abstrakter IIR-Filter benutzt wird, der eine Kondensatorladekurve emuliert. Mit der Vorschrift Y(t) = k Y(t-1) + Input wird ein einfaches Filter erzeugt, dass dem Eingangswert träge folgt. Bei Überschreiten eines bestimmten Wertes erfolgt mit einer einfachen Abfrage das Schalten des Ausgangssignals.

Für Assembler und VHDL bei FPGAs eignet sich aufgrund der leicht zu implementierenden binären Operationen folgende Darstellung mit einer Auflösung des Filterwertspeichers von nur 8 bit: Wert_Neu = Wert_Alt - Wert_Alt/16 + 16*(Taste = True). Der Filterwert bildet dann den gedämpften Verlauf des Eingangs (flankenverschliffen) ab und kann Prellen bis nahe an den Grenzbereich zum schnellen Tasten unterdrücken. Der Ausgangswert ist dann einfach das höchstwertige Bit des Filterwertes.

[[Datei:Entprellung mit IIR-Filter.gif]]

Dazu muss das Signal des Tasters idealerweise um den Faktor 10-20 schneller abgetastet werden, als die höchste gewünschte Tippgeschwindigkeit vorgibt. Noch schneller abzutasten ist möglich, führt aber zu mehr Bedarf an Bits beim Filter. Die Schmittriggerfunktion kann dadurch gebildet werden, dass eine 1 am Ausgang bei z.B. Überschreiten einer 55% Grenze und eine 0 bei Unterschreitung der 45%-Grenze ausgeben wird. Im Zwischenbereich wird der alte Wert gehalten.

=== Einfacher Mittelwertfilter (nach Lothar Miller) ===
Für digitale Schaltungen oder PLDs empfiehlt sich ein FIR-Filter mit aneinandergereihten FlipFlops. Man schiebt das Eingangssignal in eine FlipFlop-Kette und schaltet oberhalb der Mitte um:

SignalInput -> FF1 -> FF2 -> FF3 -> FF4 -> FF5 -> FF6 -> FF7 -> FF8

Wenn alle FFs = 1 (Summe der FFs=8) dann SignalOutput = 1 
Wenn alle FFs = 0 (Summe der FFs=0) dann SignalOutput = 0

Dieses Verfahren kann sehr einfach in Logik abgebildet werden, weil für die Berechnung des Ausgangs nur ein NOR bz. ein AND Gatter nötig ist.

== Gegenüberstellung der Verfahren ==
* HW - "entprellte Schalter": Sehr teuer, grosse Bauform, verschleissbelastet, geringe Haltbarkeit
* HW - "Umschalter" : benötigt aufwändigeren Schalter, benötigt Elektronik
* HW - "Umschalter ohne FF" : benötigt aufwändigeren Schalter und kleinen Kondensator
* HW - "Kondensatorentprellung" : benötigt etwas mehr Platz, kommt mit schlechten Schaltern zurecht

* SW - Flankenverfahren:
* SW - Warteschleife: Durch die Warteschleifen eine nicht zu vernachlässigende Verzögerung im Code. Speziell wenn mehrere Tasten zu überwachen sind, nicht unproblematisch
* SW - Timer: Universalfunktionalität, die durch geringen Speicherverbrauch, geringen Rechenzeitverbrauch und gute Funktion besticht. Der 'Verbrauch' eines Timers sieht auf den ersten Blick schlimmer aus, als er ist, denn in den meisten Programmen hat man sowieso einen Basistimer für die Zeitsteuerung des Programms im Einsatz, der für die Tastenentprellung mitbenutzt werden kann.
* SW - Filter: sehr geringer Platzbedarf in FPGAs, relativ gute Wirkung
* SW - Filter 2: sehr geringer Platzbedarf, gute Wirkung

== Links zum Thema ==

* [http://www.edn.com/design/analog/4324067/Contact-debouncing-algorithm-emulates-Schmitt-trigger Contact-debouncing algorithm (Artikel)], [http://www.edn.com/Pdf/ViewPdf?contentItemId=4324067 als PDF]
* [[AVR-Tutorial: Tasten]]
* [[AVR-GCC-Tutorial#.28Tasten-.29Entprellung|AVR-GCC-Tutorial Tastenentprellung]]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-20435.html Beitrag im Forum, AVR Assembler]
* [http://www.ganssle.com/debouncing.pdf A guide to debouncing (engl.), praktische Erläuterungen zum Entprellen in Soft- und Hardware]
* [http://www.pololu.com/docs/0J16/all Understanding Destructive LC Voltage Spikes]

[[Kategorie:AVR]]
[[Kategorie:Signalverarbeitung]]

Entprellung

2016-03-11T15:33:24Z

87.178.96.182: /* Problembeschreibung */ etwas vervollständigt

== Problembeschreibung ==
Mechanische stromführende Komponenten wie [[Schalter]] und [[Taster]] neigen beim Ein- und Ausschalten zum sogenannten '''Prellen''', d.h sie schalten schnell mehrfach aus und ein, was durch mechanische Vibrationen des Schaltkontaktes verursacht wird, sofern sie nicht mit aufwändigen mechanischen Masßnahmen dagegen geschützt sind. Besonders die [[Drehgeber]] sind aufgrund der Raststellungen und der Bewegung des Bedieners dafür empfindlich. Auch optoelektronische Bauelemente und chemische Kontaktschalter, sowie Flüssigkeitsschalter haben das Problem.

Vereinfacht dargestellt, sieht eine von einem prellenden Schalter oder Taster geschaltete Spannung wie folgt aus:
[[Bild:Entprellen.png]]

Es existieren also mehrere kurze Einschaltimpules, welche bei Tastern als Mehrfachbefehl und bei Drehgebern als falsche Winkelbewegung interpretiert werden kann. Bei Schaltern wiederum, kommt es in der elektronischen Baugruppe zu mehreren Resets und Einschaltvorgängen, die unnötig Strom ziehen oder im schlechtesten Fall die Schaltung stressen oder beschädigen können. Wichtige Schalter und solche, die hohe Ströme führen sollen, werden dazu mit geeigneten Maßnahmen wie Redundanz, Stufenschaltkonzepten oder bei Gas- und Flüssigkeitschaltern durch elektrochemische Maßnahmen abgesichert. Bei einfachen Schaltern spart man sich dies jedoch.

Da es bei diesen einfachen, ungeschützten Schaltern keine sichere Möglichkeit gibt, diese Effekte zu vermeiden, muss das falsche Signal durch die Elektronik sinnvoll ausgewertet werden. Dafür gibt es verschiedene Ansätze:

== Hardwareentprellung ==

===Prellfreie Schalter===

Für Spezialanwendungen hält die elektromechanische Industrie verschiedene Sonderkonstruktionen bereit, die saubere Schaltzustände nach Aussen generieren, indem sie entweder eine mechanische Dämpfung in Form eines selbsthemmenden Federmechanismus oder eine integrierte elektronische Signalverzögerung benutzen.

Solche Systeme sind jedoch teuer und werden meist nur im Leistungsbereich eingesetzt.

===Wechselschalter===

Für die Entprellung von Wechselschaltern (engl. Double Throw Switch) kann ein klassisches RS-[[Flipflop]] genutzt werden. Bei dieser Variante werden neben zwei NAND-Gattern nur noch zwei Pull-Up Widerstände benötigt.

[[Bild:NAND_debouncer.png|thumb|left|350px|'''Taster entprellen mit NAND-RS-Flipflop''']]

 

In der gezeigten Schalterstellung liegt an der Position /S der Pegel 0 an. Damit ist das Flipflop gesetzt und der Ausgang auf dem Pegel 1. Schließt der Schalter zwischen den Kontakten 2 und 3, liegt an der Postion /R der Pegel 0 an. Dies bedeutet, dass der Ausgang des Flipflops auf den Pegel 0 geht. Sobald der Schalter von einem zum anderen Kontakt wechselt, beginnt er in der Regel zu prellen. Während des Prellens wechselt der Schalter zwischen den beiden Zuständen "Schalter berührt Kontakt" und "Schalter ist frei in der Luft". Der Ausgang des Flipflops bleibt in dieser Prellzeit aber stabil, da der Schalter während des Prellens nie den gegenüberliegenden Kontakt berührt und das RS-Flipflop seinen Zustand allein halten kann. Die Prellzeit ist stark vom Schaltertyp abhängig und liegt zwischen 0,1 und 10ms. Die Dimensionierung der Widerstände ist relativ unkritisch. Als Richtwert können hier 100kOhm verwendet werden.

====Wechselschalter ohne Flip-Flop====

Wenn man mal gerade kein Flip-Flop zur Hand hat, kann man sich auch mit dieser Schaltung behelfen.

[[Bild:WechselEntprellC.PNG|thumb|left|350px|'''Wechsler entprellen mit Kondensator''']]

 

Zur Funktionsweise:
Beim Umschalten wird der Kondensator immer sofort umgeladen.
Während der Kontakt prellt, befindet er sich in der Luft und hat keinerlei Verbindung. Während dieser Zeit übernimmt der Kondensator das halten des Pegels.

Dimensionierung:
Ist der entprellte Taster an ein IC Angeschlossen, ist der ''Input Leakage Current'' der ausschlaggebende Strom. Falls weitere Ströme fließen sind diese mit zu berücksichtigen. Bei einem Mikrocontroller von Atmel sind 1µA typisch.
Es gilt:
:<math>\frac{dU}{dt} = \frac{I}{C}</math>
Da eine Prellung ca. 10ms dauert und die Spannung in dieser Zeit beispielsweise um maximal 0,5V fallen soll kommt man auf folgende Kapazität:
:<math> C = \frac{I \cdot dt}{dU} = \frac{1\mu A \cdot 10ms}{0,5V} = 20nF </math>

Um Stromspitzen zu verringern kann ein Widerstand mit eingefügt werden. Eine Zeitkonstante von 1µs bis 1ms scheint sinnvoll. Also 500 Ohm bis 500kOhm sind nutzbar, wobei bei niedrigem Widerstand die Stromspitzen höher sind, und bei 500kOhm der Pinstrom störend wird.

===Einfacher Taster===

Auch wenn das RS-Flipflop sehr effektiv ist, wird diese Variante der Entprellung nur selten angewendet. Grund dafür ist, dass in Schaltungen häufiger einfache Taster eingesetzt werden. Diese sind oft kleiner und preisgünstiger. Um einfache Taster (engl. Single Throw Switch) zu entprellen, kann ein einfacher RC-Tiefpass eingesetzt werden. Hierbei wird ein Kondensator über einen Widerstand je nach Schalterstellung auf- oder entladen. Das RC-Glied bildet einen Tiefpass, sodass die Spannung über den Kondensator nicht von einen Pegel auf den anderen springen kann.

[[Bild:RC_debouncer.png|thumb|left|300px|Taster entprellen mit RC-Entpreller]]

[[Datei:Entprellen1a.png|thumb|350px| Entstehender Spannungsverlauf]]
{{Absatz}}

Wenn der Schalter geöffnet ist, lädt sich der Kondensator langsam über die beiden Widerstände R1 und R2 auf Vcc auf. Beim Erreichen der Umschaltschwelle springt der Ausgang auf den Pegel 0. Wird der Schalter geschlossen, entlädt sich der Kondensator langsam über den Widerstand R2. Demnach ändert sich der Ausgang des Inverters auf den Pegel 1. Während der Taster prellt, kann sich die Spannung über dem Kondensator nicht sprunghaft ändern, da das Auf- und Entladen eher langsam über die Widerstände erfolgt. Außerdem sind die Schaltschwellen für den Übergang LOW->HIGH und HIGH->LOW stark verschieden (Hysterese, siehe Artikel [[Schmitt-Trigger]]). Bei richtiger Dimensionierung der Bauelemente wird somit der Ausgang des Inverters prellfrei.

Zu beachten ist, dass der Inverter '''unbedingt''' einer mit [[Schmitt-Trigger]]-Eingängen sein muss, weil bei Standard-Logikeingängen im Bereich von üblicherweise 0,8V - 2,0V der Ausgang nicht definiert ist. Als Inverter kann zum Beispiel der 74HC14 oder der CD40106 (pinkompatibel) eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein CD4093 eingesetzt werden. Bei dem CD4093 handelt es sich um NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger-Eingängen. Um aus einem NAND-Gatter einen Inverter zu machen, müssen einfach nur die beiden Eingänge verbunden werden oder ein Eingang fest auf HIGH gelegt werden.

Für eine geeignete Dimensionierung muss man etwas mit den Standardformeln für einen Kondensator jonglieren. Die Spannung über den Kondensator beim Entladen berechnet sich nach:
:<math>U_C(t) = U_0 \cdot e^{\frac{-t}{R_2 C_1}}</math>

Damit der Ausgang des Inverters stabil ist, muss die Spannung über den Kondensator und damit die Spannung am Eingang des Inverters über der Spannung bleiben, bei welcher der Inverter umschaltet. Diese Schwellwertspannung ist genau die zeitabhängige Spannung über den Kondensator.
:<math>U_C(t)\!\ = U_{th}</math>

Durch Umstellen der Formel ergibt sich nun:
:<math>R_2=\frac{-t}{C_1 \cdot ln\left(\frac{U_{th}}{U_0} \right)}</math>

Ein Taster prellt üblicherweise etwa 10ms. Zur Sicherheit kann bei der Berechnung des Widerstandes eine Prellzeit von 20ms angenommen werden. U_0 ist die Betriebsspannung also Vcc. Die Schwellwertspannung muss aus dem Datenblatt des eingesetzten Schmitt-Triggers abgelesen werden. Beim 74HC14 beträgt der gesuchte Wert 2,0V. Nimmt man für den Kondensator 1µF und beträgt die Betriebsspannung 5V, ergibt sich für den Widerstand ein Wert von etwa 22kOhm.

Wird der Schalter geöffnet, lädt sich der Kondensator nach folgender Formel auf:
:<math>U_C(t) = U_0 \cdot \left( 1-e^{\frac{-t}{(R_1+R_2)\cdot C_1}} \right)</math>

Mit U_th=U_C ergibt das Umstellen nach (R_1+R_2):
:<math>R_1+R_2 = \frac{-t}{C_1 \cdot ln\left(1-\frac{U_{th}}{U_0} \right)} </math>

Für die Schwellspannung lässt sich aus dem Datenblatt ein Wert von 2,3V ablesen. Mit diesem Wert und den Annahmen von oben ergibt sich für R_1+R_2 ein Wert von 32kOhm. Somit ergibt sich für R_1 ein Wert von etwa 10kOhm.

Anmerkung: Beim 74LS14 von Hitachi z. B. sind die oberen und unteren Schaltschwellwerte unterschiedlich. Es muss darauf geachtet werden, dass U_{th} beim Entladen die untere Schwelle und U_{th} beim Laden die obere Schwelle einnimmt.

== Softwareentprellung ==

In den Zeiten der elektronischen Auswertung von Tastern und Schaltern ist das softwaretechnische Entprellen oft billiger, als die Benutzung eines teuren Schalters. Daher werden heute z.B. auch Computertastaturen nicht mehr mit prellarmen Tasten oder Entprellkondensatoren ausgestattet.

Bei Verwendung des in den meisten Geräten ohnehin vorhandenen Mikrocontrollers z.B., kann man sich die zusätzliche Hardware sparen, da die Entprellung in Software praktisch genauso gut funktioniert. Dabei ist nur zu beachten, dass zusätzliche Rechenleistung und je nach Umsetzung auch einige Hardwareressourcen (z.B. Timer) benötigt werden. Dafür hat man aber den Vorteil, kurze Pulse, die offensichtlich keine Tastenbetätigung sein können sondern z. B. durch Einstreuungen hervorgerufen werden, einfach ausfiltern zu können.

=== Flankenerkennung ===
Bei einem Taster gibt es insgesamt 4 theoretische Zustände:

* 1. war nicht gedrückt und ist nicht gedrückt
* 2. war nicht gedrückt und ist gedrückt (steigende Flanke)
* 3. war gedrückt und ist immer noch gedrückt
* 4. war gedrückt und ist nicht mehr gedrückt (fallende Flanke)

Diese einzelnen Zustände lassen sich jetzt bequem abfragen/durchlaufen. Die Entprellung geschieht dabei durch die ganze Laufzeit des Programms. Die Taster werden hierbei als Active-Low angeschlossen, um die internen Pull-Ups zu nutzen.

Diese Routine gibt für den Zustand "steigende Flanke" den Wert "1" zurück, sonst "0"

<syntaxhighlight lang="c">
#define TASTERPORT PINC
#define TASTERBIT PINC1

char taster(void)
{
static unsigned char zustand;
char rw = 0;

if(zustand == 0 && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gedrueckt (steigende Flanke)
{
zustand = 1;
rw = 1;
}
else if (zustand == 1 && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gehalten
{
zustand = 2;
rw = 0;
}
else if (zustand == 2 && (TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird losgelassen (fallende Flanke)
{
zustand = 3;
rw = 0;
}
else if (zustand == 3 && (TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster losgelassen
{
zustand = 0;
rw = 0;
}

return rw;
}
</syntaxhighlight>

Eine Erweiterung, damit beliebig lange das Halten einer Taste erkannt wird kann man ganz einfach so implementieren:

<syntaxhighlight lang="c">
// zustand kann entweder zum ersten mal als gehalten detektiert werden oder aber jedes weitere mal
else if (((zustand == 1) || (zustand == 2)) && !(TASTERPORT & (1<<TASTERBIT))) //Taster wird gehalten
{
zustand = 2;
rw = 0;
}
</syntaxhighlight>

=== Warteschleifen-Verfahren ===

Soll nun mit einem Mikrocontroller gezählt werden, wie oft ein Kontakt oder ein Relais geschaltet wird, muss das Prellen des Kontaktes exakt berücksichtigt - und von einem gewollten Mehrfachschalten abgegrenzt werden, da sonst möglicherweise Fehlimpulse gezählt- oder andererseits echte Schaltvorgänge übersprungen werden. Dies muss beim Schreiben des Programms hinsichtlich des Abtastens des Kontaktes unbedingt Rechnung getragen werden.

Beim folgenden einfachen Beispiel für eine Entprellung ist zu beachten, dass der AVR im Falle eines Tastendrucks 200ms wartet, also brach liegt. Bei zeitkritischen Anwendungen sollte man ein anderes Verfahren nutzen (z. B. Abfrage der Tastenzustände in einer Timer-Interrupt-Service-Routine).

<syntaxhighlight lang="c">
#include <avr/io.h>
#include <inttypes.h>
#ifndef F_CPU
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* bei alter avr-libc: #include <avr/delay.h> */

/* Einfache Funktion zum Entprellen eines Tasters */
inline uint8_t debounce(volatile uint8_t *port, uint8_t pin)
{
if ( !(*port & (1 << pin)) )
{
/* Pin wurde auf Masse gezogen, 100ms warten */
_delay_ms(50); // Maximalwert des Parameters an _delay_ms
_delay_ms(50); // beachten, vgl. Dokumentation der avr-libc
if ( *port & (1 << pin) )
{
/* Anwender Zeit zum Loslassen des Tasters geben */
_delay_ms(50);
_delay_ms(50);
return 1;
}
}
return 0;
}

int main(void)
{
DDRB &= ~( 1 << PB0 ); /* PIN PB0 auf Eingang Taster) */
PORTB |= ( 1 << PB0 ); /* Pullup-Widerstand aktivieren */
...
if (debounce(&PINB, PB0))
{
/* Falls Taster an PIN PB0 gedrueckt */
/* LED an Port PD7 an- bzw. ausschalten: */
PORTD = PORTD ^ ( 1 << PD7 );
}
...
}
</syntaxhighlight>

Die obige Routine hat leider mehrere Nachteile:
* sie detektiert nur das Loslassen (unergonomisch)
* sie verzögert die Mainloop immer um 100ms bei gedrückter Taste
* sie verliert Tastendrücke, je mehr die Mainloop zu tun hat.

Eine ähnlich einfach zu benutzende Routine, aber ohne all diese Nachteile findet sich im Forenthread
[http://www.mikrocontroller.net/topic/164194#new Entprellung für Anfänger]

Der ''DEBOUNCE'' Befehl in dem BASIC-Dialekt BASCOM für AVR ist ebenfalls nach dem Warteschleifen-Verfahren programmiert. Die Wartezeit beträgt standardmäßig 25 ms, kann aber vom Anwender überschrieben werden. Vgl. [http://avrhelp.mcselec.com/bascom-avr.html?DEBOUNCE BASCOM Online-Manual zu DEBOUNCE].

Eine C-Implementierung für eine Tastenabfrage mit Warteschleife ist im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial#IO-Register_als_Parameter_und_Variablen|AVR-GCC-Tutorial: IO-Register als Parameter und Variablen]] angeben.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Controller durch die Warteschleife blockiert wird. Günstiger ist die Implementierung mit einem Timer-Interrupt.

==== Warteschleifenvariante mit Maske und Pointer (nach Christian Riggenbach) ====

Hier eine weitere Funktion, um Taster zu entprellen: Durch den zusätzlichen Code kann eine Entprellzeit von durchschnittlich 1-3ms (mindestens 8*150µs = 1ms) erreicht werden. Grundsätzlich prüft die Funktion den Pegel der Pins auf einem bestimmten Port. Wenn die/der Pegel 8 Mal konstant war, wird die Schleife verlassen. Diese Funktion kann sehr gut eingesetzt werden, um in einer Endlosschleife Taster anzufragen, da sie, wie erwähnt, eine kurze Wartezeit hat.

<syntaxhighlight lang="c">
void entprellung( volatile uint8_t *port, uint8_t maske ) {
uint8_t port_puffer;
uint8_t entprellungs_puffer;

for( entprellungs_puffer=0 ; entprellungs_puffer!=0xff ; ) {
entprellungs_puffer<<=1;
port_puffer = *port;
_delay_us(150);
if( (*port & maske) == (port_puffer & maske) )
entprellungs_puffer |= 0x01;
}
}
</syntaxhighlight>
Die Funktion wird wie folgt aufgerufen:
<syntaxhighlight lang="c">
// Bugfix 20100414
// http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_port_pass
entprellung( &PINB, (1<<PINB2) ); // ggf. Prellen abwarten
if( PINB & (1<<PINB2) ) // dann stabilen Wert einlesen
{
// mach was
}
else
{
// mach was anderes
}
</syntaxhighlight>
Als Maske kann ein beliebiger Wert übergeben werden. Sie verhindert, dass nichtverwendete Taster die Entprellzeit negativ beeinflussen.

==== Debounce-Makro von Peter Dannegger ====

Peter Dannegger hat in [http://www.mikrocontroller.net/topic/164194#1566921 "Entprellen für Anfänger"] folgende vereinfachtes Entprellverfahren beschrieben. Das Makro arbeitet in der Originalversion mit ''active low'' geschalteten Tastern, kann aber einfach für ''active high'' geschaltete Taster angepasst werden ([[Pollin Funk-AVR-Evaluationsboard#Tasty Reloaded|Tasty Reloaded]]).

<syntaxhighlight lang="c">
/************************************************************************/
/* */
/* Not so powerful Debouncing Example */
/* No Interrupt needed */
/* */
/* Author: Peter Dannegger */
/* */
/************************************************************************/
// Target: ATtiny13

#include <avr/io.h>
#define F_CPU 9.6e6
#include <util/delay.h>

#define debounce( port, pin ) \
({ \
static uint8_t flag = 0; /* new variable on every macro usage */ \
uint8_t i = 0; \
\
if( flag ){ /* check for key release: */ \
for(;;){ /* loop ... */ \
if( !(port & 1<<pin) ){ /* ... until key pressed or ... */ \
i = 0; /* 0 = bounce */ \
break; \
} \
_delay_us( 98 ); /* * 256 = 25ms */ \
if( --i == 0 ){ /* ... until key >25ms released */ \
flag = 0; /* clear press flag */ \
i = 0; /* 0 = key release debounced */ \
break; \
} \
} \
}else{ /* else check for key press: */ \
for(;;){ /* loop ... */ \
if( (port & 1<<pin) ){ /* ... until key released or ... */ \
i = 0; /* 0 = bounce */ \
break; \
} \
_delay_us( 98 ); /* * 256 = 25ms */ \
if( --i == 0 ){ /* ... until key >25ms pressed */ \
flag = 1; /* set press flag */ \
i = 1; /* 1 = key press debounced */ \
break; \
} \
} \
} \
i; /* return value of Macro */ \
})

/*
Testapplication
*/
int main(void)
{
DDRB &= ~(1<<PB0);
PORTB |= 1<<PB0;
DDRB |= 1<<PB2;
DDRB &= ~(1<<PB1);
PORTB |= 1<<PB1;
DDRB |= 1<<PB3;
for(;;){
if( debounce( PINB, PB1 ) )
PORTB ^= 1<<PB2;
if( debounce( PINB, PB0 ) )
PORTB ^= 1<<PB3;
}
}

</syntaxhighlight>

Wenn das Makro für die gleiche Taste (Pin) an mehreren Stellen aufgerufen werden soll, muss eine Funktion angelegt werden, damit beide Aufrufe an die gleiche Zustandsvariable ''flag'' auswerten [http://www.mikrocontroller.net/topic/195914#1918727]:

<syntaxhighlight lang="c">
// Hilfsfunktion
uint8_t debounce_C1( void )
{
return debounce(PINC, PC1);
}

// Beispielanwendung
int main(void)
{
DDRB |= 1<<PB2;
DDRB |= 1<<PB3;
DDRC &= ~(1<<PC1);
PORTC |= 1<<PC1; // Pullup für Taster

for(;;){
if( debounce_C1() ) // nicht: debounce(PINC, PC1)
PORTB ^= 1<<PB2;
if( debounce_C1() ) // nicht: debounce(PINC, PC1)
PORTB ^= 1<<PB3;
}
}
</syntaxhighlight>

=== Timer-Verfahren (nach Peter Dannegger) ===

==== Grundroutine (AVR Assembler) ====

Siehe dazu: [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-20435.html#new Forum]

Vorteile
* besonders kurzer Code
* schnell

Außerdem können 8 Tasten (aktiv low) gleichzeitig bearbeitet werden, es dürfen also
alle exakt zur selben Zeit gedrückt werden. Andere Routinen können z. B. nur eine Taste verarbeiten, d.h. die zuerst oder zuletzt gedrückte gewinnt, oder es kommt Unsinn heraus.

Die eigentliche Einlese- und Entprellroutine ist nur 8 Instruktionen
kurz. Der entprellte Tastenzustand ist im Register ''key_state''. Mit nur 2 weiteren Instruktionen wird dann der Wechsel von ''Taste offen'' zu
''Taste gedrückt'' erkannt und im Register ''key_press'' abgelegt. Im Beispielcode werden dann damit 8 LEDs ein- und ausgeschaltet. Jede Taste entspricht einem Bit in den Registern, d.h. die Verarbeitung erfolgt bitweise mit logischen Operationen. Zum Verständnis empfiehlt es sich daher, die Logikgleichungen mit Gattern für ein Bit = eine Taste aufzumalen. Die Register kann man sich als Flipflops denken, die mit der Entprellzeit als Takt arbeiten. D.h. man kann das auch so z. B. in einem GAL22V10 realisieren.

Als Kommentar sind neben den einzelnen Instruktionen alle 8 möglichen
Kombinationen der 3 Signale dargestellt.

Beispielcode für AVR (Assembler):

<syntaxhighlight lang="avrasm">
.nolist
.include "c:\avr\inc\1200def.inc"
.list
.def save_sreg = r0
.def iwr0 = r1
.def iwr1 = r2

.def key_old = r3
.def key_state = r4
.def key_press = r5

.def leds = r16
.def wr0 = r17

.equ key_port = pind
.equ led_port = portb

rjmp init
.org OVF0addr ;timer interrupt 24ms
in save_sreg, SREG
get8key: ;/old state iwr1 iwr0
mov iwr0, key_old ;00110011 10101010 00110011
in key_old, key_port ;11110000
eor iwr0, key_old ; 11000011
com key_old ;00001111
mov iwr1, key_state ; 10101010
or key_state, iwr0 ; 11101011
and iwr0, key_old ; 00000011
eor key_state, iwr0 ; 11101000
and iwr1, iwr0 ; 00000010
or key_press, iwr1 ;store key press detect
;
; insert other timer functions here
;
out SREG, save_sreg
reti
;-------------------------------------------------------------------------
init:
ldi wr0, 0xFF
out ddrb, wr0
ldi wr0, 1<<CS02 | 1<<CS00 ;divide by 1024 * 256
out TCCR0, wr0
ldi wr0, 1<<TOIE0 ;enable timer interrupt
out TIMSK, wr0

clr key_old
clr key_state
clr key_press
ldi leds, 0xFF
main: cli
eor leds, key_press ;toggle LEDs
clr key_press ;clear, if key press action done
sei
out led_port, leds
rjmp main
;-------------------------------------------------------------
</syntaxhighlight>

==== Komfortroutine (C für AVR) ====

Siehe dazu: [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-310276.html Forum]

'''Anmerkung''' Wenn statt active-low (Ruhezustand High) active-high (Ruhezustand Low) verwendet wird muss eine Zeile geändert werden siehe:
[http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-310276.html gesamter Beitrag im Forum],
[http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#606555 Stelle 1 im Beitrag], ([http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#2306398 Stelle 2 im Beitrag] muss *nicht* geändert werden, da hier die Polarität gar keinen Einfluß hat).

'''Anmerkung 2''' Zur Initialisierung siehe [http://www.mikrocontroller.net/topic/48465#3572793 Forum]

Funktionsprinzip wie oben plus zusätzliche Features:
* Kann Tasten sparen durch unterschiedliche Aktionen bei kurzem oder langem Drücken
* Wiederholfunktion, z. B. für die Eingabe von Werten

Das Programm ist für avr-gcc/avr-libc geschrieben, kann aber mit ein paar Anpassungen auch mit anderen Compilern und Mikrocontrollern verwendet werden. Eine Portierung für den AT91SAM7 findet man [http://www.google.com/codesearch?q=show:ac2viP-2E2Y:pzkOO5QRsoc:RPICuprYy-A&sa=N&cd=1&ct=rc&cs_p=svn://mikrocontroller.net/mp3dec/trunk&cs_f=keys.c#a0 hier] (aus dem Projekt [[ARM MP3/AAC Player]]).
<syntaxhighlight lang="c">
/************************************************************************/
/* */
/* Debouncing 8 Keys */
/* Sampling 4 Times */
/* With Repeat Function */
/* */
/* Author: Peter Dannegger */
/* danni@specs.de */
/* */
/************************************************************************/

#include <stdint.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 1000000 // processor clock frequency
#warning kein F_CPU definiert
#endif

#define KEY_DDR DDRB
#define KEY_PORT PORTB
#define KEY_PIN PINB
#define KEY0 0
#define KEY1 1
#define KEY2 2
#define ALL_KEYS (1<<KEY0 | 1<<KEY1 | 1<<KEY2)

#define REPEAT_MASK (1<<KEY1 | 1<<KEY2) // repeat: key1, key2
#define REPEAT_START 50 // after 500ms
#define REPEAT_NEXT 20 // every 200ms

#define LED_DDR DDRA
#define LED_PORT PORTA
#define LED0 0
#define LED1 1
#define LED2 2

volatile uint8_t key_state; // debounced and inverted key state:
// bit = 1: key pressed
volatile uint8_t key_press; // key press detect

volatile uint8_t key_rpt; // key long press and repeat

ISR( TIMER0_OVF_vect ) // every 10ms
{
static uint8_t ct0, ct1, rpt;
uint8_t i;

TCNT0 = (uint8_t)(int16_t)-(F_CPU / 1024 * 10e-3 + 0.5); // preload for 10ms

i = key_state ^ ~KEY_PIN; // key changed ?
ct0 = ~( ct0 & i ); // reset or count ct0
ct1 = ct0 ^ (ct1 & i); // reset or count ct1
i &= ct0 & ct1; // count until roll over ?
key_state ^= i; // then toggle debounced state
key_press |= key_state & i; // 0->1: key press detect

if( (key_state & REPEAT_MASK) == 0 ) // check repeat function
rpt = REPEAT_START; // start delay
if( --rpt == 0 ){
rpt = REPEAT_NEXT; // repeat delay
key_rpt |= key_state & REPEAT_MASK;
}
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key has been pressed. Each pressed key is reported
// only once
//
uint8_t get_key_press( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read and clear atomic !
key_mask &= key_press; // read key(s)
key_press ^= key_mask; // clear key(s)
sei();
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key has been pressed long enough such that the
// key repeat functionality kicks in. After a small setup delay
// the key is reported being pressed in subsequent calls
// to this function. This simulates the user repeatedly
// pressing and releasing the key.
//
uint8_t get_key_rpt( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read and clear atomic !
key_mask &= key_rpt; // read key(s)
key_rpt ^= key_mask; // clear key(s)
sei();
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// check if a key is pressed right now
//
uint8_t get_key_state( uint8_t key_mask )

{
key_mask &= key_state;
return key_mask;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
uint8_t get_key_short( uint8_t key_mask )
{
cli(); // read key state and key press atomic !
return get_key_press( ~key_state & key_mask );
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
uint8_t get_key_long( uint8_t key_mask )
{
return get_key_press( get_key_rpt( key_mask ));
}

int main( void )
{
LED_PORT = 0xFF;
LED_DDR = 0xFF;

// Configure debouncing routines
KEY_DDR &= ~ALL_KEYS; // configure key port for input
KEY_PORT |= ALL_KEYS; // and turn on pull up resistors

TCCR0 = (1<<CS02)|(1<<CS00); // divide by 1024
TCNT0 = (uint8_t)(int16_t)-(F_CPU / 1024 * 10e-3 + 0.5); // preload for 10ms
TIMSK |= 1<<TOIE0; // enable timer interrupt

sei();

while(1){
if( get_key_short( 1<<KEY1 ))
LED_PORT ^= 1<<LED1;

if( get_key_long( 1<<KEY1 ))
LED_PORT ^= 1<<LED2;

// single press and repeat

if( get_key_press( 1<<KEY2 ) || get_key_rpt( 1<<KEY2 )){
uint8_t i = LED_PORT;

i = (i & 0x07) | ((i << 1) & 0xF0);
if( i < 0xF0 )
i |= 0x08;
LED_PORT = i;
}
}
}
</syntaxhighlight>

Das single-press-und-repeat-Beispiel geht nicht in jeder Beschaltung; folgendes Beispiel sollte universeller sein (einzelne LED an/aus):
<syntaxhighlight lang="c">
// single press and repeat
if( get_key_press( 1<<KEY2 ) || get_key_rpt( 1<<KEY2 ))
LED_PORT ^=0x08;
</syntaxhighlight>

Neuere Variante, die einer Taste folgende Funktionen erlaubt:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1753367
<syntaxhighlight lang="c">
- get_key_press()
- get_key_rpt()
- get_key_press() mit get_key_rpt()
- get_key_short() mit get_key_long()
- get_key_short() mit get_key_long_r() und get_key_rpt_l()
</syntaxhighlight>
Erweiterung für die Erkennung von zwei gleichzeitig gedrückten Tasten:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1753367
<syntaxhighlight lang="c">
- get_key_common()
</syntaxhighlight>

===== Funktionsweise =====
Der Code basiert auf 8 parallelen vertikalen Zählern, die über die Variablen ct0 und ct1 aufgebaut werden

[[Bild:VertCount.png|framed|center|'''8 vertikale Zähler in 2 8-Bit Variablen''']]

wobei jeweils ein Bit in ct0 mit dem gleichwertigen Bit in ct1 zusammengenommen einen 2-Bit-Zähler bildet.
Der Code der sich um die 8 Zähler kümmert, ist so geschrieben, daß er alle 8 Zähler gemeinsam parallel behandelt.

<syntaxhighlight lang="c">
i = key_state ^ ~KEY_PIN; // key changed ?
</syntaxhighlight>
i enthält an dieser Stelle für jede Taste, die sich im Vergleich mit dem vorhergehenden entprellten Zustand (keystate) verändert hat, ein 1 Bit.

<syntaxhighlight lang="c">
ct0 = ~( ct0 & i ); // reset or count ct0
ct1 = ct0 ^ (ct1 & i); // reset or count ct1
</syntaxhighlight>

Diese beiden Anweisungen erniedrigen den 2-Bit Zähler ct0/ct1 für jedes Bit um 1, welches in i gesetzt ist. Liegt an der entsprechenden Stelle in i ein 0 Bit vor (keine Änderung des Zustands), so wird der Zähler ct0/ct1 für dieses Bit auf 1 gesetzt.
Der Grundzustand des Zählers ist als ct0 == 1 und ct1 == 1 (Wert 3). Der Zähler zählt daher mit jedem ISR Aufruf, bei dem die Taste im Vergleich zu keystate als verändert erkannt wurde

ct1 ct0
1 1 // 3
1 0 // 2
0 1 // 1
0 0 // 0
1 1 // 3

<syntaxhighlight lang="c">
i &= ct0 & ct1; // count until roll over ?
</syntaxhighlight>
in i bleibt nur dort ein 1-Bit erhalten, wo sowohl in ct1 als auch in ct0 ein 1 Bit vorgefunden wird, der betreffende Zähler also bis 3 zählen konnte. Durch die zusätzliche Verundung mit i wird der Fall abgefangen, dass ein konstanter Zählerwert von 3 in i ein 1 Bit hinterlässt. Im Endergebnis bedeutet dass, dass nur ein Zählerwechsel von 0 auf 3 zu einem 1 Bit an der betreffenden Stelle in i führt, aber auch nur dann, wenn in i an dieser Bitposition ebenfalls ein 1 Bit war (welches wiederrum deswegen auf 1 war, weil an diesem Eingabeport eine Veränderung zum letzten bekannten entprellten Zustand festgestellt wurde). Alles zusammengenommen heißt das, dass ein Tastendruck dann erkannt wird, wenn die Taste 4 mal hintereinander in einem anderen Zustand vorgefunden wurde als dem zuletzt bekannten entprellten Tastenzustand.

An dieser Stelle ist i daher ein Vektor von 8 Bits, von denen jedes einzelne der Bits darüber Auskunft gibt, ob die entsprechende Taste mehrmals hintereinander im selben Zustand angetroffen wurde, der nicht mit dem zuletzt bekannten Tastenzustand übereinstimmt. Ist das der Fall, dann wird eine entsprechende Veränderung des Tastenzustands in key_state registriert
<syntaxhighlight lang="c">
key_state ^= i; // then toggle debounced state
</syntaxhighlight>
und wenn sich in key_state das entsprechende Bit von 0 auf 1 verändert hat, wird dieses Ereignis als 'Taste wurde niedergedrückt' gewertet.
<syntaxhighlight lang="c">
key_press |= key_state & i; // 0->1: key press detect
</syntaxhighlight>

Damit ist der Tasteneingang entprellt. Und zwar sowohl beim Drücken einer Taste als auch beim Loslassen (damit Tastenpreller beim Loslassen nicht mit dem Niederdrücken einer Taste verwechselt werden). Der weitere Code beschäftigt sich dann nur noch damit, diesen entprellten Tastenzustand weiter zu verarbeiten.

Der Codeteil sieht durch die Verwendung der vielen bitweisen Operationen relativ komplex aus. Behält man aber im Hinterkopf, dass einige der bitweisen wie ein 'paralles If' gleichzeitig auf allen 8 Bits eingesetzt werden, dann vereinfacht sich vieles. Ein
<syntaxhighlight lang="c">
key_press |= key_state & i;
</syntaxhighlight>
ist nichts anderes als ein
<syntaxhighlight lang="c">
// teste ob Bit 0 sowohl in key_state als auch in i gesetzt ist
// und setze Bit 0 in key_press, wenn das der Fall ist
if( ( key_state & ( 1 << 0 ) ) &&
( i & ( 1 << 0 ) )
key_press |= ( 1 << 0 );

// Bit 1
if( ( key_state & ( 1 << 1 ) ) &&
( i & ( 1 << 1 ) )
key_press |= ( 1 << 1 );

// Bit 2
if( ( key_state & ( 1 << 2 ) ) &&
( i & ( 1 << 2 ) )
key_press |= ( 1 << 2 );

...
</syntaxhighlight>
nur als wesentlich kompaktere Operation ausgeführt und für alle 8 Bits gleichzeitig.
Die Kürze und Effizienz dieser paar Codezeilen ergibt sich aus dem Umstand, dass jedes Bit in den Variablen für eine Taste steht und alle 8 (maximal möglichen) Tasten gleichzeitig die Operationen durchlaufen.

Funktionsweisen der verschienden Modi anhand von Zeitstrahlen erklärt:
https://www.mikrocontroller.net/topic/48465?goto=1753367#1844458

"Walkthrough" der verschiedenen Zuständer der Einzelnen Variablen anhand eines Tastendrucks (avrfreaks.net)
http://www.avrfreaks.net/comment/726676#comment-726676

===== Reduziert auf lediglich 1 Taste =====
Diskussionen im Forum zeigen immer wieder, dass viele eine Abneigung gegen diesen Code haben, weil er ihnen sehr kompliziert vorkommt.

Der Code ist nicht leicht zu analysieren und er zieht alle Register dessen, was möglich ist, um sowohl Laufzeit als auch Speicherverbrauch einzusparen. Oft hört man auch das Argument: Ich benötige ja nur eine Entprellung für 1 Taste, gibt es da nichts Einfacheres?

Hier ist die 'Langform' des Codes, so wie man das für lediglich 1 Taste schreiben würde, wenn man exakt dasselbe Entprellverfahren einsetzen würde. Man sieht: Da ist keine Hexerei dabei: In key_state wird der letzte bekannte entprellte Zustand der Taste gehalten. Der Pin-Eingang wird mit diesem Zustand verglichen und wenn sich die beiden unterscheiden, dann wird ein Zähler heruntergezählt. Produziert dieses herunterzählen einen Unterlauf des Zählers, dann gilt die Taste als entprellt und wenn dann auch noch die Taste gerade gedrückt ist, dann wird dieses in key_press entsprechend vermerkt.

<syntaxhighlight lang="c">
uint8_t key_state;
uint8_t key_counter;
volatile uint8_t key_press;

ISR( ... Overflow ... )
{
uint8_t input = KEY_PIN & ( 1 << KEY0 );

if( input != key_state ) {
key_counter--;
if( key_counter == 0xFF ) {
key_counter = 3;
key_state = input;
if( input )
key_press = TRUE;
}
}
else
key_counter = 3;

}

uint8_t get_key_press()
{
uint8_t result;

cli();
result = key_press;
key_press = FALSE;
sei();

return result;
}
</syntaxhighlight>

Der vollständige Entprellcode, wie weiter oben gelistet, besticht jetzt aber darin, dass er compiliert kleiner ist als diese anschaulichere Variante für lediglich 1 Taste. Und das bei gleichzeitig erhöhter Funktionalität. Denn zb. ein Autorepeat ist in diesem Code noch gar nicht eingebaut. Und spätestens wenn man dann eine 2.te Taste entprellen möchte, dann ist auch der SRAM-Speicherverbrauch dieser Langform höher als der des Originals für 8 Tasten. Daraus folgt: Selbst für lediglich 1 Taste ist die Originalroutine die bessere Wahl.

Und wegen der Komplexität mal eine Frage: Sind Sie selbst in der Lage eine entsprechend effiziente sqrt() Funktion zu schreiben, wie die, die sie in der Standard-C-Bibliothek vorfinden? Nein? Dann dürften Sie eigentlich Ihrer Argumentation nach die Bibliotheksfunktion sqrt() nicht verwenden, sondern müssten sich statt dessen selbst eine Wurzel-Funktion schreiben.

=== Selbstsättigender Filter (nach Jürgen Schuhmacher) ===
Durch die Nutzung der diskreten Signalanalyse in Software kann die Funktionalität einer einfachen Entprellung mit einem Widerstand, einem Kondensator und einem Schmitttrigger wie in Hardware nachgebildet werden, indem ein abstrakter IIR-Filter benutzt wird, der eine Kondensatorladekurve emuliert. Mit der Vorschrift Y(t) = k Y(t-1) + Input wird ein einfaches Filter erzeugt, dass dem Eingangswert träge folgt. Bei Überschreiten eines bestimmten Wertes erfolgt mit einer einfachen Abfrage das Schalten des Ausgangssignals.

Für Assembler und VHDL bei FPGAs eignet sich aufgrund der leicht zu implementierenden binären Operationen folgende Darstellung mit einer Auflösung des Filterwertspeichers von nur 8 bit: Wert_Neu = Wert_Alt - Wert_Alt/16 + 16*(Taste = True). Der Filterwert bildet dann den gedämpften Verlauf des Eingangs (flankenverschliffen) ab und kann Prellen bis nahe an den Grenzbereich zum schnellen Tasten unterdrücken. Der Ausgangswert ist dann einfach das höchstwertige Bit des Filterwertes.

[[Datei:Entprellung mit IIR-Filter.gif]]

Dazu muss das Signal des Tasters idealerweise um den Faktor 10-20 schneller abgetastet werden, als die höchste gewünschte Tippgeschwindigkeit vorgibt. Noch schneller abzutasten ist möglich, führt aber zu mehr Bedarf an Bits beim Filter. Die Schmittriggerfunktion kann dadurch gebildet werden, dass eine 1 am Ausgang bei z.B. Überschreiten einer 55% Grenze und eine 0 bei Unterschreitung der 45%-Grenze ausgeben wird. Im Zwischenbereich wird der alte Wert gehalten.

=== Einfacher Mittelwertfilter (nach Lothar Miller) ===
Für digitale Schaltungen oder PLDs empfiehlt sich ein FIR-Filter mit aneinandergereihten FlipFlops. Man schiebt das Eingangssignal in eine FlipFlop-Kette und schaltet oberhalb der Mitte um:

SignalInput -> FF1 -> FF2 -> FF3 -> FF4 -> FF5 -> FF6 -> FF7 -> FF8

Wenn alle FFs = 1 (Summe der FFs=8) dann SignalOutput = 1 
Wenn alle FFs = 0 (Summe der FFs=0) dann SignalOutput = 0

Dieses Verfahren kann sehr einfach in Logik abgebildet werden, weil für die Berechnung des Ausgangs nur ein NOR bz. ein AND Gatter nötig ist.

== Gegenüberstellung der Verfahren ==
* HW - "entprellte Schalter": Sehr teuer, grosse Bauform, verschleissbelastet, geringe Haltbarkeit
* HW - "Umschalter" : benötigt aufwändigeren Schalter, benötigt Elektronik
* HW - "Umschalter ohne FF" : benötigt aufwändigeren Schalter und kleinen Kondensator
* HW - "Kondensatorentprellung" : benötigt etwas mehr Platz, kommt mit schlechten Schaltern zurecht

* SW - Flankenverfahren:
* SW - Warteschleife: Durch die Warteschleifen eine nicht zu vernachlässigende Verzögerung im Code. Speziell wenn mehrere Tasten zu überwachen sind, nicht unproblematisch
* SW - Timer: Universalfunktionalität, die durch geringen Speicherverbrauch, geringen Rechenzeitverbrauch und gute Funktion besticht. Der 'Verbrauch' eines Timers sieht auf den ersten Blick schlimmer aus, als er ist, denn in den meisten Programmen hat man sowieso einen Basistimer für die Zeitsteuerung des Programms im Einsatz, der für die Tastenentprellung mitbenutzt werden kann.
* SW - Filter: sehr geringer Platzbedarf in FPGAs, relativ gute Wirkung
* SW - Filter 2: sehr geringer Platzbedarf, gute Wirkung

== Links zum Thema ==

* [http://www.edn.com/design/analog/4324067/Contact-debouncing-algorithm-emulates-Schmitt-trigger Contact-debouncing algorithm (Artikel)], [http://www.edn.com/Pdf/ViewPdf?contentItemId=4324067 als PDF]
* [[AVR-Tutorial: Tasten]]
* [[AVR-GCC-Tutorial#.28Tasten-.29Entprellung|AVR-GCC-Tutorial Tastenentprellung]]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-20435.html Beitrag im Forum, AVR Assembler]
* [http://www.ganssle.com/debouncing.pdf A guide to debouncing (engl.), praktische Erläuterungen zum Entprellen in Soft- und Hardware]
* [http://www.pololu.com/docs/0J16/all Understanding Destructive LC Voltage Spikes]

[[Kategorie:AVR]]
[[Kategorie:Signalverarbeitung]]

Pulsdichtemodulation

2016-03-11T15:14:48Z

87.178.96.182: /* Funktion */ etwas genauer beschrieben

Die Pulsedichtemodulation ist eine Methode, einen zunächst digitalen Wert über einen einzelnen Port-Pin eines PLDs auszugeben und in der Folge mittels einer analogen Filterung einen Analogwert zu erzeugen.

== Funktion ==
Sie beruht auf der Methode der s.g. Delta-Sigma-Modulation, bei der das Verhalten des Ausgangs (meist ein idealer Integrator) vorrausgerechnet und permanent die Differenz zu dem steuernden Eingangssignal, der Sollgröße, gebildet wird. Ist der vorausberechnete Wert grösser, als der Eingang, wird das 1-Bit-Signal auf low geschaltet, im umgekehrten Fall auf high. Das so erzeugte 1-Bit-Signal ist der Eingang für diesen virtuellen Integrator.

Hierdurch entsteht eine Art Blindregelung, die das Tastverhältnis des Ausgangssignals so einstellt, dass der spätere gefilterte Wert dem Eingangssignal theoretisch exakt folgt. Im Idealfall (siehe erstes Bild) bewegt die Regelung den Istwert somit permanent um den Sollwert herum und zeichnet das eingeprägte Signal (hier ein Sinus) nach.
{{Absatz}}

[[Datei:PDM-image1-ideal-case.gif|thumb|right|350px|Theoretisch ideales PDM-Signal]]
Praktisch gibt es aber einige Probleme: Infolge der Verluste der Schaltung und des teilweise nichtlinearen Verhaltens der Bauelemente (speziell des nachgeschalteten Filters) sowie des prinzipiellen Verschluckens des DC-Anteils bei typischen Filtern, driftet der reale Analogwert vom erzeugten virtuellen Wert mehr oder weniger weit weg. Zudem gibt es durch die Filterdämpfung nachfolgender RC-Glieder (grüne Kurve) wie auch bei aktiven Verstärkern (rail-to-rail-Problem) eine Amplitudenverzerrung und eine Phasenverschiebung. Diese lassen sich schätzen und in die Steuerung der PDM mit einbeziehen, indem die Amplitude linear (bzw. wie bei der "non-linear-predistortion" auch durchaus nichtlinear) vorkorrigiert wird. Ferner lassen sich die Ungenaugigkeiten aktiv wegregeln, indem das erzeugte Signal gemessen- und digital rückgeführt wird, wobei es relevant ist, *wo* das Signal abgegriffen wird.
{{Absatz}}

[[Datei:PDM-image2-real-case.gif|thumb|right|350px|Verlustbehaftetes PDM-Signal]]
Im zweiten Bild wird deutlich, dass die Phasen, in welchen extreme duty cycle Werte vorliegen, eigentlich überproportional steigen müssten, um vor allem die zeitabhängigen Verluste auszugleichen, d.h. kurze An-Phasen wären noch kürzer, lange An-Phasen noch länger. Auch das prinzipielle stark nichtlineare Verhalten eines einfachen RC-Dämpungsgliedes erfordert ein Aufdehnen der Phasen. Dies alles kann man beim virtuellen Integrator modellieren und auf diese Weise mit in die Regelung einfließen lassen. Damit wird dann auch der BIAS passend korrigiert, sofern das Modell genau genug ist. Zusätzlich wird in diesem Beispiel im Vergleich zum vorherigen Bild auch die Dämpfung des nachgeschalteten Filters erhöht, wodurch sich die Kurve besser glättet und ein noch besserer Sinus entsteht, bei den nur die Phase dem Ideal noch hinterher läuft.
{{Absatz}}

[[Datei:PDM-image3-feedback-control-case.gif|thumb|right|350px|Geregeltes PDM-Signal]]
Um die phasenverzögernde Filterwirkung zu kompensieren, muss das Signal hinter dem Filter abgegriffen und von dort in die Regelung rückgeführt werden. tut man dies, folgt die Kurve (hier grün) viel genauer dem blau dargestellten Sollwert. Wenn man bei bestimmten Anwendungen einen exakten Gleichanteil bzw. eine präzise Phase ausgeben will, muss demnach so oder ähnlich kompensiert und geregelt werden. Dies hat dann aber leider den Nachteil von mehr niederfrequenten Regelanteilen im Signal mit dem Ergebnis des insgesamt grösseren Rauschens. Die Verbesserung des DC-Aspekts führt also zu einer verschlechterten AC-Qualität.
{{Absatz}}

== Einsatzoptionen ==
Für Audio-Applikationen habe ich gefunden, dass es besser ist, das System im Wesentlichen zu steuern, also mehr oder weniger "stur" die ideale PDM auszugeben und dabei die Verluste zu schätzen und in den Integrator miteinzuberechnen. Konkret muss dabei das nichtlineare Kondensatorladeverhalten in Delta-Sigma-Regler abgebildet werden. Den DC-Anteil kann man dann langsam und träge regeln, indem die angenommenen Verluste angepasst werden. Damit ist es möglich, auch mit einem sehr simplen Filter eine erstaunliche Audio-Qualität zu erhalten.

== Siehe auch ==
* [[PWM]]
* [[Diskussion:Soft-PWM|Diskussionseite zu Soft-PWM]] - Diskussion über PDM

== Weblinks==

[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Signalverarbeitung]]

Pulsweitenmodulation

2016-03-11T14:57:45Z

87.178.96.182: PDM

== Einleitung ==

Bei der '''Pulsweitenmodulation''' (engl. Pulse Width Modulation, abgekürzt '''PWM''') wird das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit und Periodendauer eines Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert. Das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit <math>t_{ein}</math> und der Periodendauer <math> T = t_{ein} + t_{aus} </math> wird als das Tastverhältnis '''p''' bezeichnet. (laut DIN IEC 60469-1: Tastgrad) (engl. Duty Cycle, meist abgekürzt DC, nicht zu verwechseln mit Direct Current = Gleichstrom ).

Die Pulsweitenmodulation für ein Signal <math> x(t) </math> ist für die Dauer einer Periode im Intervall [0,T] wie folgt definiert:

<math> x(t) = \left\{\begin{array}{l l}
0 & \quad t < t_1 \\
1 & \quad t \ge t_1 \\
0 & \quad t > T
\end{array} \right.
</math>

[[Bild:pwmdoc.png]]

<math> p = \dfrac{t_{ein}}{T} = \dfrac{t_{ein}}{t_{ein}+t_{aus}} </math>

Der Wert des Tastverhältnis '''p''' kann dabei Werte zwischen 0 und 1 annehmen.

Der zeitliche '''Mittelwert''' der Spannung <math>U(t)</math> innerhalb eines Intervalls [0,T] ist unten stehend beschrieben.

:<math>U_m = \frac{1}{T} \int_0^T u(t)dt = \frac{1}{T}\int_0^{t_{ein}} U_{ein}dt + \frac{1}{T} \int_{t_{ein}}^T U_{aus}dt</math>

:<math>U_m = U_{aus} + (U_{ein} - U_{aus}) \cdot \frac{t_{ein}}{t_{ein}+t_{aus}}</math>

<math>U_{aus}</math> ist dabei normalerweise 0V, <math>U_{ein}</math> die Betriebsspannung <math>V_{CC}</math>, z. B. 5V. Deshalb kann man vereinfacht schreiben:

:<math>U_m = V_{CC} \cdot \frac{t_{ein}}{t_{ein}+t_{aus}} = V_{CC} \cdot DC</math>.

== Beispiele ==

Die folgenden Beispiele zeigen PWM-Signale mit einem Tastverhältnis von 75% bzw. 25%.

<table border="1"><tr><td style="padding: 10px;">
'''Beispiel 1'''

<math>U_{ein}=5\,\mathrm{V}</math> 
<math>U_{aus}=0\,\mathrm{V}</math> 
<math>t_{ein}=3\,\mathrm{ms}</math> 
<math>t_{aus}=1\,\mathrm{ms}</math> 

:<math>U_m = 0\,\mathrm{V} + (5\,\mathrm{V} - 0\,\mathrm{V}) \cdot \frac{3\,\mathrm{ms}}{3\,\mathrm{ms}+1\,\mathrm{ms}} = 3,75\,\mathrm{V}</math>

[[Bild:Pwm1.png]]

</td></tr><tr><td style="padding: 10px;">

'''Beispiel 2'''

<math>U_{ein}=5\,\mathrm{V}</math> 
<math>U_{aus}=0\,\mathrm{V}</math> 
<math>t_{ein}=1\,\mathrm{ms}</math> 
<math>t_{aus}=3\,\mathrm{ms}</math> 

:<math>U_m = 0\,\mathrm{V} + (5\,\mathrm{V} - 0\,\mathrm{V}) \cdot \frac{1\,\mathrm{ms}}{1\,\mathrm{ms}+3\,\mathrm{ms}} = 1,25\,\mathrm{V}</math> 

[[Bild:Pwm2.png]]
</td></tr></table>
 

== Leistung ==

Steuert man mit einem pulsweitenmodulierten Signal direkt einen ohmschen Verbraucher an (z. B. Heizdraht), so ist darauf zu achten, dass man zur Bestimmung der Leistung '''nicht''' einfach

:<math>P = \frac{{U_m}^2}{R}</math>

rechnen darf, sondern die Leistung während der Ein- und Ausschaltzeit getrennt betrachten muss:

:<math>P = \frac{{U_{ein}}^2}{R} \cdot \frac{t_{ein}}{t_{ein} + t_{aus}} +
\frac{{U_{aus}}^2}{R} \cdot \frac{t_{aus}}{t_{ein} + t_{aus}}</math>.

Da praktisch fast immer gilt <math>U_{aus}=0V</math> sowie <math>U_{ein}=V_{CC}</math>

kann man vereinfacht schreiben und damit rechnen.

:<math>P = \frac {{V_{CC}}^2}{R} \cdot DC</math>.

<table border="1"><tr><td style="padding: 10px;">
=== Beispiel ===

<math>U_{ein} = 4\,\mathrm{V}</math> 
<math>U_{aus} = 0\,\mathrm{V}</math> 
<math>t_{ein} = 1\,\mathrm{ms}</math> 
<math>t_{aus} = 3\,\mathrm{ms}</math> 
<math>R = 10\,\mathrm{\Omega}</math> 

Der Mittelwert dieser Spannung ist
:<math>U_m = 1\,\mathrm{V}</math>.
Würde man mit diesem Wert die Leistung berechnen, so käme man auf
:<math>P = \frac{{U_m}^2}{R} = \frac{(1\,\mathrm{V})^2}{10\,\mathrm{\Omega}} = 0{,}1\,\mathrm{W}</math>.

Der richtige Wert ist jedoch

:<math>P = \frac{(4\,\mathrm{V})^2}{10\,\mathrm{\Omega}} \cdot \frac{1\,\mathrm{ms}}{4\,\mathrm{ms}} +
\frac{(0\,\mathrm{V})^2}{10\,\mathrm{\Omega}} \cdot \frac{3\,\mathrm{ms}}{4\,\mathrm{ms}} =
0{,}4\,\mathrm{W}
</math>.

Bei 0V lässt sich kürzen:
:<math>P = \frac{(4\,\mathrm{V})^2}{10\,\mathrm{\Omega}} \cdot \frac{1\,\mathrm{ms}}{4\,\mathrm{ms}}
=
0{,}4\,\mathrm{W}
</math>.

</td></tr></table>

== Anwendung ==
===Digitaler Verstärker statt linearer Verstärker===
Eine Heizung (Beispiel) mit 10Ω-Widerstand soll mit bis zu 12 V angesteuert werden. Dazu wird ein 13 V-Netzteil sowie ein linearer Verstärker verwendet (ein linearer Verstärker braucht immer eine etwas höhere Betriebsspannung als die maximale Ausgangsspannung).

Sollen nun 12 V auf die Heizung gegeben werden, fällt (fast) die gesamte Spannung über der Heizung selber ab, der Verstärker "verbraucht" nur 1 V. Es fließen ca. 1,2 A, es werden ca. 14,4 W in der Heizung in Wärme umgesetzt, im Verstärker ca. 1,2 W, der Wirkungsgrad beträgt 92%.

Wenn jetzt aber nur noch 6 V an der Heizung anliegen sollen, muss der lineare Verstärker die "übrigen" 7 V verbrauchen, d.h. von den 13 V, welche konstant vom Netzteil geliefert werden, fallen 7 V über dem Verstärker und 6 V über der Heizung ab. Die Transistoren des linearen Verstärkers sind nur halb durchgesteuert. Es fließt ein Strom von ca. 600 mA, in der Heizung werden ca. 3,6 W in Wärme umgesetzt. Allerdings werden auch 4,2 W im Verstärker in Wärme umgesetzt! Der Wirkungsgrad ist nur noch 46%!

Im Gegensatz dazu sind bei einer PWM die Transistoren des digitalen Verstärkers immer nur entweder voll durchgesteuert oder gar nicht durchgesteuert. Im ersteren Fall fällt nur eine geringe Verlustleistung über dem Transistor ab, da die Sättigungsspannung <math>V_{SAT}</math> sehr gering ist (meist weniger als 1 V). Im zweiten Fall fällt gar keine Verlustleistung über dem Transistor ab, da kein Strom fließt (P=U*I). Im Fall der 6 V an der Heizung beträgt das notwendige Tastverhältnis 0,23. D.h. nur während 23% der PWM-Periode wird Verlustleistung im digitalen Verstärker erzeugt und zwar ca.

:<math>P_V=DC \cdot \frac {V_{CC}}{R} \cdot V_{SAT} = 0{,}23 \cdot \frac {12V}{10\Omega} \cdot 1V = 0{,}28 W</math>

Der Wirkungsgrad liegt bei 92%!

=== Motorsteuerung ===

Eine der Hauptanwendungen für PWM ist die Ansteuerung von Motoren. Der große Vorteil von PWM ist hier der gute Wirkungsgrad. Würde man einen Digital-Analog-Wandler mit einem nachgeschalteten analogen Verstärker zur Ansteuerung verwenden, dann würde im Verstärker eine sehr hohe Verlustleistung in Wärme umgewandelt werden. Ein digitaler Verstärker mit PWM hat dagegen sehr geringe Verluste. Die verwendete Frequenz liegt meist im Bereich von einigen 10kHz. Zur Berechnung der Drehzahl eines Motors kann im Normalfall der Mittelwert der PWM-Spannung als Betriebsspannung angenommen werden.

=== AD-Wandlung mit PWM ===
Der folgende Tipp stammt noch aus der Zeit, als es keinen Mikroprozessor mit AD-Wandler gab.

Einen recht billigen und einfachen AD-Wandler mit "1-Draht Kommunikation" kann man mit dem IC 556 (NE556 o.ä.) realisieren: der eine Timer des 556 arbeitet als 50% duty-cycle Rechteckgenerator bei beispielsweise 1 kHz und steuert den zweiten Timer an. Dieser besitzt einen Steuereingang zu Beeinflussung des Tastverhältnisses und auf diesen Pin gibt man das analoge Signal. Ein angeschlossener µC oder PC misst bei jedem Impuls die Impulslänge und man erhält so das Messergebnis. Bei einer Frequenz von >10 kHz liesse sich sogar Sprache digital übertragen oder speichern. Allerdings ist dafür eine Auflösung von wenigstens 8 Bit nötig, wodurch 256 Stufen und eine entsprechemde Abstatfrequenz durch den Chip gefordert sind. Ohne Chip lässt sich dies nur mit eimem Logikbaustein und etwas Signalverarbeitung lösen, siehe [[Analog-IO mit digitalen Bausteinen]].

Für anspruchsvollere Aufgaben verwendet man jedoch besser die [[Pulsdichtemodulation]].

=== DA-Wandlung mit PWM ===

Die meisten Mikrocontroller haben keine DA-Wandler integriert, da diese relativ aufwändig sind. Allerdings kann man mittels eines PWM-Ausgangs auch eine DA-Wandlung vornehmen und eine Gleichspannung bereitstellen. Wird ein PWM-Signal über einen Tiefpass gefiltert (geglättet), entsteht eine Gleichspannung mit Wechselanteil, deren Mittelwert dem des PWM-Signals entspricht und dessen Wechselanteil von der Beschaltung abhängig ist. Nun bleibt das Problem der Dimensionierung des Tiefpasses. Ein Beispiel:

PWM-Takt 1 MHz, 8 Bit Auflösung (256 Stufen), 0/5V.
-> 3906 Hz PWM Frequenz

RC-Tiefpass 22nF, 100kΩ
-> 72 Hz Grenzfrequenz

(Die Grenzfrequenz errechnet sich über <math>f_c=\frac{1}{2\,\pi\,R\cdot C}</math> .)

[[bild:pwm_filter_1.png]]

Bei diesem Tiefpass mit 72 Hz Bandbreite verbleibt am Ausgang noch ein Ripple auf der Gleichspannung, da die PWM nie ideal gefiltert werden kann. Eine Rechnung bzw. Simulation in PSPICE zeigen ca. 150mV Ripple. Das ist ziemlich viel, da ein idealer 8-Bit DA-Wandler bei 5V Referenzspannung eine Auflösung von 20mV hat. Wir haben hier also ein Störsignal von 150mV/20mv=7,5 LSB. Um den Ripple bis auf die Auflösungsgrenze von 20mV zu reduzieren, muss die Grenzfrequenz auf ca. 10 Hz reduziert werden. Es ist somit effektiv nur ein 390tel der PWM-Frequenz nutzbar. Das ist für einige Anwendungen ausreichend, wo praktisch nur statische Gleichspannungen erzeugt werden sollen, z. B. für programmierbare Netzteile. Für Anwendungen, in denen schneller ändernde Gleichspannungen generiert werden sollen, muss die PWM-Frequenz entsprechend erhöht werden oder ein steilerer Tiefpaß verwendet werden.

=== RC-Filter dimensionieren ===

Allgemein kann man den Ripple eines einfachen RC-Tiefpasses so abschätzen:

Kritischster Punkt ist eine PWM mit 50% Tastverhältnis. Dabei tritt der
stärkste absolute Ripple auf, weil hier die - am weinigsten gefilterte - Grundschwigung die höchste Amplitude besitzt. Bei diesem Tastverhältnis ist der Kondensator auf 1/2 VCC aufgeladen. Somit liegt auch 1/2 VCC über dem R an und lädt C annähernd mit Konstantstrom.

<math>I = \frac{\frac{1}{2}Vcc}{R}</math>

Über die Definition des Kondensators kann man den Ripple berechnen.

<math>C = \frac{I \cdot t}{U}; [F = \frac{As}{V}]</math>

<math>U = \frac{I \cdot t}{C}</math>

Die Ladung in As (Amperesekunden) ergeben sich aus der halben PWM-Periode mal I. Damit kann man brauchbar den Ripple abschätzen.

<math>V_{Ripple} = \frac{\frac {\frac{1}{2}Vcc}{R} \cdot \frac{1}{2}T_{PWM}}{C} = \frac{ Vcc \cdot T_{PWM}}{4RC}</math>

Die Einschwingzeit <math>\!\,t_S</math> des Signals bei einem neuen PWM-Wert beträgt etwa <math>\!\,5RC</math>.

Die Abschätzung gilt aber nur dann, wenn der Ausgang des RC-Filter kaum belastet ist, wie z. B. durch einen Operationsverstärker oder einen andern hochohmigen IC-Eingang.

Beispiel:

100 Hz PWM Frequenz(T_PWM=10ms), R=100kΩ, C=1μF, Vcc=5V

<math>V_{Ripple} = \frac{5V \cdot 10ms}{4 \cdot 100k\Omega \cdot 1 \mu F} = 125 mV</math> 
<math>t_s=5RC=5 \cdot 100k \Omega \cdot 1 \mu F = 500ms</math>

Um die Bandbreite besser auszunutzen wird ein besseres Filter benötigt. Das Problem des einfachen RC-Tiefpasses ist der relativ langsame Anstieg der Dämpfung oberhalb der Grenzfrequenz. Genauer gesagt steigt die Dämpfung mit 20dB/Dekade. Das heisst, dass ein Signal mit der 10fachen Frequenz (Dekade) um den Faktor 10 (20dB) gedämpft wird. Will man nun eine höhere Dämpfung ereichen, müssen mehrere Tiefpässe in Reihe geschaltet werden. Bei dem gleichen Beispiel erreicht man mit zwei Tiefpässen mit 6,8nF/100kΩ eine Grenzfrequenz von ca. 70 Hz, bei gleicher Dämpfung des Ripples auf 20mV. Die Dämpfung dieses sogenannten Tiefpasses 2. Ordnung beträgt 40dB/Dekade. Das heisst, ein Signal mit zehnfacher Frequenz (Dekade) wird um den Faktor 100 (40dB) gedämpft! Damit erzielt man hier bereits die 7fache Bandbreite! Zum Schluss muss beachtet werden, dass die passiven Tiefpässe nur sehr schwach belastet werden können. Hier ist fast immer ein Operationsverstärker als Spannungsfolger nötig, falls der Eingangswiderstand der nachfolgenden Schaltung in der Größenordnung der beiden Widerstände des Filters ist. Der kann auch genutzt werden, um das gefilterte Signal weiter zu verstärken (nichtinvertierender Verstärker).

[[bild:pwm_filter_2.png]]

Geschickter wäre hier eine Widerstandsdimensionierung, bei der R2 etwas größer ist als R3, da somit das zweite RC-Gleid das erste weniger belastet.

Mehr Informationen zur Restwelligkeit bei RC Tiefpässen kann man [http://www.mikrocontroller.net/topic/181033#1747063 diesem] Thread entnehmen.

Das Spiel kann noch um einiges gesteigert werden, wenn man Tiefpässe dritter, vierter und noch höherer Ordung einsetzt. Das wird vor allem im Audiobereich gemacht. Dazu werden praktisch Operationsverstärker eingesetzt. In der [[AVR]] Application-Note [http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1456.pdf AVR335: Digital Sound Recorder with AVR and DataFlash] wird zum Beispiel ein mit Operationsverstärkern aufgebauter Chebychev-Tiefpass fünfter Ordnung verwendet. Man findet im Audiobereich gelegentlich auch Schaltungen ohne expliziten Tiefpass. Dabei wird der Ausgang eines Class-D Verstärkers (der nichts anderes als ein PWM-Signal erzeugt) über einen Widerstand auf einen Lautsprecher gegeben. Die mechanische Trägheit und die Induktivität der Lautsprecherspule bilden mit dem Widerstand einen Tiefpass.

=== Dimmen von Leuchtmitteln ===

Siehe Artikel:
* [[LED-Fading]] - LED dimmen mit PWM

== Oft gestellte Fragen (FAQ) ==

=== Mit welcher Frequenz dimmt man? ===

A: Bei Glühlampen kannst Du alles über 20Hz nehmen. Die sind derart träge... Über 9kHz sollte man wegen [[EMV]] nicht gehen. Für [[LED]]s ist alles über 1kHz und unter 9kHz gut. (Autor: Travel Rec. (travelrec), Datum: 27.12.2008 11:32)

=== Wie schätze ich die Verlustleistung am MOSFET im PWM Betrieb ab? ===

[http://www.mikrocontroller.net/topic/190878#1862634 Beitrag von Falk]:

Vereinfacht kann man sagen, dass während der Umschaltzeit die Verlustleistung am MOSFET = 1/4 der Verlustleistung am Verbraucher ist, wenn der eingeschaltet ist (Leistungsanpassung).

Beispiel: 150 Hz PWM = 6,6ms, Schaltzeit 500ns, Verbraucher 60W. Macht 15W Verlust während der zwei Umschaltungen pro Takt, sprich 2x500ns = 1µs. Aber das nur alle 6,6ms, Im Mittel macht das 1us/6,6ms*15W = 2,2mW. Glück gehabt ;-) Bei hohen PWM-Frequenzen im Bereich 20-500kHz, wie sie heute bei Schaltnetzteilen üblich sind, kommt da aber schon richtig viel zusammen.

Etwas genauer: [https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#Schalt-Verluste Schaltverluste beim FET]

== Siehe auch ==

* [[AVR-Tutorial: PWM]]
* [[AVR-GCC-Tutorial#PWM (Pulsweitenmodulation)|AVR-GCC-Tutorial: PWM]]
* [[Soft-PWM]]
* [[Motoransteuerung mit PWM]]
* [[LED-Fading]]
* [[AVR PWM]]
* [[Ambilight in Hardware]]
* [[Glättungsfilter für 1-Bit DA-Wandlung|1-Bit Digital-Analog-Wandlung]]
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/361429#4054456 Forumsbeitrag]: Audioausgabe mit PWM

[[Kategorie:Signalverarbeitung]]
[[Kategorie:Leistungselektronik]]

== Weblinks ==
*[http://www.solar-webshop.de/blog/pwm-puls-weiten-modulation-solar/ Was bedeutet PWM?]

*[http://pic-projekte.de/wiki/index.php?title=PIC_Tutorial#Pulsweitenmodulation_.28PWM.29 PWM Modul am PIC]