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專利名稱：脈沖電容測(cè)量電路和方法
脈沖電容測(cè)量電路和方法電路和方法本專利文件要求提交于2007年12月28日的、名稱為“Multiple Capacitance Measuring Circuits and Methods”(多電容測(cè)量電路和方法)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) No. 61/017, 451的權(quán)益，其依據(jù)為美國(guó)法典第35卷第119(e)條。本發(fā)明整體涉及利用脈沖測(cè)量電容的電路和方法，具體地講，涉及改變脈沖計(jì)時(shí) 來(lái)適應(yīng)電路電阻以及將斜坡信號(hào)遞增至門限。
背景技術(shù)：
觸敏裝置減少或消除了對(duì)機(jī)械按鈕、小鍵盤、鍵盤和指針設(shè)備的使用，因而用戶可 以方便地與電子系統(tǒng)和顯示器進(jìn)行交互。例如，用戶只需要在用圖標(biāo)辨別的位置觸摸即顯 觸摸屏，即可執(zhí)行一系列復(fù)雜的指令。在許多觸敏裝置中，當(dāng)傳感器內(nèi)的導(dǎo)電物體通過(guò)電容 連接到導(dǎo)電性觸摸工具(例如用戶的手指)時(shí)，可以感應(yīng)輸入。由于存在觸摸干擾，所以這 類裝置會(huì)在多個(gè)位置測(cè)量電容，并且利用電容測(cè)量值確定觸摸位置。

發(fā)明內(nèi)容
在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供用于電容測(cè)量裝置的方法，該裝置通過(guò)施加電荷使 與多個(gè)位置中每一個(gè)相關(guān)的各自電壓信號(hào)斜坡變化，從而測(cè)量多個(gè)位置中每一處的電容。 此類方法包括使用一系列電荷脈沖為每個(gè)電容充電，從而斜坡上升各自的電壓信號(hào)，直到 每個(gè)斜坡變化的電壓信號(hào)越過(guò)門限電平。該方法還包括，對(duì)于每個(gè)脈沖，遞增脈沖計(jì)數(shù)值， 并且在等待電壓信號(hào)靜止之后將脈沖計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在寄存器中，該寄存器與確定其越過(guò)門限 電平的任何所述電壓信號(hào)相關(guān)。該方法還包括利用存儲(chǔ)在相關(guān)寄存器中的計(jì)數(shù)值確定電 容。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供用于電極電容測(cè)量裝置的方法，該裝置通過(guò)電極電 阻向電極施加電荷使電壓信號(hào)斜坡變化，從而測(cè)量電極的電容，該方法包括在電壓信號(hào)從 第一基準(zhǔn)電平到第二基準(zhǔn)電平的初始斜坡變化過(guò)程中累積時(shí)鐘周期數(shù)；使用一系列電荷脈 沖對(duì)電容充電以使電壓信號(hào)斜坡上升，直到越過(guò)門限電平，其中對(duì)于每個(gè)脈沖，遞增脈沖計(jì) 數(shù)值，并且在電壓信號(hào)靜止之后才開(kāi)始另一脈沖。可利用累積的時(shí)鐘周期數(shù)和脈沖計(jì)數(shù)值 確定電容。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供電容測(cè)量裝置，該裝置通過(guò)施加電荷使與多個(gè)位置 中每一個(gè)相關(guān)的各自電壓信號(hào)斜坡變化，從而測(cè)量多個(gè)位置中每一處的電容。此類裝置包 括斜坡控制電路、脈沖計(jì)數(shù)器和多個(gè)寄存器，其中斜坡控制電路利用一系列電荷脈沖斜坡 上升電壓信號(hào)，脈沖計(jì)數(shù)器用來(lái)在每個(gè)電荷脈沖之后遞增脈沖計(jì)數(shù)值，且每個(gè)寄存器與電 壓信號(hào)中的一個(gè)相關(guān)，用于在等待電壓信號(hào)靜止之后于相關(guān)電壓信號(hào)確定越過(guò)門限電平時(shí) 存儲(chǔ)脈沖計(jì)數(shù)值。可利用存儲(chǔ)的脈沖計(jì)數(shù)值確定電容。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了減小電極電阻對(duì)電容測(cè)量影響的方法，以用于通 過(guò)電極電阻向電極施加電荷從而測(cè)量電極電容的裝置中。此類方法包括使用一系列脈沖為電容充電，并且使所得電壓信號(hào)斜坡變化至門限電平；在每個(gè)脈沖之間等待電壓信號(hào)電 壓靜止；以及利用電壓信號(hào)達(dá)到門限電平所需的脈沖數(shù)確定電容。以上發(fā)明內(nèi)容并非旨在描述本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例或本發(fā)明的每種實(shí)施方式。結(jié)合 附圖并參照下文的具體實(shí)施方式
以及所附權(quán)利要求書，再結(jié)合對(duì)本發(fā)明比較完整的理解， 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和成效將變得顯而易見(jiàn)并且為人所領(lǐng)悟。


結(jié)合附圖并參照下文中多個(gè)實(shí)施例的具體實(shí)施方式
，可以更全面地理解和領(lǐng)會(huì)本 發(fā)明，其中圖IA至IC示意性地示出了可用于本發(fā)明某些實(shí)施例的示例性觸摸傳感器系統(tǒng)；圖2示意性地示出了用于根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例提供電容測(cè)量脈沖電流的示 例性電路；圖3示意性地示出了用于根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例提供電容測(cè)量脈沖電流的示 例性電路；圖4A和4B示意性地示出了可用于本發(fā)明某些實(shí)施例的示例性控制電路的一部 分；圖5示意性地示出了可用于本發(fā)明某些實(shí)施例的示例性控制電路；圖6示意性地示出了時(shí)序圖，其指示出根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例的多電容測(cè)量電路 的工作情況；以及圖7示意性地示出了時(shí)序圖，其指示出根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例的多電容測(cè)量電路 的工作情況。雖然本發(fā)明可修改為各種修改形式和替代形式，但其細(xì)節(jié)已通過(guò)舉例的方式在附 圖中示出并且將會(huì)作詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，其目的不在于將本發(fā)明局限于所述具體實(shí) 施例。相反，其目的在于涵蓋由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改形式、等同 形式和替代形式。
具體實(shí)施例方式在下文對(duì)所舉例說(shuō)明的實(shí)施例的敘述中將參考構(gòu)成本發(fā)明一部分的附圖，并且其 中通過(guò)舉例說(shuō)明示出多個(gè)可以在其中實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明范 圍的前提下，可以利用這些實(shí)施例，并且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的修改。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及電容測(cè)量電路和方法，該電路和方法通過(guò)施加電荷 脈沖使電壓信號(hào)斜坡變化至越過(guò)門限電平，并且利用脈沖數(shù)確定電容。通過(guò)在與各電壓 信道相關(guān)的寄存器中于該電壓信號(hào)越過(guò)門限時(shí)存儲(chǔ)脈沖計(jì)數(shù)值，可以測(cè)量多個(gè)位置處的電 容。利用電荷脈沖使電壓信號(hào)斜坡變化，并且等待信號(hào)在兩脈沖之間靜止，可以減小電極電 阻對(duì)電容測(cè)量的影響。本發(fā)明的電路和方法尤其適合與包括多電容測(cè)量系統(tǒng)在內(nèi)的電容測(cè) 量系統(tǒng)一起使用，例如包括多個(gè)傳感電極和/或多個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的觸摸傳感器。在本發(fā)明的 某些實(shí)施例中，利用脈沖電流測(cè)量電容不受測(cè)量信道內(nèi)電極電阻的影響。本發(fā)明的方法和電路可通過(guò)施加脈沖電流或電壓以產(chǎn)生階躍斜坡來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如， 美國(guó)專利No. 6，466，036公開(kāi)了在已知電容器和未知電容的各種組合上施加電壓脈沖的電
5路。已知電容器在脈沖之間放電，然后用每個(gè)脈沖再次充電，未知電容則累積所有脈沖的電 荷，從而在未知電容上產(chǎn)生遞增的階躍電壓斜坡。在多個(gè)脈沖之后，未知電容上的電壓達(dá)到 固定門限。達(dá)到門限所需的脈沖數(shù)大約與已知電容和未知電容器的比率成比例。共同轉(zhuǎn)讓 的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No. 11/612，790公開(kāi)了一種電路，該電路通過(guò)在兩個(gè)已知電容間交 替遷移電荷而在未知電容上產(chǎn)生遞增的階躍電壓斜坡。在不喪失一般性的同時(shí)，并且為了有效地舉例說(shuō)明，結(jié)合觸摸傳感器系統(tǒng)描述本 發(fā)明的多個(gè)方面是有益的。然而應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，這種描述僅僅是示例性而非限制性的，并且本 發(fā)明的方面適于在測(cè)量電容以及計(jì)算電容測(cè)量值的相對(duì)大小或比率的許多應(yīng)用中實(shí)施。例 子包括儀表、壓力表以及較小距離、面積和濕度的測(cè)量。圖IA至IC示出了適于實(shí)施本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例的電容測(cè)量裝置的觸摸傳感器的例 子。在某些應(yīng)用中，通過(guò)測(cè)量傳感器表面一個(gè)或多個(gè)位置處因存在觸摸物體而產(chǎn)生的電容 或相對(duì)電容，所示裝置可確定與連接到傳感器表面的觸摸物體相關(guān)的信息。例如，圖IA的 裝置10表示4線電容式傳感器系統(tǒng)(也稱為模擬電容式)，其中位于傳感器12的四個(gè)拐角 處的電容CxI至Cx4用控制器14進(jìn)行測(cè)量。傳感器12可為連續(xù)電阻層(例如可以商品名 Cleartek從3M Touch Systems, Inc.商購(gòu)獲得的電容式觸摸傳感器)、圖案化或分段電阻 層(例如在提交于2007年4月12日的、共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)序列號(hào)No. 11/734，553中所公開(kāi) 的傳感器)或任何其他合適的傳感器。又如，圖IB的裝置20表示矩陣電容傳感器系統(tǒng)，該 系統(tǒng)包括相互垂直的若干組電極以及測(cè)量每個(gè)電極電容的控制器24(例如美國(guó)專利公開(kāi) 2007/0074913中所公開(kāi)的類型)。本發(fā)明的實(shí)施例還可用于測(cè)量按鈕和開(kāi)關(guān)應(yīng)用(單獨(dú)或 陣列)、線性滑塊控件等的電容。例如，圖IC的裝置30表示電容式按鈕傳感器系統(tǒng)30，該 系統(tǒng)包括傳感表面32和用來(lái)測(cè)量傳感器表面電容的控制器34。如圖所示，圖IA的系統(tǒng)10示出了 4線觸摸實(shí)施例，其包括連接到微處理器16和模 擬電容式傳感器12的觸摸控制器14。在示例性實(shí)施例中，控制器14執(zhí)行諸如觸摸信號(hào)調(diào) 節(jié)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)處理的功能，而微處理器16則執(zhí)行諸如濾波和觸摸坐標(biāo)計(jì)算的功能。 控制器14利用電流源18a至18d驅(qū)動(dòng)電容測(cè)量位置處的傳感器12。當(dāng)導(dǎo)電的觸摸物體連 接到傳感器12時(shí)，測(cè)量每個(gè)拐角處的所得電容，這些電容用集總電容CxI至Cx4表示。為便 于舉例說(shuō)明，本文結(jié)合電流驅(qū)動(dòng)電路描述示例性實(shí)施例。如圖所示，圖IB的系統(tǒng)20示出了矩陣觸摸傳感器實(shí)施例，其包括連接到微處理器 26和矩陣電容式傳感器30的觸摸控制器24。在示例性實(shí)施例中，控制器24執(zhí)行諸如觸摸 信號(hào)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)處理的功能，而微處理器26則執(zhí)行諸如濾波和觸摸坐標(biāo)計(jì)算的 功能。如圖IB所示，出于舉例說(shuō)明的目的，控制器24通過(guò)分別連接到不同傳感電極上的9 個(gè)電流源28a至28i驅(qū)動(dòng)傳感器30。電極被布置成包括底部電極32和頂部電極36至39 的相互垂直的若干組線性棒。寄生電容(未示出)將底部電極32以及頂部電極36至39 接地。還可以存在互電容(未示出)，用于將每個(gè)底部電極32連接到相鄰的底部電極，以及 將每個(gè)底部電極32連接到頂部電極36至39中的每一個(gè)。在某些實(shí)施例中，傳感器30包 括導(dǎo)電罩31，用于減小可能因寄生電容而流動(dòng)的電流。導(dǎo)電罩30可以連接到固定電壓(未 示出)或由交流電信號(hào)Vs驅(qū)動(dòng)，該信號(hào)可以(例如)約等于施加到電極32上的電壓信號(hào)。 減小導(dǎo)電罩31與電極32之間以及導(dǎo)電罩31與電極36至39之間的交流電壓差，會(huì)減少流 經(jīng)互(寄生)電容的電容性電流。由于寄生電容往往會(huì)降低對(duì)觸摸電容變化的敏感度，因此這樣做是可取的。如圖所示，圖IC的系統(tǒng)40示出了電容式按鈕實(shí)施例，其包括連接到微處理器46 和傳感器表面42的觸摸控制器44。在示例性實(shí)施例中，控制器44執(zhí)行諸如觸摸信號(hào)調(diào)節(jié)、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)處理的功能，而微處理器46則執(zhí)行諸如濾波和觸摸坐標(biāo)計(jì)算的功能。控制 器44利用電流源48驅(qū)動(dòng)傳感器表面42。當(dāng)導(dǎo)電的觸摸物體連接到傳感器42時(shí)，測(cè)量所得 電容Cx。如上所述，可利用所示電流驅(qū)動(dòng)電路以及電壓驅(qū)動(dòng)電路實(shí)施系統(tǒng)40。Cx為寄生電 容和觸摸電容的組合。圖2所示電路200示出了可用于某些實(shí)施例的電路的例子，該電路用來(lái)向未知電 容提供脈沖電流以測(cè)量電容。電路200包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)Sl和S2，分別用來(lái)將電容Cx連接到 電壓Va和Vb。例如，電壓Va可等于電壓Vcc (如5V)，電壓Vb可接地。當(dāng)開(kāi)關(guān)Sl閉合而 開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)時(shí)，電容Cx經(jīng)電阻器R連接到電壓Va，從而以電流I為電容Cx充電。當(dāng)開(kāi)關(guān) Sl斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)S2閉合時(shí)，電容Cx放電至電平Vb，例如零電位。如圖所示，當(dāng)電壓信號(hào)Vm達(dá) 到門限時(shí)，比較器G用來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)可用來(lái)在(例如)充電模式和放電模式 之間切換。電路200可使用外部開(kāi)關(guān)構(gòu)成，或作為另外一種選擇由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并行輸入/輸 出(PIO)端口和外部電阻器構(gòu)成。例如，開(kāi)關(guān)Sl可為PIO端口的上拉FET，而開(kāi)關(guān)S2可為 第二 PIO端口的下拉FET。充電過(guò)程中(Si閉合，S2斷開(kāi))，電容Cx將以R-C時(shí)間常數(shù)RXCx充電。當(dāng)電壓信 號(hào)Vm達(dá)到比較器G的開(kāi)關(guān)門限時(shí)，可利用觸發(fā)信號(hào)停止充電周期。充電過(guò)程中經(jīng)過(guò)的時(shí)間 與電容(；成比例，并且假定電阻R已知，電容Cx是可以計(jì)算出的。此外，Cx變化會(huì)導(dǎo)致充電 時(shí)間成比例變化。在達(dá)到門限電平之后，Sl斷開(kāi)且S2閉合，以將Cx放電至零電位，例如，在 準(zhǔn)備另一充電周期過(guò)程中。對(duì)于觸摸面板應(yīng)用，典型觸摸電容為約1至20pf，而同一系統(tǒng)中的寄生電容可在 20pf至2000pf以上的范圍內(nèi)。測(cè)量充電次數(shù)時(shí)，出于實(shí)際考慮，可將時(shí)間分辨率限制為約 40nSec。因此，假設(shè)在存在相對(duì)較大噪聲的情況下測(cè)量電容的微小變化，為了能夠取得理想 的測(cè)量分辨率(0. )，希望充電周期時(shí)間大于40 μ sec。假設(shè)門限電壓信號(hào)Vth = l/2Va, 則R-C時(shí)間常數(shù)RXCx應(yīng)大于50 μ sec = 200pf X R。因此，至少要求R = 250K。相似地，如 果在存在2000pf寄生電容的情況下測(cè)量2pf的觸摸信號(hào)，則需要0. 01%的分辨率，故R = 2. 5M。充電過(guò)程中可通過(guò)脈沖方式斷開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)Sl來(lái)操作電路200，而不是讓Sl始終 處于閉合狀態(tài)。通過(guò)脈沖方式操作開(kāi)關(guān)Si，電路可將電阻器R視為具有與Sl脈沖的占空比 成反比的有效值。因此，R的有效電阻可在程序控制下變化，以得到所需的測(cè)量分辨率。電 路200的脈沖操作的時(shí)序例子為(1)閉合S2，將Cx復(fù)位為OV ； (2)復(fù)位脈沖計(jì)數(shù)器；(3)在 脈沖周期內(nèi)閉合Si，然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Sl ;(4)遞增脈沖計(jì)數(shù)器；(5)測(cè)試比較器門限觸發(fā)信 號(hào)是否已由低變高；(6)如果測(cè)試結(jié)果是肯定的，則存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器中的值并結(jié)束操作；(7)如 果測(cè)試結(jié)果是否定的，則從步驟(3)重新開(kāi)始。可利用計(jì)數(shù)器中存儲(chǔ)的值確定電容Cx。可 根據(jù)需要重復(fù)步驟(1)至(7)多次，例如為了達(dá)到某個(gè)測(cè)量分辨率。此類電路操作的數(shù)值 例子如下R = 1ΜΩ ；步驟(3)的脈沖時(shí)間=200nsec ；步驟(3)至(5)的測(cè)量循環(huán)時(shí)間= 1 μ sec ；分辨率達(dá)到0. 所需的脈沖數(shù)=1000 ；以及總測(cè)量時(shí)間=Imsec0對(duì)具有多個(gè)同時(shí)測(cè)量多個(gè)電容的電路(例如電路200)的系統(tǒng)，可執(zhí)行類似的步驟。在某些實(shí)施例中，可使用單個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器，并且當(dāng)每個(gè)各自電路的比較器因達(dá)到其電壓 門限而觸發(fā)時(shí)，可將計(jì)數(shù)器中的值存儲(chǔ)在與該電路相關(guān)的寄存器中。重復(fù)上述步驟，直到所 有電路的電壓信號(hào)都達(dá)到門限。雖然所述電路200的Va = Vcc而Vb =零電位，但情況可以相反，即使得Va =零 電位而Vb = Vcc。在這種情況下，電壓信號(hào)斜坡從Vcc (而不是0V)處開(kāi)始，并且向零電位 (而不是Vcc)斜坡變化，但基本功能不變。在一些實(shí)施例中，可能理想的是斜坡從較高電平 開(kāi)始，特別是在使用PIO下拉FET脈沖操作開(kāi)關(guān)Sl的情況下，當(dāng)希望斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2時(shí)，通過(guò) 將PIO配置為集電極開(kāi)路來(lái)執(zhí)行開(kāi)關(guān)S2的功能。在一些實(shí)施例中，可能理想的是在從較高電壓開(kāi)始斜坡與從零電位開(kāi)始斜坡之間 交替。這樣，可通過(guò)平均交替Cx測(cè)量的結(jié)果減小低頻噪聲的影響。除了用脈沖電流為電容充電之外或作為另外一種選擇，可使用恒定電流充電階 段，例如為了將電壓信號(hào)更快地斜坡變化至脈沖所需電平。圖3所示電路300示出了可用于某些實(shí)施例的另一個(gè)示例性電路，該電路可用來(lái) 向未知電容提供脈沖電流以測(cè)量電容。可利用單個(gè)Pio端口實(shí)現(xiàn)電路300，因此為便于了舉 例說(shuō)明，方框310內(nèi)所示為芯片上集成的元件，其他元件則以外接或芯片上集成的形式提 供。電路300具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)Sl和S2，分別用來(lái)將電容Cx連接到Vcc或地。開(kāi)關(guān)Sl和S2 均通過(guò)設(shè)置在節(jié)點(diǎn)Vo與電壓信號(hào)Vm之間的電阻器R連接到電容Cx。寄生電容(；包括PIO 電路電容，并且從R互連至PIO。Cp的典型大小為約IOpf。類似于圖2中的電路200，電路 300也包括比較器G。電路300可按照結(jié)合電路200所述相同順序操作。在操作電路方面的額外考慮可 能包括在復(fù)位步驟中，將開(kāi)關(guān)S2閉合足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以通過(guò)高電阻R對(duì)Cx放電；如果節(jié)點(diǎn) Vo處的寄生電容Cp相對(duì)于Cx明顯較大，則在脈沖之間留足夠的時(shí)間以使Cp可經(jīng)R向Cx放 H1^ ο在某些實(shí)施例中，通過(guò)交替產(chǎn)生正電流斜坡(如使開(kāi)關(guān)Sl產(chǎn)生脈動(dòng))和負(fù)電流斜 坡(如使開(kāi)關(guān)S2產(chǎn)生脈動(dòng))來(lái)操作電路300 (和類似的電路200)，從而有助于減小低頻噪 聲的影響。電路300的脈沖操作的時(shí)序例子為(1)閉合S2，將Cx復(fù)位為OV ；⑵復(fù)位脈沖 計(jì)數(shù)器；(3)在脈沖周期內(nèi)閉合Si，然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Sl ； (4)遞增脈沖計(jì)數(shù)器；(5)測(cè)試比較器 門限觸發(fā)信號(hào)是否已由低變高；(6)如果測(cè)試結(jié)果是肯定的，將計(jì)數(shù)器的數(shù)值存儲(chǔ)到存儲(chǔ) 器位置(Mp)并轉(zhuǎn)到步驟(8)以結(jié)束正斜坡；(7)如果測(cè)試結(jié)果是否定的，則從步驟(3)重新 開(kāi)始；(8)閉合開(kāi)關(guān)Si，將所有Cx復(fù)位到Vcc; (9)復(fù)位脈沖計(jì)數(shù)器；(10)在脈沖周期內(nèi)閉 合開(kāi)關(guān)S2，然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2 ;(11)測(cè)試比較器門限觸發(fā)信號(hào)是否已由高變低；(12)如果測(cè) 試結(jié)果是肯定的，則將計(jì)數(shù)器的數(shù)值存儲(chǔ)到另一存儲(chǔ)器位置(Mn)并結(jié)束負(fù)斜坡；(13)如果 測(cè)試結(jié)果是否定的，則從步驟(10)重新開(kāi)始；(14)合并存儲(chǔ)器位置Mp和Mn的存儲(chǔ)值(例 如取它們的平均值)。步驟(1)至(14)可重復(fù)所需次數(shù)，以達(dá)到改善對(duì)開(kāi)關(guān)Sl和S2中低 頻電流和漏電流的抗擾度的結(jié)果。圖4Α和4Β示出了示例性電流驅(qū)動(dòng)電路100Α和100Β，電流驅(qū)動(dòng)電路可用來(lái)驅(qū)動(dòng)傳 感器表面上的一個(gè)或多個(gè)電極和/或傳感器表面上電極的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量位置。在圖4Α 中，轉(zhuǎn)換器104Α從電流源IS+和IS-向電容Cx注入正和/或負(fù)脈沖電流，從而產(chǎn)生正電壓 斜坡信號(hào)和負(fù)電壓斜坡信號(hào)。轉(zhuǎn)換器104Α包括在達(dá)到電壓門限時(shí)向控制邏輯106Α提供觸
8發(fā)信號(hào)Trig的比較器A。電容Cx可與完成多個(gè)斜坡周期所需的累積斜坡時(shí)間和/或斜坡 脈沖數(shù)相關(guān)聯(lián)。計(jì)數(shù)器108 (也用Ctr表示)可用于遞增時(shí)鐘周期數(shù)和/或脈沖數(shù)。低電 壓門限和高電壓門限(本文中用-Vth和+Vth表示)可用作滯回比較器A(施密特觸發(fā)器) 的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。以所需速率脈動(dòng)正向電流發(fā)生器IS+和反向電流發(fā)生器IS-，產(chǎn)生斜坡信號(hào)V。 IS+脈動(dòng)時(shí)，電流脈沖流入Cx，生成階躍上升的電壓信號(hào)斜坡。斜坡周期可交替和重復(fù)所 需次數(shù)，這具體取決于所需測(cè)量分辨率、響應(yīng)時(shí)間等。圖4B示出了另一個(gè)示例性驅(qū)動(dòng)電路100B，該電路包括具有比較器A的轉(zhuǎn)換器 104B,比較器A向控制計(jì)數(shù)器108B開(kāi)關(guān)的控制邏輯106B提供觸發(fā)信號(hào)Trig，與圖4A的轉(zhuǎn) 換器104A非常類似。驅(qū)動(dòng)電路100B還包括三態(tài)驅(qū)動(dòng)器D和電阻器R(代替了圖4A的轉(zhuǎn)換 器104A中所示的電流源IS+和IS-)，以產(chǎn)生進(jìn)入電容器Cx的電流。電路100B可通過(guò)簡(jiǎn)單 開(kāi)關(guān)而不是控制器內(nèi)的模擬電流源來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5示出了具有4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路1421至1424的控制器1230，這些電路分別用來(lái)測(cè) 量(例如)4線模擬電容式觸摸傳感器的傳感器表面或矩陣式電容觸摸傳感器四個(gè)電極上 不同位置處的電容CxI至Cx4。如圖所示，驅(qū)動(dòng)電路1421至1424均為類似于圖4A所示轉(zhuǎn) 換器104A的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。應(yīng)當(dāng)理解，可使用圖4B所示轉(zhuǎn)換器以及電壓驅(qū)動(dòng)電路。雖然圖 5僅詳細(xì)示出了轉(zhuǎn)換器1421，但應(yīng)當(dāng)理解，轉(zhuǎn)換器1422、1423和1424的每一個(gè)都包括對(duì)應(yīng) 的部件。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)電容測(cè)量位置使用單獨(dú)的測(cè)量信道，對(duì)于矩陣觸摸傳感器來(lái)說(shuō)，測(cè) 量位置數(shù)可以等于單個(gè)電極的數(shù)量(例如，8X8電極矩陣的測(cè)量位置為16個(gè))。轉(zhuǎn)換器1421至1424均被構(gòu)造用于通過(guò)從電流源向電容CxI至Cx4交替注入正向 脈沖電流和反向脈沖電流來(lái)產(chǎn)生正向(+)和反向(_)脈沖斜坡信號(hào)。例如，轉(zhuǎn)換器1421包 括電流源ISl+和IS1-，并且按照一致的命名方式(雖然未示出)，轉(zhuǎn)換器1422包括電流源 IS2+和IS2-，轉(zhuǎn)換器1423包括電流源IS3+和IS3-，轉(zhuǎn)換器1424包括電流源IS4+和IS4-， 本文使用IS+和IS-表示上下文所指示的任何或全部電流源。在示例性實(shí)施例中，電流源大 小相等，因此 ISl+ = ISl- = IS2+ = IS2- = IS3+ = IS3- = IS4+ = IS4-。轉(zhuǎn)換器 1421 也包括在達(dá)到門限時(shí)向控制邏輯1439提供觸發(fā)信號(hào)的比較器Ala。可根據(jù)高門限和低門限 來(lái)提供高觸發(fā)信號(hào)和低觸發(fā)信號(hào)。每個(gè)轉(zhuǎn)換器都類似地包括比較器。假設(shè)測(cè)量電容也相等，即CxI = Cx2 = Cx3 = Cx4，則電壓信號(hào)V1、V2、V3和V4將具 有相同斜率的斜坡。對(duì)于模擬電容式觸摸面板應(yīng)用，CxI至Cx4通常為相近值(例如，彼此 相差在約30%內(nèi))。對(duì)于許多矩陣電容式傳感器測(cè)量，通常在每個(gè)維度使用3至5個(gè)最大 的電容電極，且其他電容電極則可忽略為足夠接近零。向傳感器的觸摸輸入通常會(huì)導(dǎo)致一 個(gè)或多個(gè)電容相對(duì)于其他電容增加，從而會(huì)使具有較大電容的信道內(nèi)的電壓信號(hào)的斜坡較 緩。斜率的不同導(dǎo)致斜坡變化至門限電平(例如從諸如1/3VCC的低基準(zhǔn)電平斜坡上升，或 從諸如2/3VCC的高基準(zhǔn)電平斜坡下降)所需時(shí)間也不同。同時(shí)測(cè)量電壓信號(hào)Vl至V4的 累積斜坡時(shí)間，并利用測(cè)得的累積斜坡時(shí)間之間的差值指示CxI至Cx4之間的電容差。通過(guò)以所需速率開(kāi)啟正向電流發(fā)生器和/或反向電流發(fā)生器(例如ISl+和IS1-) 并使其脈沖變化，可以產(chǎn)生斜坡信號(hào)Vl至V4。對(duì)于轉(zhuǎn)換器1421，當(dāng)ISl+脈動(dòng)時(shí)，電流脈沖 流入Cxl，從而產(chǎn)生階躍上升的電壓信號(hào)斜坡。除非過(guò)早結(jié)束，則Vl信號(hào)將斜坡上升，直到 在+Vth處觸發(fā)比較器Ala。在該點(diǎn)處，ISl+關(guān)閉。在某些實(shí)施例中，使ISl-脈沖變化直到 比較器Ala在適當(dāng)?shù)拈T限處觸發(fā)，可使電壓信號(hào)斜坡下降。在某些實(shí)施例中，可在高電壓門限和低電壓門限之間交替執(zhí)行斜坡上升周期和斜坡下降周期，以測(cè)量電容。也可通過(guò)交替 執(zhí)行斜坡上升周期和斜坡下降周期而使信號(hào)斜坡變化至單個(gè)門限以上或以下，下文將結(jié)合 圖6和圖7詳加論述。斜坡周期可交替執(zhí)行和/或重復(fù)所需次數(shù)，具體取決于所需測(cè)量分 辨率、響應(yīng)時(shí)間等。每個(gè)時(shí)間斜率轉(zhuǎn)換器都連接到電路1425，該電路包括微控制器、存儲(chǔ)器 和編程算法，以執(zhí)行本文所述方法。可以將串行I/O端口(SI/0)和中斷請(qǐng)求端口(IRQ)連 接到(例如)微處理器或計(jì)算機(jī)(未示出)。圖6示出了可由圖5所示電路產(chǎn)生的示例性電路工作情況的時(shí)序。就圖6而言， 電阻R1-R4被視為小到可忽略不計(jì)。在第一階段，電壓信號(hào)Vl至V4以下列方式相對(duì)快速 地從Vmin向+Vth脈沖變化。在tl時(shí)刻處，相等電流的電流源ISl+至IS4+以脈沖方式開(kāi) 啟固定的時(shí)間，使得電流Il至14分別經(jīng)(小到可忽略不計(jì)的)電阻Rl至R4流入CxI至 Cx4。Vl和V2以每個(gè)電流脈沖以分別與Il/Cxl和I2/Cx2成比例的速率階躍變化的方 式斜坡上升。電壓信號(hào)V3和V4以與各自的電容Cx成反比的速率斜坡變化，本例中假設(shè)二 者的電容相等。隨著V1、V2和V3至V4從VMin向Vth階梯遞增，它們斜坡分開(kāi)，這說(shuō)明電容 Cxl大于Cx2，后者又大于電容Cx3和Cx4。公用斜坡計(jì)數(shù)器1435 (CRC)在從tl至t6時(shí)刻斜坡 變化的第1階段累加主時(shí)鐘周期數(shù)，其中t6是在信號(hào)Vl至V4中的第一個(gè)越過(guò)+Vth之后 的下一個(gè)時(shí)鐘上升沿。在該點(diǎn)處，CRC停止累加，并且電流源ISl+至IS4+全部關(guān)閉。在t6時(shí)刻處，第1階段斜坡結(jié)束，且CRC的值(本例中為10個(gè)主時(shí)鐘計(jì)數(shù))存儲(chǔ) 在公用寄存器CRC中。寄存器CRC中存儲(chǔ)的值表示測(cè)量信道之間的最小電容公用值。然后 可以將后續(xù)測(cè)量值添加到RegCRC中，以產(chǎn)生總電容值。在第2階段，出現(xiàn)如下斜坡。請(qǐng)注意，圖6中的時(shí)標(biāo)在t6時(shí)刻處變化，因此不再顯 示MClk周期。測(cè)試電壓信號(hào)Vl至V4，以確定哪個(gè)信號(hào)(如有)仍低于門限+Vth。例如， 在t7、t8、t9、tl0、tll、tl2、tl3和t 14時(shí)刻處，都對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于確定仍低于+Vth 的每個(gè)電壓信號(hào)，可遞增與該電壓信號(hào)相關(guān)的寄存器值(如圖5所示的RegAl至RegA4)。 一旦電壓信號(hào)越過(guò)+Vth，則在該階段的剩余時(shí)間內(nèi)就不再更新其相關(guān)寄存器值。通過(guò)保存 脈沖計(jì)數(shù)器或公用寄存器中累加的值(該值會(huì)隨每個(gè)新脈沖而遞增)，可以使寄存器遞增。 測(cè)試之后，電流源ISl+至IS4+中每一個(gè)都以脈沖方式開(kāi)啟預(yù)定時(shí)間，然后再次關(guān)閉。等待 信號(hào)靜止之后進(jìn)行另一測(cè)試。從電流源ISl至IS4流出的電流乘以電流脈沖的開(kāi)啟時(shí)間得 到每個(gè)脈沖期間施加到電容Cxl至Cx4中每一個(gè)上的已知電荷量。電流水平和/或脈沖持續(xù) 時(shí)間可以調(diào)節(jié)，使得每個(gè)脈沖均使Vl至V4遞增所需的量。該遞增量可以適當(dāng)調(diào)整，使得至 少一個(gè)信道上的觸摸電容在觸摸狀態(tài)與未觸摸狀態(tài)之間產(chǎn)生5至50個(gè)或更多個(gè)脈沖的變 化。當(dāng)測(cè)試顯示所有信號(hào)Vl至V4均大于+Vth時(shí)，第2階段斜坡結(jié)束。在圖6中，該 情況出現(xiàn)在til時(shí)刻處。在第2階段斜坡結(jié)束處，可利用第1階段斜坡變化過(guò)程中計(jì)數(shù)器 CRC中累積的公用值確定電容Cxl至Cx4，并且將值存儲(chǔ)在每個(gè)寄存器RegAl至RegA4中。例 如，RegAl中的值可加到CRC中的值上，得到與Cxl成比例的總斜坡值，在本例中為14。RegA2 中的值可加到CRC中的值上，得到與Cx2成比例的總斜坡值，在本例中為12。RegA3中的值 可加到CRC中的值上，得到與Cx3成比例的總斜坡值，在本例中為10。RegA4中的值可加到 CRC中的值上，得到與Cx4成比例的總斜坡值，在本例中為10。通過(guò)以相同或相反的斜坡方向重復(fù)第1和第 2階段，或者通過(guò)繼續(xù)測(cè)量額外的脈沖斜坡周期內(nèi)電容的相對(duì)變化，可以優(yōu)化和/或調(diào)整計(jì) 算得出的電容值。對(duì)于許多觸摸傳感器系統(tǒng)，尤其是矩陣觸摸傳感器系統(tǒng)，相對(duì)電容值和/ 或電容值相對(duì)于基線的變化均為必需的。圖6中的第3和第4階段舉例說(shuō)明了脈沖斜坡在門限兩側(cè)來(lái)回波動(dòng)的情形，本例 中門限為+Vth，所有信道在til時(shí)刻處越過(guò)門限。第3階段的過(guò)程非常類似第2階段，不同 的是電流脈沖為負(fù)電流，例如來(lái)自電流源IS-的負(fù)電流，并且當(dāng)所有信道均低于門限+Vth 時(shí)，斜坡結(jié)束。第4階段在脈沖正電流的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)，直到所有信道均再次高于門限+Vth。 給定信道在某個(gè)階段越過(guò)門限所需的脈沖數(shù)存儲(chǔ)在與該信道相關(guān)的寄存器中。在某些實(shí)施 例中，在相對(duì)電容測(cè)量階段可使用不同于絕對(duì)電容測(cè)量階段的寄存器。例如，在第3和第4 階段，寄存器RegAl至RegA4中的值(在第2階段結(jié)束處與絕對(duì)電容有關(guān))可保留下來(lái)。因 此，每個(gè)信道可與另一個(gè)包含相對(duì)電容值的寄存器(例如寄存器RegBl至RegB4)相關(guān)，其 中相對(duì)電容值可通過(guò)以下步驟確定。在tl2時(shí)刻處，相等負(fù)電流的電流源ISl-至IS4-以脈沖方式開(kāi)啟較短時(shí)間(如約 50至lOOnSec)，使得電流Il至14分別流入Cxl至Cx4。允許電壓信號(hào)在新的電平下達(dá)到靜 止?fàn)顟B(tài)，新電平逐步低于tl2時(shí)刻處的電平。由給定信道內(nèi)的電流脈沖引起的電壓遞增變 化與該信道的被測(cè)電容成反比。在tl3時(shí)刻處開(kāi)始下一脈沖之前，測(cè)試相對(duì)于+Vth的電壓 信號(hào)電平，對(duì)于仍高于+Vth的任何信道，遞增各自寄存器RegB (RegBl至RegB4)的值。執(zhí) 行相同的過(guò)程，在tl4、tl5和tl6時(shí)刻處測(cè)量并遞增一個(gè)或多個(gè)寄存器，直到tl7時(shí)刻處的 測(cè)試顯示所有電壓信號(hào)Vl至V4均低于+Vth。在該點(diǎn)處，第3階段結(jié)束，第4階段開(kāi)始。在tl8時(shí)刻處，相等正電流的電流源ISl+至IS4+以脈沖方式開(kāi)啟較短時(shí)間(如 約50至lOOnSec)，使得電流Il至14分別流入Cxl至Cx4。在電流脈沖之后，允許電壓信號(hào) 在新的電平下達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)，新電平逐步高于tl8時(shí)刻處的電平。由給定信道內(nèi)的電流脈 沖引起的電壓遞增變化與該信道的被測(cè)電容成反比。在tl9時(shí)刻處開(kāi)始下一脈沖之前，測(cè) 試相對(duì)于+Vth的電壓信號(hào)電平，對(duì)于仍低于+Vth的任何信道，遞增各自寄存器RegB的值。 執(zhí)行相同的過(guò)程，在t20、t21和t22時(shí)刻處測(cè)量并遞增一個(gè)或多個(gè)寄存器，直到t23時(shí)刻 處的測(cè)試顯示所有電壓信號(hào)Vl至V4均高于+Vth。該點(diǎn)處，第4階段結(jié)束。在該簡(jiǎn)單例子 中，Vl至V4的增量值在第2、3和4階段保持不變，即Vl = 4、V2 = 2和V3 = V4 = 0。在 典型的例子中，當(dāng)觸摸傳感器電極時(shí)，Vl至V4中一個(gè)或多個(gè)的增量值將變化。寄存器RegBl至RegB4中的總計(jì)數(shù)表示各自信道測(cè)量的相對(duì)電容差。類似的斜坡 變化可根據(jù)需要執(zhí)行，例如為了提高測(cè)量分辨率。通過(guò)重復(fù)第1和第2階段中所述的操作 步驟或其對(duì)應(yīng)的負(fù)斜坡，可以隨時(shí)重新測(cè)量絕對(duì)電容。在相同的方向(即都使用正電流或 都使用負(fù)電流)上執(zhí)行第1和第2階段斜坡變化有助于減小低頻噪聲，包括來(lái)自電流源IS+ 和IS-的漏電流的影響。大于電壓信號(hào)增量步長(zhǎng)的隨機(jī)噪聲通常會(huì)使門限水平高頻振動(dòng)，從而使越過(guò)和再 次越過(guò)門限所需的脈沖數(shù)變化，即使被測(cè)電容水平保持不變亦如此。可利用大量測(cè)量周期 (即過(guò)采樣)來(lái)平衡門限高頻振動(dòng)，從而提高測(cè)量分辨率。如果不存在足夠的噪聲，則可以 采用其他高頻振動(dòng)方法達(dá)到相同效果，例如可隨機(jī)變化門限，也可隨機(jī)高頻振動(dòng)電流脈沖 的脈沖寬度。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，通過(guò)多次重復(fù)第3和第4階段的步驟并將結(jié)果組
11合，可實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣。每個(gè)測(cè)量周期的結(jié)果可加到前面的測(cè)量周期結(jié)果或與之求平均值，或者 可采用諸如Boxcar濾波法的方法過(guò)濾結(jié)果，以產(chǎn)生像增加測(cè)量次數(shù)那樣提高了分辨率的 更新值。圖7示出了示例性電路工作的時(shí)序，其可由圖5所示電路在電阻Rl至R4較大的 情況下產(chǎn)生。在第一階段，電壓信號(hào)Vl至V4以下列方式相對(duì)快速地從Vmin向+Vth脈沖 變化。在tl時(shí)刻處，相等電流的電流源ISl+至IS4+以脈沖方式開(kāi)啟固定的時(shí)間，使得電 流Il至14分別經(jīng)電阻Rl至R4流入Cxl至Cx4。由于電流流過(guò)電阻Rl至R4，電壓信號(hào)Vl 至V4在tl時(shí)刻處急劇地階躍增加\。Vk的大小可隨電阻大小而變化，并且在一些情況下， 通過(guò)(例如)調(diào)節(jié)觸摸傳感器電極的電阻或增加與觸摸傳感器電極串聯(lián)的電阻器，可以將 Vk調(diào)節(jié)到所需電平。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，所示電極電阻Rl至R4為分立電阻器，但應(yīng)當(dāng)理解，電極 電阻、寄生電容甚至觸摸電容都可以沿電極長(zhǎng)度分布。結(jié)合圖7所述的方法也適用于分布 電阻和電容。在初始步長(zhǎng)之后，Vl以每個(gè)電流脈沖以與Il/Cxl成比例的速率階躍變化的方式斜 坡上升。電壓信號(hào)V2至V4以與各自的電容Cx成反比的速率斜坡變化，本例中假設(shè)這些電 容相等。公用斜坡計(jì)數(shù)器1435 (CRC)在從tl至t6時(shí)刻斜坡變化的第1階段累加主時(shí)鐘周 期數(shù)，其中t6是在信號(hào)Vl至V4中的第一個(gè)越過(guò)+Vth (發(fā)生在t5時(shí)刻處)之后的下一個(gè) 時(shí)鐘上升沿。在該時(shí)點(diǎn)處，CRC停止累加，并且電流源ISl+至IS4+全部關(guān)閉。關(guān)閉電流源 導(dǎo)致信號(hào)Vl至V4隨著電阻器Rl至R4兩端的電壓降低而快速斜坡下降。這種向下的信號(hào) 電平調(diào)整使得信號(hào)Vl至V4下降至+Vth以下。在t6時(shí)刻處，第1階段斜坡結(jié)束，CRC的值(本例中為10個(gè)主時(shí)鐘周期數(shù))存儲(chǔ) 在公用寄存器RegCRC中。寄存器RegCRC中存儲(chǔ)的值表示測(cè)量信道之間的最小電容公用值。 然后可以將后續(xù)測(cè)量值添加到RegCRC中，以產(chǎn)生總電容值。在第2階段，出現(xiàn)如下斜坡。首先，在t6時(shí)刻之后允許等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以使得 電阻器Rl至R4兩端的電壓接近零。足夠長(zhǎng)的時(shí)間通常為約R-C時(shí)間常數(shù)平均值的數(shù)倍。 在所示例子中，等待了四個(gè)MClk周期來(lái)達(dá)到信號(hào)靜止?fàn)顟B(tài)(請(qǐng)注意，圖7中的時(shí)標(biāo)在t6時(shí) 刻處變化)。等待時(shí)間可利用微處理器進(jìn)行控制，并且不需要與MClk同步化或以任何方式 關(guān)聯(lián)。實(shí)現(xiàn)信號(hào)靜止之后，測(cè)試電壓信號(hào)Vl至V4(在無(wú)電流的情況下)，以確定哪個(gè)信號(hào) (如有)仍低于門限+Vth。例如，在t7、t8、t9、tlO、til、tl2、tl3和tl4時(shí)刻處，都對(duì)信 號(hào)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于確定仍低于+Vth的每個(gè)電壓信號(hào)，可遞增與該電壓信號(hào)相關(guān)的寄存器值 (如圖5所示的RegAl至RegA4)。一旦電壓信號(hào)越過(guò)+Vth，則在該階段的剩余時(shí)間內(nèi)就不 再更新其相關(guān)寄存器值。通過(guò)保存脈沖計(jì)數(shù)器或公用寄存器中累加的值(該值會(huì)隨每個(gè)新 脈沖而遞增)，可以使寄存器遞增。測(cè)試之后，電流源ISl+至IS4+中每一個(gè)都以脈沖方式 開(kāi)啟預(yù)定時(shí)間，然后再次關(guān)閉。等待信號(hào)靜止之后進(jìn)行另一測(cè)試。從電流源ISl至IS4流 出的電流乘以電流脈沖的開(kāi)啟時(shí)間得到每個(gè)脈沖期間施加到電容Cxl至Cx4中每一個(gè)上的已 知電荷量。電流水平和/或脈沖持續(xù)時(shí)間可以調(diào)節(jié)，使得每個(gè)脈沖均使Vl至V4遞增所需 的量。該遞增量可以適當(dāng)調(diào)整，使得至少一個(gè)信道上的觸摸電容在觸摸狀態(tài)與未觸摸狀態(tài) 之間產(chǎn)生5至50個(gè)或更多個(gè)脈沖的變化。當(dāng)測(cè)試顯示所有信號(hào)Vl至V4均大于+Vth時(shí)，第2階段斜坡結(jié)束。在圖7中，該 情況出現(xiàn)在tl5時(shí)刻處。在第2階段斜坡結(jié)束處，可利用第1階段斜坡變化過(guò)程中計(jì)數(shù)器CRC中累積的公用值確定電容Cxl至Cx4，并且將該值存儲(chǔ)在每個(gè)寄存器RegAl至RegA4中。 例如，RegAl中的值可加到CRC中的值上，得到與Cxl成比例的總斜坡值，RegA2中的值可加 到CRC中的值上，得到與Cx2成比例的總斜坡值，RegA3中的值可加到CRC中的值上，得到與 Cx3成比例的總斜坡值，以及RegA4中的值可加到CRC中的值上，得到與Cx4成比例的總斜坡值。在第2階段之后可計(jì)算絕對(duì)電容值。通過(guò)以相同或相反的斜坡方向重復(fù)第1和第 2階段，或者通過(guò)繼續(xù)測(cè)量額外的脈沖斜坡周期內(nèi)電容的相對(duì)變化，可以優(yōu)化和/或調(diào)整計(jì) 算得出的電容值。對(duì)于許多觸摸傳感器系統(tǒng)，尤其是矩陣觸摸傳感器系統(tǒng)，相對(duì)電容值和/ 或電容值相對(duì)于基線的變化均為必需的。圖7中的第3和第4階段舉例說(shuō)明了脈沖斜坡在門限兩側(cè)來(lái)回波動(dòng)的情形，本例 中門限為+Vth，所有信道在tl5時(shí)刻處越過(guò)門限。第3階段的過(guò)程非常類似第2階段，不同 的是電流脈沖為負(fù)電流，例如來(lái)自電流源IS-的負(fù)電流，并且當(dāng)所有信道均低于門限+Vth 時(shí)，斜坡結(jié)束。第4階段在脈沖正電流的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)，直到所有信道均再次高于門限+Vth。 給定信道在某個(gè)階段越過(guò)門限所需的脈沖數(shù)存儲(chǔ)在與該信道相關(guān)的寄存器中。在某些實(shí)施 例中，在相對(duì)電容測(cè)量階段可使用不同于絕對(duì)電容測(cè)量階段的寄存器。例如，在第3和第4 階段，寄存器RegAl至RegA4中的值(在第2階段結(jié)束處與絕對(duì)電容有關(guān))可保留下來(lái)。因 此，每個(gè)信道可與另一個(gè)包含相對(duì)電容值的寄存器(例如寄存器RegBl至RegB4)相關(guān)，其 中相對(duì)電容值可通過(guò)以下步驟確定。在tl6時(shí)刻處，相等負(fù)電流的電流源ISl-至IS4-以脈沖方式開(kāi)啟較短時(shí)間(如 約50至lOOnSec)，使得電流Il至14分別經(jīng)電阻Rl至R4流入Cxl至Cx4。由于電流流過(guò)電 阻，所以電壓信號(hào)Vl至V4在tl6時(shí)刻之后急劇地階躍下降。在初始向下浪涌之后，當(dāng)電流 脈沖結(jié)束時(shí)，電壓信號(hào)Vl至V4再次階躍上升返回。允許電壓信號(hào)在新的電平下達(dá)到靜止 狀態(tài)，新電平逐步低于tl6時(shí)刻處的電平。由給定信道內(nèi)的電流脈沖引起的電壓遞增變化 與該信道的被測(cè)電容成反比。在tl7時(shí)刻處開(kāi)始下一脈沖之前，測(cè)試相對(duì)于+Vth的電壓信 號(hào)電平，對(duì)于仍高于+Vth的任何信道，遞增各自寄存器RegB (RegBl至RegB4)的值。執(zhí)行 相同的過(guò)程，在tl8、tl9和t20時(shí)刻處測(cè)量并遞增一個(gè)或多個(gè)寄存器，直到t21時(shí)刻處的測(cè) 試顯示所有電壓信號(hào)Vl至V4均低于+Vth。在該點(diǎn)處，第3階段結(jié)束，第4階段開(kāi)始。在t22時(shí)刻處，相等正電流的電流源ISl+至IS4+以脈沖方式開(kāi)啟較短時(shí)間(如約 50至lOOnSec)，使得電流Il至14分別經(jīng)電阻Rl至R4流入Cxl至Cx4。在電流脈沖之后，允 許電壓信號(hào)在新的電平下達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)，新電平逐步高于t22時(shí)刻處的電平。由給定信道 內(nèi)的電流脈沖引起的電壓遞增變化與該信道的被測(cè)電容成反比。在t23時(shí)刻處開(kāi)始下一脈 沖之前，測(cè)試相對(duì)于+Vth的電壓信號(hào)電平，對(duì)于仍低于+Vth的任何信道，遞增各自的寄存 器RegB的值。執(zhí)行相同的過(guò)程，在t24、t25和t26時(shí)刻處測(cè)量并遞增一個(gè)或多個(gè)寄存器， 直到t27時(shí)刻處的測(cè)試顯示所有電壓信號(hào)Vl至V4均高于+Vth。該點(diǎn)處，第4階段結(jié)束。寄存器RegBl至RegB4中的總計(jì)數(shù)表示各自信道測(cè)量的相對(duì)電容差。類似的斜坡 變化可根據(jù)需要執(zhí)行，例如為了提高測(cè)量分辨率。通過(guò)重復(fù)第1和第2階段中所述的操作 步驟或其對(duì)應(yīng)的負(fù)斜坡，可以隨時(shí)重新測(cè)量絕對(duì)電容。在相同的方向(即都使用正電流或 都使用負(fù)電流)上執(zhí)行第1和第2階段斜坡變化有助于減小低頻噪聲，包括來(lái)自電流源IS+ 和IS-的漏電流的影響。
大于電壓信號(hào)增量步長(zhǎng)的隨機(jī)噪聲通常會(huì)使門限水平高頻振動(dòng)，從而使越過(guò)和再 次越過(guò)門限所需的脈沖數(shù)變化，即使被測(cè)電容水平保持不變亦如此。可利用大量測(cè)量周期 (即過(guò)采樣)來(lái)平衡門限高頻振動(dòng)，從而提高分辨率。如果不存在足夠的噪聲，則可以采用 其他高頻振動(dòng)方法達(dá)到相同效果，例如可隨機(jī)變化門限，也可隨機(jī)高頻振動(dòng)電流脈沖的脈 沖寬度。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，通過(guò)多次重復(fù)第3和第4階段的步驟并將結(jié)果組合，可 實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣。每個(gè)測(cè)量周期的結(jié)果可加到前面的測(cè)量周期結(jié)果或與之求平均值，或者可采 用諸如Boxcar濾波法的方法過(guò)濾結(jié)果，以產(chǎn)生像增加測(cè)量次數(shù)那樣提高了分辨率的更新 值。作為另外一種選擇，同時(shí)開(kāi)啟公用斜坡計(jì)數(shù)器(CRC)和電流源IS+，并使計(jì)數(shù)器和 電流源一直開(kāi)啟到信號(hào)Vl至V4中的一個(gè)越過(guò)門限+Vth，也可以產(chǎn)生圖6和圖7所示的第 1階段斜坡。然后，可以使用上述脈沖斜坡將上述過(guò)程序執(zhí)行額外的斜坡變化階段。這樣可 能在第1階段產(chǎn)生更快的斜坡變化，同時(shí)相應(yīng)降低測(cè)量信道之間最小電容公用值的測(cè)量分辨率。應(yīng)當(dāng)理解，雖然是結(jié)合雙向斜坡變化(即，斜坡上升至高門限然后再斜坡下降至 低門限，脈沖斜坡在單個(gè)門限兩側(cè)來(lái)回波動(dòng)，等)描述和示出了電路工作情況，但也可使用 單向斜坡實(shí)施本發(fā)明的方法和電路，例如美國(guó)專利No. 6，466，036中所公開(kāi)的電容測(cè)量電 路。例如，在某些實(shí)施例中，當(dāng)電壓信號(hào)達(dá)到或越過(guò)門限，信道可同時(shí)復(fù)位為基準(zhǔn)電平(如 零)，然后再重新執(zhí)行信號(hào)斜坡。信號(hào)斜坡可為指數(shù)級(jí)的，尤其是當(dāng)采用相對(duì)較低電阻的電流源(例如圖4B所示 電壓源和電阻器的組合)時(shí)，這樣測(cè)量結(jié)果(△計(jì)數(shù)/△電容)在電容范圍內(nèi)將不會(huì)是線 性的。如果需要，可通過(guò)遞增或連續(xù)地改變脈沖寬度或脈沖間距來(lái)獲得額外的線性度。例 如，如果斜坡斜率降低10%，則脈沖間距可以增大10%，從而使得脈沖頻率更接近于斜坡 斜率。在某些實(shí)施例中，可能有利的是使每個(gè)電壓信號(hào)保持或接近相同的電平，例如以 減少電容測(cè)量位置之間因電平差異而產(chǎn)生的電流。通過(guò)相位調(diào)整，例如根據(jù)前面斜坡的結(jié) 果單獨(dú)調(diào)整后續(xù)信號(hào)斜坡的相對(duì)開(kāi)始時(shí)間(請(qǐng)注意，測(cè)量較大電容的信道的信號(hào)斜坡將滯 后于其他信道的信號(hào)斜坡)，可在一系列測(cè)量中均衡信號(hào)。作為另外一種選擇或除了調(diào)整 斜坡開(kāi)始時(shí)間之外，可選擇性地忽略斜坡變化過(guò)程中來(lái)自一個(gè)或多個(gè)信道的電流脈沖，以 調(diào)整斜坡。對(duì)要忽略脈沖的選擇可以迭代進(jìn)行，也就是說(shuō)，根據(jù)前面的斜坡結(jié)果調(diào)整后續(xù)斜 坡。例如，測(cè)量最大電容的信道可用于設(shè)置脈沖總數(shù)，并且可根據(jù)其他信道的相對(duì)電容差忽 略來(lái)自其他信道中每一個(gè)的脈沖以減緩這些脈沖。可以任何所需方式移除脈沖，例如在斜 坡期內(nèi)均勻地移除或隨機(jī)移除。由此獲得的相對(duì)相位調(diào)整效果類似于共同轉(zhuǎn)讓的臨時(shí)專利 申請(qǐng)No. 61/017，451中所描述的情形。如本文所述，可通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位減小電容測(cè)量位置之間的電流。應(yīng)當(dāng)理 解，對(duì)于諸如圖IA和IB所示觸摸傳感器系統(tǒng)的普通對(duì)地電容測(cè)量系統(tǒng)，可利用驅(qū)動(dòng)同相信 號(hào)有利地最小化互(電極間)電容。在其他系統(tǒng)中，可利用驅(qū)動(dòng)異相相鄰電容測(cè)量位置改 善電極間互電容的測(cè)量效果。例如，希望測(cè)量并且從而提高在利用并聯(lián)電容測(cè)量的觸摸檢 測(cè)產(chǎn)品(例如，可從Analog Devices，Inc商購(gòu)獲得的AD7142)中的電極間互電容。本文所 述相位控制法可以用于將測(cè)量信道調(diào)節(jié)為同相或異相。
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上文對(duì)于本發(fā)明的各種實(shí)施例的描述，其目的在于進(jìn)行舉例說(shuō)明和描述，并非意 圖窮舉本發(fā)明或?qū)⒈景l(fā)明局限于所公開(kāi)的精確形式。可以按照上述教導(dǎo)內(nèi)容進(jìn)行多種修改 和變化。例如，本文所述檢測(cè)方法可以與多種觸摸工具結(jié)合使用，其中包括有線工具和包含 電池或其他電源的工具。本發(fā)明的范圍不受所述具體實(shí)施方式
的限定，而僅受所附權(quán)利要 求書的限定。
權(quán)利要求
一種用在測(cè)量電容的裝置中的方法，所述裝置通過(guò)施加電荷使與多個(gè)位置中每一個(gè)相關(guān)的各自電壓信號(hào)斜坡變化，從而測(cè)量所述多個(gè)位置中每一處的電容，所述方法包括利用一系列電荷脈沖為每個(gè)所述電容充電，從而斜坡上升所述各自的電壓信號(hào)，直到每個(gè)所述斜坡變化的電壓信號(hào)越過(guò)門限電平，并且對(duì)于每個(gè)脈沖遞增脈沖計(jì)數(shù)值，并且在等待所述電壓信號(hào)靜止之后將脈沖計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在寄存器中，所述寄存器與確定其越過(guò)門限電平的任何所述電壓信號(hào)相關(guān)；以及利用存儲(chǔ)在所述相關(guān)寄存器中的所述計(jì)數(shù)值確定所述電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在多個(gè)斜坡周期內(nèi)重復(fù)所述斜坡變化步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述多個(gè)斜坡變化周期在使所述電壓信號(hào)斜坡上 升至越過(guò)門限電平和使所述電壓信號(hào)斜坡下降至越過(guò)門限電平之間交替。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在斜坡上升所述電壓信號(hào)的步驟之前，將所述電 壓信號(hào)從低基準(zhǔn)電平斜坡變化至所述門限電平處或接近所述門限電平的高基準(zhǔn)電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括在公用寄存器中存儲(chǔ)多個(gè)主時(shí)鐘周期數(shù)，所述 多個(gè)主時(shí)鐘周期數(shù)被確定為發(fā)生在從所述低基準(zhǔn)電平向所述高基準(zhǔn)電平斜坡變化的過(guò)程 中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中確定所述電容包括將所述相關(guān)寄存器中存儲(chǔ)的所 述計(jì)數(shù)值與所述公用寄存器中存儲(chǔ)的所述主時(shí)鐘周期數(shù)結(jié)合使用。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中通過(guò)施加恒定電流使所述電壓信號(hào)從所述低基準(zhǔn) 電平斜坡變化至所述高基準(zhǔn)電平。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中通過(guò)施加脈沖電流使所述電壓信號(hào)從所述低基準(zhǔn) 電平斜坡變化至所述高基準(zhǔn)電平。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個(gè)位置中的每一個(gè)都與多個(gè)觸摸傳感器電 極中的一個(gè)相關(guān)。
10.一種用于電極電容測(cè)量裝置的方法，所述裝置通過(guò)電極電阻向所述電極施加電荷 使電壓信號(hào)斜坡變化，從而測(cè)量所述電極的電容，所述方法包括在所述電壓信號(hào)從第一基準(zhǔn)電平到第二基準(zhǔn)電平的初始斜坡變化過(guò)程中累積時(shí)鐘周 期數(shù)；利用一系列電荷脈沖對(duì)所述電容充電以使所述電壓信號(hào)斜坡上升，直到越過(guò)門限電 平，其中對(duì)于每個(gè)脈沖增加脈沖計(jì)數(shù)值，并且在所述電壓信號(hào)靜止之后才開(kāi)始另一脈沖；以 及利用所述累積的時(shí)鐘周期數(shù)和所述脈沖計(jì)數(shù)值確定所述電容。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述電荷脈沖的脈沖時(shí)間短于與所述電容和所 述電極電阻相關(guān)的RC時(shí)間常數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中等待所述電壓信號(hào)靜止包括等待一段長(zhǎng)于與所 述電容和所述電極電阻相關(guān)的RC時(shí)間常數(shù)的時(shí)間。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括在多個(gè)測(cè)量信道的每一個(gè)內(nèi)進(jìn)行所述列舉的 步驟，其中每個(gè)測(cè)量信道與不同的電容測(cè)量位置相關(guān)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括重復(fù)在多個(gè)斜坡變化周期內(nèi)斜坡上升所述電 壓信號(hào)的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述多個(gè)斜坡變化周期在使所述電壓信號(hào)斜坡 上升至越過(guò)門限電平和使所述電壓信號(hào)斜坡下降至越過(guò)門限電平之間交替。
16.一種用于測(cè)量電容的裝置，所述裝置通過(guò)施加電荷使與位置中每一個(gè)相關(guān)的各自 電壓信號(hào)斜坡變化，從而測(cè)量所述多個(gè)位置中每一處的電容，所述裝置包括斜坡控制電路，所述斜坡控制電路利用一系列電荷脈沖使所述電壓信號(hào)斜坡上升，從 而為各個(gè)電容充電；脈沖計(jì)數(shù)器，所述脈沖計(jì)數(shù)器在每個(gè)電荷脈沖之后遞增脈沖計(jì)數(shù)值；以及 多個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器與所述電壓信號(hào)中的一個(gè)相關(guān)，用于在等待所述電壓信號(hào)靜 止之后，確定所述相關(guān)電壓信號(hào)已經(jīng)越過(guò)所述門限電平時(shí)存儲(chǔ)所述脈沖計(jì)數(shù)值。
17.一種用于電極電容測(cè)量裝置的方法，所述裝置通過(guò)電極電阻向所述電極施加電荷 以測(cè)量電極電容，所述方法可減小所述電極電阻對(duì)所述電容測(cè)量的影響，所述方法包括利用一系列脈沖為所述電容充電，并且使所得電壓信號(hào)斜坡變化至門限電平；在每個(gè)脈沖之間等待所述電壓信號(hào)靜止；以及利用所述電壓信號(hào)達(dá)到所述門限電平所需的脈沖數(shù)確定所述電容。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種電容測(cè)量電路和方法，所述電路和方法通過(guò)施加電荷脈沖使電壓信號(hào)斜坡變化至越過(guò)電壓門限，并且利用所述脈沖數(shù)確定所述電容。通過(guò)在與每個(gè)電壓信道相關(guān)的寄存器中于該電壓信號(hào)越過(guò)所述門限時(shí)存儲(chǔ)脈沖計(jì)數(shù)值，可以測(cè)量多個(gè)位置處的電容。利用電荷脈沖使所述電壓信號(hào)斜坡變化，并且等待信號(hào)在兩脈沖之間靜止，可以減小電極電阻對(duì)所述電容測(cè)量的影響。
文檔編號(hào)G01R27/26GK101925827SQ200880125786
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
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