时间斜率电容测量电路和方法

专利名称：时间斜率电容测量电路和方法
技术领域：
本发明总体涉及以时间斜率方式在多个信号斜坡内测量电容的电路和方法，具体 地讲，涉及调节后续的信号斜坡，以补偿先前信号斜坡的残留信号。
背景技术：
触摸感应装置减少或消除了对机械按钮、小键盘、键盘和点操作装置的需求，从而 用户可以方便地与电子系统和显示器进行交互。例如，用户只需在屏幕显示触摸屏上触摸 以图标识别的位置，即可执行一系列复杂的指令。在许多触摸感应装置中，当传感器内的导 电物体电容耦合到导电性触摸工具(例如用户的手指)时，可以感测输入。由于存在触摸 干扰，所以这类装置在多个位置测量电容，并使用测量电容值来确定触摸位置。

发明内容
在某些实施例中，本发明提供用于通过下述方式测量电极电容的装置的方法向 电极施加电荷，使得电压信号在与时钟周期同步触发的多个斜坡周期内在第一基准电压电 平和第二基准电压电平之间斜坡变化，并且所述电容与电压信号在多个斜坡周期内斜坡变 化过程中累积的时钟周期总数成比例。该方法包括在当前斜坡周期内末时钟周期的tl时 刻达到其中一个基准电压时，为后续斜坡周期调节初始电压电平，以补偿从tl时刻到末时 钟周期结束所发生的增量电压斜坡变化，并根据调节后的续斜坡周期的初始电压来调节当 前斜坡周期内的时钟周期计数。在某些实施例中，本发明提供通过下述方式测量电极电容的装置向电极施加电 荷，使得电压信号在与时钟周期同步触发的多个斜坡周期内在第一基准电压电平和第二基 准电压电平之间斜坡变化，并且所述电容与电压信号在多个斜坡周期内斜坡变化过程中累 积的时钟周期总数成比例。该装置包括斜坡控制电路和计数器控制电路，其中斜坡控制电 路响应于在当前斜坡周期内末时钟周期的tl时刻达到其中一个基准电压，并相对于第一 基准电压电平和第二基准电压电平中的其中一个，所述斜坡控制电路为后续斜坡周期调节 初始电压电平，以补偿当前斜坡周期内从所述tl时刻到所述末时钟周期结束所发生的增 量电压斜坡变化；并且其中计数器控制电路根据调节后的后续斜坡周期的初始电压来调节 当前斜坡周期内的时钟周期计数。在某些实施例中，本发明提供通过下述方式测量多个位置处的电容的装置向每 个位置施加电荷，使得各自的电压信号在与时钟周期同步触发的多个斜坡周期内在第一基 准电压电平和第二基准电压电平之间斜坡变化，并且各自的电压信号在多个斜坡周期内斜 坡变化过程中每个位置的电容与累积的时钟周期总数成比例。这类装置包括斜坡控制电路
4和计数器控制电路，其中斜坡控制电路与多个位置中每一个相关以控制各自的电压信号的 斜坡变化，每个斜坡控制电路都可以操作，以相对于第一基准电压电平和第二基准电压电 平中的其中一个，为各自的电压信号的后续斜坡周期调节初始电压电平，以补偿先前斜坡 周期的末时钟周期内所发生的各自的电压信号的增量电压斜坡变化；并且其中计数器控制 电路根据调节后的续斜坡周期的初始电压来调节先前斜坡周期内的时钟周期计数。在某些实施例中，本发明提供用于提高电极电容测量装置的电容测量分辨率的方 法，该装置通过下述方式测量电容向电极施加电荷，使得电压信号在与时钟周期同步触发 的多个斜坡周期内在第一基准电压电平和第二基准电压电平之间斜坡变化，并且所述电容 与电压信号在多个斜坡周期内斜坡变化过程中累积的时钟周期总数成比例。该方法包括 相对于第一基准电压电平和第二基准电压电平中的其中一个，为后续电压信号斜坡周期调 节初始电压电平，以补偿先前电压信号斜坡周期的末时钟周期内所发生的增量电压斜坡变 化。以上发明内容并非旨在描述本发明的每个实施例或本发明的每种具体实施。结合 附图并参照下文的具体实施方式
以及所附权利要求书，再结合对本发明比较完整的理解， 本发明的优点和成效将变得显而易见并且为人所领悟。


考虑到本发明的各种实施例的下述详细描述并结合附图，可更完全地理解和领会 本发明，其中图IA至IC示意性地示出可用于本发明的某些实施例的示例性触摸传感器系统；图2A和2B示意性地示出可用于本发明的某些实施例的示例性控制电路的一部 分；图3示意性地示出可用于本发明的某些实施例的示例性控制电路；图4A和4B示意性地示出示例性时间图，图中示出根据本发明的某些实施例的电 容测量电路的工作情况；图4C示意性地示出时间图，图中示出比较电容测量电路的工作情况；图5示意性地示出时间图，图中示出根据本发明的某些实施例的多电容测量电路 的工作情况；以及图6示意性地示出可用于本发明的某些实施例的示例性累加器电路。虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，但其细节已通过举例的方式在附 图中示出并且将会作详细描述。然而，应当理解，其目的不在于将本发明局限于所述具体实 施例。相反，其目的在于涵盖由所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改形式、等同 形式和替代形式。
具体实施例方式在下文对所举例说明的实施例的叙述中将参考形成本发明一部分的附图，并且其 中通过举例说明示出多个可以在其中实施本发明的实施例。应当理解，在不脱离本发明范 围的前提下，可以利用这些实施例，并可以进行结构上的修改。在某些实施例中，本发明涉及通过下列方式测量电极电容使电压信号在多个斜
5坡周期内在基准电压电平之间斜坡变化，并对电压信号在多个斜坡周期内斜坡变化过程中 的累积时钟周期计数。通常，各个电压信号斜坡会在斜坡周期结束时的时钟周期内达到其 阈值电平(例如，基准电压电平中的其中一个)，斜坡周期在该时钟周期末尾结束(因此，其 间电压达到阈值的时钟周期可以称为该斜坡的“末时钟周期”)。不是从电压阈值(或其他 指定基准电平)开始后续(如下一个)电压信号斜坡，相反，而是对后续斜坡的初始电压电 平进行调节，以补偿在达到阈值时与末时钟周期末尾之间发生的增量电压斜坡变化。根据 后续初始电压电平的调节程度，可以调节刚结束的斜坡周期内的时钟周期计数。例如，调节 时钟周期计数可涉及确定是否将末时钟周期计入。在某些实施例中，调节后续斜坡周期的初始电压电平会使残留的未计数时间(即 时钟周期的一部分)从一个斜坡周期移动到另一个斜坡周期。因此，不是仅仅舍去残留时 间(通过将其舍入至下一完整时钟周期或将其舍入至前一完整时钟周期)然后在下一斜坡 重新开始，而是调节后续斜坡的初始电压电平以允许将要计入刚结束的斜坡周期内或后续 斜坡周期内的残留时间来回移动。例如，在某些实施例中，当斜坡在达到阈值时和末时钟周 期末尾之间的残留时间内反向时，可以将整个末时钟周期计入斜坡周期内。斜坡在该残留 时间内换向，实质上是从后续斜坡周期内“借用”残留时间。在其他实施例中，不计算末时 钟周期，并且通过相应调节初始电压电平将残留时间移至后续斜坡周期内。当电压信号斜坡变化相比时钟更快时，这种残留未计算时间的移动尤其有用。例 如，当待测电容较小时(例如，电容触摸传感器装置中可能遇到的情况)，斜坡周期达到其 阈值可能只需要几个时钟周期(例如5至50个时钟周期)。在这种情况下，由于电容测量 基于所计数的时钟周期的总数，因而电容测量的分辨率受时钟的限制。移动残留时间可以 考虑到时钟时间中原本未计入的部分，从而潜在地提高测量分辨率。在不丧失一般性的同时，本着有效说明的目的，有必要在触摸传感器系统背景下 描述本发明的各个方面。当然应该认识到，这种描述仅仅是示例性而非限制性的，并且本发 明的方面适于在测量电容以及计算电容测量值的相对大小或比率的许多应用中实施。例子 包括仪表、压力表以及较小距离、面积和湿度的测量。图IA至IC示出适于实施本发明的各种实施例的电容测量装置的触摸传感器的 例子。在某些应用中，通过测量传感器表面一个或多个位置处因存在触摸物体而产生的电 容或相对电容，所示装置可以确定与连接到传感器表面的触摸物体相关的信息。例如，图 IA的装置10表示4线电容式传感器系统(也称模拟电容式)，其中电容CxI至Cx4(如传 感器12的四角处所示)用控制器14测量。传感器12可以为连续电阻层(例如，可以商 品名Cleartek从3M Touch Systems, Inc.商购获得的电容触摸传感器)、图案化或分段 电阻层(例如在提交于2007年4月12日的、共同转让的USSN 11/734，553中所公开的传 感器)或任何其他合适的传感器。又如，图IB的装置20表示矩阵电容传感器系统，该系 统包括相互垂直的若干组电极以及测量每个电极的电容的控制器24(例如美国专利公开 2007/0074913中所公开的类型)。本发明的实施例也可以用来测量按钮和开关应用(单独 或阵列)、线性滑动控制器等的电容。例如，图IC的装置30表示电容式按钮传感器系统30， 该系统包括传感表面32和用来测量传感器表面电容的控制器34。如图所示，图IA的系统10示出了 4线触摸实施例，其包括连接到微处理器16和 模拟电容式传感器12的触摸控制器14。在示例性实施例中，控制器14执行诸如触摸信号
6调节、数据转换和实时处理之类的功能，而微处理器16则执行诸如滤波和触摸坐标计算之 类的功能。控制器14利用电流源18a至18d驱动电容测量位置处的传感器12。当电容式 触摸物体连接到传感器12时，测量每个拐角处的所得电容，这些电容用集总电容CxI至Cx4 表示。为便于举例说明，本文结合电流驱动电路描述示例性实施例。然而，本领域的技术人 员将会理解，本发明同样适用于电压驱动电路，例如提交于2006年12月19日的、共同转让 的USSN 11/612,790中所公开的类型。如图所示，图IB的系统20示出了矩阵触摸传感器的实施例，其包括连接到微处理 器26和矩阵电容传感器30的触摸控制器24。在示例性实施例中，控制器24执行诸如触摸 信号调节、数据转换和实时处理之类的功能，而微处理器26则执行诸如滤波和触摸坐标计 算之类的功能。如出于举例说明目的在图IB中所示的那样，控制器24通过分别连接到不 同传感电极上的9个电流源28a至28i驱动传感器30。电极被布置成包括底部电极32和 顶部电极36至39的相互垂直的若干组线性棒。寄生电容(未示出)将底部电极32连接 到地线，并将顶部电极36至39也连接到地线。也可以包括互电容(未示出)，该电容将每 个底部电极32连接到相邻的底部电极，并将每个底部电极32连接到顶部电极36至39中 的每一个上。在某些实施例中，传感器30包括导电罩31，用来减少可能原本因寄生电容而 流动的电流。导电罩30可以连接到固定电压(未示出)或通过交流(AC)电信号Vs驱动， 该信号可以(例如)等于施加到电极32上的电压信号。减小导电罩31和电极32之间以 及导电罩31和电极36至39之间的交流(AC)电压差，会减少可能流经互(寄生)电容的 电容电流。由于寄生电容趋向于降低对触摸电容变化的敏感度，所以这样做是可取的。如图所示，图IC的系统40示出了电容式按钮实施例，其包括连接到微处理器46 和传感器表面42的触摸控制器44。在示例性实施例中，控制器44执行诸如触摸信号调节、 数据转换和实时处理之类的功能，而微处理器46则执行诸如滤波和触摸坐标计算之类的 功能。控制器44利用电流源48驱动传感器表面42。当电容式触摸物体连接到传感器42 时，测量所得电容Cx。如上所述，系统40可利用所示电流驱动电路以及电压驱动电路实现。图2A和2B示出示例性电流驱动电路100A和100B，该电路可用来驱动传感器表 面的一个或多个电极和/或传感器表面的电极上的一个或多个测量位置。在图2A中，时控 斜率转换器104A通过从电流源IS+和IS-向电容Cx交替注入正负电流来产生正负电压斜 坡信号。时控斜率转换器104A包括比较器A。当在电压斜坡内使用IS+达到高阈值时，或 者当在电压斜坡内使用IS-达到低阈值时，比较器A向控制逻辑部分106A提供触发信号 Trig。当测量电容Cx时，通过计算斜坡变化过程中出现的主时钟周期(MClk)的总数，同时 测量电压信号V在积分期内在高阈值和低阈值之间斜坡上升和斜坡下降的累积斜坡时间。 计数器108A(也用Ctr表示)会递增MClk计数。低电压阈值和高电压阈值(本文用-Vth 和+Vth表示)为迟滞比较器A(施密特触发器)的开关点。通过以所需速率交替开启正向 电流发生器IS+和反向电流发生器IS-，可以产生斜坡信号V。当IS+开启时，Cx内流入恒 定的电流，从而产生上升的电压信号斜坡。斜坡上升、斜坡下降周期重复所需次数，这具体 取决于所需测量分辨率、响应时间等。图2B示出另一个示例性的驱动电路100B，该电路包括具有比较器A的时间斜率 转换器104B，比较器A向控制逻辑部分106B提供触发信号Trig，以控制计数器108B的停 止和启动，非常类似图2A的转换器104A。驱动电路100B附加包括三态驱动器D和电阻器R(代替了图2A的转换器104A中所示的电流源IS+和IS-)，以产生进入电容器Cx的电流。 电路100B可以在控制器内无模拟电流源的情况下使用。图3示例性示出具有4个驱动电路61至64的控制器60，这些电路分别用来测量 (例如)4线模拟电容触摸传感器的传感器表面上不同位置处的电容CxI至Cx4。如图所示， 驱动电路61至64均为类似于图2A所示转换器104A的时控斜率模数转换器。应当理解， 可以使用如图2B所示的转换器以及电压驱动电路。虽然图3仅详细示出时控斜率转换器 61，但应当理解，时控斜率转换器62、63和64中的每一个都包括对应的部件。一般来说，每 个电容测量位置使用单独的测量通道，对于矩阵触摸传感器而言，测量位置数可以等于各 电极的数量(例如，8X8电极矩阵的测量位置为16个)。时控斜率转换器在一定程度上类似于双斜率转换器，两种转换器均被构造用于通 过从电流源向电容CxI至Cx4交替注入正向电流和反向电流来产生正向(+)和反向(-)斜 坡信号。例如，时控斜率转换器61包括电流源ISl+和IS1-，并且按照一致的命名方式(虽 然未示出)，时控斜率转换器62包括电流源IS2+和IS2-，时控斜率转换器63包括电流源 IS3+和IS3-，以及时控斜率转换器64包括电流源IS4+和IS4-，本文使用IS+和IS-表 示上下文所指示的任何或全部电流源。在示例性实施例中，电流源大小相等，因此ISl+ = ISl- = IS2+ = IS2- = IS3+ = IS3- = IS4+ = IS4-。时间斜率转换器61也包括比较器 Al。当使用ISl+的电压斜坡内达到高阈值时，或者当使用ISl-的电压斜坡内达到低阈值 时，比较器Al向控制逻辑79提供触发信号Trigl。相似地，时控斜率转换器62包括提供触 发信号Trig2的比较器A2，依此类推。假设测量电容也相等，即CxI = Cx2 = Cx3 = Cx4，则电压信号VI、V2、V3和V4将 具有相同斜率的斜坡。对于模拟电容式触摸面板应用，CxI至Cx4通常为相近值(例如，彼 此相差在约30%内)。向传感器的触摸输入通常会导致一个或多个电容相对于其他电容增 加，从而会使具有较大电容的通道内的电压信号的斜坡较缓。斜率的不同导致斜坡变化至 阈值电压电平(例如从诸如l/3Vcc的低基准电平斜坡上升，或从诸如2/3Vcc的高基准电 平斜坡下降)所需时间也不同。同时测量电压信号Vl至V4在积分期内的累积斜坡时间， 并利用测得的累积斜坡时间之间的差值指示CxI至Cx4之间的电容差。对于时间斜率转换 器61，计数器71 (也用Ctrl表示)会递增每个MClk周期的计数，从而累积斜坡时间。低 电压阈值和高电压阈值(本文用-Vth和+Vth表示)为迟滞比较器Al至A4 (图3仅示出 Al)的开关点。通过以所需速率交替开启正向电流发生器和反向电流发生器，例如ISl+和IS1-， 可以产生斜坡信号Vl至V4。对于转换器61，当ISl+开启时，CxI内流入恒定的电流，从而 产生上升的电压信号斜坡。除非过早结束，则Vl信号将斜坡上升，直到在+Vth处触发比较 器Al。在该点处，ISl+关闭。当电流源ISl-开启时，电压信号即会斜坡下降，并且会持续 到在阈值-Vth处触发比较器Al。斜坡上升、斜坡下降周期重复所需次数，具体取决于所需 测量分辨率、响应时间等。每个时控斜率转换器都连接到电路65，该电路包括积分计数器 或控制所有通道的其他计数器，以及连接到(例如)微处理器(未示出)的串行I/O端口 (SI/0)和中断请求端口(IRQ)。图4A示出示例性电路工作的时间序列。为简单起见，图中仅示出单电压信号V，但 通常情况下可以同时测量多个电容。第一斜坡周期开始于电压电平-Vth处，并处于MClk周
8期的上升沿。将该点指定为to时刻。在图示情况下，施加恒定的正电流(IS+)，直到在tl 时刻达到高电压阈值+vth。将达到+Vth的MClk周期指定为末时钟周期，并用MClkT表示。 在tl时刻，停止施加正电流IS+，并在MClkT的其余部分处注入负电流IS-，一直持续到t2 时刻，从而产生略低于高阈值+Vth的最终电压信号电平。接着使斜坡信号V在一个完整的 时钟周期内保持不变，直到在t3时刻处开始下一斜坡周期为止。没必要使斜坡信号继续在 额外的时钟周期内保持不变，这样做主要是为了举例说明。然而，如果测量多个电容，为了 (例如)减少流过测量位置之间的互电容的电流，可能有利的是将后续斜坡周期的开始时 间延迟到所有信号斜坡都已达到阈值电平时，这在上文引用的共同转让的美国临时专利申 请No. 61/017，451中有所描述。在t3时刻，在低于+Vth的电压电平下开始下一斜坡周期。调节后的初始电平考 虑了 tl时刻(达到+Vth时)和t2时刻(末时钟周期结束时)之间进行的负斜率斜坡变 化的增量。这种负斜坡变化会从第二斜坡周期“借用”时钟周期的一部分，从而可以累加第 一斜坡周期内的MClk周期总数。在图4A所示情况下，增加了 10个MClk周期，其中包括末 时钟周期。从t3时刻开始注入负电流IS-，以使信号V斜坡下降至-Vth，并在t4时刻处达 到这一电平。如上所述，在末时钟周期的剩余时间内注入反向电流(在这种情况下为IS+)， 直到在t5时刻停止注入。t5时刻达到的电压电平成为下一信号斜坡的起点，该斜坡开始于 t6时刻。注意，在第二斜坡(包括MClkT)内累积了 9个额外的时钟周期，使得在t6时刻的 累积时钟周期总数达到19。在t6时刻，再次注入正电流IS+，直到在t7时刻达到高阈值+Vth为止。接着在末 时钟周期的剩余时间内注入负电流is-，直到在t8时刻停止，从而在t9时刻产生用作下一 斜坡起点的调节过的最终电压电平。在t9时刻，注入负电流IS-，直到在tlO时刻达到低阈 值-Vth为止，从而出现末斜坡。注意，巧合的是tlO时刻正好与时钟周期末尾重合。按照 惯例，将tlO时刻结束的时钟周期指定为末时钟周期，并且进行计数。在保持一个时钟周期 后，积分期在经过两个上升斜坡和两个下降斜坡后终止于til时刻处。如图4A所示，斜坡 变化过程中累积的时钟周期总数(不包括斜坡之间的保持时间)等于37，横跨积分期所需 的总时间为41个MClk周期。在达到阈值信号电平之后的剩余时钟周期内改变信号斜坡的方向(如图4A所示) 会调整下一斜坡的起点，以补偿达到阈值时和下一时钟上升沿之间的时间。因此，由于实 际上已经从下一斜坡周期内扣除残留时间，因此可以将达到阈值时的整个时钟周期计算在 内。在多个斜坡周期内重复该过程，可以把残留时间的累加和考虑进去，使得测量分辨率 接近时钟周期时间除以总测量时间的商(即，通过延长测量时间可以提高分辨率)，而不是 接近时钟周期时间除以单个电压斜坡时间的商(即，不论测量时间长短，分辨率均固定不 变)。如图4B所示，在斜坡达到阈值时与下一时钟上升沿之间的时间内允许信号斜坡 超过阈值，可以取得类似效果。在这种情况下，下一电压斜坡从超出的电压电平开始，因而 重新经过残留时期。在这种情况下，末MClk周期不计入前一斜坡内。这样会在每个斜坡周 期之间产生额外的未计数MClk周期。图4B示出示例性电路的工作情况，该电路使用与图4A相同的时钟周期和信号斜 率以便于比较。当信号V在第一斜坡的tl时刻达到阈值+Vth时，斜坡继续穿过+Vth，并
9在末时钟周期的t2时刻停止。这样的结果是将后续斜坡的起点调到-Vth至+Vth的范围 之外。当下一斜坡从t3时刻开始时，首先必须重新经过残留时期(等于t2时刻减去tl时 刻)，从而将残留时间从第一斜坡移至下一斜坡。因此，计数器Ctr没有计入末时钟周期，导 致第一斜坡结束时统计了 9个时钟周期。在t3时刻，通过注入电流IS-开始下一斜坡。在t4时刻，达到低阈值_Vth，因此 电流IS-只会持续到时钟周期MClkT的剩余时间。在t5时刻，末时钟周期结束，且电压信 号保持在低于-Vth的所得电平下，直到t6时刻开始下一时钟周期。注入正电流IS+，直到 在t7时刻达到高阈值，此时注入IS+，直到在t8时刻末时钟周期结束为止。在t9时刻，从 调节后的电压电平开始最末斜坡下降。在tlO时刻达到低电压阈值，在til时刻结束最末 时钟周期。在tl2时刻，在总共完成45个MClk周期之后，则可以认为测量的积分期结束， 在此期间，计数器Ctr累积了 37个时钟周期。注意，图4A所示实例也会累积37个周期，但 只是积分期较短而已(41个MClk周期)。为进行比较，图4C示出未通过调节后续斜坡初始电平来补偿残留时间的电路工 作的时间序列。因此，图4C的第一斜坡从t0时刻开始，并在达到阈值+Vth的tl时刻结 束。信号将保持在+Vth电平，直到在t2时刻的下一时钟上升沿处开始下一斜坡为止。注 入IS-使斜坡持续下降，直到在t3时刻达到低阈值-Vth为止。信号保持在-Vth电平，直 到在t4时刻的下一时钟上升沿处开始下一斜坡为止。注入IS+使斜坡持续上升，直到在t5 时刻达到高阈值+Vth为止。信号保持在+Vth电平，直到在t6时刻的下一时钟上升沿处开 始最末下降斜坡为止。注入IS-使斜坡持续下降，直到在t7时刻达到低阈值-Vth为止。积 分期结束于t8时刻的时钟周期末尾处。从t0时刻至t8时刻总共经过40个时钟周期，比 图4A所示信号操作中少一个。图4C所示斜坡变化过程中的累积的时钟周期总数取决于是 否包括末时钟周期(MClkT)。如果计算末时钟周期，则计数器Ctr内的累积数为39，这要多 于图4A和4B所示累积数37。如果不计入末时钟周期，则计数器Ctr内的累积数为36，这 要少于图4A和4B所示累积数37。因此，通过比较图4C与图4A和4B可以看出，不调节时 钟周期残留部分的后续斜坡初始电平会导致计数过多或计数过少。图5示出示例性多电容电路(例如图3所示电路)工作的时间序列。图5尤其示 出四位置电容测量(例如4线模拟电容触摸传感器)，其中被测电容为CxI至Cx4，并且Cx2、 Cx3和Cx4相等，CxI大于Cx2、Cx3和Cx4(图5中的斜坡可以表示，例如，CxI超出约15% )。 参考图3所示电路，图5示出信号Vl至V4在阈值-Vth和+Vth之间的斜坡变化情况、比较 器触发信号Trigl至Trig 4的升高和降低时间、电流IS+和IS-的开启和关闭时间、计数 器Ctrl和Ctr2至Ctr4内的累积数、以及主时钟MClk周期。图5还示出发生多个事件的 多个t0时刻至t8和tl6。应该指出的是，虚线通常用来表示与时控斜率转换器61 (测量通 道1)相关的参数，而实线则通常用来表示与时控斜率转换器62至64 (测量通道2至4)相 关的参数。由于CxI大于其他电容，所以电压信号斜坡Vl滞后于电压信号斜坡V2至V4。主 时钟MClk频率可以为在预期斜坡变化时间范围内提供多个时钟周期的任何合适的频率， 例如MClk频率可以为约IOMHz至30MHz。斜坡信号Vl至V4的周期(即一个完整的斜坡上 升和斜坡下降周期)具有受来自电流源IS+和IS-的电流以及电容CxI至Cx4的大小控制 的频率。在模拟电容触摸传感器实例中，电压斜坡的频率可以在约20KHz至约200KHz的范
10围内。在示例性实施例中，测量序列始于MClk周期的上升沿(如图5的t0时刻所示)。 随着信号Vl至V4的斜坡变化，4个计数器Ctrl至Ctr4在各自信号的每个MClk周期结束 时累积计数。每个信号的计数器在MClk的下一上升沿处停止累积，该情况出现在各自的信 号达到电压阈值(正向斜坡为+Vth，反向斜坡为-Vth)之后。例如，在图5中，Ctr2至Ctr4 在t2时刻停止计数，此时的累积数为12。计数器继续保持停止状态，直到所有通道都已达 到阈值。例如，在t4时刻，Ctrl停留在累积数14处，由于t4时刻4个通道均达到电压阈 值，所以Ctrl至Ctr4所有计数器都重启，并且Vl至V4所有电压信号都开始反向斜坡变化 (注意，Ctrl在t4时刻停止并立即重启)。在某些实施例中，当某个信号通道达到电压阈值时，斜坡变化改变方向(与其他 斜坡和MClk无关)。例如，在电压信号V2的正向斜坡内的tl时刻达到阈值+Vth时，比较 器A2的输出Trig2切换至高，从而关闭电流源IS2+并同时开启电流源IS2-。如图5所示， 斜坡V2至V4在t 1时刻转向，斜坡Vl在t3时刻转向。这些斜坡转向在MClk的下一上升 沿处结束，与此同时，各自的测量通道的计数器停止计数(例如，斜坡V2至V4在t2时刻， 斜坡Vl在t4时刻)。当其计数器停止计数时，各自通道的IS-源关闭，导致斜率为零，并在 该通道等待所有其他通道达到阈值时产生延迟。在图5中，对于MClk周期的剩余部分，电压信号V2至V4在t 1时刻转向，这种状 态持续到t2时刻。在t2时刻，通道V2至V4的计数器停止计数，信号斜坡保持零斜率(即 延迟)。在t3时刻，信号Vl达到其比较器Al的阈值(+Vth)，并且Vl转向为负斜率。到t3 时刻，所有电压信号均达到阈值。因此，在图5所示实施例中，所有电压信号Vl至V4从t4 时刻(MClk的下一上升沿)开始同时斜坡下降。注意，由于通过逆转剩余MClk周期(此时 测量通道达到电压阈值)的斜坡方向来调节信号，可以从不同的初始电压电平开始各通道 的后续斜坡下降。换句话讲，可以为各自的残留时间单独调节每个电压信号斜坡。继续图5所示斜坡变化周期，每个负斜坡在其比较器达到阈值-Vth并且比较器输 出切换至低时停止，从而关闭IS-电流源。对于正斜坡，在某些实施例中，在达到阈值的剩 余MClk周期内，斜坡会转向。例如，信号斜坡V2至V4在t5时刻转向，且信号斜坡Vl在t7 时刻转向。在通道达到阈值之后，其各自的计数器会在MClk的下一上升沿处停止。例如， Ctr2、Ctr3和Ctr4在t6时刻停止，此时总累积数为24。在t7时刻，电压信号Vl达到阈 值-Vth。在t8时刻，计数器Ctrl在累积数28处停止，但由于四个比较器Al至A4都已经 在t8时刻之前触发，所以计数器Ctrl至Ctr4都会重启，且电压信号Vl至V4会一起出现 正斜坡。在图5的实例中，积分期从t0时刻持续到tl6时刻，此时所有通道都已经完成两 个完整的向上和向下电压斜坡周期。在积分期内，计数器Ctrl累积数为56次，且计数器Ctr2至Ctr4均累积48次。当 积分期完成时，向微处理器发出中断请求(例如，图3中用IRQ表示)，同时将计数器内保留 的每个通道的累积数传递到微处理器。某个通道相对于其他通道的累积数与该通道相对于 其他通道的电容成比例。在图5中，计数器Ctrl具有最高累积数，这说明电容CxI的值最 大。一个通道内的累积数与其他通道内的累积数的比率反映了电容的比率。在触摸传感器 实施例中，可利用电容比率确定触摸位置(计算取决于传感器构造)。如图5所示，如果某通道在一个或多个其他通道之前达到电压信号阈值，则该通道的电压电平将保持在阈值电平附近，直到一个或多个其他通道也达到阈值。因此，在达到 阈值之后将出现延迟，而不会立即开始后续斜坡，以便多个通道可以同时开始后续斜坡。一 个或多个通道出现延迟，从而使多个通道可以同时开始下一斜坡，这样通道的斜坡周期就 可以近似同相。使斜坡周期近似同相(即，所有正斜坡都出现在同一时间帧内，并且所有负 斜坡都出现在同一时间帧内)，可以使各通道在任何给定时间的电压信号之间的任何差异 相对较小，从而产生减小通道间电流(即，在电容测量位置之间流动的电流)的作用。当把 通道连接到可通过电阻连接通道的4线电容式传感器时，减小通道间电流尤其可取。当各 通道连接到矩阵传感器内的电极时，为了使流经电极的互电容的电流最小化，也希望信号 斜坡同相。应当理解，虽然图4A、4B和5所描述和示出的电路工作为双向斜坡(S卩，斜坡上升 到高阈值，然后斜坡下降至低阈值)，但本发明的方法和电路可通过单向斜坡实现，例如美 国专利No. 6，466，036中所公开的电容测量电路中所用的类型。例如，在某些实施例中，电 压信号同时斜坡上升至阈值，并且在产生延迟(例如，等待所有信号通道均达到阈值，等待 预定时间，等等)之后，信号通道可以同时返回零点(例如以阶跃函数方式)，然后重新开始 斜坡上升。还应当理解，虽然图4A、4B和5所描述和示出的电路工作方式是平滑斜坡(例 如由于施加恒定的电流)，但本发明的方法和电路可通过施加脉冲电流或电压实现，从而形 成阶跃斜坡。例如，美国专利No. 6，466，036公开了一种电路，该电路以快速脉冲方式开关 电流源，从而产生递增的阶跃电压斜坡。产生图4A、4B和5所示电压信号斜坡所需电流电平取决于被测电容大小和斜坡 持续时间。例如，假设4线电容触摸传感器实施例按照结合图3所述方式工作，其中Vcc =3V，阈值+Vth和-Vth之差为IV (例如，2/3Vcc处为+Vth, l/3Vcc处为-Vth)，并且其中 电容接近IOOOpf。在这种情况下，100 μ A的电流IS+和IS-会产生约50ΚΗζ的斜坡周期。 参照图2Β,假设Vcc = 3V，阈值+Vth和-Vth之差为IV (例如，2/3Vcc处为+Vth, l/3Vcc 处为-Vth)，并且其中电容接近IOOOpf，R采用15KW电阻器，电流源约100 μ A，平均电压降 1. 5V。一个MClk周期内随机噪声大于平均电压变化通常会使阈值电平高频脉动，因此 跨越和重新跨越阈值所需的MClk周期数会变化，即使被测电容电平保持不变。在多个斜坡 周期内，随机噪声的影响会减少因不补偿前一斜坡的残留电压而结束各个斜坡所导致的误 差，如图4C所示。利用大量的测量斜坡周期(即过采样)可以最终平衡阈值高频脉动，从而 提高测量分辨率。如果不存在足够的噪声，则可以采用其他高频脉动方法达到相同效果，例 如可以随机变化阈值，或者可以随机高频脉动MClk的频率。在本发明的某些实施例中，可 以将每次斜坡测量的结果添加到前面的测量结果中或与之平均化，或者可以用诸如Boxcar 滤波方法之类的方法滤波，以产生更新值，并且像增加测量次数一样提高分辨率。本发明的某些实施例利用累加器测量经过的电压信号斜坡时间。在上述实施例中 可以用累加器测量数字计数器、模拟积分器或二者的组合内的时间。模拟积分器启动和停 止快速，因而能够具有较高的测量分辨率。数字计数器具有更高的动态范围，但其瞬时分辨 率会受时钟频率(如MClk)的限制。因此，在如图4C所示的某些实施例中，图6所示电路 可以为所需累加器电路。图 6 示出 Σ -Δ 模数转换器 200 (sigma delta A-D converter 200)的例子，该转
12换器被构造用于以较高分辨率测量时间段。电容器Cl形成模拟积分器。当开关Sl关闭时， 向电容器Cl馈送已知的基准电流II。当比较器触发信号(如图3中的+Trig和-Trig)都 比较高，也就是说当电压信号在低电压阈值和高电压阈值之间斜坡变化时，开关Sl关闭。 当Al的输入高于Vcc/2阈值时，Σ - Δ控制逻辑部分210将开关S2关闭一定时间，从而以 递增方式使积分器电容器Cl放电。每当开关S2关闭时，计数器220都会增加计数。可以 对计数器220定期读数，并且各次读数之间的增量差与在该周期内开关Sl关闭的总时间成 比例。如本文所述，通过控制驱动信号的相位可以减少电容测量位置之间的电流。应当 理解，对于诸如图IA至IC所示触摸传感器系统的通用对地电容测量系统来说，可以利用同 相驱动信号有利地最小化互电容(电极间)。在其他系统中，利用异相驱动相邻电容测量位 置可以改善电极间互电容的测量效果。例如，在利用并联电容测量的触摸检测产品(例如， 可从Analog Devices, Inc商购获得的AD7142)中测量(从而提高)电极间互电容是可取 的。利用本文所述相位控制方法可以将测量通道调节为同相或异相。上文对于本发明的各种实施例的描述，其目的在于进行举例说明和描述，并非意 图穷举本发明或将本发明局限于所公开的精确形式。可以按照上述教导内容进行多种修改 和变化。例如，本文所述检测方法可以与多种触摸工具结合使用，其中包括系留工具和包含 电池或其他电源的工具。本发明的范围不受所述具体实施方式
的限定，而仅受所附权利要 求书的限定。
权利要求
一种用于通过下述方式测量电极电容的装置中的方法向所述电极施加电荷，使得电压信号在与时钟周期同步触发的多个斜坡周期内在第一基准电压电平和第二基准电压电平之间斜坡变化，并且所述电容与电压信号在所述多个斜坡周期内斜坡变化过程中累积的时钟周期总数成比例，所述方法包括以下步骤在当前斜坡周期的末时钟周期的t1时刻达到其中一个基准电压时相对于所述第一基准电压电平和所述第二基准电压电平中的一个，调节后续斜坡周期的初始电压电平，以补偿从t1时刻至末时钟周期结束发生的增量电压斜坡变化；以及根据调节后的所述后续斜坡周期的初始电压调节所述当前斜坡周期内的时钟周期计数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述时钟周期计数包括确定是否计入所述末 时钟周期。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，响应于将所述后续斜坡周期的所述初始电压电 平调节在所述第一基准电压电平和所述第二基准电压电平之间的闭区间范围内，计入所述 末时钟周期。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，响应于将所述后续斜坡周期的所述初始电压电 平调节在所述第一基准电压电平和所述第二基准电压电平之间的闭区间范围之外，不计入 所述末时钟周期。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在开始所述后续斜坡周期之后，所述方法还包括 将所述后续斜坡周期指定为当前斜坡周期，并且重复所述步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个斜坡周期从所述第一基准电压到所述第 二基准电压，然后再从所述第二基准电压到所述第二基准电压交替斜坡变化。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个斜坡周期中的每一个都从所述第一基准 电压向所述第二基准电压斜坡变化。
8.根据权利要求1所述的方法，其中向所述电极施加电荷包括施加连续电流。
9.根据权利要求1所述的方法，其中向所述电极施加电荷包括施加脉冲电流。
10.根据权利要求1所述的方法，其中向所述电极施加电荷包括通过阻抗施加电压。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极形成触摸感应装置的触摸表面的至少 一部分，并且所述电容来源于对所述触摸表面的触摸。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述触摸感应装置包括电容式按钮传感器。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述触摸感应装置包括模拟电容式触摸表面。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述电极上多个位置处执行所述步骤，从 而在所述多个位置中的每个位置处测量所述电极的电容。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括利用在所述多个位置中的每个位置处测得的 所述电极的电容确定所述触摸表面上的触摸位置。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述触摸感应装置包括矩阵电容式触摸表面， 并且所述电极包括布置成矩阵形式的多个电极中的一个。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括针对所述多个电极中的每一个执行所述步马聚ο
18.根据权利要求1所述的方法，其中为后续斜坡周期调节初始电压电平包括在从tl时刻至所述末时钟周期结束的时间内将当前斜坡反向。
19.根据权利要求1所述的方法，其中为后续斜坡周期调节初始电压电平包括在从tl 时刻至所述末时钟周期结束的时间内使当前斜坡继续通过。
20.一种用于通过下述方式测量电极电容的装置向所述电极施加电荷，使得电压信 号在与时钟周期同步触发的多个斜坡周期内在第一基准电压电平和第二基准电压电平之 间斜坡变化，并且所述电容与电压信号在所述多个斜坡周期内斜坡变化过程中累积的时钟 周期总数成比例，所述装置包括斜坡控制电路，响应于在当前斜坡周期内末时钟周期的tl时刻达到其中一个基准电 压，相对于所述第一基准电压电平和所述第二基准电压电平中的其中一个，所述斜坡控制 电路为后续斜坡周期调节初始电压电平，以补偿所述当前斜坡周期内从所述tl时刻到所 述末时钟周期结束所发生的增量电压斜坡变化；以及计数器控制电路，其根据调节后的所述后续斜坡周期的初始电压来调节所述当前斜坡 周期内的时钟周期计数。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述电极形成触摸感应装置的触摸表面的至少 一部分，并且所述电容来源于对所述触摸表面的触摸。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述触摸感应装置包括电容式按钮传感器。
23.根据权利要求21所述的装置，其中所述触摸感应装置包括模拟电容式触摸表面。
24.根据权利要求21所述的装置，其中所述触摸感应装置包括矩阵电容式触摸表面， 并且所述电极包括布置成矩阵形式的多个电极中的一个。
25.一种通过下述方式测量多个位置处的电容的装置向每个位置施加电荷，使得各 自的电压信号在与时钟周期同步触发的多个斜坡周期内在第一基准电压电平和第二基准 电压电平之间斜坡变化，并且每个位置的电容与各自的电压信号在所述多个斜坡周期内斜 坡变化过程中累积的时钟周期总数成比例，所述装置包括斜坡控制电路，其与所述多个位置中的每一个相关以控制所述各自的电压信号的斜坡 变化，相对于所述第一基准电压电平和所述第二基准电压电平中的其中一个，每个斜坡控 制电路都可操作地调节所述各自的电压信号的后续斜坡周期的初始电压电平，以补偿先前 斜坡周期的末时钟周期内的所述各自的电压信号的增量电压斜坡变化；以及计数器控制电路，其根据调节后的所述后续斜坡周期的初始电压来调节所述先前斜坡 周期内的时钟周期计数。
26.一种用于提高电容测量分辨率的方法，其用于通过下述方式测量电极电容的装置 中向所述电极施加电荷，使得电压信号在与时钟周期同步触发的多个斜坡周期内在第一 基准电压电平和第二基准电压电平之间斜坡变化，并且所述电容与电压信号在所述多个斜 坡周期内斜坡变化过程中累积的时钟周期总数成比例，所述方法包括相对于所述第一基准电压电平和所述第二基准电压电平中的其中一个，为后续电压信 号斜坡周期调节初始电压电平，以补偿先前电压信号斜坡周期的末时钟周期内的增量电压 斜坡变化。
全文摘要
本发明涉及一种时间斜率电容测量电路，所述时间斜率电容测量电路利用电压信号在基准电压电平之间斜坡变化的时间确定未知电容，其中所述斜坡变化时间由电压信号在多个斜坡周期内斜坡变化过程中计数的累积的所述时钟周期的总数确定。通过为后续电压信号斜坡调节初始电压电平，以补偿先前电压信号斜坡的末时钟周期内的增量电压斜坡变化，可以提高测量分辨率。
文档编号G01R27/02GK101910849SQ200880123086
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月28日
发明者伯纳德·O·吉安 申请人:3M创新有限公司