脉冲电容测量电路和方法

专利名称：脉冲电容测量电路和方法
脉冲电容测量电路和方法电路和方法本专利文件要求提交于2007年12月28日的、名称为“Multiple Capacitance Measuring Circuits and Methods”(多电容测量电路和方法)的美国临时专利申请 No. 61/017, 451的权益，其依据为美国法典第35卷第119(e)条。本发明整体涉及利用脉冲测量电容的电路和方法，具体地讲，涉及改变脉冲计时 来适应电路电阻以及将斜坡信号递增至门限。
背景技术：
触敏装置减少或消除了对机械按钮、小键盘、键盘和指针设备的使用，因而用户可 以方便地与电子系统和显示器进行交互。例如，用户只需要在用图标辨别的位置触摸即显 触摸屏，即可执行一系列复杂的指令。在许多触敏装置中，当传感器内的导电物体通过电容 连接到导电性触摸工具(例如用户的手指)时，可以感应输入。由于存在触摸干扰，所以这 类装置会在多个位置测量电容，并且利用电容测量值确定触摸位置。

发明内容
在某些实施例中，本发明提供用于电容测量装置的方法，该装置通过施加电荷使 与多个位置中每一个相关的各自电压信号斜坡变化，从而测量多个位置中每一处的电容。 此类方法包括使用一系列电荷脉冲为每个电容充电，从而斜坡上升各自的电压信号，直到 每个斜坡变化的电压信号越过门限电平。该方法还包括，对于每个脉冲，递增脉冲计数值， 并且在等待电压信号静止之后将脉冲计数值存储在寄存器中，该寄存器与确定其越过门限 电平的任何所述电压信号相关。该方法还包括利用存储在相关寄存器中的计数值确定电 容。在某些实施例中，本发明提供用于电极电容测量装置的方法，该装置通过电极电 阻向电极施加电荷使电压信号斜坡变化，从而测量电极的电容，该方法包括在电压信号从 第一基准电平到第二基准电平的初始斜坡变化过程中累积时钟周期数；使用一系列电荷脉 冲对电容充电以使电压信号斜坡上升，直到越过门限电平，其中对于每个脉冲，递增脉冲计 数值，并且在电压信号静止之后才开始另一脉冲。可利用累积的时钟周期数和脉冲计数值 确定电容。在某些实施例中，本发明提供电容测量装置，该装置通过施加电荷使与多个位置 中每一个相关的各自电压信号斜坡变化，从而测量多个位置中每一处的电容。此类装置包 括斜坡控制电路、脉冲计数器和多个寄存器，其中斜坡控制电路利用一系列电荷脉冲斜坡 上升电压信号，脉冲计数器用来在每个电荷脉冲之后递增脉冲计数值，且每个寄存器与电 压信号中的一个相关，用于在等待电压信号静止之后于相关电压信号确定越过门限电平时 存储脉冲计数值。可利用存储的脉冲计数值确定电容。在某些实施例中，本发明提供了减小电极电阻对电容测量影响的方法，以用于通 过电极电阻向电极施加电荷从而测量电极电容的装置中。此类方法包括使用一系列脉冲为电容充电，并且使所得电压信号斜坡变化至门限电平；在每个脉冲之间等待电压信号电 压静止；以及利用电压信号达到门限电平所需的脉冲数确定电容。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，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。


结合附图并参照下文中多个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至IC示意性地示出了可用于本发明某些实施例的示例性触摸传感器系统；图2示意性地示出了用于根据本发明的某些实施例提供电容测量脉冲电流的示 例性电路；图3示意性地示出了用于根据本发明的某些实施例提供电容测量脉冲电流的示 例性电路；图4A和4B示意性地示出了可用于本发明某些实施例的示例性控制电路的一部 分；图5示意性地示出了可用于本发明某些实施例的示例性控制电路；图6示意性地示出了时序图，其指示出根据本发明某些实施例的多电容测量电路 的工作情况；以及图7示意性地示出了时序图，其指示出根据本发明某些实施例的多电容测量电路 的工作情况。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构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，并且可以进行结构上的修改。在某些实施例中，本发明涉及电容测量电路和方法，该电路和方法通过施加电荷 脉冲使电压信号斜坡变化至越过门限电平，并且利用脉冲数确定电容。通过在与各电压 信道相关的寄存器中于该电压信号越过门限时存储脉冲计数值，可以测量多个位置处的电 容。利用电荷脉冲使电压信号斜坡变化，并且等待信号在两脉冲之间静止，可以减小电极电 阻对电容测量的影响。本发明的电路和方法尤其适合与包括多电容测量系统在内的电容测 量系统一起使用，例如包括多个传感电极和/或多个驱动电路的触摸传感器。在本发明的 某些实施例中，利用脉冲电流测量电容不受测量信道内电极电阻的影响。本发明的方法和电路可通过施加脉冲电流或电压以产生阶跃斜坡来实现。例如， 美国专利No. 6，466，036公开了在已知电容器和未知电容的各种组合上施加电压脉冲的电
5路。已知电容器在脉冲之间放电，然后用每个脉冲再次充电，未知电容则累积所有脉冲的电 荷，从而在未知电容上产生递增的阶跃电压斜坡。在多个脉冲之后，未知电容上的电压达到 固定门限。达到门限所需的脉冲数大约与已知电容和未知电容器的比率成比例。共同转让 的美国专利申请序列号No. 11/612，790公开了一种电路，该电路通过在两个已知电容间交 替迁移电荷而在未知电容上产生递增的阶跃电压斜坡。在不丧失一般性的同时，并且为了有效地举例说明，结合触摸传感器系统描述本 发明的多个方面是有益的。然而应该认识到，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示出了适于实施本发明多个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(也称为模拟电容式)，其中位于传感器12的四个拐角 处的电容CxI至Cx4用控制器14进行测量。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)。本发明的实施例还可用于测量按钮和开关应用(单独或 阵列)、线性滑块控件等的电容。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执行诸如触摸信号调 节、数据转换和实时处理的功能，而微处理器16则执行诸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驱动电容测量位置处的传感器12。当导电的触摸物体连 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。如图所示，图IB的系统20示出了矩阵触摸传感器实施例，其包括连接到微处理器 26和矩阵电容式传感器30的触摸控制器24。在示例性实施例中，控制器24执行诸如触摸 信号调节、数据转换和实时处理的功能，而微处理器26则执行诸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以及顶部电极36至39 接地。还可以存在互电容(未示出)，用于将每个底部电极32连接到相邻的底部电极，以及 将每个底部电极32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，用于减小可能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)或由交流电信号Vs驱动，该信号可以(例如)约等于施加到电极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，会减少流 经互(寄生)电容的电容性电流。由于寄生电容往往会降低对触摸电容变化的敏感度，因此这样做是可取的。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的功能，而微处理器46则执行诸如滤波和触摸坐标计算的功能。控制 器44利用电流源48驱动传感器表面42。当导电的触摸物体连接到传感器42时，测量所得 电容Cx。如上所述，可利用所示电流驱动电路以及电压驱动电路实施系统40。Cx为寄生电 容和触摸电容的组合。图2所示电路200示出了可用于某些实施例的电路的例子，该电路用来向未知电 容提供脉冲电流以测量电容。电路200包括两个开关Sl和S2，分别用来将电容Cx连接到 电压Va和Vb。例如，电压Va可等于电压Vcc (如5V)，电压Vb可接地。当开关Sl闭合而 开关S2断开时，电容Cx经电阻器R连接到电压Va，从而以电流I为电容Cx充电。当开关 Sl断开而开关S2闭合时，电容Cx放电至电平Vb，例如零电位。如图所示，当电压信号Vm达 到门限时，比较器G用来产生触发信号。触发信号可用来在(例如)充电模式和放电模式 之间切换。电路200可使用外部开关构成，或作为另外一种选择由两个标准并行输入/输 出(PIO)端口和外部电阻器构成。例如，开关Sl可为PIO端口的上拉FET，而开关S2可为 第二 PIO端口的下拉FET。充电过程中(Si闭合，S2断开)，电容Cx将以R-C时间常数RXCx充电。当电压信 号Vm达到比较器G的开关门限时，可利用触发信号停止充电周期。充电过程中经过的时间 与电容(；成比例，并且假定电阻R已知，电容Cx是可以计算出的。此外，Cx变化会导致充电 时间成比例变化。在达到门限电平之后，Sl断开且S2闭合，以将Cx放电至零电位，例如，在 准备另一充电周期过程中。对于触摸面板应用，典型触摸电容为约1至20pf，而同一系统中的寄生电容可在 20pf至2000pf以上的范围内。测量充电次数时，出于实际考虑，可将时间分辨率限制为约 40nSec。因此，假设在存在相对较大噪声的情况下测量电容的微小变化，为了能够取得理想 的测量分辨率(0. )，希望充电周期时间大于40 μ sec。假设门限电压信号Vth = l/2Va, 则R-C时间常数RXCx应大于50 μ sec = 200pf X R。因此，至少要求R = 250K。相似地，如 果在存在2000pf寄生电容的情况下测量2pf的触摸信号，则需要0. 01%的分辨率，故R = 2. 5M。充电过程中可通过脉冲方式断开和闭合开关Sl来操作电路200，而不是让Sl始终 处于闭合状态。通过脉冲方式操作开关Si，电路可将电阻器R视为具有与Sl脉冲的占空比 成反比的有效值。因此，R的有效电阻可在程序控制下变化，以得到所需的测量分辨率。电 路200的脉冲操作的时序例子为(1)闭合S2，将Cx复位为OV ； (2)复位脉冲计数器；(3)在 脉冲周期内闭合Si，然后断开开关Sl ;(4)递增脉冲计数器；(5)测试比较器门限触发信 号是否已由低变高；(6)如果测试结果是肯定的，则存储计数器中的值并结束操作；(7)如 果测试结果是否定的，则从步骤(3)重新开始。可利用计数器中存储的值确定电容Cx。可 根据需要重复步骤(1)至(7)多次，例如为了达到某个测量分辨率。此类电路操作的数值 例子如下R = 1ΜΩ ；步骤(3)的脉冲时间=200nsec ；步骤(3)至(5)的测量循环时间= 1 μ sec ；分辨率达到0. 所需的脉冲数=1000 ；以及总测量时间=Imsec0对具有多个同时测量多个电容的电路(例如电路200)的系统，可执行类似的步骤。在某些实施例中，可使用单个脉冲计数器，并且当每个各自电路的比较器因达到其电压 门限而触发时，可将计数器中的值存储在与该电路相关的寄存器中。重复上述步骤，直到所 有电路的电压信号都达到门限。虽然所述电路200的Va = Vcc而Vb =零电位，但情况可以相反，即使得Va =零 电位而Vb = Vcc。在这种情况下，电压信号斜坡从Vcc (而不是0V)处开始，并且向零电位 (而不是Vcc)斜坡变化，但基本功能不变。在一些实施例中，可能理想的是斜坡从较高电平 开始，特别是在使用PIO下拉FET脉冲操作开关Sl的情况下，当希望断开开关S2时，通过 将PIO配置为集电极开路来执行开关S2的功能。在一些实施例中，可能理想的是在从较高电压开始斜坡与从零电位开始斜坡之间 交替。这样，可通过平均交替Cx测量的结果减小低频噪声的影响。除了用脉冲电流为电容充电之外或作为另外一种选择，可使用恒定电流充电阶 段，例如为了将电压信号更快地斜坡变化至脉冲所需电平。图3所示电路300示出了可用于某些实施例的另一个示例性电路，该电路可用来 向未知电容提供脉冲电流以测量电容。可利用单个Pio端口实现电路300，因此为便于了举 例说明，方框310内所示为芯片上集成的元件，其他元件则以外接或芯片上集成的形式提 供。电路300具有两个开关Sl和S2，分别用来将电容Cx连接到Vcc或地。开关Sl和S2 均通过设置在节点Vo与电压信号Vm之间的电阻器R连接到电容Cx。寄生电容(；包括PIO 电路电容，并且从R互连至PIO。Cp的典型大小为约IOpf。类似于图2中的电路200，电路 300也包括比较器G。电路300可按照结合电路200所述相同顺序操作。在操作电路方面的额外考虑可 能包括在复位步骤中，将开关S2闭合足够长的时间，以通过高电阻R对Cx放电；如果节点 Vo处的寄生电容Cp相对于Cx明显较大，则在脉冲之间留足够的时间以使Cp可经R向Cx放 H1^ ο在某些实施例中，通过交替产生正电流斜坡(如使开关Sl产生脉动)和负电流斜 坡(如使开关S2产生脉动)来操作电路300 (和类似的电路200)，从而有助于减小低频噪 声的影响。电路300的脉冲操作的时序例子为(1)闭合S2，将Cx复位为OV ；⑵复位脉冲 计数器；(3)在脉冲周期内闭合Si，然后断开开关Sl ； (4)递增脉冲计数器；(5)测试比较器 门限触发信号是否已由低变高；(6)如果测试结果是肯定的，将计数器的数值存储到存储 器位置(Mp)并转到步骤(8)以结束正斜坡；(7)如果测试结果是否定的，则从步骤(3)重新 开始；(8)闭合开关Si，将所有Cx复位到Vcc; (9)复位脉冲计数器；(10)在脉冲周期内闭 合开关S2，然后断开开关S2 ;(11)测试比较器门限触发信号是否已由高变低；(12)如果测 试结果是肯定的，则将计数器的数值存储到另一存储器位置(Mn)并结束负斜坡；(13)如果 测试结果是否定的，则从步骤(10)重新开始；(14)合并存储器位置Mp和Mn的存储值(例 如取它们的平均值)。步骤(1)至(14)可重复所需次数，以达到改善对开关Sl和S2中低 频电流和漏电流的抗扰度的结果。图4Α和4Β示出了示例性电流驱动电路100Α和100Β，电流驱动电路可用来驱动传 感器表面上的一个或多个电极和/或传感器表面上电极的一个或多个测量位置。在图4Α 中，转换器104Α从电流源IS+和IS-向电容Cx注入正和/或负脉冲电流，从而产生正电压 斜坡信号和负电压斜坡信号。转换器104Α包括在达到电压门限时向控制逻辑106Α提供触
8发信号Trig的比较器A。电容Cx可与完成多个斜坡周期所需的累积斜坡时间和/或斜坡 脉冲数相关联。计数器108 (也用Ctr表示)可用于递增时钟周期数和/或脉冲数。低电 压门限和高电压门限(本文中用-Vth和+Vth表示)可用作滞回比较器A(施密特触发器) 的开关点。以所需速率脉动正向电流发生器IS+和反向电流发生器IS-，产生斜坡信号V。 IS+脉动时，电流脉冲流入Cx，生成阶跃上升的电压信号斜坡。斜坡周期可交替和重复所 需次数，这具体取决于所需测量分辨率、响应时间等。图4B示出了另一个示例性驱动电路100B，该电路包括具有比较器A的转换器 104B,比较器A向控制计数器108B开关的控制逻辑106B提供触发信号Trig，与图4A的转 换器104A非常类似。驱动电路100B还包括三态驱动器D和电阻器R(代替了图4A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可通过简单 开关而不是控制器内的模拟电流源来实现。图5示出了具有4个驱动电路1421至1424的控制器1230，这些电路分别用来测 量(例如)4线模拟电容式触摸传感器的传感器表面或矩阵式电容触摸传感器四个电极上 不同位置处的电容CxI至Cx4。如图所示，驱动电路1421至1424均为类似于图4A所示转 换器104A的模数转换器。应当理解，可使用图4B所示转换器以及电压驱动电路。虽然图 5仅详细示出了转换器1421，但应当理解，转换器1422、1423和1424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信道，对于矩阵触摸传感器来说，测 量位置数可以等于单个电极的数量(例如，8X8电极矩阵的测量位置为16个)。转换器1421至1424均被构造用于通过从电流源向电容CxI至Cx4交替注入正向 脉冲电流和反向脉冲电流来产生正向(+)和反向(_)脉冲斜坡信号。例如，转换器1421包 括电流源ISl+和IS1-，并且按照一致的命名方式(虽然未示出)，转换器1422包括电流源 IS2+和IS2-，转换器1423包括电流源IS3+和IS3-，转换器1424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-。转换器 1421 也包括在达到门限时向控制逻辑1439提供触发信号的比较器Ala。可根据高门限和低门限 来提供高触发信号和低触发信号。每个转换器都类似地包括比较器。假设测量电容也相等，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)。对于许多矩阵电容式传感器测量，通常在每个维度使用3至5个最大 的电容电极，且其他电容电极则可忽略为足够接近零。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信道内的电压信号的斜坡较 缓。斜率的不同导致斜坡变化至门限电平(例如从诸如1/3VCC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。通过以所需速率开启正向电流发生器和/或反向电流发生器(例如ISl+和IS1-) 并使其脉冲变化，可以产生斜坡信号Vl至V4。对于转换器1421，当ISl+脉动时，电流脉冲 流入Cxl，从而产生阶跃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Ala。在该点处，ISl+关闭。在某些实施例中，使ISl-脉冲变化直到 比较器Ala在适当的门限处触发，可使电压信号斜坡下降。在某些实施例中，可在高电压门限和低电压门限之间交替执行斜坡上升周期和斜坡下降周期，以测量电容。也可通过交替 执行斜坡上升周期和斜坡下降周期而使信号斜坡变化至单个门限以上或以下，下文将结合 图6和图7详加论述。斜坡周期可交替执行和/或重复所需次数，具体取决于所需测量分 辨率、响应时间等。每个时间斜率转换器都连接到电路1425，该电路包括微控制器、存储器 和编程算法，以执行本文所述方法。可以将串行I/O端口(SI/0)和中断请求端口(IRQ)连 接到(例如)微处理器或计算机(未示出)。图6示出了可由图5所示电路产生的示例性电路工作情况的时序。就图6而言， 电阻R1-R4被视为小到可忽略不计。在第一阶段，电压信号Vl至V4以下列方式相对快速 地从Vmin向+Vth脉冲变化。在tl时刻处，相等电流的电流源ISl+至IS4+以脉冲方式开 启固定的时间，使得电流Il至14分别经(小到可忽略不计的)电阻Rl至R4流入CxI至 Cx4。Vl和V2以每个电流脉冲以分别与Il/Cxl和I2/Cx2成比例的速率阶跃变化的方 式斜坡上升。电压信号V3和V4以与各自的电容Cx成反比的速率斜坡变化，本例中假设二 者的电容相等。随着V1、V2和V3至V4从VMin向Vth阶梯递增，它们斜坡分开，这说明电容 Cxl大于Cx2，后者又大于电容Cx3和Cx4。公用斜坡计数器1435 (CRC)在从tl至t6时刻斜坡 变化的第1阶段累加主时钟周期数，其中t6是在信号Vl至V4中的第一个越过+Vth之后 的下一个时钟上升沿。在该点处，CRC停止累加，并且电流源ISl+至IS4+全部关闭。在t6时刻处，第1阶段斜坡结束，且CRC的值(本例中为10个主时钟计数)存储 在公用寄存器CRC中。寄存器CRC中存储的值表示测量信道之间的最小电容公用值。然后 可以将后续测量值添加到RegCRC中，以产生总电容值。在第2阶段，出现如下斜坡。请注意，图6中的时标在t6时刻处变化，因此不再显 示MClk周期。测试电压信号Vl至V4，以确定哪个信号(如有)仍低于门限+Vth。例如， 在t7、t8、t9、tl0、tll、tl2、tl3和t 14时刻处，都对信号进行测试。对于确定仍低于+Vth 的每个电压信号，可递增与该电压信号相关的寄存器值(如图5所示的RegAl至RegA4)。 一旦电压信号越过+Vth，则在该阶段的剩余时间内就不再更新其相关寄存器值。通过保存 脉冲计数器或公用寄存器中累加的值(该值会随每个新脉冲而递增)，可以使寄存器递增。 测试之后，电流源ISl+至IS4+中每一个都以脉冲方式开启预定时间，然后再次关闭。等待 信号静止之后进行另一测试。从电流源ISl至IS4流出的电流乘以电流脉冲的开启时间得 到每个脉冲期间施加到电容Cxl至Cx4中每一个上的已知电荷量。电流水平和/或脉冲持续 时间可以调节，使得每个脉冲均使Vl至V4递增所需的量。该递增量可以适当调整，使得至 少一个信道上的触摸电容在触摸状态与未触摸状态之间产生5至50个或更多个脉冲的变 化。当测试显示所有信号Vl至V4均大于+Vth时，第2阶段斜坡结束。在图6中，该 情况出现在til时刻处。在第2阶段斜坡结束处，可利用第1阶段斜坡变化过程中计数器 CRC中累积的公用值确定电容Cxl至Cx4，并且将值存储在每个寄存器RegAl至RegA4中。例 如，RegAl中的值可加到CRC中的值上，得到与Cxl成比例的总斜坡值，在本例中为14。RegA2 中的值可加到CRC中的值上，得到与Cx2成比例的总斜坡值，在本例中为12。RegA3中的值 可加到CRC中的值上，得到与Cx3成比例的总斜坡值，在本例中为10。RegA4中的值可加到 CRC中的值上，得到与Cx4成比例的总斜坡值，在本例中为10。通过以相同或相反的斜坡方向重复第1和第 2阶段，或者通过继续测量额外的脉冲斜坡周期内电容的相对变化，可以优化和/或调整计 算得出的电容值。对于许多触摸传感器系统，尤其是矩阵触摸传感器系统，相对电容值和/ 或电容值相对于基线的变化均为必需的。图6中的第3和第4阶段举例说明了脉冲斜坡在门限两侧来回波动的情形，本例 中门限为+Vth，所有信道在til时刻处越过门限。第3阶段的过程非常类似第2阶段，不同 的是电流脉冲为负电流，例如来自电流源IS-的负电流，并且当所有信道均低于门限+Vth 时，斜坡结束。第4阶段在脉冲正电流的驱动下继续，直到所有信道均再次高于门限+Vth。 给定信道在某个阶段越过门限所需的脉冲数存储在与该信道相关的寄存器中。在某些实施 例中，在相对电容测量阶段可使用不同于绝对电容测量阶段的寄存器。例如，在第3和第4 阶段，寄存器RegAl至RegA4中的值(在第2阶段结束处与绝对电容有关)可保留下来。因 此，每个信道可与另一个包含相对电容值的寄存器(例如寄存器RegBl至RegB4)相关，其 中相对电容值可通过以下步骤确定。在tl2时刻处，相等负电流的电流源ISl-至IS4-以脉冲方式开启较短时间(如约 50至lOOnSec)，使得电流Il至14分别流入Cxl至Cx4。允许电压信号在新的电平下达到静 止状态，新电平逐步低于tl2时刻处的电平。由给定信道内的电流脉冲引起的电压递增变 化与该信道的被测电容成反比。在tl3时刻处开始下一脉冲之前，测试相对于+Vth的电压 信号电平，对于仍高于+Vth的任何信道，递增各自寄存器RegB (RegBl至RegB4)的值。执 行相同的过程，在tl4、tl5和tl6时刻处测量并递增一个或多个寄存器，直到tl7时刻处的 测试显示所有电压信号Vl至V4均低于+Vth。在该点处，第3阶段结束，第4阶段开始。在tl8时刻处，相等正电流的电流源ISl+至IS4+以脉冲方式开启较短时间(如 约50至lOOnSec)，使得电流Il至14分别流入Cxl至Cx4。在电流脉冲之后，允许电压信号 在新的电平下达到静止状态，新电平逐步高于tl8时刻处的电平。由给定信道内的电流脉 冲引起的电压递增变化与该信道的被测电容成反比。在tl9时刻处开始下一脉冲之前，测 试相对于+Vth的电压信号电平，对于仍低于+Vth的任何信道，递增各自寄存器RegB的值。 执行相同的过程，在t20、t21和t22时刻处测量并递增一个或多个寄存器，直到t23时刻 处的测试显示所有电压信号Vl至V4均高于+Vth。该点处，第4阶段结束。在该简单例子 中，Vl至V4的增量值在第2、3和4阶段保持不变，即Vl = 4、V2 = 2和V3 = V4 = 0。在 典型的例子中，当触摸传感器电极时，Vl至V4中一个或多个的增量值将变化。寄存器RegBl至RegB4中的总计数表示各自信道测量的相对电容差。类似的斜坡 变化可根据需要执行，例如为了提高测量分辨率。通过重复第1和第2阶段中所述的操作 步骤或其对应的负斜坡，可以随时重新测量绝对电容。在相同的方向(即都使用正电流或 都使用负电流)上执行第1和第2阶段斜坡变化有助于减小低频噪声，包括来自电流源IS+ 和IS-的漏电流的影响。大于电压信号增量步长的随机噪声通常会使门限水平高频振动，从而使越过和再 次越过门限所需的脉冲数变化，即使被测电容水平保持不变亦如此。可利用大量测量周期 (即过采样)来平衡门限高频振动，从而提高测量分辨率。如果不存在足够的噪声，则可以 采用其他高频振动方法达到相同效果，例如可随机变化门限，也可随机高频振动电流脉冲 的脉冲宽度。在本发明的某些实施例中，通过多次重复第3和第4阶段的步骤并将结果组
11合，可实现过采样。每个测量周期的结果可加到前面的测量周期结果或与之求平均值，或者 可采用诸如Boxcar滤波法的方法过滤结果，以产生像增加测量次数那样提高了分辨率的 更新值。图7示出了示例性电路工作的时序，其可由图5所示电路在电阻Rl至R4较大的 情况下产生。在第一阶段，电压信号Vl至V4以下列方式相对快速地从Vmin向+Vth脉冲 变化。在tl时刻处，相等电流的电流源ISl+至IS4+以脉冲方式开启固定的时间，使得电 流Il至14分别经电阻Rl至R4流入Cxl至Cx4。由于电流流过电阻Rl至R4，电压信号Vl 至V4在tl时刻处急剧地阶跃增加\。Vk的大小可随电阻大小而变化，并且在一些情况下， 通过(例如)调节触摸传感器电极的电阻或增加与触摸传感器电极串联的电阻器，可以将 Vk调节到所需电平。为简单起见，所示电极电阻Rl至R4为分立电阻器，但应当理解，电极 电阻、寄生电容甚至触摸电容都可以沿电极长度分布。结合图7所述的方法也适用于分布 电阻和电容。在初始步长之后，Vl以每个电流脉冲以与Il/Cxl成比例的速率阶跃变化的方式斜 坡上升。电压信号V2至V4以与各自的电容Cx成反比的速率斜坡变化，本例中假设这些电 容相等。公用斜坡计数器1435 (CRC)在从tl至t6时刻斜坡变化的第1阶段累加主时钟周 期数，其中t6是在信号Vl至V4中的第一个越过+Vth (发生在t5时刻处)之后的下一个 时钟上升沿。在该时点处，CRC停止累加，并且电流源ISl+至IS4+全部关闭。关闭电流源 导致信号Vl至V4随着电阻器Rl至R4两端的电压降低而快速斜坡下降。这种向下的信号 电平调整使得信号Vl至V4下降至+Vth以下。在t6时刻处，第1阶段斜坡结束，CRC的值(本例中为10个主时钟周期数)存储 在公用寄存器RegCRC中。寄存器RegCRC中存储的值表示测量信道之间的最小电容公用值。 然后可以将后续测量值添加到RegCRC中，以产生总电容值。在第2阶段，出现如下斜坡。首先，在t6时刻之后允许等待足够长的时间，以使得 电阻器Rl至R4两端的电压接近零。足够长的时间通常为约R-C时间常数平均值的数倍。 在所示例子中，等待了四个MClk周期来达到信号静止状态(请注意，图7中的时标在t6时 刻处变化)。等待时间可利用微处理器进行控制，并且不需要与MClk同步化或以任何方式 关联。实现信号静止之后，测试电压信号Vl至V4(在无电流的情况下)，以确定哪个信号 (如有)仍低于门限+Vth。例如，在t7、t8、t9、tlO、til、tl2、tl3和tl4时刻处，都对信 号进行测试。对于确定仍低于+Vth的每个电压信号，可递增与该电压信号相关的寄存器值 (如图5所示的RegAl至RegA4)。一旦电压信号越过+Vth，则在该阶段的剩余时间内就不 再更新其相关寄存器值。通过保存脉冲计数器或公用寄存器中累加的值(该值会随每个新 脉冲而递增)，可以使寄存器递增。测试之后，电流源ISl+至IS4+中每一个都以脉冲方式 开启预定时间，然后再次关闭。等待信号静止之后进行另一测试。从电流源ISl至IS4流 出的电流乘以电流脉冲的开启时间得到每个脉冲期间施加到电容Cxl至Cx4中每一个上的已 知电荷量。电流水平和/或脉冲持续时间可以调节，使得每个脉冲均使Vl至V4递增所需 的量。该递增量可以适当调整，使得至少一个信道上的触摸电容在触摸状态与未触摸状态 之间产生5至50个或更多个脉冲的变化。当测试显示所有信号Vl至V4均大于+Vth时，第2阶段斜坡结束。在图7中，该 情况出现在tl5时刻处。在第2阶段斜坡结束处，可利用第1阶段斜坡变化过程中计数器CRC中累积的公用值确定电容Cxl至Cx4，并且将该值存储在每个寄存器RegAl至RegA4中。 例如，RegAl中的值可加到CRC中的值上，得到与Cxl成比例的总斜坡值，RegA2中的值可加 到CRC中的值上，得到与Cx2成比例的总斜坡值，RegA3中的值可加到CRC中的值上，得到与 Cx3成比例的总斜坡值，以及RegA4中的值可加到CRC中的值上，得到与Cx4成比例的总斜坡值。在第2阶段之后可计算绝对电容值。通过以相同或相反的斜坡方向重复第1和第 2阶段，或者通过继续测量额外的脉冲斜坡周期内电容的相对变化，可以优化和/或调整计 算得出的电容值。对于许多触摸传感器系统，尤其是矩阵触摸传感器系统，相对电容值和/ 或电容值相对于基线的变化均为必需的。图7中的第3和第4阶段举例说明了脉冲斜坡在门限两侧来回波动的情形，本例 中门限为+Vth，所有信道在tl5时刻处越过门限。第3阶段的过程非常类似第2阶段，不同 的是电流脉冲为负电流，例如来自电流源IS-的负电流，并且当所有信道均低于门限+Vth 时，斜坡结束。第4阶段在脉冲正电流的驱动下继续，直到所有信道均再次高于门限+Vth。 给定信道在某个阶段越过门限所需的脉冲数存储在与该信道相关的寄存器中。在某些实施 例中，在相对电容测量阶段可使用不同于绝对电容测量阶段的寄存器。例如，在第3和第4 阶段，寄存器RegAl至RegA4中的值(在第2阶段结束处与绝对电容有关)可保留下来。因 此，每个信道可与另一个包含相对电容值的寄存器(例如寄存器RegBl至RegB4)相关，其 中相对电容值可通过以下步骤确定。在tl6时刻处，相等负电流的电流源ISl-至IS4-以脉冲方式开启较短时间(如 约50至lOOnSec)，使得电流Il至14分别经电阻Rl至R4流入Cxl至Cx4。由于电流流过电 阻，所以电压信号Vl至V4在tl6时刻之后急剧地阶跃下降。在初始向下浪涌之后，当电流 脉冲结束时，电压信号Vl至V4再次阶跃上升返回。允许电压信号在新的电平下达到静止 状态，新电平逐步低于tl6时刻处的电平。由给定信道内的电流脉冲引起的电压递增变化 与该信道的被测电容成反比。在tl7时刻处开始下一脉冲之前，测试相对于+Vth的电压信 号电平，对于仍高于+Vth的任何信道，递增各自寄存器RegB (RegBl至RegB4)的值。执行 相同的过程，在tl8、tl9和t20时刻处测量并递增一个或多个寄存器，直到t21时刻处的测 试显示所有电压信号Vl至V4均低于+Vth。在该点处，第3阶段结束，第4阶段开始。在t22时刻处，相等正电流的电流源ISl+至IS4+以脉冲方式开启较短时间(如约 50至lOOnSec)，使得电流Il至14分别经电阻Rl至R4流入Cxl至Cx4。在电流脉冲之后，允 许电压信号在新的电平下达到静止状态，新电平逐步高于t22时刻处的电平。由给定信道 内的电流脉冲引起的电压递增变化与该信道的被测电容成反比。在t23时刻处开始下一脉 冲之前，测试相对于+Vth的电压信号电平，对于仍低于+Vth的任何信道，递增各自的寄存 器RegB的值。执行相同的过程，在t24、t25和t26时刻处测量并递增一个或多个寄存器， 直到t27时刻处的测试显示所有电压信号Vl至V4均高于+Vth。该点处，第4阶段结束。寄存器RegBl至RegB4中的总计数表示各自信道测量的相对电容差。类似的斜坡 变化可根据需要执行，例如为了提高测量分辨率。通过重复第1和第2阶段中所述的操作 步骤或其对应的负斜坡，可以随时重新测量绝对电容。在相同的方向(即都使用正电流或 都使用负电流)上执行第1和第2阶段斜坡变化有助于减小低频噪声，包括来自电流源IS+ 和IS-的漏电流的影响。
大于电压信号增量步长的随机噪声通常会使门限水平高频振动，从而使越过和再 次越过门限所需的脉冲数变化，即使被测电容水平保持不变亦如此。可利用大量测量周期 (即过采样)来平衡门限高频振动，从而提高分辨率。如果不存在足够的噪声，则可以采用 其他高频振动方法达到相同效果，例如可随机变化门限，也可随机高频振动电流脉冲的脉 冲宽度。在本发明的某些实施例中，通过多次重复第3和第4阶段的步骤并将结果组合，可 实现过采样。每个测量周期的结果可加到前面的测量周期结果或与之求平均值，或者可采 用诸如Boxcar滤波法的方法过滤结果，以产生像增加测量次数那样提高了分辨率的更新 值。作为另外一种选择，同时开启公用斜坡计数器(CRC)和电流源IS+，并使计数器和 电流源一直开启到信号Vl至V4中的一个越过门限+Vth，也可以产生图6和图7所示的第 1阶段斜坡。然后，可以使用上述脉冲斜坡将上述过程序执行额外的斜坡变化阶段。这样可 能在第1阶段产生更快的斜坡变化，同时相应降低测量信道之间最小电容公用值的测量分辨率。应当理解，虽然是结合双向斜坡变化(即，斜坡上升至高门限然后再斜坡下降至 低门限，脉冲斜坡在单个门限两侧来回波动，等)描述和示出了电路工作情况，但也可使用 单向斜坡实施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。例如，在某些实施例中，当电压信号达到或越过门限，信道可同时复位为基准电平(如 零)，然后再重新执行信号斜坡。信号斜坡可为指数级的，尤其是当采用相对较低电阻的电流源(例如图4B所示 电压源和电阻器的组合)时，这样测量结果(△计数/△电容)在电容范围内将不会是线 性的。如果需要，可通过递增或连续地改变脉冲宽度或脉冲间距来获得额外的线性度。例 如，如果斜坡斜率降低10%，则脉冲间距可以增大10%，从而使得脉冲频率更接近于斜坡 斜率。在某些实施例中，可能有利的是使每个电压信号保持或接近相同的电平，例如以 减少电容测量位置之间因电平差异而产生的电流。通过相位调整，例如根据前面斜坡的结 果单独调整后续信号斜坡的相对开始时间(请注意，测量较大电容的信道的信号斜坡将滞 后于其他信道的信号斜坡)，可在一系列测量中均衡信号。作为另外一种选择或除了调整 斜坡开始时间之外，可选择性地忽略斜坡变化过程中来自一个或多个信道的电流脉冲，以 调整斜坡。对要忽略脉冲的选择可以迭代进行，也就是说，根据前面的斜坡结果调整后续斜 坡。例如，测量最大电容的信道可用于设置脉冲总数，并且可根据其他信道的相对电容差忽 略来自其他信道中每一个的脉冲以减缓这些脉冲。可以任何所需方式移除脉冲，例如在斜 坡期内均勻地移除或随机移除。由此获得的相对相位调整效果类似于共同转让的临时专利 申请No. 61/017，451中所描述的情形。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，对于诸如图IA和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 号有利地最小化互(电极间)电容。在其他系统中，可利用驱动异相相邻电容测量位置改 善电极间互电容的测量效果。例如，希望测量并且从而提高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。
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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，其中包括有线工具和包含 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
一种用在测量电容的装置中的方法，所述装置通过施加电荷使与多个位置中每一个相关的各自电压信号斜坡变化，从而测量所述多个位置中每一处的电容，所述方法包括利用一系列电荷脉冲为每个所述电容充电，从而斜坡上升所述各自的电压信号，直到每个所述斜坡变化的电压信号越过门限电平，并且对于每个脉冲递增脉冲计数值，并且在等待所述电压信号静止之后将脉冲计数值存储在寄存器中，所述寄存器与确定其越过门限电平的任何所述电压信号相关；以及利用存储在所述相关寄存器中的所述计数值确定所述电容。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在多个斜坡周期内重复所述斜坡变化步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个斜坡变化周期在使所述电压信号斜坡上 升至越过门限电平和使所述电压信号斜坡下降至越过门限电平之间交替。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在斜坡上升所述电压信号的步骤之前，将所述电 压信号从低基准电平斜坡变化至所述门限电平处或接近所述门限电平的高基准电平。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括在公用寄存器中存储多个主时钟周期数，所述 多个主时钟周期数被确定为发生在从所述低基准电平向所述高基准电平斜坡变化的过程 中。
6.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述电容包括将所述相关寄存器中存储的所 述计数值与所述公用寄存器中存储的所述主时钟周期数结合使用。
7.根据权利要求4所述的方法，其中通过施加恒定电流使所述电压信号从所述低基准 电平斜坡变化至所述高基准电平。
8.根据权利要求4所述的方法，其中通过施加脉冲电流使所述电压信号从所述低基准 电平斜坡变化至所述高基准电平。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个位置中的每一个都与多个触摸传感器电 极中的一个相关。
10.一种用于电极电容测量装置的方法，所述装置通过电极电阻向所述电极施加电荷 使电压信号斜坡变化，从而测量所述电极的电容，所述方法包括在所述电压信号从第一基准电平到第二基准电平的初始斜坡变化过程中累积时钟周 期数；利用一系列电荷脉冲对所述电容充电以使所述电压信号斜坡上升，直到越过门限电 平，其中对于每个脉冲增加脉冲计数值，并且在所述电压信号静止之后才开始另一脉冲；以 及利用所述累积的时钟周期数和所述脉冲计数值确定所述电容。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电荷脉冲的脉冲时间短于与所述电容和所 述电极电阻相关的RC时间常数。
12.根据权利要求10所述的方法，其中等待所述电压信号静止包括等待一段长于与所 述电容和所述电极电阻相关的RC时间常数的时间。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括在多个测量信道的每一个内进行所述列举的 步骤，其中每个测量信道与不同的电容测量位置相关。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括重复在多个斜坡变化周期内斜坡上升所述电 压信号的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个斜坡变化周期在使所述电压信号斜坡 上升至越过门限电平和使所述电压信号斜坡下降至越过门限电平之间交替。
16.一种用于测量电容的装置，所述装置通过施加电荷使与位置中每一个相关的各自 电压信号斜坡变化，从而测量所述多个位置中每一处的电容，所述装置包括斜坡控制电路，所述斜坡控制电路利用一系列电荷脉冲使所述电压信号斜坡上升，从 而为各个电容充电；脉冲计数器，所述脉冲计数器在每个电荷脉冲之后递增脉冲计数值；以及 多个寄存器，每个寄存器与所述电压信号中的一个相关，用于在等待所述电压信号静 止之后，确定所述相关电压信号已经越过所述门限电平时存储所述脉冲计数值。
17.一种用于电极电容测量装置的方法，所述装置通过电极电阻向所述电极施加电荷 以测量电极电容，所述方法可减小所述电极电阻对所述电容测量的影响，所述方法包括利用一系列脉冲为所述电容充电，并且使所得电压信号斜坡变化至门限电平；在每个脉冲之间等待所述电压信号静止；以及利用所述电压信号达到所述门限电平所需的脉冲数确定所述电容。
全文摘要
本发明描述了一种电容测量电路和方法，所述电路和方法通过施加电荷脉冲使电压信号斜坡变化至越过电压门限，并且利用所述脉冲数确定所述电容。通过在与每个电压信道相关的寄存器中于该电压信号越过所述门限时存储脉冲计数值，可以测量多个位置处的电容。利用电荷脉冲使所述电压信号斜坡变化，并且等待信号在两脉冲之间静止，可以减小电极电阻对所述电容测量的影响。
文档编号G01R27/26GK101925827SQ200880125786
公开日2010年12月22日 申请日期2008年12月8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