一種去抖動電路的製作方法

2023-09-25 18:26:15 1

專利名稱：一種去抖動電路的製作方法
一種去抖動電路
本發明涉及一種去除當開關的兩個接觸元件之間接觸和斷開時可能在開關 輸出量中產生的高頻振蕩的去抖動電路。
開關或者鍵盤是被廣泛應用的輸入設備。許多開關是機械器件。在最簡單 的例子中， 一個開關包括兩片被稱作觸點的金屬，兩個觸點接觸時構成迴路， 而兩個觸點分開時斷開電路。將操縱力作用在觸點上的執行機構可以是任何類 型的機械聯動，如撥動開關，翹板開關或者按鈕，或者可以像一個繼電器中那 樣自動地發生。
簡單的金屬觸點式開關包括彈簧加載式按鍵，此種按鍵具有導柱，導柱的 下端設置有一條連接電路兩個部分的金屬。在一種變體中，可以在導柱的底部 和金屬條之間設置一小片泡沫。此種開關具有的優點是可以提供優良的觸碰 響應，而且生產成本低。然而，觸點具有被磨損或者很快被腐蝕的趨勢。其它 的開關包括橡膠圓點式開關和薄膜式開關。
橡膠圓點式開關採用具有一個硬碳中心的小的，可伸縮的橡膠圓點。當一 個鍵被按下時，位於此鍵下部的一個導柱被推向圓點，並使碳中心壓向一個位 於此鍵下方的表面。當此鍵保持被按下的狀態時，碳中心使表面保持完整。當 此鍵被釋放時，原點彈回其初始位置，電路被斷開。橡膠圓點式開關同樣提供 了合理的觸碰響應，而且成本較低。
薄膜式開關被典型地應用在鍵區或者鍵盤上。其通常採用一片連續的印製 有圖案的薄膜，當一個鍵被按下時，此連續的薄膜構成一個迴路，而不是為每個按鍵設置一個開關。 一些薄膜式鍵盤使用一種印製有每個鍵的標識的一個平 面，而不是採用為單獨的鍵設置分開的鍵頭的方式。薄膜式鍵盤並不具有優良 的觸碰響應，但其成本通常比較低。
開關通常被集合在一起而形成具有多個開關的鍵區或者鍵盤。鍵盤通常排 列為使鍵或者開關被連接成行和列，以形成一個矩陣。而非將每個鍵或開關連 接至一根單獨的電線。為了檢測按鍵的按壓，鍵盤通常通過依次觸發每一列， 再檢測被觸發的行的這種方式'掃描'該矩陣。通過在一列內流通電流而觸發 該列。當電流從一行流出時，就檢測到一個按鍵的按壓。當一列被觸發，而電 流從一行或者多行流出時，表明位於此列和所述的一行或者多行的交叉點處的 一個鍵被按下。
一種簡單的鍵盤矩陣如

圖1所示。
當鍵是機械器件時存在一個問題，因為當其觸點受力接觸或者分開時，此 類器件需要經受觸頭彈跳(或者顫振)。觸頭彈跳是由於觸點的動量和彈力所引 起的，並引起一如圖2所示的迅速變化的脈衝電流。這種高頻振蕩將引發問題， 因為，此種高頻振蕩會被鍵盤控制器檢測到，而產生所謂的'假觸發'，此種情 況的發生使得使用者按下單一的鍵，而鍵盤控制器卻檢測到多個鍵。因此，機 械開關的輸出信號採用典型的方式，通過一個'去抖動'電路去除這些高頻顫 振。
去抖動電路是一種接收包含與低頻按鍵信號疊加在一起的高頻顫振的開關 輸入信號的電路。去抖動電路的作用是在保留低頻按鍵信號的同時去除高頻顫 振。
圖3示出了一種簡單的去抖動電路，該電路包括一個電阻器301和一個電容302。此去抖動電路是一個簡單的RC電路，此RC電路作為一種低通濾波器， 從而去除開關輸出量中的高頻顫振。通過選擇電阻值和電容值，為預期的按鍵 和顫振頻率提供合適的頻率響應。此電路存在的問題是響應速度慢。 一些按鍵 動作因此可能不會反映在'去抖動的後的'輸出信號中。
圖4示出了一種改進的去抖動電路，包括兩個與非門，分別為與非門401 和與非門402， 二者排列組成一 '置位-復位'觸發器403。去抖動後的信號在 節點404處輸出。此電路成功地去除了開關信號中的高頻顫振，而且可以快速 響應，並輸出適合提供給鍵盤控制器的數位訊號。然而，此電路存在只能接收 一個單一開關並成功地將其去抖動的缺點，因此，對於被排列為鍵盤矩陣的開 關，則需要為每個開關設置一單獨的去抖動電路。典型地，開關去抖動電路系 統被硬接線至矩陣電路中，這樣做代價高昂，並且會耗費有價值的空間。
使電流信號通過一阻抗，如一分壓器，即可方便地檢測到電流信號，所以 當鍵盤順序地觸發每列時，變振幅信號通過矩陣的每行輸出。因此，此信號代 表了被從一端至另一端進行掃描的鍵盤的每個鍵的狀態。如果該信號已經在先 前進行了去抖動處理，則變化的信號通常被輸入至鍵盤控制器，該鍵盤控制器 分析此模擬信號以確定被按下的鍵，並將結果數據輸出至一總控制器，舉例來 說，如一臺計算機的作業系統。
除在硬體上單獨地為每個開關去抖動以外的一種可選的方法是在軟體上對 開關信號進行去抖動處理。然而，需要在已併入鍵盤或者鍵區的任何設備內的 鍵盤或者鍵區的鄰域內，為這種方法提供一種由軟體控制的處理器。這在具有 空間限制的實施條件下是存在問題的，例如，可攜式媒體播放器，如MP3播放器，通常具有一個小的用戶輸入裝置，此裝置具有一個設置在位於此裝置與一 套耳機之間的導線上。對這樣小的用戶輸入裝置，如果開關的去抖動處理可以 在最終的開關信號通過導線傳輸至可攜式媒體播放器之前在設備本身的硬體內 完成，將是更可取的方式。
相對於圖1所示的鍵盤矩陣，可以選擇圖5所示的鍵盤矩陣。這種鍵盤矩
陣被布置為一種分壓器501，而且在此分壓器的每個不同檔位的位置處設置各自 的開關502。在依照此種排列的鍵盤矩陣中，當各自的開關被按下時，將通過此 矩陣輸出不同的電壓值，因此，通過判斷此矩陣輸出的電壓值可以識別出被按 下的開關。如果這些開關是機械式的，則需要進行上述的去抖動處理。這種形 式的開關矩陣具有額外的需求，即任何去抖動過程必須保持各開關所輸出的信 號間的不同，這樣才能保證仍可以識別不同的開關。
因此，為了對一種開關信號進行去抖動處理，需要一種改進的電路。 根據本發明的第一個方面，提供了一種開關電路，包括一具有兩個觸點元 件的機械開關，對此開關進行操作，使兩個觸點元件發生物理接觸，並因此而 輸出一代表開關動作的模擬開關信號；以及， 一西格瑪-德爾塔調製器，用以接 收此模擬開關信號，並輸出一與模擬開關信號相關的數字開關信號，西格瑪-德 爾塔調製器所具有使其能夠抑制模擬輸入信號中的相對較高的頻率成分並因此 有效地對開關的輸出量進行去抖動處理的頻率響應。
此開關電路可包括多個機械開關，並且開關電路被設置為由該多個開關輸 出，並由西格瑪-德爾塔調製器接收一個代表該多個開關中每個開關動作的單一 的模擬開關信號西格瑪-德爾塔。此開關電路可包括一擴展為兩維的開關陣列，每個開關在第一維方向上位 於一行上，在第二維方向上位於一列上，並且陣列的每行被設置為輸出單一的 代表位於此行上的每個開關動作的模擬開關信號。
此開關電路可被設置為通過依次向每列施加一電流而順序地觸發陣列中的 每列，由陣列中的一行所輸出的單一的模擬開關信號的瞬時值代表此行上的位 於當前被觸發列位置處的開關動作。
此開關電路可被設置為多個開關中的一個開關的的動作致使單一的模擬開 關信號具有特定的電平。特定的電平可以是相同的，不考慮是哪個開關在動作。 可選的是，特定的電平與哪個開關動作相關。
位於陣列的一行上的每個開關可與一特定的電平相關聯，使得位於此行上 的一個開關的動作會致使單一的模擬開關信號具有與被操作開關相關聯的特定 的電平。陣列的一行可以包括一分壓器，而且位於此行上的每個開關與分壓器 內的一特定的電平位置相連接，使得操作一個開關將致使單一的模擬開關信號 具有與被操作開關相關聯的特定的電平。
此西格瑪-德爾塔調製器可包括， 一求和單元用於將模擬開關信號與一調整
信號進行求和運算，以形成一求和輸出信號； 一積分器，設置為接收求和輸出 信號，並形成與此求和輸出信號相關的積分器輸出信號； 一量化器，設置為接 收積分器輸出信號，並形成與此積分器輸出信號相關的數字開關信號；以及， 一反饋迴路，以產生調整信號。
該反饋迴路可包括一數模轉換器，用以接收數字輸出信號，並產生與此數 字輸出信號相關的調整信號。該反饋迴路可包括一邏輯電路，設置為在兩個預定值中選擇一個用於調整 信號，選擇的執行依賴於該數字輸出信號和一個控制信號。
該反饋迴路可包括一選擇電路，設置為在兩個邊界值中選擇一個用於調整 信號，選擇的執行依賴於該數字輸出信號。
西格瑪-德爾塔調製器可被設置為對模擬輸入信號以一採樣率進行採樣，此 採樣率超過使用者對機械開關進行操作的最高頻率。機械開關的動作可以是使
兩個觸點元件進行物理接觸的對開關的觸發。該採樣率可超過20Hz。
西格瑪-德爾塔調製器可被設置為接收一頻率大於等於5. 12 KHz更高頻率的 時鐘信號。
西格瑪-德爾塔調製器可被配置為對模擬開關信號進行低通濾波。
西格瑪-德爾塔調製器可以具有一種頻率響應，使得其可以抑制代表使用者 操作機械開關的模擬輸入信號中的相對於低頻成分而言相對較高的頻率成分。
根據本發明的第二個方面，提供西格瑪-德爾塔調製器作為對機械開關的輸 出進行去抖動處理的一種應用。
為了更好的理解本發明，參照如下的附圖，通過舉例進行說明，其中，
圖l示出了一種開關矩陣；
圖2示出了一種顯示顫振的開關信號；
圖3示出了一種簡單的去抖動電路；
圖4示出了一種包括'置位-復位'觸發器的去抖動電路； 圖5示出了一種當各自的開關被按下時，輸出不同電壓檔位的開關矩陣； 圖6示出了一種去抖動電路；圖7a-c示出了對一模數轉換器的輸出噪聲電平進行過採樣和數字濾波的結 果效果圖8a-b示出了對一模數轉換器的輸出噪聲電平進行噪聲整形的結果效果
圖9示出了對減少輸出信號中噪聲電平所涉及的各階段的總圖； 圖IO示出了降噪抽樣的結果示意圖； 圖11示出了一種西格瑪-德爾塔調製器；
圖12示出了在西格瑪-德爾塔調製器內執行增益函數的波形示意圖； 圖13示出了在西格瑪-德爾塔調製器內執行增益函數的波形示意圖； 圖14示出了另一種西格瑪-德爾塔調製器；
圖15示出了對西格瑪-德爾塔調製器的頻域響應起作用的元素的表示法； 一種開關電路，包括一機械開關和一對開關量輸出進行去抖動處理的西格 瑪-德爾塔調製器。西格瑪-德爾塔調製器能夠將由機械開關輸出的模擬信號轉換 為數位訊號。西格瑪-德爾塔調製器的頻率響應可使得其去除開關輸出中的任何 高頻顫振成分，如，通過低通方式過濾模擬開關信號。
一西格瑪-德爾塔調製器能夠接收連續的模擬輸入信號，並且可以連續不斷 地對此信號進行去抖動處理。因此，這種方式具有不需要為每個開關設置單獨 的去抖動電路的優點。替代的是，多路開關可以通過一個簡單的西格瑪-德爾塔 調製器完成去抖動處理。這可以通過形成一種代表多個開關狀態的簡單的模擬 輸入信號，並將此信號輸入至西格瑪-德爾塔調製器的方式實現。例如，西格瑪-德爾塔調製器可接收一由開關矩陣內的一行的開關所產生的模擬開關信號。可以通過如圖1所示的和如上所述的，其中開關矩陣的每一列依次被觸發的一鍵 掃描鍵盤形成此種信號。
使如圖l所示的一開關矩陣的一行輸出的電流信號流經一阻抗，如分壓器， 便可方便地檢測到此電流信號。這將產生一種當鍵盤順序地觸發每一列時，由 矩陣的每行輸出的具有變化幅值的模擬開關信號。因此，此模擬信號代表了該 鍵盤上從其一端掃描至另一端的每個鍵的狀態。可將此信號輸入至一西格瑪-德 爾塔調製器，以進行數位化和去抖動處理。
如圖5所示的一西格瑪-德爾塔調製器在開關矩陣方面同樣是先進的，在該 西格瑪-德爾塔調製器中，觸發每個開關將使此矩陣輸出不同的電壓值。在圖5
中，該西格瑪-德爾塔調製器503被設置為接收開關矩陣的輸出，根據動作的開 關不同，開關矩陣的輸出的幅值將會不同。根據這種電平的不同可識別出動作 的開關。由於西格瑪-德爾塔調製器實際上為一模數轉換器，因此在節點504處 輸出的數字開關信號代表模擬開關信號電平。從而，西格瑪-德爾塔調製器在保 持其識別被觸發開關的功能的同時，使開關量輸出進行去抖動處理。
現將說明西格瑪-德爾塔調製器的適於作為去抖動電路的不同實施方式。僅 以舉例的目的說明這些特定的實施方式，應了解的是，本發明並非限制為西格 瑪-德爾塔調製器的任何特定的實施方式。
通過最簡單的1位執行說明西格瑪-德爾塔調製器的作用。圖6中所示的為 一 1位西格瑪-德爾塔調製器。
圖6說明了基本的實施方式，西格瑪-德爾塔調製器包括一求和單元601， 一積分器602， 一比較器603和一數模轉換器(DAC) 604。例如，求和單元可以為一差分放大器，比較器可以為一模數轉換器(ADC)。
如圖6所示，調製器的各元件連接成一反饋迴路。將一模擬輸入信號送入 求和單元，並在將該模擬信號送入環路濾波器，在本例中為一積分器，之前， 在求和單元處與一反饋信號求差。積分器輸出的信號與比較器中的基準信號相 比較。如果積分器輸出的信號大於基準信號，則輸出<1'，如果積分器輸出的 信號小於基準信號，則輸出'0'。從而，模擬輸入信號被轉換為數字輸出信號。
數字輸出信號被經由DAC反饋至求和單元，在此處輸入信號與其進行求差 運算。反饋信號的目的是通過獲得代表模擬輸入的數字數出信號1和0，保持積 分器輸出的平均值接近比較器的基準電平。
位於反饋迴路上的DAC具有一個高基準電壓和一個低基準電壓。當比較器 輸出'l'時，DAC輸出一高電壓信號，當比較器輸出'0'時，DAC輸出一低電 壓信號。當輸入信號與反饋DAC的高基準電壓或低基準電壓相等時，調製器位 於滿刻度量程處。例如，如果當反饋DAC接收O時，輸出-2.5V，當其接收1時， 輸出2.5V，則輸入的範圍為士2.5V。比較器的基準電壓為輸入範圍的上邊界和 下邊界的中間值，例如，對於輸入範圍為土2.5V的情況，比較器的基準電壓為 0V。比較器的基準電壓代表調製器的虛地電平。由於，調製器具有一關於0對 稱的輸入範圍，所以，其虛地電平為0。
西格瑪-德爾塔調製器的輸出是一串1和0。 1和0的比例代表與調製器的輸 入範圍相比較的輸入信號值。例如，如果調製器的範圍為士2.5V，輸入信號的 值為1. 0V,則輸入信號比5V範圍的下邊界高3. 5V。在此例中，輸出信號的70 %應該由1組成。由於調製器產生一精確表示模擬輸入信號的數字輸出信號，所以調製器的採樣速率必須明顯高於模擬輸入信號的變化速率。
比上述的1位調製器更加先進的西格瑪-德爾塔調製器可具有較多的調製器 和積分器。
對於作為一種在此處說明的西格瑪-德爾塔調製器，將被轉換為數字輸出f
號的模擬輸入信號的成分是與使用者所操作的開關相對應的信號。因此，為了 使這種開關或者按鍵信號可被成功地轉換為數字輸出信號，調製器的採樣速率 必須明顯高於可以預期的使用者操作開關的速率。可以預期使用者的按鍵速率
不超過20HZ(也就是每秒鐘按鍵20次)。調製器的時鐘頻率適合至少為SXFHz， 這裡，S是構成最大測量值的脈衝的數量，而F是轉換器的採樣率。調製器適宜 至少以5. 12 KHZ的頻率進行計時。然而，在實際應用中可能應用更高的速率。
西格瑪-德爾塔調製器可以具有這樣的頻率響應，即在保持表示開關處於觸 發和未觸發狀態的部分開關量輸出，以及對其成功地進行數位化的同時，西格 瑪-德爾塔能成功抑制開關量輸出中的高頻顫振成分。西格瑪-德爾塔調製器的頻 率響應依賴於調製器的精確的執行。然而，如果西格瑪-德爾塔調製器通常認為 包括一傳遞函數為H(Z)的環路濾波器和一增益為gQ的量化放大器，如圖15所 示，則信號的傳遞函數函數如下
(1)
此處，z = e、
對於西格瑪-德爾塔調製器的一種特定的執行方式，通過選擇一恰當的釆樣 頻率，能夠選擇調製器的頻率響應，以保持或者放大與開關的操作情況相關聯 的開關信號的頻率成分，並且去處與開關觸碰間產生的抖動相關的頻率成分。對於一典型的西格瑪-德爾塔調製器，比較適合的採樣頻率範圍是0. 4 kHz至4. 0 kHz。
對於由量化器所引起的量化噪聲N(z)的噪聲傳遞函數如下
這樣，如果調製器作為一針對開關輸入信號的低通濾波器，則可以預期調 制器也能作為一針對量化噪聲的高通濾波器。下面將對此進行更為詳細的說明。
西格瑪-德爾塔調製器在傳統的ADC上提供了改良的噪聲性能。這是通過過 採樣、噪聲整形、數字濾波和抽樣實現的。
傳統的多位ADC，通過對輸入信號以固定的時間間隔進行採樣並根據輸入信 號的值將其分類至被等分的一些預定值中的一個，來將模擬信號轉換為數字信 號。最簡單的1位ADC根據兩個預定的電平值將輸入信號進行分類，並根據輸 入信號與兩個電平中的哪個電平最接近，將輸出分類為1或者0。同樣，2位ADC
根據四個預定電平將輸入信號進行分類，並在每個採樣時期內輸出00、 01、 10 或者11等等。與輸入信號進行比較的電平值的數量越多，轉換器的解析度也越 高。通過為輸入信號指定等間距的值中的一個，ADC的輸出本身就是不準確的。 這是因為ADC的輸入是一具有無數種可能狀態的連續信號，而輸出信號是一離 散函數，其不同狀態的數量由轉換器的解析度決定。從模擬量到數字量的轉換 丟失了一些信息，並帶來了信號失真。這個誤差的大小是隨機的，誤差值一直 到土LSB (數字輸出的最低有效位)。
圖7a示出了一正弦波信號輸入至一傳統的多位ADC，對其輸出的數位訊號 進行FFT分析所得到的典型的坐標圖。Fs為對輸入信號的採樣頻率，根據奈奎斯特定理，此採樣頻率必須至少為輸入信號帶寬的兩倍。FFT分析將信號分解為
其頻率成分。該正弦波作為具有單一頻率的大尖峰是明顯可見的。然而，許多
隨機的噪聲，從DC延伸至FS/2同樣是可見的。這些噪聲導致上面討論的失真 問題，並被人們稱為量化噪聲。
信號幅值與所有表示噪聲的頻率的均方根(RMS)之合相比得到信噪比 (SNR)。在常規的ADC中，SNR僅能通過提高ADC的解析度的方式，即增加ADC
的位數，得到改善。
如圖7b所示，如果通過將過採樣率由k變為kFs,增加了採樣頻率，則噪 聲基底降低。雖然相對於圖7a的情況，SNR沒有改變，但是噪聲可在較寬的頻 率範圍內傳播。西格瑪-德爾塔通過在1位ADC之後連接一數字濾波器西格瑪-德爾塔轉換器就能夠達到這種效果。濾波器的效果如圖7c所示，因為大部分噪 聲通過了數字濾波器，均方根噪聲值減小。這使得西格瑪-德爾塔調製器通過一 低解析度的ADC得到了寬動態範圍。
然而，西格瑪-德爾塔調製器單獨從過採樣方面考慮不能獲得高的解析度， 因為即使是合理的解析度所要求的過採樣率通常也太高而不能實現。西格瑪-德 爾塔調製器也對噪聲進行整形，使其遠離調製器的峰值增益響應。
在圖6所示的調製器中，環路濾波器是一積分器，所以調製器對噪聲進行 整形使其離開較低的頻率區域，而進入較高的頻率區域。這是由於積分器對誤 差電壓進行累積求和，因此可作為對於輸入信號的低通濾波器和對於量化噪聲 的高通濾波器。從而，大部分量化噪聲被推進較高的頻率區域(如圖8a所示)。 過採樣改變了噪聲功率的分布狀況，而沒有改變總的噪聲功率。對於更高階的西格瑪-德爾塔調製器，通過其所具有的多於一次的積分和求 和功能而完成對噪聲的整形。
在西格瑪-德爾塔調製器的噪聲整形輸出上，如果應用一數字濾波器，如圖 8b所示，相對於單獨採用過採樣而言可去除更多的噪聲。
西格瑪-德爾塔調製器的頻率輸出是一串在採樣率的1和0。這些數據的速 率通常是比較高的，所以可以通過一數字抽取濾波器將數據的傳輸率降低至一 個更有用的值。在此過程中，如圖10所示，不會丟失有用的信息。由於數字輸 出濾波器降低了信號的帶寬，所以即使輸出數據的傳輸率低於原始的採樣率， 輸出數據的傳輸率可以滿足奈奎斯特判據。這可以通過保留某些輸入值而放棄
其他輸入值而實現。通過因數M (抽取比率)進行抽取了解此過程。M可為任意 的整數值，只要輸出數據的傳輸率大於信號帶寬的兩倍。如果輸入信號以Fs進 行採樣，則濾波輸出的數據傳輸率可以降至Fs/M，而不會丟失信息。上述的整 個系統如圖9所示。
當輸入信號在調製器輸入範圍的上限和下限之間變化時，西格瑪-德爾塔調 制器提供最大的解析度。上限和下限可認為是在調製器的虛地電平附近的士 Vcc/2 (即，調製器的輸入範圍為Vcc)。對於優化西格瑪-德爾塔調製器的分辨 率的一種選擇是通過在反饋通道上引入過渡循環(transition-cycles)而在西 格瑪-德爾塔調製器內執行一增益函數。過渡循環的淨平均值等於調製器的虛地 電平。通過在反饋通道上引入更多的過渡循環，反饋的總平均值將減小。
圖11所示的西格瑪-德爾塔調製器，在反饋通道上引入了過渡循環。環路濾 波器1101為一積分電路,量化器為一鎖存器1102，而反饋DAC被一異或門(X0R門)1103所代替。數字反饋信號和控制信號作為異或門的輸入。
圖12所示的波形A是對於輸入信號為虛地電平的一典型的反饋信號。在圖
12中，虛地電平設置為1/2Vcc。信號的佔空比為50%， g卩，半周期為上限Vcc，
半周期為下限0V。因此，此信號代表了輸入信號的值為調製器輸入範圍的上限
與下限之間的中間值，如此例中的l/2Vcc。
圖12所示的波形B相當於包括過渡循環的反饋信號。波形A是一種不歸零
波形或者NRZ波形，已被轉換為歸零(RTZ)波形。如圖中所示，過渡循環的淨
平均值為1/2Vcc (虛地)。
圖12所示的波形B很難直接合成。然而，由於過渡循環的需要僅為其淨平
均值等於虛地電平，圖12所示的波形C在積分器看來在總反饋電平方面與波形
B具有同樣的效果。波形C中，過渡循環被有效地以一對脈衝的形式實現，其平
均值為1/2Vcc。
波形A與波形D (如圖12所示)通過一XOR門可容易的獲得波形C。因此， 在如圖7所示的西格瑪-德爾塔調製器中，數字輸出信號(波形A)和控制信號 (波形D)輸入至X0R門，以產生反饋信號(波形C)。注意反饋信號仍具有50 %的佔空比，所以調製器仍與1/2Vcc的輸入相平衡。換句話說，對於虛地的輸 入信號，在反饋通道上引入過渡轉換不會改變其狀態。
圖13所示的波形A、 B和C是對於調製器具有滿刻度的正輸入(Vcc)的狀 態下的相似的波形。調製器的數字輸出信號為波形A。當輸入為下限時，輸出信 號總是高電平(100%的1)。如果相同的控制信號(波形C)和數字輸出信號一 同輸入至XOR門，將生成反饋信號B。此時，反饋信號的淨直流含量為3/4Vcc。因此，3/4Vcc的輸入量將與反饋信號相平衡，而調製器的輸入上限減少1/4Vcc。
同理，如果調製器的輸入為滿量程的負輸入(0V)，同樣的控制信號將產生 一淨直流含量為1/4Vcc的反饋信號。因此，1/4Vcc的輸入量將與反饋信號相平 衡，而調製器的輸入上限增加1/4Vcc。
因此，總的來說，圖12所示的波形D和圖13所示的波形C將調製器的輸 入範圍由Vcc降至1/2Vcc。調製器具有一隱含的增益2。通過將進入調製器的 輸入範圍減半，控制信號有效地實現了與在西格瑪-德爾塔調製器之前以2為因 數進行放大的同樣的效果。
控制和反饋信號可以具有比數字輸出信號高的頻率。為了實現此種狀態， X0R門和量化器可以接收不同的時鐘信號。
控制信號同樣可用來作用一偏移量。這可以通過使用與圖11中所示的電路 相同的基本電路實現。在這種應用中，控制信號被排列，使得過渡循環以一種 非對稱方式被注入到反饋信號中。在輸出信號中，替換的'1'多於'0'，使產 生的反饋信號為輸入信號提供一正的偏移量。這是由於反饋信號中的淨直流含 量隨著反饋信號中以對稱方式注入同樣數量的過渡循環而減少。同理，替換的 '0'多於<1'，可以提供一負的偏移量。
在反饋信號中引入過渡循環意味著去除了某些光譜的噪聲整形信息。因此， 不可避免地降低了調製器可達到的SNR。例如，在控制信號為圖12的波形D和
圖13的波形C的形式的情況下，反饋至調製器的信號的四分之一被過渡循環所 取代。換句話說，僅反饋信號的75%包含噪聲整形含量，而剩餘的25%包含增 益比例(和偏移量)含量。因此，對於一6dB的增益(以2為因數)，SNR降低2.5dB (因數大約為1.3)。
如圖14所示，為一種具有改良的噪聲性能的西格瑪-德爾塔調製器。 如上說明，此西格瑪-德爾塔調製器的允許的輸入範圍由反饋信號的高電壓 和低電壓決定。在一實施方式中，反饋信號的高電壓和低電壓被設置為兩個邊 界電壓。反饋信號通過利用數字輸出信號在兩個邊界電壓之間選擇而形成的。 通過為邊界電壓選擇恰當的值而控制西格瑪-德爾塔調製器的隱含的增益和偏移
如圖14所示，為一種通過設置邊界電壓而控制有效的增益和偏移量的西格 瑪-德爾塔調製器。調製器包括連接在一個反饋迴路中的一求和單元1401、 一積 分器1402， 一量化器1403和一選擇電路1404。
求和單元被設置為接收模擬輸入信號和由選擇電路輸出的調整信號。求和 單元從模擬輸入信號中減去調整信號，將進行過減法運算的信號輸入至積分器。 積分器對進行過減法運算的信號進行濾波，並向量化器輸出已濾波的信號，量 化器將積分信號與一基準信號作比較。如果積分器輸出的信號大於基準信號， 則輸出"'，如果積分器輸出的信號小於基準信號，則輸出'0'。從而，模擬 輸入信號被轉換為數字輸出信號。
調製器輸出數字輸出信號。數字輸出信號被反饋至選擇電路。選擇電路的 作用是通過調整信號設置西格瑪-德爾塔調製器的輸入範圍。
如圖10所示的選擇電路包括一多路開關選擇器1405、第一DAC1406，第二
DAC1407和一控制單元1408。多路開關選擇器接收作為輸入的數字輸出信號和 兩個邊界值。每個邊界值是由兩個DAC分別輸出的電壓值。第一DAC輸出第一邊界值，而第二 DAC輸出第二邊界值。每個DAC輸出的電壓由控制單元產生的 控制信號所控制。因此，控制單元通過兩個控制信號能夠控制輸入至多路開關 選擇器的邊界值。
控制單元可通過軟體實施。由控制單元產生的控制信號可是數位訊號。 數字輸出信號控制在任意給定的時間由多路開關選擇器輸出兩個邊界值中 的哪個邊界值。當數字輸出信號是高電平時，即，當西格瑪-德爾塔調製器正輸 出'r，多路開關選擇器輸出兩個邊界值中的一個邊界值。當數字輸出信號是 低電平，即，當西格瑪-德爾塔調製器正輸出'0'，多路開關選擇器輸出兩個邊 界值中的另外一個邊界值。因此，由多路開關選擇器輸出的調整信號包含與數
字輸出信號相同序列的i和o，但是，數字輸出信號中的每個'r和'o'的電
平分別被兩個邊界值的各自的一個值所代替。因此，在調整信號變化之間的上 限和下限可以通過調整兩個邊界值控制。如此，通過西格瑪-德爾塔調製器應用 到模擬輸入信號的增益和偏移量可以由控制單元直接地控制。
因此， 一開關電路可以方便地使用一西格瑪-德爾塔調製器接收由一系列開 關輸出的模擬信號，對此模擬信號進行低通濾波以去除不希望的顫振頻率，並 輸出一數字開關信號。然後，此數字開關信號可被如一鍵盤控制器接收。
由西格瑪-德爾塔調製器輸出的數字輸出信號是以一小串1和o表徵模擬輸
入信號的脈衝密度調製信號。開關電路中的西格瑪-德爾塔調製器適當地對模擬 輸入信號進行低通濾波。這產生了脈衝密度調製輸出信號，在脈衝密度調製輸 出信號中，代表模擬輸入信號的高頻成分(來源與觸頭抖動)的部分相對於代 表模擬輸入信號的低頻成分(來源於開關的使用觸發)被抑制。這裡需要清楚的是上述的一階西格瑪-德爾塔調製器僅是舉例，本發明的原 理與其它調製器保持相同。任何種類的西格瑪-德爾塔調製器都可以被使用，例 如，模擬、數字或者交換電容器。所示的環路濾波器特定為積分器，然而，可 以使用任何使調製器關於輸入信號具有低通頻率響應的環路濾波器。雖然所示 的量化器為二級量化器，但是可以採用任何級別的量化器。根據本發明的方法 對於任何階數的調製器均是適用的。
如上所述， 一種西格瑪-德爾塔調製器被方便地作為一去抖動電路的應用是 在可攜式媒體播放器中，此可攜式媒體播放器具有一設置在播放器與一套耳機 之間的導線上的包括鍵區的用戶輸入裝置。在此應用中，西格瑪-德爾塔調製器 可方便地被用作產生來自多個鍵的一單一的數字輸出流。如此，僅需要一單一 的線路傳送代表鍵入多媒體播放器的輸入信息，以進行處理。另一種選擇是， 用戶輸入設備自身包含一鍵盤控制器，並因此可以根據鍵入的輸入信息確定命 令，例如向耳機發送一控制音量的命令。
每個西格瑪-德爾塔調製器可接收由被掃描的鍵盤矩陣中的一單一的行產生 的輸入信號。另一種選擇是，被掃描的鍵盤矩陣可產生一單一的表示矩陣中每 個開關的狀態的輸出流。這可通過將一行輸出的每個信號反饋至多路開關選擇 器，多路開關選擇器在矩陣每行輸出的模擬信號之間依次地選擇，以產生一單 一的模擬輸入信號。多路開關選擇器的時鐘速率比矩陣各列被順次激活的速率 快，以使多路開關選擇器在一單一列被激活的時間內輸出每行輸出的信號。單 一的輸出信號繼續被輸入至西格瑪-德爾塔調製器，以進行濾波處理，並轉換為 數字形式。雖然，西格瑪-德爾塔調製器可優選在具有多個開關的應用中被用作一去抖 動電路，但是西格瑪-德爾塔調製器同樣也可以被用在只包含一單一開關的應用 中。西格瑪-德爾塔調製器在提供快速響應的同時，提供了一種可有效地去除顫 振的去抖動電路。如上所述，西格瑪-德爾塔調製器也提供了實現有效增益和偏 移量的機會。
雖然，根據本發明的實施方式的去抖動電路是特定地關於一種在可攜式媒 體設備的用戶輸入裝置中的實現，但是，需要清楚的是，這僅是以舉例的目的 說明的。根據本發明的實施方式的去抖動電路可方便在需要進行開關去抖動處 理的應用中使用。
據此，申請人在此以分解的方式公開的每個單獨的特徵，以及兩個或者更 多這種特徵的任何結合，達到了這種特徵或者結合能夠總體上基於本說明書， 並根據本領域的技術人員所掌握的公有的普通知識而實現的程度，而不考慮這 種特徵或者特徵的結合是否解決任何在這裡公開的問題，以及是否不在權利要 求限制的範圍內。申請人指出，本發明的所有方面可由任何這種特徵或者特徵 的結合組成。由於在前的說明，對於本領域的技術人員來說，在本發明的範圍 內可以進行不同的變型是很顯然的。
權利要求
1、一種開關電路，包括一具有兩個觸點元件的機械開關，對此開關進行操作，使兩個觸點元件發生物理接觸，並因此而輸出一代表開關動作的模擬開關信號；以及，一西格瑪-德爾塔調製器，用以接收此模擬開關信號，並輸出一與模擬開關信號相關的數字開關信號，西格瑪-德爾塔調製器具有使其能夠抑制模擬輸入信號中的相對較高的頻率成分，並因此有效地對開關的輸出量進行去抖動處理的頻率響應。
2、 根據權利要求1所述的一種開關電路，其中開關電路包括多個機械開 關，並且開關電路被設置為由該多個開關輸出，並由該西格瑪-德爾塔調製 器接收一代表多個開關中每個開關動作的單一的模擬開關信號由。
3、 根據權利要求2所述的一種開關電路，其中開關電路包括一擴展為兩 維的開關陣列，每個開關在第一維方向上位於在一行上，在第二維方向上 位於一列上，並且陣列的每行被設置為輸出單一的代表位於此行上的每個 開關動作的模擬開關信號。
4、 根據權利要求3所述的一種開關電路，其中開關電路被設置為通過依 次向每列施加一電流而順序地觸發陣列中的每列，由陣列中的一行所輸出 的單一的模擬開關信號的瞬時值，代表了此行上的位於當前被觸發列位置 處的開關動作。
5、 根據權利要求2至4中的任何一個權利要求所述的一種開關電路，其中.-開關電路被設置為多個開關中的一個開關的動作致使單一的模擬開關信號 具有特定的電平。
6、 根據權利要求5所述的一種開關電路，其中特定的電平是相同的，不 考慮是哪個開關在動作。
7、 根據權利要求5所述的一種開關電路，其中特定的電平與動作的開關 相關。
8、 根據權利要求7所述的一種開關電路，其中位於陣列的一行上的每個 開關與一特定的電平相關聯，使得位於此行上的一個開關的動作會致使單 一的模擬開關信號，具有與被操作開關相關聯的特定的電平。
9、 根據權利要求8所述的一種開關電路，其中陣列的一行包括一分壓器， 而且位於此行上的每個開關與分壓器內的一特定的電平位置相連接，使得 操作一個開關將致使單一的模擬開關信號，具有與被操作開關相關聯的特 定的電平。
10、 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的一種開關電路，其中 西格瑪-德爾塔調製器包括一求和單元，用於將模擬開關信號與一調整信號進行求和運算，以形成一 求和輸出信號；一積分器，設置為接收求和輸出信號，並形成與此求和輸出信號相關的積 分器輸出信號；一量化器，設置為接收積分器輸出信號，並形成與此積分器輸出信號相關的數字開關信號；以及， 一反饋迴路，以產生調整信號。
11、 根據權利要求10所述的一種開關電路，其中反饋迴路包括一數模轉換器，用以接收數字輸出信號，並產生與此數字輸出信號相關的調整信號。
12、 根據權利要求10所述的一種開關電路，其中反饋迴路包括一邏輯電路，設置為在兩個預定值中選擇一個用於調整信號，選擇的執行依賴於該 數字輸出信號和一個控制信號。
13、 根據權利要求10所述的一種開關電路，其中反饋迴路包括一選擇電 路，設置為在兩個邊界值中選擇一個用於調整信號，選擇的執行依賴於該 數字輸出信號。
14、 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的一種開關電路，其中 西格瑪-德爾塔調製器設置為對模擬輸入信號以一採樣率進行採樣，此採樣 率超過使用者對機械開關進行操作的最高頻率。
15、 根據權利要求14所述的一種開關電路，其中西格瑪-德爾塔調製器設 置為對模擬輸入信號以超過20Hz的採樣率進行採樣。
16、 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的一種開關電路，其中 西格瑪-德爾塔調製器設置為接收一頻率大於等於5. 12 KHz的時鐘信號。
17、 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的一種開關電路，其中 西格瑪-德爾塔調製器被配置為對模擬開關信號進行低通濾波。
18、 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的一種開關電路，其中 西格瑪-德爾塔調製器所具有的頻率響應，使得其可以抑制代表使用者操作 機械開關的模擬輸入信號中的相對於低頻成分而言相對較高的頻率成分。
19、 一種將西格瑪-德爾塔調製器用於對機械開關的輸出進行去抖動處理的 用途。
20、 一種基本如上述文字及附圖所描述的開關電路。
21、 一種西格瑪-德爾塔調製器的基本如上述文字和附圖所描述的用途。
全文摘要
本發明涉及一種開關電路，包括一具有兩個觸點元件的機械開關，對此開關進行操作，使兩個觸點元件發生物理接觸，並因此而輸出一代表開關動作的模擬開關信號；以及，一西格瑪-德爾塔調製器，用以接收此模擬開關信號，並輸出一與模擬開關信號相關的數字開關信號，西格瑪-德爾塔調製器所具有的頻率響應使其可抑制模擬輸入信號中的相對較高的頻率成分，而因此有效地對開關的輸出量進行去抖動處理。
文檔編號H03K5/1254GK101584118SQ200780034448
公開日2009年11月18日 申請日期2007年7月17日 優先權日2006年7月18日
發明者約翰·鄧肯·羅伯特·麥考利 申請人:Gs Ip有限責任公司