CN101584118A - 一种去抖动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电路，包括一具有两个触点元件的机械开关，对此开关进行操作，使两个触点元件发生物理接触，并因此而输出一代表开关动作的模拟开关信号；以及，一西格玛－德尔塔调制器，用以接收此模拟开关信号，并输出一与模拟开关信号相关的数字开关信号，西格玛－德尔塔调制器所具有的频率响应使其可抑制模拟输入信号中的相对较高的频率成分，而因此有效地对开关的输出量进行去抖动处理。

Description

一种去抖动电路

本发明涉及一种去除当开关的两个接触元件之间接触和断开时可能在开关输出量中产生的高频振荡的去抖动电路。

开关或者键盘是被广泛应用的输入设备。许多开关是机械器件。在最简单的例子中，一个开关包括两片被称作触点的金属，两个触点接触时构成回路，而两个触点分开时断开电路。将操纵力作用在触点上的执行机构可以是任何类型的机械联动，如拨动开关，翘板开关或者按钮，或者可以像一个继电器中那样自动地发生。

简单的金属触点式开关包括弹簧加载式按键，此种按键具有导柱，导柱的下端设置有一条连接电路两个部分的金属。在一种变体中，可以在导柱的底部和金属条之间设置一小片泡沫。此种开关具有的优点是：可以提供优良的触碰响应，而且生产成本低。然而，触点具有被磨损或者很快被腐蚀的趋势。其它的开关包括橡胶圆点式开关和薄膜式开关。

橡胶圆点式开关采用具有一个硬碳中心的小的，可伸缩的橡胶圆点。当一个键被按下时，位于此键下部的一个导柱被推向圆点，并使碳中心压向一个位于此键下方的表面。当此键保持被按下的状态时，碳中心使表面保持完整。当此键被释放时，原点弹回其初始位置，电路被断开。橡胶圆点式开关同样提供了合理的触碰响应，而且成本较低。

薄膜式开关被典型地应用在键区或者键盘上。其通常采用一片连续的印制有图案的薄膜，当一个键被按下时，此连续的薄膜构成一个回路，而不是为每个按键设置一个开关。一些薄膜式键盘使用一种印制有每个键的标识的一个平面，而不是采用为单独的键设置分开的键头的方式。薄膜式键盘并不具有优良的触碰响应，但其成本通常比较低。

开关通常被集合在一起而形成具有多个开关的键区或者键盘。键盘通常排列为使键或者开关被连接成行和列，以形成一个矩阵。而非将每个键或开关连接至一根单独的电线。为了检测按键的按压，键盘通常通过依次触发每一列，再检测被触发的行的这种方式‘扫描’该矩阵。通过在一列内流通电流而触发该列。当电流从一行流出时，就检测到一个按键的按压。当一列被触发，而电流从一行或者多行流出时，表明位于此列和所述的一行或者多行的交叉点处的一个键被按下。一种简单的键盘矩阵如图1所示。

当键是机械器件时存在一个问题，因为当其触点受力接触或者分开时，此类器件需要经受触头弹跳(或者颤振)。触头弹跳是由于触点的动量和弹力所引起的，并引起一如图2所示的迅速变化的脉冲电流。这种高频振荡将引发问题，因为，此种高频振荡会被键盘控制器检测到，而产生所谓的‘假触发’，此种情况的发生使得使用者按下单一的键，而键盘控制器却检测到多个键。因此，机械开关的输出信号采用典型的方式，通过一个‘去抖动’电路去除这些高频颤振。

去抖动电路是一种接收包含与低频按键信号叠加在一起的高频颤振的开关输入信号的电路。去抖动电路的作用是在保留低频按键信号的同时去除高频颤振。

图3示出了一种简单的去抖动电路，该电路包括一个电阻器301和一个电容302。此去抖动电路是一个简单的RC电路，此RC电路作为一种低通滤波器，从而去除开关输出量中的高频颤振。通过选择电阻值和电容值，为预期的按键和颤振频率提供合适的频率响应。此电路存在的问题是响应速度慢。一些按键动作因此可能不会反映在‘去抖动的后的’输出信号中。

图4示出了一种改进的去抖动电路，包括两个与非门，分别为与非门401和与非门402，二者排列组成一‘置位-复位’触发器403。去抖动后的信号在节点404处输出。此电路成功地去除了开关信号中的高频颤振，而且可以快速响应，并输出适合提供给键盘控制器的数字信号。然而，此电路存在只能接收一个单一开关并成功地将其去抖动的缺点，因此，对于被排列为键盘矩阵的开关，则需要为每个开关设置一单独的去抖动电路。典型地，开关去抖动电路系统被硬接线至矩阵电路中，这样做代价高昂，并且会耗费有价值的空间。

使电流信号通过一阻抗，如一分压器，即可方便地检测到电流信号，所以当键盘顺序地触发每列时，变振幅信号通过矩阵的每行输出。因此，此信号代表了被从一端至另一端进行扫描的键盘的每个键的状态。如果该信号已经在先前进行了去抖动处理，则变化的信号通常被输入至键盘控制器，该键盘控制器分析此模拟信号以确定被按下的键，并将结果数据输出至一总控制器，举例来说，如一台计算机的操作系统。

除在硬件上单独地为每个开关去抖动以外的一种可选的方法是在软件上对开关信号进行去抖动处理。然而，需要在已并入键盘或者键区的任何设备内的键盘或者键区的邻域内，为这种方法提供一种由软件控制的处理器。这在具有空间限制的实施条件下是存在问题的，例如，便携式媒体播放器，如MP3播放器，通常具有一个小的用户输入装置，此装置具有一个设置在位于此装置与一套耳机之间的导线上。对这样小的用户输入装置，如果开关的去抖动处理可以在最终的开关信号通过导线传输至便携式媒体播放器之前在设备本身的硬件内完成，将是更可取的方式。

相对于图1所示的键盘矩阵，可以选择图5所示的键盘矩阵。这种键盘矩阵被布置为一种分压器501，而且在此分压器的每个不同档位的位置处设置各自的开关502。在依照此种排列的键盘矩阵中，当各自的开关被按下时，将通过此矩阵输出不同的电压值，因此，通过判断此矩阵输出的电压值可以识别出被按下的开关。如果这些开关是机械式的，则需要进行上述的去抖动处理。这种形式的开关矩阵具有额外的需求，即任何去抖动过程必须保持各开关所输出的信号间的不同，这样才能保证仍可以识别不同的开关。

因此，为了对一种开关信号进行去抖动处理，需要一种改进的电路。

根据本发明的第一个方面，提供了一种开关电路，包括一具有两个触点元件的机械开关，对此开关进行操作，使两个触点元件发生物理接触，并因此而输出一代表开关动作的模拟开关信号；以及，一西格玛-德尔塔调制器，用以接收此模拟开关信号，并输出一与模拟开关信号相关的数字开关信号，西格玛-德尔塔调制器所具有使其能够抑制模拟输入信号中的相对较高的频率成分并因此有效地对开关的输出量进行去抖动处理的频率响应。

此开关电路可包括多个机械开关，并且开关电路被设置为由该多个开关输出，并由西格玛-德尔塔调制器接收一个代表该多个开关中每个开关动作的单一的模拟开关信号西格玛-德尔塔。

此开关电路可包括一扩展为两维的开关阵列，每个开关在第一维方向上位于一行上，在第二维方向上位于一列上，并且阵列的每行被设置为输出单一的代表位于此行上的每个开关动作的模拟开关信号。

此开关电路可被设置为通过依次向每列施加一电流而顺序地触发阵列中的每列，由阵列中的一行所输出的单一的模拟开关信号的瞬时值代表此行上的位于当前被触发列位置处的开关动作。

此开关电路可被设置为多个开关中的一个开关的的动作致使单一的模拟开关信号具有特定的电平。特定的电平可以是相同的，不考虑是哪个开关在动作。可选的是，特定的电平与哪个开关动作相关。

位于阵列的一行上的每个开关可与一特定的电平相关联，使得位于此行上的一个开关的动作会致使单一的模拟开关信号具有与被操作开关相关联的特定的电平。阵列的一行可以包括一分压器，而且位于此行上的每个开关与分压器内的一特定的电平位置相连接，使得操作一个开关将致使单一的模拟开关信号具有与被操作开关相关联的特定的电平。

此西格玛-德尔塔调制器可包括，一求和单元用于将模拟开关信号与一调整信号进行求和运算，以形成一求和输出信号；一积分器，设置为接收求和输出信号，并形成与此求和输出信号相关的积分器输出信号；一量化器，设置为接收积分器输出信号，并形成与此积分器输出信号相关的数字开关信号；以及，一反馈回路，以产生调整信号。

该反馈回路可包括一数模转换器，用以接收数字输出信号，并产生与此数字输出信号相关的调整信号。

该反馈回路可包括一逻辑电路，设置为在两个预定值中选择一个用于调整信号，选择的执行依赖于该数字输出信号和一个控制信号。

该反馈回路可包括一选择电路，设置为在两个边界值中选择一个用于调整信号，选择的执行依赖于该数字输出信号。

西格玛-德尔塔调制器可被设置为对模拟输入信号以一采样率进行采样，此采样率超过使用者对机械开关进行操作的最高频率。机械开关的动作可以是使两个触点元件进行物理接触的对开关的触发。该采样率可超过20Hz。

西格玛-德尔塔调制器可被设置为接收一频率大于等于5.12KHz更高频率的时钟信号。

西格玛-德尔塔调制器可被配置为对模拟开关信号进行低通滤波。

西格玛-德尔塔调制器可以具有一种频率响应，使得其可以抑制代表使用者操作机械开关的模拟输入信号中的相对于低频成分而言相对较高的频率成分。

根据本发明的第二个方面，提供西格玛-德尔塔调制器作为对机械开关的输出进行去抖动处理的一种应用。

为了更好的理解本发明，参照如下的附图，通过举例进行说明，其中，

图1示出了一种开关矩阵；

图2示出了一种显示颤振的开关信号；

图3示出了一种简单的去抖动电路；

图4示出了一种包括‘置位-复位’触发器的去抖动电路；

图5示出了一种当各自的开关被按下时，输出不同电压档位的开关矩阵；

图6示出了一种去抖动电路；

图7a-c示出了对一模数转换器的输出噪声电平进行过采样和数字滤波的结果效果图；

图8a-b示出了对一模数转换器的输出噪声电平进行噪声整形的结果效果图；

图9示出了对减少输出信号中噪声电平所涉及的各阶段的总图；

图10示出了降噪抽样的结果示意图；

图11示出了一种西格玛-德尔塔调制器；

图12示出了在西格玛-德尔塔调制器内执行增益函数的波形示意图；

图13示出了在西格玛-德尔塔调制器内执行增益函数的波形示意图；

图14示出了另一种西格玛-德尔塔调制器；

图15示出了对西格玛-德尔塔调制器的频域响应起作用的元素的表示法；

一种开关电路，包括一机械开关和一对开关量输出进行去抖动处理的西格玛-德尔塔调制器。西格玛-德尔塔调制器能够将由机械开关输出的模拟信号转换为数字信号。西格玛-德尔塔调制器的频率响应可使得其去除开关输出中的任何高频颤振成分，如，通过低通方式过滤模拟开关信号。

一西格玛-德尔塔调制器能够接收连续的模拟输入信号，并且可以连续不断地对此信号进行去抖动处理。因此，这种方式具有不需要为每个开关设置单独的去抖动电路的优点。替代的是，多路开关可以通过一个简单的西格玛-德尔塔调制器完成去抖动处理。这可以通过形成一种代表多个开关状态的简单的模拟输入信号，并将此信号输入至西格玛-德尔塔调制器的方式实现。例如，西格玛-德尔塔调制器可接收一由开关矩阵内的一行的开关所产生的模拟开关信号。可以通过如图1所示的和如上所述的，其中开关矩阵的每一列依次被触发的一键扫描键盘形成此种信号。

使如图1所示的一开关矩阵的一行输出的电流信号流经一阻抗，如分压器，便可方便地检测到此电流信号。这将产生一种当键盘顺序地触发每一列时，由矩阵的每行输出的具有变化幅值的模拟开关信号。因此，此模拟信号代表了该键盘上从其一端扫描至另一端的每个键的状态。可将此信号输入至一西格玛-德尔塔调制器，以进行数字化和去抖动处理。

如图5所示的一西格玛-德尔塔调制器在开关矩阵方面同样是先进的，在该西格玛-德尔塔调制器中，触发每个开关将使此矩阵输出不同的电压值。在图5中，该西格玛-德尔塔调制器503被设置为接收开关矩阵的输出，根据动作的开关不同，开关矩阵的输出的幅值将会不同。根据这种电平的不同可识别出动作的开关。由于西格玛-德尔塔调制器实际上为一模数转换器，因此在节点504处输出的数字开关信号代表模拟开关信号电平。从而，西格玛-德尔塔调制器在保持其识别被触发开关的功能的同时，使开关量输出进行去抖动处理。

现将说明西格玛-德尔塔调制器的适于作为去抖动电路的不同实施方式。仅以举例的目的说明这些特定的实施方式，应了解的是，本发明并非限制为西格玛-德尔塔调制器的任何特定的实施方式。

通过最简单的1位执行说明西格玛-德尔塔调制器的作用。图6中所示的为一1位西格玛-德尔塔调制器。

图6说明了基本的实施方式，西格玛-德尔塔调制器包括一求和单元601，一积分器602，一比较器603和一数模转换器(DAC)604。例如，求和单元可以为一差分放大器，比较器可以为一模数转换器(ADC)。

如图6所示，调制器的各元件连接成一反馈回路。将一模拟输入信号送入求和单元，并在将该模拟信号送入环路滤波器，在本例中为一积分器，之前，在求和单元处与一反馈信号求差。积分器输出的信号与比较器中的基准信号相比较。如果积分器输出的信号大于基准信号，则输出‘1’，如果积分器输出的信号小于基准信号，则输出‘0’。从而，模拟输入信号被转换为数字输出信号。

数字输出信号被经由DAC反馈至求和单元，在此处输入信号与其进行求差运算。反馈信号的目的是通过获得代表模拟输入的数字数出信号1和0，保持积分器输出的平均值接近比较器的基准电平。

位于反馈回路上的DAC具有一个高基准电压和一个低基准电压。当比较器输出‘1’时，DAC输出一高电压信号，当比较器输出‘0’时，DAC输出一低电压信号。当输入信号与反馈DAC的高基准电压或低基准电压相等时，调制器位于满刻度量程处。例如，如果当反馈DAC接收0时，输出-2.5V，当其接收1时，输出2.5V，则输入的范围为±2.5V。比较器的基准电压为输入范围的上边界和下边界的中间值，例如，对于输入范围为±2.5V的情况，比较器的基准电压为0V。比较器的基准电压代表调制器的虚地电平。由于，调制器具有一关于0对称的输入范围，所以，其虚地电平为0。

西格玛-德尔塔调制器的输出是一串1和0。1和0的比例代表与调制器的输入范围相比较的输入信号值。例如，如果调制器的范围为±2.5V，输入信号的值为1.0V，则输入信号比5V范围的下边界高3.5V。在此例中，输出信号的70％应该由1组成。由于调制器产生一精确表示模拟输入信号的数字输出信号，所以调制器的采样速率必须明显高于模拟输入信号的变化速率。

比上述的1位调制器更加先进的西格玛-德尔塔调制器可具有较多的调制器和积分器。

对于作为一种在此处说明的西格玛-德尔塔调制器，将被转换为数字输出信号的模拟输入信号的成分是与使用者所操作的开关相对应的信号。因此，为了使这种开关或者按键信号可被成功地转换为数字输出信号，调制器的采样速率必须明显高于可以预期的使用者操作开关的速率。可以预期使用者的按键速率不超过20HZ(也就是每秒钟按键20次)。调制器的时钟频率适合至少为S×F Hz，这里，S是构成最大测量值的脉冲的数量，而F是转换器的采样率。调制器适宜至少以5.12KHZ的频率进行计时。然而，在实际应用中可能应用更高的速率。

西格玛-德尔塔调制器可以具有这样的频率响应，即在保持表示开关处于触发和未触发状态的部分开关量输出，以及对其成功地进行数字化的同时，西格玛-德尔塔能成功抑制开关量输出中的高频颤振成分。西格玛-德尔塔调制器的频率响应依赖于调制器的精确的执行。然而，如果西格玛-德尔塔调制器通常认为包括一传递函数为H(Z)的环路滤波器和一增益为gQ的量化放大器，如图15所示，则信号的传递函数函数如下：

$H_X\left(z\right)=\frac{Y\left(z\right)}{X\left(z\right)}=\frac{g_{Q}H\left(z\right)}{1+g_{Q}H\left(z\right)}---\left(1\right)$

此处， $z=e^{j\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_S}}$

对于西格玛-德尔塔调制器的一种特定的执行方式，通过选择一恰当的采样频率，能够选择调制器的频率响应，以保持或者放大与开关的操作情况相关联的开关信号的频率成分，并且去处与开关触碰间产生的抖动相关的频率成分。对于一典型的西格玛-德尔塔调制器，比较适合的采样频率范围是0.4kHz至4.0kHz。

对于由量化器所引起的量化噪声N(z)的噪声传递函数如下：

$H_N\left(z\right)=\frac{Y\left(z\right)}{N\left(z\right)}=\frac{1}{1+g_{Q}H\left(z\right)}---\left(2\right)$

这样，如果调制器作为一针对开关输入信号的低通滤波器，则可以预期调制器也能作为一针对量化噪声的高通滤波器。下面将对此进行更为详细的说明。

西格玛-德尔塔调制器在传统的ADC上提供了改良的噪声性能。这是通过过采样、噪声整形、数字滤波和抽样实现的。

传统的多位ADC，通过对输入信号以固定的时间间隔进行采样并根据输入信号的值将其分类至被等分的一些预定值中的一个，来将模拟信号转换为数字信号。最简单的1位ADC根据两个预定的电平值将输入信号进行分类，并根据输入信号与两个电平中的哪个电平最接近，将输出分类为1或者0。同样，2位ADC根据四个预定电平将输入信号进行分类，并在每个采样时期内输出00、01、10或者11等等。与输入信号进行比较的电平值的数量越多，转换器的分辨率也越高。通过为输入信号指定等间距的值中的一个，ADC的输出本身就是不准确的。这是因为ADC的输入是一具有无数种可能状态的连续信号，而输出信号是一离散函数，其不同状态的数量由转换器的分辨率决定。从模拟量到数字量的转换丢失了一些信息，并带来了信号失真。这个误差的大小是随机的，误差值一直到±LSB(数字输出的最低有效位)。

图7a示出了一正弦波信号输入至一传统的多位ADC，对其输出的数字信号进行FFT分析所得到的典型的坐标图。Fs为对输入信号的采样频率，根据奈奎斯特定理，此采样频率必须至少为输入信号带宽的两倍。FFT分析将信号分解为其频率成分。该正弦波作为具有单一频率的大尖峰是明显可见的。然而，许多随机的噪声，从DC延伸至FS/2同样是可见的。这些噪声导致上面讨论的失真问题，并被人们称为量化噪声。

信号幅值与所有表示噪声的频率的均方根(RMS)之合相比得到信噪比(SNR)。在常规的ADC中，SNR仅能通过提高ADC的分辨率的方式，即增加ADC的位数，得到改善。

如图7b所示，如果通过将过采样率由k变为kFs，增加了采样频率，则噪声基底降低。虽然相对于图7a的情况，SNR没有改变，但是噪声可在较宽的频率范围内传播。西格玛-德尔塔通过在1位ADC之后连接一数字滤波器西格玛-德尔塔转换器就能够达到这种效果。滤波器的效果如图7c所示，因为大部分噪声通过了数字滤波器，均方根噪声值减小。这使得西格玛-德尔塔调制器通过一低分辨率的ADC得到了宽动态范围。

然而，西格玛-德尔塔调制器单独从过采样方面考虑不能获得高的分辨率，因为即使是合理的分辨率所要求的过采样率通常也太高而不能实现。西格玛-德尔塔调制器也对噪声进行整形，使其远离调制器的峰值增益响应。

在图6所示的调制器中，环路滤波器是一积分器，所以调制器对噪声进行整形使其离开较低的频率区域，而进入较高的频率区域。这是由于积分器对误差电压进行累积求和，因此可作为对于输入信号的低通滤波器和对于量化噪声的高通滤波器。从而，大部分量化噪声被推进较高的频率区域(如图8a所示)。过采样改变了噪声功率的分布状况，而没有改变总的噪声功率。

对于更高阶的西格玛-德尔塔调制器，通过其所具有的多于一次的积分和求和功能而完成对噪声的整形。

在西格玛-德尔塔调制器的噪声整形输出上，如果应用一数字滤波器，如图8b所示，相对于单独采用过采样而言可去除更多的噪声。

西格玛-德尔塔调制器的频率输出是一串在采样率的1和0。这些数据的速率通常是比较高的，所以可以通过一数字抽取滤波器将数据的传输率降低至一个更有用的值。在此过程中，如图10所示，不会丢失有用的信息。由于数字输出滤波器降低了信号的带宽，所以即使输出数据的传输率低于原始的采样率，输出数据的传输率可以满足奈奎斯特判据。这可以通过保留某些输入值而放弃其他输入值而实现。通过因数M(抽取比率)进行抽取了解此过程。M可为任意的整数值，只要输出数据的传输率大于信号带宽的两倍。如果输入信号以Fs进行采样，则滤波输出的数据传输率可以降至Fs/M，而不会丢失信息。上述的整个系统如图9所示。

当输入信号在调制器输入范围的上限和下限之间变化时，西格玛-德尔塔调制器提供最大的分辨率。上限和下限可认为是在调制器的虚地电平附近的±Vcc/2(即，调制器的输入范围为Vcc)。对于优化西格玛-德尔塔调制器的分辨率的一种选择是通过在反馈通道上引入过渡循环(transition-cycles)而在西格玛-德尔塔调制器内执行一增益函数。过渡循环的净平均值等于调制器的虚地电平。通过在反馈通道上引入更多的过渡循环，反馈的总平均值将减小。

图11所示的西格玛-德尔塔调制器，在反馈通道上引入了过渡循环。环路滤波器1101为一积分电路，量化器为一锁存器1102，而反馈DAC被一异或门(XOR门)1103所代替。数字反馈信号和控制信号作为异或门的输入。

图12所示的波形A是对于输入信号为虚地电平的一典型的反馈信号。在图12中，虚地电平设置为1/2Vcc。信号的占空比为50％，即，半周期为上限Vcc，半周期为下限0V。因此，此信号代表了输入信号的值为调制器输入范围的上限与下限之间的中间值，如此例中的1/2Vcc。

图12所示的波形B相当于包括过渡循环的反馈信号。波形A是一种不归零波形或者NRZ波形，已被转换为归零(RTZ)波形。如图中所示，过渡循环的净平均值为1/2Vcc(虚地)。

图12所示的波形B很难直接合成。然而，由于过渡循环的需要仅为其净平均值等于虚地电平，图12所示的波形C在积分器看来在总反馈电平方面与波形B具有同样的效果。波形C中，过渡循环被有效地以一对脉冲的形式实现，其平均值为1/2Vcc。

波形A与波形D(如图12所示)通过一XOR门可容易的获得波形C。因此，在如图7所示的西格玛-德尔塔调制器中，数字输出信号(波形A)和控制信号(波形D)输入至XOR门，以产生反馈信号(波形C)。注意反馈信号仍具有50％的占空比，所以调制器仍与1/2Vcc的输入相平衡。换句话说，对于虚地的输入信号，在反馈通道上引入过渡转换不会改变其状态。

图13所示的波形A、B和C是对于调制器具有满刻度的正输入(Vcc)的状态下的相似的波形。调制器的数字输出信号为波形A。当输入为下限时，输出信号总是高电平(100％的1)。如果相同的控制信号(波形C)和数字输出信号一同输入至XOR门，将生成反馈信号B。此时，反馈信号的净直流含量为3/4Vcc。因此，3/4Vcc的输入量将与反馈信号相平衡，而调制器的输入上限减少1/4Vcc。

同理，如果调制器的输入为满量程的负输入(0V)，同样的控制信号将产生一净直流含量为1/4Vcc的反馈信号。因此，1/4Vcc的输入量将与反馈信号相平衡，而调制器的输入上限增加1/4Vcc。

因此，总的来说，图12所示的波形D和图13所示的波形C将调制器的输入范围由Vcc降至1/2Vcc。调制器具有一隐含的增益2。通过将进入调制器的输入范围减半，控制信号有效地实现了与在西格玛-德尔塔调制器之前以2为因数进行放大的同样的效果。

控制和反馈信号可以具有比数字输出信号高的频率。为了实现此种状态，XOR门和量化器可以接收不同的时钟信号。

控制信号同样可用来作用一偏移量。这可以通过使用与图11中所示的电路相同的基本电路实现。在这种应用中，控制信号被排列，使得过渡循环以一种非对称方式被注入到反馈信号中。在输出信号中，替换的‘1’多于‘0’，使产生的反馈信号为输入信号提供一正的偏移量。这是由于反馈信号中的净直流含量随着反馈信号中以对称方式注入同样数量的过渡循环而减少。同理，替换的‘0’多于‘1’，可以提供一负的偏移量。

在反馈信号中引入过渡循环意味着去除了某些光谱的噪声整形信息。因此，不可避免地降低了调制器可达到的SNR。例如，在控制信号为图12的波形D和图13的波形C的形式的情况下，反馈至调制器的信号的四分之一被过渡循环所取代。换句话说，仅反馈信号的75％包含噪声整形含量，而剩余的25％包含增益比例(和偏移量)含量。因此，对于一6dB的增益(以2为因数)，SNR降低2.5dB(因数大约为1.3)。

如图14所示，为一种具有改良的噪声性能的西格玛-德尔塔调制器。

如上说明，此西格玛-德尔塔调制器的允许的输入范围由反馈信号的高电压和低电压决定。在一实施方式中，反馈信号的高电压和低电压被设置为两个边界电压。反馈信号通过利用数字输出信号在两个边界电压之间选择而形成的。通过为边界电压选择恰当的值而控制西格玛-德尔塔调制器的隐含的增益和偏移量。

如图14所示，为一种通过设置边界电压而控制有效的增益和偏移量的西格玛-德尔塔调制器。调制器包括连接在一个反馈回路中的一求和单元1401、一积分器1402，一量化器1403和一选择电路1404。

求和单元被设置为接收模拟输入信号和由选择电路输出的调整信号。求和单元从模拟输入信号中减去调整信号，将进行过减法运算的信号输入至积分器。积分器对进行过减法运算的信号进行滤波，并向量化器输出已滤波的信号，量化器将积分信号与一基准信号作比较。如果积分器输出的信号大于基准信号，则输出‘1’，如果积分器输出的信号小于基准信号，则输出‘0’。从而，模拟输入信号被转换为数字输出信号。

调制器输出数字输出信号。数字输出信号被反馈至选择电路。选择电路的作用是通过调整信号设置西格玛-德尔塔调制器的输入范围。

如图10所示的选择电路包括一多路开关选择器1405、第一DAC1406，第二DAC1407和一控制单元1408。多路开关选择器接收作为输入的数字输出信号和两个边界值。每个边界值是由两个DAC分别输出的电压值。第一DAC输出第一边界值，而第二DAC输出第二边界值。每个DAC输出的电压由控制单元产生的控制信号所控制。因此，控制单元通过两个控制信号能够控制输入至多路开关选择器的边界值。

控制单元可通过软件实施。由控制单元产生的控制信号可是数字信号。

数字输出信号控制在任意给定的时间由多路开关选择器输出两个边界值中的哪个边界值。当数字输出信号是高电平时，即，当西格玛-德尔塔调制器正输出‘1’，多路开关选择器输出两个边界值中的一个边界值。当数字输出信号是低电平，即，当西格玛-德尔塔调制器正输出‘0’，多路开关选择器输出两个边界值中的另外一个边界值。因此，由多路开关选择器输出的调整信号包含与数字输出信号相同序列的1和0，但是，数字输出信号中的每个‘1’和‘0’的电平分别被两个边界值的各自的一个值所代替。因此，在调整信号变化之间的上限和下限可以通过调整两个边界值控制。如此，通过西格玛-德尔塔调制器应用到模拟输入信号的增益和偏移量可以由控制单元直接地控制。

因此，一开关电路可以方便地使用一西格玛-德尔塔调制器接收由一系列开关输出的模拟信号，对此模拟信号进行低通滤波以去除不希望的颤振频率，并输出一数字开关信号。然后，此数字开关信号可被如一键盘控制器接收。

由西格玛-德尔塔调制器输出的数字输出信号是以一小串1和0表征模拟输入信号的脉冲密度调制信号。开关电路中的西格玛-德尔塔调制器适当地对模拟输入信号进行低通滤波。这产生了脉冲密度调制输出信号，在脉冲密度调制输出信号中，代表模拟输入信号的高频成分(来源与触头抖动)的部分相对于代表模拟输入信号的低频成分(来源于开关的使用触发)被抑制。

这里需要清楚的是上述的一阶西格玛-德尔塔调制器仅是举例，本发明的原理与其它调制器保持相同。任何种类的西格玛-德尔塔调制器都可以被使用，例如，模拟、数字或者交换电容器。所示的环路滤波器特定为积分器，然而，可以使用任何使调制器关于输入信号具有低通频率响应的环路滤波器。虽然所示的量化器为二级量化器，但是可以采用任何级别的量化器。根据本发明的方法对于任何阶数的调制器均是适用的。

如上所述，一种西格玛-德尔塔调制器被方便地作为一去抖动电路的应用是在便携式媒体播放器中，此便携式媒体播放器具有一设置在播放器与一套耳机之间的导线上的包括键区的用户输入装置。在此应用中，西格玛-德尔塔调制器可方便地被用作产生来自多个键的一单一的数字输出流。如此，仅需要一单一的线路传送代表键入多媒体播放器的输入信息，以进行处理。另一种选择是，用户输入设备自身包含一键盘控制器，并因此可以根据键入的输入信息确定命令，例如向耳机发送一控制音量的命令。

每个西格玛-德尔塔调制器可接收由被扫描的键盘矩阵中的一单一的行产生的输入信号。另一种选择是，被扫描的键盘矩阵可产生一单一的表示矩阵中每个开关的状态的输出流。这可通过将一行输出的每个信号反馈至多路开关选择器，多路开关选择器在矩阵每行输出的模拟信号之间依次地选择，以产生一单一的模拟输入信号。多路开关选择器的时钟速率比矩阵各列被顺次激活的速率快，以使多路开关选择器在一单一列被激活的时间内输出每行输出的信号。单一的输出信号继续被输入至西格玛-德尔塔调制器，以进行滤波处理，并转换为数字形式。

虽然，西格玛-德尔塔调制器可优选在具有多个开关的应用中被用作一去抖动电路，但是西格玛-德尔塔调制器同样也可以被用在只包含一单一开关的应用中。西格玛-德尔塔调制器在提供快速响应的同时，提供了一种可有效地去除颤振的去抖动电路。如上所述，西格玛-德尔塔调制器也提供了实现有效增益和偏移量的机会。

虽然，根据本发明的实施方式的去抖动电路是特定地关于一种在便携式媒体设备的用户输入装置中的实现，但是，需要清楚的是，这仅是以举例的目的说明的。根据本发明的实施方式的去抖动电路可方便在需要进行开关去抖动处理的应用中使用。

据此，申请人在此以分解的方式公开的每个单独的特征，以及两个或者更多这种特征的任何结合，达到了这种特征或者结合能够总体上基于本说明书，并根据本领域的技术人员所掌握的公有的普通知识而实现的程度，而不考虑这种特征或者特征的结合是否解决任何在这里公开的问题，以及是否不在权利要求限制的范围内。申请人指出，本发明的所有方面可由任何这种特征或者特征的结合组成。由于在前的说明，对于本领域的技术人员来说，在本发明的范围内可以进行不同的变型是很显然的。

Claims (21)

1、一种开关电路，包括：

一具有两个触点元件的机械开关，对此开关进行操作，使两个触点元件发生物理接触，并因此而输出一代表开关动作的模拟开关信号；以及，

一西格玛-德尔塔调制器，用以接收此模拟开关信号，并输出一与模拟开关信号相关的数字开关信号，西格玛-德尔塔调制器具有使其能够抑制模拟输入信号中的相对较高的频率成分，并因此有效地对开关的输出量进行去抖动处理的频率响应。

2、根据权利要求1所述的一种开关电路，其中：开关电路包括多个机械开关，并且开关电路被设置为由该多个开关输出，并由该西格玛-德尔塔调制器接收一代表多个开关中每个开关动作的单一的模拟开关信号由。

3、根据权利要求2所述的一种开关电路，其中：开关电路包括一扩展为两维的开关阵列，每个开关在第一维方向上位于在一行上，在第二维方向上位于一列上，并且阵列的每行被设置为输出单一的代表位于此行上的每个开关动作的模拟开关信号。

4、根据权利要求3所述的一种开关电路，其中：开关电路被设置为通过依次向每列施加一电流而顺序地触发阵列中的每列，由阵列中的一行所输出的单一的模拟开关信号的瞬时值，代表了此行上的位于当前被触发列位置处的开关动作。

5、根据权利要求2至4中的任何一个权利要求所述的一种开关电路，其中：开关电路被设置为多个开关中的一个开关的动作致使单一的模拟开关信号具有特定的电平。

6、根据权利要求5所述的一种开关电路，其中：特定的电平是相同的，不考虑是哪个开关在动作。

7、根据权利要求5所述的一种开关电路，其中：特定的电平与动作的开关相关。

8、根据权利要求7所述的一种开关电路，其中：位于阵列的一行上的每个开关与一特定的电平相关联，使得位于此行上的一个开关的动作会致使单一的模拟开关信号，具有与被操作开关相关联的特定的电平。

9、根据权利要求8所述的一种开关电路，其中：阵列的一行包括一分压器，而且位于此行上的每个开关与分压器内的一特定的电平位置相连接，使得操作一个开关将致使单一的模拟开关信号，具有与被操作开关相关联的特定的电平。

10、根据上述权利要求中的任何一个权利要求所述的一种开关电路，其中：

西格玛-德尔塔调制器包括：

一求和单元，用于将模拟开关信号与一调整信号进行求和运算，以形成一求和输出信号；

一积分器，设置为接收求和输出信号，并形成与此求和输出信号相关的积分器输出信号；

一量化器，设置为接收积分器输出信号，并形成与此积分器输出信号相关的数字开关信号；以及，

一反馈回路，以产生调整信号。

11、根据权利要求10所述的一种开关电路，其中：反馈回路包括一数模转换器，用以接收数字输出信号，并产生与此数字输出信号相关的调整信号。

12、根据权利要求10所述的一种开关电路，其中：反馈回路包括一逻辑电路，设置为在两个预定值中选择一个用于调整信号，选择的执行依赖于该数字输出信号和一个控制信号。

13、根据权利要求10所述的一种开关电路，其中：反馈回路包括一选择电路，设置为在两个边界值中选择一个用于调整信号，选择的执行依赖于该数字输出信号。

14、根据上述权利要求中的任何一个权利要求所述的一种开关电路，其中：

西格玛-德尔塔调制器设置为对模拟输入信号以一采样率进行采样，此采样率超过使用者对机械开关进行操作的最高频率。

15、根据权利要求14所述的一种开关电路，其中：西格玛-德尔塔调制器设置为对模拟输入信号以超过20Hz的采样率进行采样。

16、根据上述权利要求中的任何一个权利要求所述的一种开关电路，其中：西格玛-德尔塔调制器设置为接收一频率大于等于5.12KHz的时钟信号。

17、根据上述权利要求中的任何一个权利要求所述的一种开关电路，其中：

西格玛-德尔塔调制器被配置为对模拟开关信号进行低通滤波。

18、根据上述权利要求中的任何一个权利要求所述的一种开关电路，其中：

西格玛-德尔塔调制器所具有的频率响应，使得其可以抑制代表使用者操作机械开关的模拟输入信号中的相对于低频成分而言相对较高的频率成分。

19、一种将西格玛-德尔塔调制器用于对机械开关的输出进行去抖动处理的用途。

20、一种基本如上述文字及附图所描述的开关电路。

21、一种西格玛-德尔塔调制器的基本如上述文字和附图所描述的用途。

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