多电容测量电路和方法

专利名称：多电容测量电路和方法
技术领域：
本发明整体涉及用于测量多电容的电路和方法，并且涉及系统(例如利用多电容 测量电路和方法的电容触摸感应系统)，具体地讲，涉及在此类电路和方法中减小电容测量 位置之间的电流。
背景技术：
通过减少或消除对机械按钮、小键盘、键盘和指针设备的需求，触敏装置允许用户 便利地与电子系统和显示器接合。例如，用户只是通过触摸在由图标辨识的位置处触摸即 显触摸屏便可执行复杂序列的指令。在多个触敏装置中，当传感器内的导电物体以电容方 式连接到传导性触摸工具(例如用户的手指)时，输入被感应。由于触摸干扰，这类装置在 多个位置处测量电容，并且利用测量的电容确定触摸位置。

发明内容
在某些实施例中，本发明提供用于触摸传感装置的方法和对应电路，触摸传感装 置响应于在触摸位置处连接到触摸表面的触摸物体来测量在触摸表面上的多个位置处的 电容，该电容通过向多个位置施加电荷，使第一基准电平与第二基准电平之间的各自的电 压信号斜线变化来测量。此类方法包括控制电压信号斜线变化的相位以减少位置之间的电 流。在某些实施例中，控制电压信号斜线变化的相位包括(例如)通过在已达到阈值电压 的至少一个信道上实现延迟，或根据固定频率调节所有电压斜线上升来同时开始电压信号 斜线变化。在某些实施例中，可确定各自的电压信号斜线变化达到阈值电平时的时差，并且 可调节后续斜线上升的开始次数进行响应。在某些实施例中，本发明提供用于在多个位置处测量电容的装置的方法，每一个 位置都与电容测量信道相关，以根据各自的电容使各自的电压信号斜线变化。此类方法包 括(a)在多个信道上同时引发正向电压信号斜线变化；以及(b)响应达到阈值电压信号， 在至少一个信道的正向电压信号斜线变化上实现延迟。在某些实施例中，此类方法还可包 括(c)在多个信道上同时引发反向电压信号斜线变化；以及(d)响应达到低电压信号阈 值，在至少一个信道的反向电压信号斜线变化上实现延迟。这种交变的正向斜线上升和反 向斜线上升可重复所需的次数。在某些实施例中，本发明提供电容触摸传感装置，以用于通过响应于在触摸位置 处连接到触摸表面的触摸物体测量在触摸表面上多个位置处的电容来确定触摸位置。此类 装置包括的电路与每一个位置相关，以通过施加电荷使第一基准电平与第二基准电平之间
4的各自的电压信号斜线变化，并控制电压信号斜线变化的相位，以减小多个位置之间流动 的电流。以上发明内容并非意图描述本发明的每一个实施例或每种实施方式。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，本发明的优点、成效以及更全面的理解将 变得显而易见并且为人所领悟。


结合附图并参照下文中各种实施例的具体实施方式
，可以更全面地理解和领会本 发明，其中图IA和图IB示意性地示出在本发明的某些实施例中可用的示例性触摸传感器系 统；图2示意性地示出在本发明的某些实施例中可用的示例性控制电路；图3示意性地示出时序图，该时序图指示出根据本发明的某些实施例的多电容测 量电路的操作；图4示意性地示出时序图，该时序图指示出根据本发明的某些实施例的多电容测 量电路的操作；图5示意性地示出时序图，该时序图指示出根据本发明的某些实施例的多电容测 量电路的操作；图6示意性地示出时序图，该时序图指示出根据本发明的某些实施例的多电容测 量电路的操作；图7示意性地示出在本发明的某些实施例中可用的示例性控制电路的一部分；以 及图8示意性地示出在本发明的某些实施例中可用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，但其细节已经以举例的方式在附 图中示出并将加以详述。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的范围之内的所有修改形式、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说明中，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各种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 的范围的前提下，可以利用这些实施例，并且可以进行结构上的修改。在某些实施例中，本发明整体涉及在多电容测量电路和方法中减小电容测量位置 之间的电流。利用电压信号斜线变化确定在多个位置处的电容时，可通过控制电压信号斜 线变化的相位来减小测量位置之间的电流。例如，可同时引发各个电压斜线上升周期以使 斜线上升同相。在某些实施例中，可通过在已达到阈值电压斜线上升的测量信道中实现延 迟直至其它测量信道也达到阈值来实现此目的。作为另外一种选择或除此之外，可通过预 设斜线上升周期来调节电压信号斜线变化，从而使其保持同相。作为另外一种选择或除此 之外，可利用检测到的斜线上升周期差值来调节后续斜线上升周期的相对开始时间，例如
5用于匹配各自的斜线上升周期中间的斜线上升电压电平，以减小测量位置之间的净电流。 本领域的技术人员根据本文提供的说明应当领会，可使用这些技术和其它技术，包括其任 何合适的组合或排列。在不丧失一般性的同时，并且为了有效地举例说明，以触摸传感系统描述本发明 的各种方面是可用的。然而，当然应该认识到，这种描述仅为示例性的而非限制性的，并且 本发明的方面可适于在测量多电容以及计算测量的电容的相对大小或比率的多个应用中 实施。实例包括仪表、压力表以及小距离、面积和湿度的测量。图IA和图IB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实 例。在某些应用中，通过测量在传感器表面上的多个位置处由于存在触摸物体而产生的电 容或相对电容，所示装置确定与连接到传感器表面的触摸物体有关的信息。例如，图IA的 装置10表示4线电容式传感器系统(也称为模拟电容式)，其中位于传感器12的拐角处的 电容CxI至Cx4由控制器14测量。传感器12可为连续电阻层(例如可以商品名Cleartek 从3M Touch Systems, Inc.商购获得的电容式触摸传感器)、图案化或分段电阻层(例如 在提交于2007年4月12日的、共同转让的美国序列号No. 11/734，553中所公开的传感 器)或任何其它合适的传感器。又如，图IB的装置20表示矩阵电容式传感器系统，该系 统包括正交的电极组以及测量电极中的每一个上的电容的控制器24(例如美国专利公开 2007/0074913中所公开的)。本发明的实施例也可用于测量用于按钮和开关应用(单独或 阵列)、线性滑块控件等的电容。如所指出的那样，图IA的系统10示出4线触摸实施例，该实施例包括连接到微处 理器16和连接到模拟电容式传感器12的触摸控制器14。在示例性实施例中，控制器14执 行例如触摸信号调节、数据转换和实时处理的功能，而微处理器16则执行例如滤波和触摸 坐标计算的功能。控制器14利用电流源18a至18d驱动在电容测量位置处的传感器12。 在电容式触摸物体连接到传感器12时，测量在每一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来描述示例性实施例。然 而，本领域的技术人员将认识到，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、共同转让的美国序列号No. 11/612, 790中所公开的那些。如所指出的那样，图IB的系统20示出矩阵触摸传感器实施例，该实施例包括连接 到微处理器26和连接到矩阵电容式传感器30的触摸控制器24。在示例性实施例中，控制 器24执行例如触摸信号调节、数据转换和实时处理的功能，而微处理器26则执行例如滤波 和触摸坐标计算的功能。如图IB所示，出于举例说明的目的，控制器24通过9个电流源 28a至28i驱动传感器30，每一个电流源连接到不同传感电极。电极被布置成正交的线性 棒组，该线性棒组包括底部电极32和顶部电极36至39。寄生电容(未示出)将底部电极 32以及顶部电极36至39接地。也可以存在互电容(未示出)，该互电容将底部电极32中 的每一个连接到相邻的底部电极，以及将底部电极32中的每一个连接到顶部电极36至39 中的每一个。在某些实施例中，传感器30包括导电罩31，以减小可能由于寄生电容而流动 的电流。导电罩31可以连接到固定电压(未示出)或由交流电信号Vs驱动，该信号可例 如等于施加到电极32上的电压信号。减小导电罩31与电极32之间以及导电罩31与电极 36至39之间的交流电压差，会减小流经互(寄生)电容的电容性电流。因为寄生电容往往 会降低对接触电容变化的灵敏度，所以这样做是理想的。
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为便于举例说明，在不丧失一般性的同时，通过重点讨论四电容测量信道(例如 使用4线模拟电容式传感器时可能存在)的情况，可以理解本发明的各种方面。基于这种 考虑，图2示例性地示出控制器60，该控制器具有四个分别用来测量电容CxI至Cx4的时控 斜率模数转换器61至64。虽然图中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中的每一个包括对应的部件。在一般情况下，单独的测量信道用于每一 个电容测量位置，该位置的数量就矩阵触摸传感器而言可以等于各个电极的数量(如8X8 电极矩阵的测量位置数为16)。时控斜率转换器一定程度地类似于双斜率转换器，每一个转换器被构造成通过交 替地将正向电流和反向电流从电流源注入电容CxI至Cx4中来产生正向⑴和反向㈠斜 线上升信号。例如，时控斜率转换器61包括电流源ISl+和ISl-(并且虽然未示出，但按照 一致的命名方式，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-，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，从而ISl+ = ISl- = IS2+ = IS2- = IS3+ = IS3- = IS4+ = IS4-。时控斜率转换器61也包括比较器 Al，当使用ISl+的电压斜线上升达到高阈值时，或当使用ISl-的电压斜线下降达到低阈值 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。假设测量的电容也相等，即CxI = Cx2 = Cx3 = Cx4，则电压信号V1、V2、V3和V4将 具有相同斜率的斜坡。对于模拟电容式接触面板应用，CxI至Cx4的值通常接近(例如，彼 此相差在约30%内)。触摸输入到传感器通常会具有电容中的一个(或多个)相对于其它 电容增大的效应，从而导致电容较大的信道的电压信号上的斜坡较缓。斜率差异导致斜线 上升至阈值电压电平(例如，从例如l/3Vcc的低基准电平斜线上升，或从例如2/3Vcc的高 基准电平斜线下降)所需的时差。同时测量电压信号Vl至V4在整个积分周期的累积斜线 上升时间，利用测量的累积斜线上升时差指示CxI至Cx4当中的电容差。对于时控斜率转换 器61，计数器71(也用Ctrl表示)对每个主时钟周期(MClk)递增一个计数，从而累积斜线 上升时间。低阈值电压和高阈值电压(本文用-Vth和+Vth表示)为磁滞比较器(Schmitt 触发器)A1至A4(图2中仅示出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-， 产生斜线上升信号Vl至V4。参照转换器61，当ISl+开启时，恒定的电流流入CxI中，从而 产生增加的电压信号斜线变化。除非过早终止，否则Vl信号将斜线上升，直至比较器Al在 +Vth处触发。在该点处，ISl+关闭。当电流源ISl-开启时，电压信号斜线下降，并且可持 续直至比较器Al在阈值-Vth处触发。以所需次数重复斜线上升周期和斜线下降周期，具 体取决于所需的测量分辨率、响应时间等。时控斜率转换器中的每一个连接到电路65，该电 路可包括积分计数器或控制所有信道的其它计数器(例如，图4所示的限幅计数器或图5 和图6所示的周期计数器)，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3示出用于实例电路操作的时序，在该情况下，Cx2、Cx3和Cx4相等并且CxI大 于Cx2、Cx3和Cx4(图3中的斜线上升可表示例如CxI超出约15% )。图3示出信号Vl至 V4在阈值-Vth和+Vth之间的斜线上升、比较器何时触发Trigl至Trig4升高和降低、电流
7IS+和IS-何时开启和关闭、计数器Ctrl和Ctr2至Ctr4中的累积计数、以及主时钟MClk 周期。图3也示出发生各种事件的各种时间t0至tl6。应该指出的是，虚线通常用来表示 与时控斜率转换器61 (测量信道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(测量信道2至4)相关的参数。图4至图6也采用同样规则。因为CxI大于其它电容，所以电压信号斜线变化Vl滞后于电压信号斜线变化V2至 V4。主时钟MClk频率可为在预期斜线上升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。斜线上升信号Vl至V4的周期(即一个完整的 斜线上升、斜线下降周期)具有的频率受来自电流源IS+和IS-的电流以及电容Cx的大小 控制。在模拟电容式触摸传感器实例中，电压斜线上升的频率可以在约20KHz至约200KHz 的范围内。在示例性实施例中，测量序列始于MClk周期的上升沿(在图3中的时刻t0示出)。 随着信号Vl至V4的斜线上升，四个计数器Ctrl至Ctr4在用于各自的信号中的每一个的每 一个MClk周期结束时递增计数。用于每一个信号的计数器在MClk的下一上升沿处停止递 增，该情况出现在各自的信号达到阈值电压(正向斜线上升为+Vth，反向斜线上升为-Vth) 之后。例如，在图3中，Ctr2至Ctr4在t2时刻停止，此时的递增计数为12。停止的计数 器仍然保持停止状态，直至所有信道达到阈值。例如，在t4时刻，Ctrl在递增计数14处停 止，由于t4时刻所有四个信道均达到阈值电压，因此所有计数器Ctrl至Ctr4都重启，并且 所有电压信号Vl至V4都开始反向斜线上升(注意，Ctrl在t4时刻停止并立即重启)。在某些实施例中，当信道上达到阈值电压时，斜线上升会反向(与其它斜线上升 无关，并且与MClk无关)。例如，在电压信号V2的正向斜线上升内的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+并且同时开启电流源IS2-。如 图3所示，斜线上升V2至V4在tl时刻反向，斜线上升Vl在t3时刻反向。此类斜线上升 反向在MClk的下一上升沿处终止，与此同时，各自的信道的计数器停止(如对于斜线上升 V2至V4在t2时刻，对于斜线上升Vl在t4时刻)。当其计数器停止时，各自的信道的电流 源IS-关闭，导致斜率为零，并且在该信道等待所有其它信道达到阈值时实现延迟。在图3中，对于当前MClk周期的其余，电压信号V2至V4在tl时刻反向，该反向 在t2时刻结束。在t2时刻，信道V2至V4的计数器停止，信号斜线变化保持零斜率(即延 迟)。在t3时亥lj，信号Vl达到比较器Al的阈值(+Vth)，并且Vl反向到负斜率。到t3时 刻，所有电压信号均达到阈值。因此，在图3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)开始同时斜线下降。应当注意，无需中断在t3时刻开始反向的电 压信号Vl的斜线下降。应该指出的是，虽然图3(以及图4至图6)举例说明了达到阈值电 压后斜线上升会反向，但本发明并不局限于实现这种斜线上升反向的电路和方法。继续说明图3所示的斜线上升周期，每一个负斜线上升在其比较器达到阈值-Vth 并且比较器输出切换至低时停止，从而关闭电流源IS-。对于正斜线上升，在某些实施例中， 斜线上升可在达到阈值的MClk周期的其余的期间反向。例如，信号斜线变化V2至V4在t5 时刻反向，信号斜线变化Vl在t7时刻反向。信道达到阈值之后，该信道的计数器在MClk 的下一上升沿处停止。例如，Ctr2, Ctr3和Ctr4在t6时刻停止，此时累积递增计数为24。 然后可在信号斜线变化V2至V4的信道上实现延迟，从而导致在这些信道等待信号Vl达到 阈值-Vth时斜率为零。在t7时刻，电压信号Vl达到阈值-Vth (在某些实施例中立即反向
8斜率)。在t8时刻，计数器Ctrl在递增计数为28时停止，但由于所有四个比较器Al至A4 都已经在t8时刻触发，因此所有计数器Ctrl至Ctr4都会重启，并且电压信号Vl至V4 — 起正斜线上升。该过程(即，信号斜线变化在阈值电平之间周期变化，以及统计每一个信道完成 斜线上升所需的时钟周期数)会继续，直至所有信道完成N个完整周期，该时期称为积分周 期，其可由积分计数器确定。积分周期可为预定的周期数，或可根据应用和条件而有差别 (例如，通过增大积分周期可以提高电容测量精度和分辨率，并且响应时间可以为积分周期 设置上限)。在图3所示实例中，N = 2，从而积分周期从t0时刻延伸至tl6时刻，在此期 间，所有信道均完成两个完整的电压斜线上升周期和电压斜线下降周期。在积分周期期间，计数器Ctrl累积递增56次，计数器Ctr2至Ctr4各累积递增48 次。积分周期结束时，向微处理器发出中断请求(例如，图2中用IRQ表示)，并且将计数器 中保留的每一个信道的累积值传送到微处理器。某信道相对于其它信道的累积数与该信道 相对于其它信道的电容成正比。在图3中，计数器Ctrl具有最高累积计数，这说明电容CxI 的值最大。一个信道中的累积计数与其它信道中的累积计数之比表示电容比。在触摸传感 器实施例中，可利用电容比确定触摸位置(计算取决于传感器的构型)。如上所述，如果某信道在其它信道中的一个或多个之前达到阈值电压信号，该信 道的电压电平将保持在阈值电平附近，直至其它信道中的一个或多个也达到阈值。如此，会 实现延迟，从而多个信道可同时开始反向斜线上升，而不是在达到阈值时开始反向斜线上 升。假设被测电容大小近似，在一个或多个信道上实现延迟，从而可在多个信道上同时引发 下一斜线上升，这样允许信道的斜线上升周期大致同相。保持斜线上升周期大致同相(即， 所有正斜线上升在同一时间帧期间进行，并且所有负斜线上升在同一时间帧期间进行)，通 过保持各种信道在任何给定时间的电压信号之间的任何差异相对较小，可具有减小信道间 电流(即，在电容测量位置之间的电流)的效应。当信道连接到可通过电阻连接信道的4 线电容式传感器时，减小信道间电流尤其理想。当各个信道连接到矩阵传感器中的电极时， 为了使流经电极互电容的电流最小化，也可能希望信号斜线变化同相。应当理解，虽然图3至图6所述和所示的电路操作以双向斜线上升(即，斜线上升 到高阈值，然后斜线下降至低阈值)，但也可通过单向斜线上升实现本发明的方法和电路， 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，电压信号同时斜线上升至阈值，并且在实现延迟(如等待所有信道均达到阈值、等待预 定时间等等)之后，信道可同时复位到零(如以阶跃函数方式)，然后重新开始斜线上升。 还应当理解，虽然图3至图6所述和所示的电路操作以平滑斜线上升(例如由于施加了恒 定的电流)，但也可通过施加脉冲电流或电压实现本发明的方法和电路，从而导致阶跃斜线 上升。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， 以产生递增的阶跃电压斜线上升。图4所示的电路操作实例与图3所示实例类似，不同的是电压信号Vl至V4中的 每一个在斜线上升周期之间延迟，从而形成如图4所示限幅的锯齿状图案。在某些实施例 中，可以在控制器上增加限幅计数器(CCtr)和某些逻辑，以产生限幅的锯齿状信号，相对 于完整的锯齿状信号，这样可导致较少的谐波。限幅计数器CCtr具有在开始下一斜线上升 之前增加延迟(例如，预定数量的MClk周期)的效应。在图4所示实例中，斜线上升Vl至
9V4在t4时刻停止，并且所有四个信号均在M个MClk周期内保持为常数，在本例中M等于 2。然后在t4a时刻重新开始所有斜线下降。在t8、tl2和tl6时刻实现相同的延迟，并且 在t8a、tl2a和tl6a时刻开始各自的下一斜线上升。控制器的所有其它功能相对于图3所 述工作。如图5所示，除了使信号Vl至V4形成为限幅的锯齿状外，也可以将(例如)信号 Vl至V4保持到固定的频率。可利用周期计数器(PCtr)将信号斜线变化Vl至V4保持到 由PCtr的周期确定的固定频率，而无论电容(在一定范围内)的变化情况如何。对于图5 所示的电路操作，控制器用作相对于图3所述，以下情况例外。在控制器上增加周期计数器 PCtr，例如在图2所示控制器60的逻辑模块65处增加。周期计数器PCtr可用例如主时钟 MClk来计时。在图示实施例中，当PCtr变小并且所有比较器触发信号Trig为高时，所有信 道在t4a时刻开始斜线下降，当所有比较器触发信号Trig为低并且PCtr输出变高时，所有 信道在t8a时刻开始新的斜线上升。当在tl2时刻所有信道都完成斜线上升时，电压电平 保持恒定，直至PCtr输出变低，此时，在tl2a时刻可引发新的斜线下降(假设所有四个比 较器触发信号为高)。如上所述，可同步化电压信号斜线变化的起点以减小测量位置之间因电压差较大 而引起的电流。在某些实施例中，如相对于图6所述，可实现电流减小的进一步改进。在测 量位置位于电阻板的四个拐角处时，考虑使用矩形4线触摸传感器。信号Vl至V4的任何 失配都会在拐角与拐角之间产生精确度降低的电流。图6的左半部(第一斜线上升与第一 斜线下降)与图5的左半部相同，显示波形Vl与波形V2、V3和V4失配，该波形按照此前所 述的方式斜线上升。失配的程度用Vl与V2至V4之间的面积表示。在所示实例中，电路操 作与如图5所述方式相同，以下所示情况例外。
与图3至图5相同，用各自的计数器Ctrl至Ctr4来测量每一个斜线上升的持续 时间。定期计算斜线上升持续时间的时差，并且相应(例如与斜线上升时差值的一半成正 比)调节各自的信道上后续电压斜线上升周期的开始时间。在图6中，电压信号V2至V4 的斜线上升持续时间相等(结束于t2时刻)，而电压Vl的斜线上升持续时间则较长(结束 于t4时刻)。与其它信号相比，信号Vl完成其斜线上升的计数差用ACt+表示，在图6所 示情况下，该值为两个MClk周期。对于后续负斜线上升来说，信号V2至V4的该斜线上升 在t6时刻结束，信号Vl的该斜线上升在t8时刻结束，所示计数差Δ Ctl-也等于两个MClk 周期，但通常情况下两者不必相同。考虑计数差ACt+和ACt-，Vl的下一斜线上升周期开 始于t8a时刻，该时间比电压信号V2、V3和V4的斜线上升开始时刻t6a提前一个MClk周 期(即，在此前斜线上升和斜线下降中确定的平均计数差的一半)。调节斜线上升相对于所测得斜线上升差的相对开始时间，可进一步减小拐角到拐 角电流的影响。如图6所示，通过调节开始时间，可使Vl的电压信号斜线变化与V2至V4 的电压信号斜线变化在斜线上升周期的中间匹配，从而使拐角到拐角净电流之和为0。这由 图6右侧Vl与V2至V4之间的面积表示。在斜线上升和斜线下降两者中，电压信号Vl在 一半时间内大于V2至V4，在一半时间内小于V2至V4，从而它们之间的电流将在每一个斜 线上升周期期间均衡。在某些实施例中，测量计数差ACt和重新调节斜线上升开始时间的过程具有重 复性和连续性，从而可以在后续斜线上升周期调节一个斜线上升周期期间测量的计数差，或作为另外一种选择，可以在后续积分周期中调节积分周期(例如在整个若干斜线上升周 期)内测量的计数差。例如图6所示的改进相对齐可应用于图3至图5所示的电路操作中 的任何者。产生如图3至图6所示电压信号斜线变化所需的电流电平取决于被测电容的大小 以及斜线上升持续时间。例如，假设4线电容式触摸传感器实施例按照相对于图3所述方 式工作，其中Vcc = 3V，阈值+Vth和-Vth之间的差值为IV(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的斜线上升周期。在某些实施例中，可以对参数中的某些进行编程，例如积分周期(参见图3和图 4)、积分时间(如当采用如图5所示的周期计数器时，用来指示电容过载故障，以使斜线上 升在周期期间不会达到Vth)、周期计数器(如采用)、限幅计数器(如采用)、电压信号周期 (随MClk的百分比变化)、电流电平IS+和IS-、等等。图7示出可用于图2所示时控斜率转换器61至64的示例性驱动电路100。电路 100包括具有比较器Al的时控斜率转换器104，比较器Al向调节计数器108的停止和开始 的控制逻辑106提供触发信号Trigl，非常类似图2所示的转换器61。驱动电路100另外 包括三态驱动器Dl和电阻器Rl (其代替图2的转换器61中所示的电流源ISl+和IS1-)， 以产生进入电容器CxI中的电流。图3至图6中示出的所有操作都可使用电路100产生，尽 管电压斜线上升的线性度可能较低。在采用驱动电路100的控制器中不需要模拟电流源。 如上所述，假设4线电容式触摸传感器实施按照相对于图3所述方式工作，其中Vcc = 3V， 阈值+Vth和-Vth之间的差值为IV (如2/3Vcc处为+Vth, l/3Vcc处为-Vth)，并且其中电 容接近lOOOpf，使用15ΚΩ电阻器Rl将得到平均电压降为1. 5V的约ΙΟΟμΑ的电源。虽然 图7所示是通过电阻施加电压，但应当认识到，电压可通过任何阻抗施加，如图7中的电阻 器R1、电容器等等。本发明的某些实施例使用累加器测量电压信号斜线变化的经过时间。在上述实施 例中可使用累加器以测量数字计数器中、模拟积分器中或二者的组合中的时间。模拟积分 器可迅速开始和停止，因此能够具有很高的测量分辨率。数字计数器具有更大的动态范围， 但时间分辨率可能会受时钟频率(如MClk)的限制。因此，在某些实施例中，图8所示电路 可以为理想的累加器电路。图8示出Σ -Δ模数转换器200的实例，该转换器被构造用于以高分辨率测量时 间段。电容器Cl形成模拟积分器。当开关Sl关闭时，已知的基准电流Il向电容器Cl馈 电。当比较器触发信号(如图3中的+Trig和-Trig)均为高，也就是说当电压信号在低阈 值电压和高阈值电压之间斜线上升时，开关Sl关闭。当Al的输入高于Vcc/2阈值时，Σ-Δ 控制逻辑210将开关S2关闭固定的时间，从而以递增方式使积分器电容器Cl放电。开关 S2每一次关闭时，计数器220都会递增。可以周期性地读取计数器220，并且读数之间的增 量差与在该周期期间开关Sl关闭的总时间成正比。如本文所述，可通过控制驱动信号的相位减小电容测量位置之间的电流。应当理 解，对于例如图IA和图IB所示触摸传感器系统的普通对地电容测量系统，可利用驱动同相 信号来有利地最小化(电极间)互电容。在其它系统中，可利用驱动异相相邻电容测量位 置来提高电极间互电容的测量效果。例如，理想的是测量并且从而提高在利用并联电容测
11量的触摸检测产品(例如，可从Analog Devices，Inc商购获得的AD7142)中的电极间互电 容。本文所述相位控制法可以用于将测量信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个修改 和变型。例如，本文所述检测方法可以与各种各样的触摸工具结合使用，其中包括系绳工具 和容纳电池或其它电源的工具。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。
1权利要求
一种用于触摸传感装置的方法，所述触摸传感装置响应于在触摸位置处连接到触摸表面的触摸物体来测量在触摸表面上的多个位置处的电容，通过向所述多个位置施加电荷，使第一基准电平与第二基准电平之间的各自的电压信号斜线变化来测量所述电容，所述方法包括控制所述电压信号斜线变化的相位以减小所述多个位置之间流动的电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电压信号斜线变化在从所述第一基准电平向 所述第二基准电平斜线上升与从所述第二基准电平向所述第一基准电平斜线下降之间交 替变化，并且其中控制所述相位包括使电压电平同时斜线上升以及使电压电平同时斜线下 降。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电压信号在相同方向从所述第一基准电平向 所述第二基准电平斜线变化，每一个斜线变化之间具有返回所述第一基准电平的复位，并 且其中控制所述相位包括使电压电平同时斜线变化以及使电压电平同时复位。
4.根据权利要求1所述的方法，其中向所述多个位置施加电荷包括施加连续电流、施 加脉冲电流或通过阻抗施加电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述电压信号斜线变化的相位包括同时开始 所述电压信号斜线变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其中同时开始所述电压信号斜线变化包括使其它电压 信号斜线变化达到阈值电平之前已达到所述阈值电平的至少一个电压信号斜线变化实现 延迟。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述延迟是在所述至少一个电压信号达到所述阈 值电平时开始的预定延迟。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括调节所述延迟以使所述电压信号斜线变化当中 的平均差值最小化。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述电压信号斜线变化由周期计时器调节，所述 周期计时器根据固定频率同时开始所述电压信号斜线变化。
10.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述电压信号斜线变化的相位包括确定各 自的电压信号斜线变化达到阈值电平时的时差，并且使用所确定的时差来调节后续斜线变 化开始时间。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括通过测量各自的电压信号斜线变化的斜线变 化时间来测量与每一个位置相关的电容。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括使用所测量的电容来确定所述触摸位置。
13.一种触摸传感装置，所述触摸传感装置响应于在触摸位置处连接到触摸表面的触 摸物体来测量在触摸表面上的多个位置处的电容，通过向所述多个位置施加电荷，使第一 基准电平与第二基准电平之间的各自的电压信号斜线变化来测量所述电容，所述装置包 括信号控制电路，其控制所述电压信号斜线变化的相位，以减小所述多个位置之间流动 的电流。
14.根据权利要求13所述的触摸传感装置，其中所述信号控制电路通过同时开始所述 电压信号斜线变化来控制所述相位。
15.根据权利要求14所述的触摸传感装置，其中所述信号控制电路通过使其它电压信 号斜线变化达到阈值电平之前已达到所述阈值电平的至少一个电压信号斜线变化实现延 迟，来同时开始所述电压信号斜线变化。
16.根据权利要求15所述的触摸传感装置，其中所述延迟是在所述至少一个电压信号 达到所述阈值电平时开始的预定延迟。
17.根据权利要求15所述的触摸传感装置，其中所述信号控制电路调节所述延迟以使 所述电压信号斜线变化当中的平均差值最小化。
18.根据权利要求14所述的触摸传感装置，其中所述信号控制电路使用周期计时器调 节所述电压信号斜线变化，所述周期计时器根据固定频率同时开始每一个电压信号斜线变 化。
19.根据权利要求13所述的触摸传感装置，其中所述信号控制电路通过确定各自的电 压信号斜线变化达到阈值电平时之间的时差，并且使用所确定的时差来调节后续斜线变化 开始时间，来控制所述电压信号斜线变化的相位。
20.一种用于在多个位置处测量电容的装置中的方法，每一个位置与电容测量信道相 关，以使各自的电容上的各自的电压信号斜线变化，所述方法包括步骤(a)在多个信道上同时引发正向电压信号斜线变化；以及(b)响应于达到高电压信号阈值，使至少一个信道的所述正向电压信号斜线变化实现 延迟。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括步骤(c)在所述多个信道上同时引发反向电压信号斜线变化；以及(d)响应于达到低电压信号阈值，使至少一个信道的所述反向电压信号斜线变化实现 延迟。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括在步骤(d)之后重复步骤(a)至(C)。
23.根据权利要求20所述的方法，其中调节所述延迟以使正向电压和反向电压当中的差值最小化。
24.根据权利要求20所述的方法，还包括在所述电压信号斜线变化期间对所述多个信 道的时钟周期计数，以及将给定信道的时钟周期数与由所述给定信道测量的所述电容相关 联。
25.根据权利要求24所述的方法，其中电压信号斜线变化引发步骤与时钟周期同步。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述延迟在所有多个信道达到所述高电压信号 阈值时结束。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述延迟在预定时间之后结束。全文摘要
本发明公开了通过使电压信号在基准电平之间斜线上升来测量多个位置处电容的电容测量电路和方法，在该电容测量电路和方法中，可控制电压信号斜线变化的相位，例如以减小测量位置之间的电流。此类电容测量电路和方法可用于触摸传感装置中，触摸传感装置根据触摸表面上多个位置处的电容测量确定触摸位置。控制电压信号斜线变化的相位可包括同时开始电压信号斜线变化，方法例如通过在已达到阈值电压的至少一个信道上实现延迟，或根据固定频率调节所有电压斜线上升。
文档编号G01R19/00GK101910850SQ200880123089
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月16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