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專利名稱：時(shí)間斜率電容測(cè)量電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及以時(shí)間斜率方式在多個(gè)信號(hào)斜坡內(nèi)測(cè)量電容的電路和方法，具體 地講，涉及調(diào)節(jié)后續(xù)的信號(hào)斜坡，以補(bǔ)償先前信號(hào)斜坡的殘留信號(hào)。
背景技術(shù)：
觸摸感應(yīng)裝置減少或消除了對(duì)機(jī)械按鈕、小鍵盤、鍵盤和點(diǎn)操作裝置的需求，從而 用戶可以方便地與電子系統(tǒng)和顯示器進(jìn)行交互。例如，用戶只需在屏幕顯示觸摸屏上觸摸 以圖標(biāo)識(shí)別的位置，即可執(zhí)行一系列復(fù)雜的指令。在許多觸摸感應(yīng)裝置中，當(dāng)傳感器內(nèi)的導(dǎo) 電物體電容耦合到導(dǎo)電性觸摸工具(例如用戶的手指)時(shí)，可以感測(cè)輸入。由于存在觸摸 干擾，所以這類裝置在多個(gè)位置測(cè)量電容，并使用測(cè)量電容值來(lái)確定觸摸位置。

發(fā)明內(nèi)容
在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供用于通過(guò)下述方式測(cè)量電極電容的裝置的方法向 電極施加電荷，使得電壓信號(hào)在與時(shí)鐘周期同步觸發(fā)的多個(gè)斜坡周期內(nèi)在第一基準(zhǔn)電壓電 平和第二基準(zhǔn)電壓電平之間斜坡變化，并且所述電容與電壓信號(hào)在多個(gè)斜坡周期內(nèi)斜坡變 化過(guò)程中累積的時(shí)鐘周期總數(shù)成比例。該方法包括在當(dāng)前斜坡周期內(nèi)末時(shí)鐘周期的tl時(shí) 刻達(dá)到其中一個(gè)基準(zhǔn)電壓時(shí)，為后續(xù)斜坡周期調(diào)節(jié)初始電壓電平，以補(bǔ)償從tl時(shí)刻到末時(shí) 鐘周期結(jié)束所發(fā)生的增量電壓斜坡變化，并根據(jù)調(diào)節(jié)后的續(xù)斜坡周期的初始電壓來(lái)調(diào)節(jié)當(dāng) 前斜坡周期內(nèi)的時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供通過(guò)下述方式測(cè)量電極電容的裝置向電極施加電 荷，使得電壓信號(hào)在與時(shí)鐘周期同步觸發(fā)的多個(gè)斜坡周期內(nèi)在第一基準(zhǔn)電壓電平和第二基 準(zhǔn)電壓電平之間斜坡變化，并且所述電容與電壓信號(hào)在多個(gè)斜坡周期內(nèi)斜坡變化過(guò)程中累 積的時(shí)鐘周期總數(shù)成比例。該裝置包括斜坡控制電路和計(jì)數(shù)器控制電路，其中斜坡控制電 路響應(yīng)于在當(dāng)前斜坡周期內(nèi)末時(shí)鐘周期的tl時(shí)刻達(dá)到其中一個(gè)基準(zhǔn)電壓，并相對(duì)于第一 基準(zhǔn)電壓電平和第二基準(zhǔn)電壓電平中的其中一個(gè)，所述斜坡控制電路為后續(xù)斜坡周期調(diào)節(jié) 初始電壓電平，以補(bǔ)償當(dāng)前斜坡周期內(nèi)從所述tl時(shí)刻到所述末時(shí)鐘周期結(jié)束所發(fā)生的增 量電壓斜坡變化；并且其中計(jì)數(shù)器控制電路根據(jù)調(diào)節(jié)后的后續(xù)斜坡周期的初始電壓來(lái)調(diào)節(jié) 當(dāng)前斜坡周期內(nèi)的時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供通過(guò)下述方式測(cè)量多個(gè)位置處的電容的裝置向每 個(gè)位置施加電荷，使得各自的電壓信號(hào)在與時(shí)鐘周期同步觸發(fā)的多個(gè)斜坡周期內(nèi)在第一基 準(zhǔn)電壓電平和第二基準(zhǔn)電壓電平之間斜坡變化，并且各自的電壓信號(hào)在多個(gè)斜坡周期內(nèi)斜 坡變化過(guò)程中每個(gè)位置的電容與累積的時(shí)鐘周期總數(shù)成比例。這類裝置包括斜坡控制電路
4和計(jì)數(shù)器控制電路，其中斜坡控制電路與多個(gè)位置中每一個(gè)相關(guān)以控制各自的電壓信號(hào)的 斜坡變化，每個(gè)斜坡控制電路都可以操作，以相對(duì)于第一基準(zhǔn)電壓電平和第二基準(zhǔn)電壓電 平中的其中一個(gè)，為各自的電壓信號(hào)的后續(xù)斜坡周期調(diào)節(jié)初始電壓電平，以補(bǔ)償先前斜坡 周期的末時(shí)鐘周期內(nèi)所發(fā)生的各自的電壓信號(hào)的增量電壓斜坡變化；并且其中計(jì)數(shù)器控制 電路根據(jù)調(diào)節(jié)后的續(xù)斜坡周期的初始電壓來(lái)調(diào)節(jié)先前斜坡周期內(nèi)的時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供用于提高電極電容測(cè)量裝置的電容測(cè)量分辨率的方 法，該裝置通過(guò)下述方式測(cè)量電容向電極施加電荷，使得電壓信號(hào)在與時(shí)鐘周期同步觸發(fā) 的多個(gè)斜坡周期內(nèi)在第一基準(zhǔn)電壓電平和第二基準(zhǔn)電壓電平之間斜坡變化，并且所述電容 與電壓信號(hào)在多個(gè)斜坡周期內(nèi)斜坡變化過(guò)程中累積的時(shí)鐘周期總數(shù)成比例。該方法包括 相對(duì)于第一基準(zhǔn)電壓電平和第二基準(zhǔn)電壓電平中的其中一個(gè)，為后續(xù)電壓信號(hào)斜坡周期調(diào) 節(jié)初始電壓電平，以補(bǔ)償先前電壓信號(hào)斜坡周期的末時(shí)鐘周期內(nèi)所發(fā)生的增量電壓斜坡變 化。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)明的每種具體實(shí)施。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。


考慮到本發(fā)明的各種實(shí)施例的下述詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，可更完全地理解和領(lǐng)會(huì) 本發(fā)明，其中圖IA至IC示意性地示出可用于本發(fā)明的某些實(shí)施例的示例性觸摸傳感器系統(tǒng)；圖2A和2B示意性地示出可用于本發(fā)明的某些實(shí)施例的示例性控制電路的一部 分；圖3示意性地示出可用于本發(fā)明的某些實(shí)施例的示例性控制電路；圖4A和4B示意性地示出示例性時(shí)間圖，圖中示出根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的電 容測(cè)量電路的工作情況；圖4C示意性地示出時(shí)間圖，圖中示出比較電容測(cè)量電路的工作情況；圖5示意性地示出時(shí)間圖，圖中示出根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的多電容測(cè)量電路 的工作情況；以及圖6示意性地示出可用于本發(fā)明的某些實(shí)施例的示例性累加器電路。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形成本發(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)明涉及通過(guò)下列方式測(cè)量電極電容使電壓信號(hào)在多個(gè)斜
5坡周期內(nèi)在基準(zhǔn)電壓電平之間斜坡變化，并對(duì)電壓信號(hào)在多個(gè)斜坡周期內(nèi)斜坡變化過(guò)程中 的累積時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)。通常，各個(gè)電壓信號(hào)斜坡會(huì)在斜坡周期結(jié)束時(shí)的時(shí)鐘周期內(nèi)達(dá)到其 閾值電平(例如，基準(zhǔn)電壓電平中的其中一個(gè))，斜坡周期在該時(shí)鐘周期末尾結(jié)束(因此，其 間電壓達(dá)到閾值的時(shí)鐘周期可以稱為該斜坡的“末時(shí)鐘周期”)。不是從電壓閾值(或其他 指定基準(zhǔn)電平)開(kāi)始后續(xù)(如下一個(gè))電壓信號(hào)斜坡，相反，而是對(duì)后續(xù)斜坡的初始電壓電 平進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償在達(dá)到閾值時(shí)與末時(shí)鐘周期末尾之間發(fā)生的增量電壓斜坡變化。根據(jù) 后續(xù)初始電壓電平的調(diào)節(jié)程度，可以調(diào)節(jié)剛結(jié)束的斜坡周期內(nèi)的時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)。例如，調(diào)節(jié) 時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)可涉及確定是否將末時(shí)鐘周期計(jì)入。在某些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)后續(xù)斜坡周期的初始電壓電平會(huì)使殘留的未計(jì)數(shù)時(shí)間(即 時(shí)鐘周期的一部分)從一個(gè)斜坡周期移動(dòng)到另一個(gè)斜坡周期。因此，不是僅僅舍去殘留時(shí) 間(通過(guò)將其舍入至下一完整時(shí)鐘周期或?qū)⑵渖崛胫燎耙煌暾麜r(shí)鐘周期)然后在下一斜坡 重新開(kāi)始，而是調(diào)節(jié)后續(xù)斜坡的初始電壓電平以允許將要計(jì)入剛結(jié)束的斜坡周期內(nèi)或后續(xù) 斜坡周期內(nèi)的殘留時(shí)間來(lái)回移動(dòng)。例如，在某些實(shí)施例中，當(dāng)斜坡在達(dá)到閾值時(shí)和末時(shí)鐘周 期末尾之間的殘留時(shí)間內(nèi)反向時(shí)，可以將整個(gè)末時(shí)鐘周期計(jì)入斜坡周期內(nèi)。斜坡在該殘留 時(shí)間內(nèi)換向，實(shí)質(zhì)上是從后續(xù)斜坡周期內(nèi)“借用”殘留時(shí)間。在其他實(shí)施例中，不計(jì)算末時(shí) 鐘周期，并且通過(guò)相應(yīng)調(diào)節(jié)初始電壓電平將殘留時(shí)間移至后續(xù)斜坡周期內(nèi)。當(dāng)電壓信號(hào)斜坡變化相比時(shí)鐘更快時(shí)，這種殘留未計(jì)算時(shí)間的移動(dòng)尤其有用。例 如，當(dāng)待測(cè)電容較小時(shí)(例如，電容觸摸傳感器裝置中可能遇到的情況)，斜坡周期達(dá)到其 閾值可能只需要幾個(gè)時(shí)鐘周期(例如5至50個(gè)時(shí)鐘周期)。在這種情況下，由于電容測(cè)量 基于所計(jì)數(shù)的時(shí)鐘周期的總數(shù)，因而電容測(cè)量的分辨率受時(shí)鐘的限制。移動(dòng)殘留時(shí)間可以 考慮到時(shí)鐘時(shí)間中原本未計(jì)入的部分，從而潛在地提高測(cè)量分辨率。在不喪失一般性的同時(shí)，本著有效說(shuō)明的目的，有必要在觸摸傳感器系統(tǒng)背景下 描述本發(fā)明的各個(gè)方面。當(dāng)然應(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示出適于實(shí)施本發(fā)明的各種實(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，所示裝置可以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)(也稱模擬電容式)，其中電容CxI至Cx4(如傳 感器12的四角處所示)用控制器14測(cè)量。傳感器12可以為連續(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USSN 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)電極的電容的控制器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)施例也可以用來(lái)測(cè)量按鈕和開(kāi)關(guān)應(yīng)用(單獨(dú) 或陣列)、線性滑動(dòng)控制器等的電容。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)
6調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)處理之類的功能，而微處理器16則執(zhí)行諸如濾波和觸摸坐標(biāo)計(jì)算之 類的功能。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)電容式 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。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員將會(huì)理解，本發(fā)明同樣適用于電壓驅(qū)動(dòng)電路，例如提交于2006年12月19日的、共同轉(zhuǎn)讓 的USSN 11/612,790中所公開(kāi)的類型。如圖所示，圖IB的系統(tǒng)20示出了矩陣觸摸傳感器的實(shí)施例，其包括連接到微處理 器26和矩陣電容傳感器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)處理之類的功能，而微處理器26則執(zhí)行諸如濾波和觸摸坐標(biāo)計(jì) 算之類的功能。如出于舉例說(shuō)明目的在圖IB中所示的那樣，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連接 到地線，并將頂部電極36至39也連接到地線。也可以包括互電容(未示出)，該電容將每 個(gè)底部電極32連接到相鄰的底部電極，并將每個(gè)底部電極32連接到頂部電極36至39中 的每一個(gè)上。在某些實(shí)施例中，傳感器30包括導(dǎo)電罩31，用來(lái)減少可能原本因寄生電容而 流動(dòng)的電流。導(dǎo)電罩30可以連接到固定電壓(未示出)或通過(guò)交流(AC)電信號(hào)Vs驅(qū)動(dòng)， 該信號(hào)可以(例如)等于施加到電極32上的電壓信號(hào)。減小導(dǎo)電罩31和電極32之間以 及導(dǎo)電罩31和電極36至39之間的交流(AC)電壓差，會(huì)減少可能流經(jīng)互(寄生)電容的 電容電流。由于寄生電容趨向于降低對(duì)觸摸電容變化的敏感度，所以這樣做是可取的。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)處理之類的功能，而微處理器46則執(zhí)行諸如濾波和觸摸坐標(biāo)計(jì)算之類的 功能。控制器44利用電流源48驅(qū)動(dòng)傳感器表面42。當(dāng)電容式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，系統(tǒng)40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)現(xiàn)。圖2A和2B示出示例性電流驅(qū)動(dòng)電路100A和100B，該電路可用來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器表 面的一個(gè)或多個(gè)電極和/或傳感器表面的電極上的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量位置。在圖2A中，時(shí)控 斜率轉(zhuǎn)換器104A通過(guò)從電流源IS+和IS-向電容Cx交替注入正負(fù)電流來(lái)產(chǎn)生正負(fù)電壓斜 坡信號(hào)。時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器104A包括比較器A。當(dāng)在電壓斜坡內(nèi)使用IS+達(dá)到高閾值時(shí)，或 者當(dāng)在電壓斜坡內(nèi)使用IS-達(dá)到低閾值時(shí)，比較器A向控制邏輯部分106A提供觸發(fā)信號(hào) Trig。當(dāng)測(cè)量電容Cx時(shí)，通過(guò)計(jì)算斜坡變化過(guò)程中出現(xiàn)的主時(shí)鐘周期(MClk)的總數(shù)，同時(shí) 測(cè)量電壓信號(hào)V在積分期內(nèi)在高閾值和低閾值之間斜坡上升和斜坡下降的累積斜坡時(shí)間。 計(jì)數(shù)器108A(也用Ctr表示)會(huì)遞增MClk計(jì)數(shù)。低電壓閾值和高電壓閾值(本文用-Vth 和+Vth表示)為遲滯比較器A(施密特觸發(fā)器)的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。通過(guò)以所需速率交替開(kāi)啟正向 電流發(fā)生器IS+和反向電流發(fā)生器IS-，可以產(chǎn)生斜坡信號(hào)V。當(dāng)IS+開(kāi)啟時(shí)，Cx內(nèi)流入恒 定的電流，從而產(chǎn)生上升的電壓信號(hào)斜坡。斜坡上升、斜坡下降周期重復(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2B示出另一個(gè)示例性的驅(qū)動(dòng)電路100B，該電路包括具有比較器A的時(shí)間斜率 轉(zhuǎn)換器104B，比較器A向控制邏輯部分106B提供觸發(fā)信號(hào)Trig，以控制計(jì)數(shù)器108B的停 止和啟動(dòng)，非常類似圖2A的轉(zhuǎn)換器104A。驅(qū)動(dòng)電路100B附加包括三態(tài)驅(qū)動(dòng)器D和電阻器R(代替了圖2A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可以在控制器內(nèi)無(wú)模擬電流源的情況下使用。圖3示例性示出具有4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路61至64的控制器60，這些電路分別用來(lái)測(cè)量 (例如)4線模擬電容觸摸傳感器的傳感器表面上不同位置處的電容CxI至Cx4。如圖所示， 驅(qū)動(dòng)電路61至64均為類似于圖2A所示轉(zhuǎn)換器104A的時(shí)控斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。應(yīng)當(dāng)理解， 可以使用如圖2B所示的轉(zhuǎn)換器以及電壓驅(qū)動(dòng)電路。雖然圖3僅詳細(xì)示出時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器 61，但應(yīng)當(dāng)理解，時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器62、63和64中的每一個(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)量通道，對(duì)于矩陣觸摸傳感器而言，測(cè)量位置數(shù)可以等于各 電極的數(shù)量(例如，8X8電極矩陣的測(cè)量位置為16個(gè))。時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器在一定程度上類似于雙斜率轉(zhuǎn)換器，兩種轉(zhuǎn)換器均被構(gòu)造用于通 過(guò)從電流源向電容CxI至Cx4交替注入正向電流和反向電流來(lái)產(chǎn)生正向(+)和反向(-)斜 坡信號(hào)。例如，時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器61包括電流源ISl+和IS1-，并且按照一致的命名方式(雖 然未示出)，時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器62包括電流源IS2+和IS2-，時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器63包括電流源 IS3+和IS3-，以及時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器64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-。時(shí)間斜率轉(zhuǎn)換器61也包括比較器 Al。當(dāng)使用ISl+的電壓斜坡內(nèi)達(dá)到高閾值時(shí)，或者當(dāng)使用ISl-的電壓斜坡內(nèi)達(dá)到低閾值 時(shí)，比較器Al向控制邏輯79提供觸發(fā)信號(hào)Trigl。相似地，時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器62包括提供觸 發(fā)信號(hào)Trig2的比較器A2，依此類推。假設(shè)測(cè)量電容也相等，即CxI = Cx2 = Cx3 = Cx4，則電壓信號(hào)VI、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))。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)使具有較大電容的通道內(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 閾值電壓電平(例如從諸如l/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在積分期內(nèi)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。對(duì)于時(shí)間斜率轉(zhuǎn)換 器61，計(jì)數(shù)器71 (也用Ctrl表示)會(huì)遞增每個(gè)MClk周期的計(jì)數(shù)，從而累積斜坡時(shí)間。低 電壓閾值和高電壓閾值(本文用-Vth和+Vth表示)為遲滯比較器Al至A4 (圖3僅示出 Al)的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。通過(guò)以所需速率交替開(kāi)啟正向電流發(fā)生器和反向電流發(fā)生器，例如ISl+和IS1-， 可以產(chǎn)生斜坡信號(hào)Vl至V4。對(duì)于轉(zhuǎn)換器61，當(dāng)ISl+開(kāi)啟時(shí)，CxI內(nèi)流入恒定的電流，從而 產(chǎn)生上升的電壓信號(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Al。在該點(diǎn)處，ISl+關(guān)閉。當(dāng)電流源ISl-開(kāi)啟時(shí)，電壓信號(hào)即會(huì)斜坡下降，并且會(huì)持續(xù) 到在閾值-Vth處觸發(fā)比較器Al。斜坡上升、斜坡下降周期重復(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)控斜率轉(zhuǎn)換器都連接到電路65，該電路包括積分計(jì)數(shù)器 或控制所有通道的其他計(jì)數(shù)器，以及連接到(例如)微處理器(未示出)的串行I/O端口 (SI/0)和中斷請(qǐng)求端口(IRQ)。圖4A示出示例性電路工作的時(shí)間序列。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中僅示出單電壓信號(hào)V，但 通常情況下可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)電容。第一斜坡周期開(kāi)始于電壓電平-Vth處，并處于MClk周
8期的上升沿。將該點(diǎn)指定為to時(shí)刻。在圖示情況下，施加恒定的正電流(IS+)，直到在tl 時(shí)刻達(dá)到高電壓閾值+vth。將達(dá)到+Vth的MClk周期指定為末時(shí)鐘周期，并用MClkT表示。 在tl時(shí)刻，停止施加正電流IS+，并在MClkT的其余部分處注入負(fù)電流IS-，一直持續(xù)到t2 時(shí)刻，從而產(chǎn)生略低于高閾值+Vth的最終電壓信號(hào)電平。接著使斜坡信號(hào)V在一個(gè)完整的 時(shí)鐘周期內(nèi)保持不變，直到在t3時(shí)刻處開(kāi)始下一斜坡周期為止。沒(méi)必要使斜坡信號(hào)繼續(xù)在 額外的時(shí)鐘周期內(nèi)保持不變，這樣做主要是為了舉例說(shuō)明。然而，如果測(cè)量多個(gè)電容，為了 (例如)減少流過(guò)測(cè)量位置之間的互電容的電流，可能有利的是將后續(xù)斜坡周期的開(kāi)始時(shí) 間延遲到所有信號(hào)斜坡都已達(dá)到閾值電平時(shí)，這在上文引用的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)臨時(shí)專利申 請(qǐng)No. 61/017，451中有所描述。在t3時(shí)刻，在低于+Vth的電壓電平下開(kāi)始下一斜坡周期。調(diào)節(jié)后的初始電平考 慮了 tl時(shí)刻(達(dá)到+Vth時(shí))和t2時(shí)刻(末時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí))之間進(jìn)行的負(fù)斜率斜坡變 化的增量。這種負(fù)斜坡變化會(huì)從第二斜坡周期“借用”時(shí)鐘周期的一部分，從而可以累加第 一斜坡周期內(nèi)的MClk周期總數(shù)。在圖4A所示情況下，增加了 10個(gè)MClk周期，其中包括末 時(shí)鐘周期。從t3時(shí)刻開(kāi)始注入負(fù)電流IS-，以使信號(hào)V斜坡下降至-Vth，并在t4時(shí)刻處達(dá) 到這一電平。如上所述，在末時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內(nèi)注入反向電流(在這種情況下為IS+)， 直到在t5時(shí)刻停止注入。t5時(shí)刻達(dá)到的電壓電平成為下一信號(hào)斜坡的起點(diǎn)，該斜坡開(kāi)始于 t6時(shí)刻。注意，在第二斜坡(包括MClkT)內(nèi)累積了 9個(gè)額外的時(shí)鐘周期，使得在t6時(shí)刻的 累積時(shí)鐘周期總數(shù)達(dá)到19。在t6時(shí)刻，再次注入正電流IS+，直到在t7時(shí)刻達(dá)到高閾值+Vth為止。接著在末 時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內(nèi)注入負(fù)電流is-，直到在t8時(shí)刻停止，從而在t9時(shí)刻產(chǎn)生用作下一 斜坡起點(diǎn)的調(diào)節(jié)過(guò)的最終電壓電平。在t9時(shí)刻，注入負(fù)電流IS-，直到在tlO時(shí)刻達(dá)到低閾 值-Vth為止，從而出現(xiàn)末斜坡。注意，巧合的是tlO時(shí)刻正好與時(shí)鐘周期末尾重合。按照 慣例，將tlO時(shí)刻結(jié)束的時(shí)鐘周期指定為末時(shí)鐘周期，并且進(jìn)行計(jì)數(shù)。在保持一個(gè)時(shí)鐘周期 后，積分期在經(jīng)過(guò)兩個(gè)上升斜坡和兩個(gè)下降斜坡后終止于til時(shí)刻處。如圖4A所示，斜坡 變化過(guò)程中累積的時(shí)鐘周期總數(shù)(不包括斜坡之間的保持時(shí)間)等于37，橫跨積分期所需 的總時(shí)間為41個(gè)MClk周期。在達(dá)到閾值信號(hào)電平之后的剩余時(shí)鐘周期內(nèi)改變信號(hào)斜坡的方向(如圖4A所示) 會(huì)調(diào)整下一斜坡的起點(diǎn)，以補(bǔ)償達(dá)到閾值時(shí)和下一時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間。因此，由于實(shí) 際上已經(jīng)從下一斜坡周期內(nèi)扣除殘留時(shí)間，因此可以將達(dá)到閾值時(shí)的整個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)算在 內(nèi)。在多個(gè)斜坡周期內(nèi)重復(fù)該過(guò)程，可以把殘留時(shí)間的累加和考慮進(jìn)去，使得測(cè)量分辨率 接近時(shí)鐘周期時(shí)間除以總測(cè)量時(shí)間的商(即，通過(guò)延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間可以提高分辨率)，而不是 接近時(shí)鐘周期時(shí)間除以單個(gè)電壓斜坡時(shí)間的商(即，不論測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)短，分辨率均固定不 變)。如圖4B所示，在斜坡達(dá)到閾值時(shí)與下一時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間內(nèi)允許信號(hào)斜坡 超過(guò)閾值，可以取得類似效果。在這種情況下，下一電壓斜坡從超出的電壓電平開(kāi)始，因而 重新經(jīng)過(guò)殘留時(shí)期。在這種情況下，末MClk周期不計(jì)入前一斜坡內(nèi)。這樣會(huì)在每個(gè)斜坡周 期之間產(chǎn)生額外的未計(jì)數(shù)MClk周期。圖4B示出示例性電路的工作情況，該電路使用與圖4A相同的時(shí)鐘周期和信號(hào)斜 率以便于比較。當(dāng)信號(hào)V在第一斜坡的tl時(shí)刻達(dá)到閾值+Vth時(shí)，斜坡繼續(xù)穿過(guò)+Vth，并
9在末時(shí)鐘周期的t2時(shí)刻停止。這樣的結(jié)果是將后續(xù)斜坡的起點(diǎn)調(diào)到-Vth至+Vth的范圍 之外。當(dāng)下一斜坡從t3時(shí)刻開(kāi)始時(shí)，首先必須重新經(jīng)過(guò)殘留時(shí)期(等于t2時(shí)刻減去tl時(shí) 刻)，從而將殘留時(shí)間從第一斜坡移至下一斜坡。因此，計(jì)數(shù)器Ctr沒(méi)有計(jì)入末時(shí)鐘周期，導(dǎo) 致第一斜坡結(jié)束時(shí)統(tǒng)計(jì)了 9個(gè)時(shí)鐘周期。在t3時(shí)刻，通過(guò)注入電流IS-開(kāi)始下一斜坡。在t4時(shí)刻，達(dá)到低閾值_Vth，因此 電流IS-只會(huì)持續(xù)到時(shí)鐘周期MClkT的剩余時(shí)間。在t5時(shí)刻，末時(shí)鐘周期結(jié)束，且電壓信 號(hào)保持在低于-Vth的所得電平下，直到t6時(shí)刻開(kāi)始下一時(shí)鐘周期。注入正電流IS+，直到 在t7時(shí)刻達(dá)到高閾值，此時(shí)注入IS+，直到在t8時(shí)刻末時(shí)鐘周期結(jié)束為止。在t9時(shí)刻，從 調(diào)節(jié)后的電壓電平開(kāi)始最末斜坡下降。在tlO時(shí)刻達(dá)到低電壓閾值，在til時(shí)刻結(jié)束最末 時(shí)鐘周期。在tl2時(shí)刻，在總共完成45個(gè)MClk周期之后，則可以認(rèn)為測(cè)量的積分期結(jié)束， 在此期間，計(jì)數(shù)器Ctr累積了 37個(gè)時(shí)鐘周期。注意，圖4A所示實(shí)例也會(huì)累積37個(gè)周期，但 只是積分期較短而已(41個(gè)MClk周期)。為進(jìn)行比較，圖4C示出未通過(guò)調(diào)節(jié)后續(xù)斜坡初始電平來(lái)補(bǔ)償殘留時(shí)間的電路工 作的時(shí)間序列。因此，圖4C的第一斜坡從t0時(shí)刻開(kāi)始，并在達(dá)到閾值+Vth的tl時(shí)刻結(jié) 束。信號(hào)將保持在+Vth電平，直到在t2時(shí)刻的下一時(shí)鐘上升沿處開(kāi)始下一斜坡為止。注 入IS-使斜坡持續(xù)下降，直到在t3時(shí)刻達(dá)到低閾值-Vth為止。信號(hào)保持在-Vth電平，直 到在t4時(shí)刻的下一時(shí)鐘上升沿處開(kāi)始下一斜坡為止。注入IS+使斜坡持續(xù)上升，直到在t5 時(shí)刻達(dá)到高閾值+Vth為止。信號(hào)保持在+Vth電平，直到在t6時(shí)刻的下一時(shí)鐘上升沿處開(kāi) 始最末下降斜坡為止。注入IS-使斜坡持續(xù)下降，直到在t7時(shí)刻達(dá)到低閾值-Vth為止。積 分期結(jié)束于t8時(shí)刻的時(shí)鐘周期末尾處。從t0時(shí)刻至t8時(shí)刻總共經(jīng)過(guò)40個(gè)時(shí)鐘周期，比 圖4A所示信號(hào)操作中少一個(gè)。圖4C所示斜坡變化過(guò)程中的累積的時(shí)鐘周期總數(shù)取決于是 否包括末時(shí)鐘周期(MClkT)。如果計(jì)算末時(shí)鐘周期，則計(jì)數(shù)器Ctr內(nèi)的累積數(shù)為39，這要多 于圖4A和4B所示累積數(shù)37。如果不計(jì)入末時(shí)鐘周期，則計(jì)數(shù)器Ctr內(nèi)的累積數(shù)為36，這 要少于圖4A和4B所示累積數(shù)37。因此，通過(guò)比較圖4C與圖4A和4B可以看出，不調(diào)節(jié)時(shí) 鐘周期殘留部分的后續(xù)斜坡初始電平會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)過(guò)多或計(jì)數(shù)過(guò)少。圖5示出示例性多電容電路(例如圖3所示電路)工作的時(shí)間序列。圖5尤其示 出四位置電容測(cè)量(例如4線模擬電容觸摸傳感器)，其中被測(cè)電容為CxI至Cx4，并且Cx2、 Cx3和Cx4相等，CxI大于Cx2、Cx3和Cx4(圖5中的斜坡可以表示，例如，CxI超出約15% )。 參考圖3所示電路，圖5示出信號(hào)Vl至V4在閾值-Vth和+Vth之間的斜坡變化情況、比較 器觸發(fā)信號(hào)Trigl至Trig 4的升高和降低時(shí)間、電流IS+和IS-的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間、計(jì)數(shù) 器Ctrl和Ctr2至Ctr4內(nèi)的累積數(shù)、以及主時(shí)鐘MClk周期。圖5還示出發(fā)生多個(gè)事件的 多個(gè)t0時(shí)刻至t8和tl6。應(yīng)該指出的是，虛線通常用來(lái)表示與時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器61 (測(cè)量通 道1)相關(guān)的參數(shù)，而實(shí)線則通常用來(lái)表示與時(shí)控斜率轉(zhuǎn)換器62至64 (測(cè)量通道2至4)相 關(guān)的參數(shù)。由于CxI大于其他電容，所以電壓信號(hào)斜坡Vl滯后于電壓信號(hào)斜坡V2至V4。主 時(shí)鐘MClk頻率可以為在預(yù)期斜坡變化時(shí)間范圍內(nèi)提供多個(gè)時(shí)鐘周期的任何合適的頻率， 例如MClk頻率可以為約IOMHz至30MHz。斜坡信號(hào)Vl至V4的周期(即一個(gè)完整的斜坡上 升和斜坡下降周期)具有受來(lái)自電流源IS+和IS-的電流以及電容CxI至Cx4的大小控制 的頻率。在模擬電容觸摸傳感器實(shí)例中，電壓斜坡的頻率可以在約20KHz至約200KHz的范
10圍內(nèi)。在示例性實(shí)施例中，測(cè)量序列始于MClk周期的上升沿(如圖5的t0時(shí)刻所示)。 隨著信號(hào)Vl至V4的斜坡變化，4個(gè)計(jì)數(shù)器Ctrl至Ctr4在各自信號(hào)的每個(gè)MClk周期結(jié)束 時(shí)累積計(jì)數(shù)。每個(gè)信號(hào)的計(jì)數(shù)器在MClk的下一上升沿處停止累積，該情況出現(xiàn)在各自的信 號(hào)達(dá)到電壓閾值(正向斜坡為+Vth，反向斜坡為-Vth)之后。例如，在圖5中，Ctr2至Ctr4 在t2時(shí)刻停止計(jì)數(shù)，此時(shí)的累積數(shù)為12。計(jì)數(shù)器繼續(xù)保持停止?fàn)顟B(tài)，直到所有通道都已達(dá) 到閾值。例如，在t4時(shí)刻，Ctrl停留在累積數(shù)14處，由于t4時(shí)刻4個(gè)通道均達(dá)到電壓閾 值，所以Ctrl至Ctr4所有計(jì)數(shù)器都重啟，并且Vl至V4所有電壓信號(hào)都開(kāi)始反向斜坡變化 (注意，Ctrl在t4時(shí)刻停止并立即重啟)。在某些實(shí)施例中，當(dāng)某個(gè)信號(hào)通道達(dá)到電壓閾值時(shí)，斜坡變化改變方向(與其他 斜坡和MClk無(wú)關(guān))。例如，在電壓信號(hào)V2的正向斜坡內(nèi)的tl時(shí)刻達(dá)到閾值+Vth時(shí)，比較 器A2的輸出Trig2切換至高，從而關(guān)閉電流源IS2+并同時(shí)開(kāi)啟電流源IS2-。如圖5所示， 斜坡V2至V4在t 1時(shí)刻轉(zhuǎn)向，斜坡Vl在t3時(shí)刻轉(zhuǎn)向。這些斜坡轉(zhuǎn)向在MClk的下一上升 沿處結(jié)束，與此同時(shí)，各自的測(cè)量通道的計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)(例如，斜坡V2至V4在t2時(shí)刻， 斜坡Vl在t4時(shí)刻)。當(dāng)其計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)時(shí)，各自通道的IS-源關(guān)閉，導(dǎo)致斜率為零，并在 該通道等待所有其他通道達(dá)到閾值時(shí)產(chǎn)生延遲。在圖5中，對(duì)于MClk周期的剩余部分，電壓信號(hào)V2至V4在t 1時(shí)刻轉(zhuǎn)向，這種狀 態(tài)持續(xù)到t2時(shí)刻。在t2時(shí)刻，通道V2至V4的計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，信號(hào)斜坡保持零斜率(即 延遲)。在t3時(shí)刻，信號(hào)Vl達(dá)到其比較器Al的閾值(+Vth)，并且Vl轉(zhuǎn)向?yàn)樨?fù)斜率。到t3 時(shí)刻，所有電壓信號(hào)均達(dá)到閾值。因此，在圖5所示實(shí)施例中，所有電壓信號(hào)Vl至V4從t4 時(shí)刻(MClk的下一上升沿)開(kāi)始同時(shí)斜坡下降。注意，由于通過(guò)逆轉(zhuǎn)剩余MClk周期(此時(shí) 測(cè)量通道達(dá)到電壓閾值)的斜坡方向來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)，可以從不同的初始電壓電平開(kāi)始各通道 的后續(xù)斜坡下降。換句話講，可以為各自的殘留時(shí)間單獨(dú)調(diào)節(jié)每個(gè)電壓信號(hào)斜坡。繼續(xù)圖5所示斜坡變化周期，每個(gè)負(fù)斜坡在其比較器達(dá)到閾值-Vth并且比較器輸 出切換至低時(shí)停止，從而關(guān)閉IS-電流源。對(duì)于正斜坡，在某些實(shí)施例中，在達(dá)到閾值的剩 余MClk周期內(nèi)，斜坡會(huì)轉(zhuǎn)向。例如，信號(hào)斜坡V2至V4在t5時(shí)刻轉(zhuǎn)向，且信號(hào)斜坡Vl在t7 時(shí)刻轉(zhuǎn)向。在通道達(dá)到閾值之后，其各自的計(jì)數(shù)器會(huì)在MClk的下一上升沿處停止。例如， Ctr2、Ctr3和Ctr4在t6時(shí)刻停止，此時(shí)總累積數(shù)為24。在t7時(shí)刻，電壓信號(hào)Vl達(dá)到閾 值-Vth。在t8時(shí)刻，計(jì)數(shù)器Ctrl在累積數(shù)28處停止，但由于四個(gè)比較器Al至A4都已經(jīng) 在t8時(shí)刻之前觸發(fā)，所以計(jì)數(shù)器Ctrl至Ctr4都會(huì)重啟，且電壓信號(hào)Vl至V4會(huì)一起出現(xiàn) 正斜坡。在圖5的實(shí)例中，積分期從t0時(shí)刻持續(xù)到tl6時(shí)刻，此時(shí)所有通道都已經(jīng)完成兩 個(gè)完整的向上和向下電壓斜坡周期。在積分期內(nèi)，計(jì)數(shù)器Ctrl累積數(shù)為56次，且計(jì)數(shù)器Ctr2至Ctr4均累積48次。當(dāng) 積分期完成時(shí)，向微處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求(例如，圖3中用IRQ表示)，同時(shí)將計(jì)數(shù)器內(nèi)保留 的每個(gè)通道的累積數(shù)傳遞到微處理器。某個(gè)通道相對(duì)于其他通道的累積數(shù)與該通道相對(duì)于 其他通道的電容成比例。在圖5中，計(jì)數(shù)器Ctrl具有最高累積數(shù)，這說(shuō)明電容CxI的值最 大。一個(gè)通道內(nèi)的累積數(shù)與其他通道內(nèi)的累積數(shù)的比率反映了電容的比率。在觸摸傳感器 實(shí)施例中，可利用電容比率確定觸摸位置(計(jì)算取決于傳感器構(gòu)造)。如圖5所示，如果某通道在一個(gè)或多個(gè)其他通道之前達(dá)到電壓信號(hào)閾值，則該通道的電壓電平將保持在閾值電平附近，直到一個(gè)或多個(gè)其他通道也達(dá)到閾值。因此，在達(dá)到 閾值之后將出現(xiàn)延遲，而不會(huì)立即開(kāi)始后續(xù)斜坡，以便多個(gè)通道可以同時(shí)開(kāi)始后續(xù)斜坡。一 個(gè)或多個(gè)通道出現(xiàn)延遲，從而使多個(gè)通道可以同時(shí)開(kāi)始下一斜坡，這樣通道的斜坡周期就 可以近似同相。使斜坡周期近似同相(即，所有正斜坡都出現(xiàn)在同一時(shí)間幀內(nèi)，并且所有負(fù) 斜坡都出現(xiàn)在同一時(shí)間幀內(nèi))，可以使各通道在任何給定時(shí)間的電壓信號(hào)之間的任何差異 相對(duì)較小，從而產(chǎn)生減小通道間電流(即，在電容測(cè)量位置之間流動(dòng)的電流)的作用。當(dāng)把 通道連接到可通過(guò)電阻連接通道的4線電容式傳感器時(shí)，減小通道間電流尤其可取。當(dāng)各 通道連接到矩陣傳感器內(nèi)的電極時(shí)，為了使流經(jīng)電極的互電容的電流最小化，也希望信號(hào) 斜坡同相。應(yīng)當(dāng)理解，雖然圖4A、4B和5所描述和示出的電路工作為雙向斜坡(S卩，斜坡上升 到高閾值，然后斜坡下降至低閾值)，但本發(fā)明的方法和電路可通過(guò)單向斜坡實(shí)現(xiàn)，例如美 國(guó)專利No. 6，466，036中所公開(kāi)的電容測(cè)量電路中所用的類型。例如，在某些實(shí)施例中，電 壓信號(hào)同時(shí)斜坡上升至閾值，并且在產(chǎn)生延遲(例如，等待所有信號(hào)通道均達(dá)到閾值，等待 預(yù)定時(shí)間，等等)之后，信號(hào)通道可以同時(shí)返回零點(diǎn)(例如以階躍函數(shù)方式)，然后重新開(kāi)始 斜坡上升。還應(yīng)當(dāng)理解，雖然圖4A、4B和5所描述和示出的電路工作方式是平滑斜坡(例 如由于施加恒定的電流)，但本發(fā)明的方法和電路可通過(guò)施加脈沖電流或電壓實(shí)現(xiàn)，從而形 成階躍斜坡。例如，美國(guó)專利No. 6，466，036公開(kāi)了一種電路，該電路以快速脈沖方式開(kāi)關(guān) 電流源，從而產(chǎn)生遞增的階躍電壓斜坡。產(chǎn)生圖4A、4B和5所示電壓信號(hào)斜坡所需電流電平取決于被測(cè)電容大小和斜坡 持續(xù)時(shí)間。例如，假設(shè)4線電容觸摸傳感器實(shí)施例按照結(jié)合圖3所述方式工作，其中Vcc =3V，閾值+Vth和-Vth之差為IV (例如，2/3Vcc處為+Vth, l/3Vcc處為-Vth)，并且其中 電容接近IOOOpf。在這種情況下，100 μ A的電流IS+和IS-會(huì)產(chǎn)生約50ΚΗζ的斜坡周期。 參照?qǐng)D2Β,假設(shè)Vcc = 3V，閾值+Vth和-Vth之差為IV (例如，2/3Vcc處為+Vth, l/3Vcc 處為-Vth)，并且其中電容接近IOOOpf，R采用15KW電阻器，電流源約100 μ A，平均電壓降 1. 5V。一個(gè)MClk周期內(nèi)隨機(jī)噪聲大于平均電壓變化通常會(huì)使閾值電平高頻脈動(dòng)，因此 跨越和重新跨越閾值所需的MClk周期數(shù)會(huì)變化，即使被測(cè)電容電平保持不變。在多個(gè)斜坡 周期內(nèi)，隨機(jī)噪聲的影響會(huì)減少因不補(bǔ)償前一斜坡的殘留電壓而結(jié)束各個(gè)斜坡所導(dǎo)致的誤 差，如圖4C所示。利用大量的測(cè)量斜坡周期(即過(guò)采樣)可以最終平衡閾值高頻脈動(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脈動(dòng)方法達(dá)到相同效果，例 如可以隨機(jī)變化閾值，或者可以隨機(jī)高頻脈動(dòng)MClk的頻率。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，可 以將每次斜坡測(cè)量的結(jié)果添加到前面的測(cè)量結(jié)果中或與之平均化，或者可以用諸如Boxcar 濾波方法之類的方法濾波，以產(chǎn)生更新值，并且像增加測(cè)量次數(shù)一樣提高分辨率。本發(fā)明的某些實(shí)施例利用累加器測(cè)量經(jīng)過(guò)的電壓信號(hào)斜坡時(shí)間。在上述實(shí)施例中 可以用累加器測(cè)量數(shù)字計(jì)數(shù)器、模擬積分器或二者的組合內(nèi)的時(shí)間。模擬積分器啟動(dòng)和停 止快速，因而能夠具有較高的測(cè)量分辨率。數(shù)字計(jì)數(shù)器具有更高的動(dòng)態(tài)范圍，但其瞬時(shí)分辨 率會(huì)受時(shí)鐘頻率(如MClk)的限制。因此，在如圖4C所示的某些實(shí)施例中，圖6所示電路 可以為所需累加器電路。圖 6 示出 Σ -Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 200 (sigma delta A-D converter 200)的例子，該轉(zhuǎn)
12換器被構(gòu)造用于以較高分辨率測(cè)量時(shí)間段。電容器Cl形成模擬積分器。當(dāng)開(kāi)關(guān)Sl關(guān)閉時(shí)， 向電容器Cl饋送已知的基準(zhǔn)電流II。當(dāng)比較器觸發(fā)信號(hào)(如圖3中的+Trig和-Trig)都 比較高，也就是說(shuō)當(dāng)電壓信號(hào)在低電壓閾值和高電壓閾值之間斜坡變化時(shí)，開(kāi)關(guān)Sl關(guān)閉。 當(dāng)Al的輸入高于Vcc/2閾值時(shí)，Σ - Δ控制邏輯部分210將開(kāi)關(guān)S2關(guān)閉一定時(shí)間，從而以 遞增方式使積分器電容器Cl放電。每當(dāng)開(kāi)關(guān)S2關(guān)閉時(shí)，計(jì)數(shù)器220都會(huì)增加計(jì)數(shù)。可以 對(duì)計(jì)數(shù)器220定期讀數(shù)，并且各次讀數(shù)之間的增量差與在該周期內(nèi)開(kāi)關(guān)Sl關(guān)閉的總時(shí)間成 比例。如本文所述，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位可以減少電容測(cè)量位置之間的電流。應(yīng)當(dāng) 理解，對(duì)于諸如圖IA至IC所示觸摸傳感器系統(tǒng)的通用對(duì)地電容測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以利用同 相驅(qū)動(dòng)信號(hào)有利地最小化互電容(電極間)。在其他系統(tǒng)中，利用異相驅(qū)動(dòng)相鄰電容測(cè)量位 置可以改善電極間互電容的測(cè)量效果。例如，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)中測(cè)量(從而提高)電極間互電容是可取 的。利用本文所述相位控制方法可以將測(cè)量通道調(diào)節(jié)為同相或異相。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，其中包括系留工具和包含 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
一種用于通過(guò)下述方式測(cè)量電極電容的裝置中的方法向所述電極施加電荷，使得電壓信號(hào)在與時(shí)鐘周期同步觸發(fā)的多個(gè)斜坡周期內(nèi)在第一基準(zhǔn)電壓電平和第二基準(zhǔn)電壓電平之間斜坡變化，并且所述電容與電壓信號(hào)在所述多個(gè)斜坡周期內(nèi)斜坡變化過(guò)程中累積的時(shí)鐘周期總數(shù)成比例，所述方法包括以下步驟在當(dāng)前斜坡周期的末時(shí)鐘周期的t1時(shí)刻達(dá)到其中一個(gè)基準(zhǔn)電壓時(shí)相對(duì)于所述第一基準(zhǔn)電壓電平和所述第二基準(zhǔn)電壓電平中的一個(gè)，調(diào)節(jié)后續(xù)斜坡周期的初始電壓電平，以補(bǔ)償從t1時(shí)刻至末時(shí)鐘周期結(jié)束發(fā)生的增量電壓斜坡變化；以及根據(jù)調(diào)節(jié)后的所述后續(xù)斜坡周期的初始電壓調(diào)節(jié)所述當(dāng)前斜坡周期內(nèi)的時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)包括確定是否計(jì)入所述末 時(shí)鐘周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，響應(yīng)于將所述后續(xù)斜坡周期的所述初始電壓電 平調(diào)節(jié)在所述第一基準(zhǔn)電壓電平和所述第二基準(zhǔn)電壓電平之間的閉區(qū)間范圍內(nèi)，計(jì)入所述 末時(shí)鐘周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，響應(yīng)于將所述后續(xù)斜坡周期的所述初始電壓電 平調(diào)節(jié)在所述第一基準(zhǔn)電壓電平和所述第二基準(zhǔn)電壓電平之間的閉區(qū)間范圍之外，不計(jì)入 所述末時(shí)鐘周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在開(kāi)始所述后續(xù)斜坡周期之后，所述方法還包括 將所述后續(xù)斜坡周期指定為當(dāng)前斜坡周期，并且重復(fù)所述步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個(gè)斜坡周期從所述第一基準(zhǔn)電壓到所述第 二基準(zhǔn)電壓，然后再?gòu)乃龅诙鶞?zhǔn)電壓到所述第二基準(zhǔn)電壓交替斜坡變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個(gè)斜坡周期中的每一個(gè)都從所述第一基準(zhǔn) 電壓向所述第二基準(zhǔn)電壓斜坡變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述電極施加電荷包括施加連續(xù)電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述電極施加電荷包括施加脈沖電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述電極施加電荷包括通過(guò)阻抗施加電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電極形成觸摸感應(yīng)裝置的觸摸表面的至少 一部分，并且所述電容來(lái)源于對(duì)所述觸摸表面的觸摸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述觸摸感應(yīng)裝置包括電容式按鈕傳感器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述觸摸感應(yīng)裝置包括模擬電容式觸摸表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括在所述電極上多個(gè)位置處執(zhí)行所述步驟，從 而在所述多個(gè)位置中的每個(gè)位置處測(cè)量所述電極的電容。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括利用在所述多個(gè)位置中的每個(gè)位置處測(cè)得的 所述電極的電容確定所述觸摸表面上的觸摸位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述觸摸感應(yīng)裝置包括矩陣電容式觸摸表面， 并且所述電極包括布置成矩陣形式的多個(gè)電極中的一個(gè)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括針對(duì)所述多個(gè)電極中的每一個(gè)執(zhí)行所述步馬聚ο
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中為后續(xù)斜坡周期調(diào)節(jié)初始電壓電平包括在從tl時(shí)刻至所述末時(shí)鐘周期結(jié)束的時(shí)間內(nèi)將當(dāng)前斜坡反向。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中為后續(xù)斜坡周期調(diào)節(jié)初始電壓電平包括在從tl 時(shí)刻至所述末時(shí)鐘周期結(jié)束的時(shí)間內(nèi)使當(dāng)前斜坡繼續(xù)通過(guò)。
20.一種用于通過(guò)下述方式測(cè)量電極電容的裝置向所述電極施加電荷，使得電壓信 號(hào)在與時(shí)鐘周期同步觸發(fā)的多個(gè)斜坡周期內(nèi)在第一基準(zhǔn)電壓電平和第二基準(zhǔn)電壓電平之 間斜坡變化，并且所述電容與電壓信號(hào)在所述多個(gè)斜坡周期內(nèi)斜坡變化過(guò)程中累積的時(shí)鐘 周期總數(shù)成比例，所述裝置包括斜坡控制電路，響應(yīng)于在當(dāng)前斜坡周期內(nèi)末時(shí)鐘周期的tl時(shí)刻達(dá)到其中一個(gè)基準(zhǔn)電 壓，相對(duì)于所述第一基準(zhǔn)電壓電平和所述第二基準(zhǔn)電壓電平中的其中一個(gè)，所述斜坡控制 電路為后續(xù)斜坡周期調(diào)節(jié)初始電壓電平，以補(bǔ)償所述當(dāng)前斜坡周期內(nèi)從所述tl時(shí)刻到所 述末時(shí)鐘周期結(jié)束所發(fā)生的增量電壓斜坡變化；以及計(jì)數(shù)器控制電路，其根據(jù)調(diào)節(jié)后的所述后續(xù)斜坡周期的初始電壓來(lái)調(diào)節(jié)所述當(dāng)前斜坡 周期內(nèi)的時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述電極形成觸摸感應(yīng)裝置的觸摸表面的至少 一部分，并且所述電容來(lái)源于對(duì)所述觸摸表面的觸摸。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述觸摸感應(yīng)裝置包括電容式按鈕傳感器。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述觸摸感應(yīng)裝置包括模擬電容式觸摸表面。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述觸摸感應(yīng)裝置包括矩陣電容式觸摸表面， 并且所述電極包括布置成矩陣形式的多個(gè)電極中的一個(gè)。
25.一種通過(guò)下述方式測(cè)量多個(gè)位置處的電容的裝置向每個(gè)位置施加電荷，使得各 自的電壓信號(hào)在與時(shí)鐘周期同步觸發(fā)的多個(gè)斜坡周期內(nèi)在第一基準(zhǔn)電壓電平和第二基準(zhǔn) 電壓電平之間斜坡變化，并且每個(gè)位置的電容與各自的電壓信號(hào)在所述多個(gè)斜坡周期內(nèi)斜 坡變化過(guò)程中累積的時(shí)鐘周期總數(shù)成比例，所述裝置包括斜坡控制電路，其與所述多個(gè)位置中的每一個(gè)相關(guān)以控制所述各自的電壓信號(hào)的斜坡 變化，相對(duì)于所述第一基準(zhǔn)電壓電平和所述第二基準(zhǔn)電壓電平中的其中一個(gè)，每個(gè)斜坡控 制電路都可操作地調(diào)節(jié)所述各自的電壓信號(hào)的后續(xù)斜坡周期的初始電壓電平，以補(bǔ)償先前 斜坡周期的末時(shí)鐘周期內(nèi)的所述各自的電壓信號(hào)的增量電壓斜坡變化；以及計(jì)數(shù)器控制電路，其根據(jù)調(diào)節(jié)后的所述后續(xù)斜坡周期的初始電壓來(lái)調(diào)節(jié)所述先前斜坡 周期內(nèi)的時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)。
26.一種用于提高電容測(cè)量分辨率的方法，其用于通過(guò)下述方式測(cè)量電極電容的裝置 中向所述電極施加電荷，使得電壓信號(hào)在與時(shí)鐘周期同步觸發(fā)的多個(gè)斜坡周期內(nèi)在第一 基準(zhǔn)電壓電平和第二基準(zhǔn)電壓電平之間斜坡變化，并且所述電容與電壓信號(hào)在所述多個(gè)斜 坡周期內(nèi)斜坡變化過(guò)程中累積的時(shí)鐘周期總數(shù)成比例，所述方法包括相對(duì)于所述第一基準(zhǔn)電壓電平和所述第二基準(zhǔn)電壓電平中的其中一個(gè)，為后續(xù)電壓信 號(hào)斜坡周期調(diào)節(jié)初始電壓電平，以補(bǔ)償先前電壓信號(hào)斜坡周期的末時(shí)鐘周期內(nèi)的增量電壓 斜坡變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種時(shí)間斜率電容測(cè)量電路，所述時(shí)間斜率電容測(cè)量電路利用電壓信號(hào)在基準(zhǔn)電壓電平之間斜坡變化的時(shí)間確定未知電容，其中所述斜坡變化時(shí)間由電壓信號(hào)在多個(gè)斜坡周期內(nèi)斜坡變化過(guò)程中計(jì)數(shù)的累積的所述時(shí)鐘周期的總數(shù)確定。通過(guò)為后續(xù)電壓信號(hào)斜坡調(diào)節(jié)初始電壓電平，以補(bǔ)償先前電壓信號(hào)斜坡的末時(shí)鐘周期內(nèi)的增量電壓斜坡變化，可以提高測(cè)量分辨率。
文檔編號(hào)G01R27/02GK101910849SQ200880123086
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
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