专利名称：采样电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于采样的集成电路，以及对应的装置、方法和计算机程序。具体地， 本发明涉及用于检测电容变化的采样技术。
背景技术：
这样的集成电路可被称为采样电路，可被实现为微控制器，并且可被采用来形成在电容式触摸感测应用中使用的装置。微控制器可被认为是一类集成电路，并被描述为在单个集成电路(或一组互连集成电路一这样的一组集成电路可被称为集成电路器件)上实现的小型计算机。这样的小型计算机可以包含处理器核心、存储器和可编程1/0(输入/输出)外围设备。程序存储器以及一定量的RAM(随机存取存储器)可被包括在“芯片上”。与用在个人计算机或其它通用应用中的微处理器(也称为集成电路器件)相比而言，微控制器可被用于嵌入式应用。例如包含模数转换器(ADC)和/或数模转换器(DAC)的混合信号微控制器可被提供，该数模转换器(DAC)被集成到需要与非数字电子系统接口连接的微控制器模拟组件中。电容式触摸感测技术领域在此仅作为示例被考虑。将明白，本发明可以在具有类似效果的情况下被应用于其它技术领域(例如，其中通过电容式感测直接测量诸如距离、 压力或湿度之类的性质的技术领域，并且尤其是其中电容的变化由将被测量的性质来表示的技术领域)。作为一般性背景，触摸传感器可包含被涂覆有诸如铟锡氧化物之类的透明导体的绝缘体(如玻璃)。由于人体也是导体，因此“触摸”传感器表面会使传感器的静电场变形， 其可被测量为电容的改变。将明白，传感器表面无需直接被触摸；身体的接近也可被检测到。通常，在诸如手指之类的人体与电极或触摸传感器的其它传导表面之间不存在电流接触。不同技术可被用来检测触摸的发生，并且在一些实例中还确定触摸位置。检测到的信息随后通常被发送给控制器用于处理。用于电容式触摸感测的各种实现方式已经被考虑到。它们通常在原始数据获取、 电容测量和数据处理的方法方面以及在硬件需求方面彼此不同。感测方法和数据评估方法可以以不同方式被组合。一般地，电容式触摸感测与纯电容测量的不同之处在于通常真正感兴趣的不是绝对电容。而是，对因诸如手指之类的传导对象的靠近引起的电容的改变感兴趣。由感测电路在其空闲状态(无触摸)中测得的基线电容可被称为偏移电容(offset capacitance) 0 通常，偏移电容的大小比由于触摸而预期的电容改变高得多，触摸可以要求触摸感测具有高的SNR(信噪比)和高分辨率。现在简要考虑不同感测技术。自电容(self-capacitance)技术独立地测量一个或多个输入通道的电容。就此而言，参考图1。
下面的基本电容等式是本领域中很好理解的。
Jl
_2] Ο = ξΓξ0-
α其中，C是电容；ξ r是两个电容板之间的材料的相对静态介电常数；ξ。是自由空间的介电常数；A是两个板的重叠面积；以及d是两个板之间的距离。这类触摸传感器的一个重要特性是寄生电容Cp的存在，如图1所示。所进行的测量自然是传感器的总电容Ctot，其中Ctot = CP+CF,，因此Cp的大小相对于因触摸手指(或其它触摸体)引起的电容Cf越强，就越难看到由于触摸引起的电容Cf的改变。因此，诸如手指之类的靠近的传导对象增加了可被测量的电极的电容CTOT。当然， 寄生电容Cp可能会被考虑为电极的电容(不存在触摸手指时)，包括由对电容进行测量的仪器引入的任何电容(例如，输入电容)(除非该仪器已被校准为将这样的引入电容计入在内)。自电容技术可以带来按钮、滑块和/或滚轮应用的简单布局，其中通常单层可被用于触摸电极布局。然而，这样的技术由于对于单次以上的触摸具有模糊的触摸识别(称为“重影”)，因此在矩阵布局触摸板/触摸屏应用中具有有限的多触摸能力。与自电容技术相比，互电容(mutual-capacitance)技术测量两个或更多个电极之间的电容耦合。通常，电极被布置为形成驱动和感测电极矩阵。在一些实例中，例如在触摸板或触摸屏的情况中，感测和驱动电极正交地被布置为形成行和列。在这样的技术中，信号可被施加于驱动或信号传输电极之一，并且该信号可在感测电极之一处被感测到(或被寻找到)。这样的技术一般通过顺序扫描驱动和感测电极而提供识别多次触摸的良好能力。 然而，为了许多应用而付出的额外布局精力以及对封盖重叠和PCB材料电特性的更强依赖有时证明是麻烦的。现在简要考虑不同测量技术。电容式触摸传感器的许多实现方式依赖于对RC (电阻器-电容器)电路充电或放电到某一电压电平所需的时间的测量。对于该时间测量，未知电容首先被放电(或预充电)，并且然后在时间t0时经由上拉(或下拉)电阻器被连接到已知电压或电流源/阱。上拉情形在图2中示出，下拉情形在图3中示出。直到达到某一电压电平(Vth)所需的时间由评估电路测量并且然后被进一步处理。由于电容与RC元件的RC时间常数(t R*C)之间的比例关系，电容与所测得的上升或下降时间成比例。如前面提到的，对于触摸应用而言，真正感兴趣的通常不是电容的绝对量而是电容的改变，从而使得电阻器R通常不必具有高精度。在未被触摸的状态中，在时间tl之后达到阈值电压，而在被触摸状态中，通常需要(更长)时间t2。在未被触摸状态和被触摸状态中取得的读数之间的时间差(△)对应于例如因手指触摸引入的电容改变量。
该测量方法的缺点是由于如下原因引起的短测量时间(为了高速)和测量分辨率之间的平衡有限的测量定时器速度和准确度、以及对可被连接到要测量的每个传感器输入(例如，微控制器的引脚/端子)的电流源或外部电阻器的需要。依赖电压测量的方法一般以与以上时间测量方法类似的方式操作，不过不是测量直到某一电压被达到为止的时间，它们测量固定时间之后达到的电压。通常，未知电容首先被放电(或预充电到已知电压)，并且然后在时间t0时经由上拉(或下拉)电阻器被连接到已知电压或电流源/阱。上拉情形在图4中示出，下拉情形在图5中示出。在所定义时间tl之后，电容上的电压被测量。越大的电容将在某个时间之后产生越小的电压改变，因为它在相同电压时可存储更多电荷(C = Q/V)。未被触摸状态与被触摸状态之间的电压差(△)对应于例如因手指触摸引入的电容改变量。其它技术也已被考虑。在一种这样的技术中，微控制器根据图5的方法被使用，并且利用与ADC功能共享的GPIO(通用输入/输出)引脚或端子来执行测量，在放电时段期间获取单个样本。已发现这样的技术具有有限的动态范围和低SNR，从而导致相当低的灵敏度。另一所考虑技术利用设置在微控制器中的ADC的采样电容器与要被测量的电容之间的电荷重分布。在该实现方式中，采样电容器在内部被充电到所定义电压，并且然后被连接到要测量的(先前被放电的)电容。得到的连接点上的电压(其取决于两个电容的值)随后被测量。另一所考虑技术使用“过采样”方法来降低噪声在测量中的影响。然而，这些方法将数个完整测量周期(包括要测量的电容的充放电等)的结果相组合来生成一个读数，从而使得一个读数所需的时间大幅增加。电荷转移技术也已经被考虑，例如如在US6466036中所公开的。一些实现方式通过重复将电极的电容预充电至某一电压并且然后将其连接到(通常大得多的)采样或积分电容器，使得电荷重分布发生，来测量该电极的电容。直到积分电容器上某一电压电平被达到为止的电荷转移周期数目被计数。该技术的缺点是需要额外组件(采样电容器)以及其引入系统的公差。此外，该方法需要额外的连接(开关)来控制电荷转移和对采样/积分电容器的放电，并且积分电容器的大小对检测速度和灵敏度具有较强的影响。如上所述，电容式触摸感测通常基于测量因诸如手指之类的对象的靠近引起的电容改变，并且不需要精确测量绝对电容值。因此，为了减少噪声和寄生电容的影响，电容式触摸感测方法可以使用低通滤波和偏移校准。滤波可被应用于原始电容数据和/或触摸检测之后的有源/无源信息。偏移校准可以通过跟踪所测值的低速改变并在电容改变测量中减去它们以使得它们不影响触摸阈值来实现。为了实现此，所谓的基线值可通过校准算法计算出，并被用作所有改变监视和测量的基准。在先前考虑的系统中应用的一种常见的总体技术是将电容的短时改变与可变阈值相比较并且如果阈值被超过则触摸通过信号被通知。
发明内容
本发明被设计来解决至少在以上讨论的先前已考虑到的方法中提到的问题。希望提供具有提高的SNR性能、改进的动态范围以及改进的灵敏度的集成电路、设备、计算机程序和方法。还希望提供被配置为在需要最少的外部组件的情况下进行操作的这样的集成电路。根据本发明第一方面的实施例，提供了一种集成电路，包括采样端子，用于将所述集成电路连接到外部电容；采样装置，可操作地被连接到该端子以获取样本，每个样本具有样本值；以及控制装置，在所述外部电容被连接到所述采样端子时，所述控制装置被配置为在内部将所述采样端子或者所述集成电路中也与所述外部电容相连的另一端子连接到给定电压电位源以实现存储在所述外部电容上的电荷的改变，所述给定电压电位源在所述集成电路被使用时可在所述集成电路中被获得；使得所述采样装置在所述外部电容跟随所述电荷的改变而充电或放电和/或在所述电荷的改变期间充电或放电的时段中获取多个样本；以及依据所述多个样本来判断事件是否发生。外部电容的这样的充电或放电可以响应于所述电荷的改变。外部电容的这样的充电或放电可以(至少部分地，或者基本上)是通过采样装置获取样本，或者作为采样装置获取样本的结果，或者由于采样装置对样本的获取而导致的。例如，在外部电容放电的情况中，样本的获取可能从外部电容向集成电路拉取电流或者从外部电容向集成电路接收电流。在外部电容充电的情况中，样本的获取可能使得电流从集成电路向外部电容外流。通过依据每个充电或放电过程的多个样本来判断事件是否发生，对应充电或放电曲线下面的区域的指示而非单个样本可被考虑在内。这样的技术可以提供诸如提高的SNR 性能、提高的动态范围和提高的灵敏度之类的优点。电路可以在不连接外部电容的情况下被提供，以使得外部电容可在以后被连接到它。替代地，电路可以在已将外部电容连接到它的情况下被提供。每个所述样本可以指示存在于该端子或该端子处经历的电属性。例如，样本可以是电压样本，这些电压样本可以分别地或总体地指示外部电容的电容值。采样装置可操作来例如通过重复地进行和断开到该端子的连接来重复地获取样本。采样装置可操作来在逐个获取样本的一定的自动化程度下，在突发形式中重复获取样本。每个充电或放电时段中多个样本的获取可以有利地利用存在于采样装置中的寄生元件或者尤其是在采样期间外部电容放电的情况中已经存在于采样装置(该采样装置可以是ADC电路)中的其它元件。采样装置可操作来规则地或者基本上规则地获取样本。采样装置可操作来基本上在整个充电或放电时段中获取样本。这样的充电或放电时段可被认为是存在于该端子处的外部电容的单次充电或放电。外部电容在被连接到采样端子时可被认为是采样端子对地的有效电容，或者采样端子与信号传输端子之间的有效电容。外部电容可经由采样端子来充电或放电。 在一些实施例中，控制装置可被配置为当外部电容被连接到采样端子时在第一阶段中将采样端子连接到给定电压电位源，并且在第一阶段之后的第二阶段中，将采样端子从给定电压电位源断开连接并且使得样本被获取。 在外部电容在采样期间放电的情况中，给定电压电位源可以是“电压为高”的源，例如VDD。在外部电容在采样期间充电的情况中，给定电压电位源可以是“电压为低”的源， 例如GND。在一些实施例中，集成电路可被配置为使得集成电路的另一端子是信号传输端子；控制装置被配置为当外部电容被连接在采样端子与信号传输端子之间时执行信号传输处理和采样处理；以及控制装置被配置为在信号传输处理中将信号传输端子连接到作为信号的给定电压电位源，并且在采样处理中使得样本被获取以检测信号。再次地，在外部电容在采样期间放电的情况中，给定电压电位源可以是“电压为高”的源，例如VDD。在外部电容在采样期间充电的情况中，给定电压电位源可以是“电压为低”的源，例如GND。在一些实施例中，控制装置可被配置为在信号传输处理中将信号传输端子连接到 “电压为高”的源，例如VDD，并且然后连接到“电压为低”的源，例如GND，反之亦然。在一些实施例中，控制装置可被配置为在信号传输处理中将信号传输端子连接到 “电压为高”的源并且将采样端子连接到“电压为低”的源，并且在采样处理中，将信号传输端子连接到“电压为低”的源并且使得样本经由采样端子被获取。采样装置可以包括采样器电阻和采样器电容，所述采样器电阻和采样器电容被布置为使得当采样装置正获取样本并且外部电容存在于采样端子处时，外部电容上存储的电荷被准许经由采样器电阻转移到采样器电容(在外部电容在采样期间放电的情况中)。在外部电容在采样期间充电的情况中，采样器电阻和采样器电容可被布置为使得当采样装置正获取样本并且外部电容存在于采样端子处时，存储(例如，主动地存储)在采样器电容上的电荷(在样本被获取之前)被准许经由采样器电阻转移到外部电容。集成电路可被配置为使得在获取所述多个样本中的连续样本之间，采样器电容通过采样电路内的寄生电流和/或漏电流而被动地至少部分地被放电(在外部电容在采样期间放电的情况中)。集成电路可被配置为使得在获取所述多个样本中的连续样本之间，采样器电容通过将其连接到诸如“电压为低”的源(其可以是GND源)之类的给定电压电位源而主动地至少部分地被放电(在外部电容在采样期间放电的情况中)。集成电路可被配置为使得在获取所述多个样本中的连续样本之间，采样器电容通过将其连接到诸如“电压为高”的源(其可以是VDD源)之类的给定电压电位源而主动地至少部分地(或全部)被充电(在外部电容在采样期间充电的情况中)。集成电路可被配置为在获取所述多个样本中的一样本之后，自动地获取多个样本中的下一样本，以使得所述样本在突发处理中被获取。采样装置可以包括缓冲器并且可操作来将多个样本的样本值存储在缓冲器中。采样装置可以包括存储器并且被配置为通过直接存储器访问转移来将多个样本的样本值转移到该存储器。控制装置可被配置为将所述多个样本的样本值相组合来生成采样结果，并且依据所述采样结果判断所述事件是否发生。控制装置可被配置为累积样本值或将样本值相加来生成采样结果。集成电路可被配置为随着时间获取一系列的采样结果，每个采样结果来自在外部电容充电或放电的对应时段中获得的对应的多个样本值。所述控制装置可被配置为依据所述一系列的采样结果来判断事件是否发生。集成电路可包括滤波器，该滤波器被配置为对从所述采样结果形成的信号进行滤波以获得经滤波信号。集成电路可以包括第一和第二滤波器，其中的每个滤波器可操作来对从采样结果形成的信号进行滤波，第二滤波器具有比第一滤波器慢的响应，并且控制装置可被配置为依据从第一和第二滤波器输出的信号来判断事件是否发生。控制装置可操作来基于采样值和/或采样结果以及指示错误状况的对应信息来检测采样电路中的错误。例如，常规操作期间的预期采样值和/或采样结果可能与经受错误状况时的预期采样值和/或采样结果不同。该集成电路可以包括多个采样端子，其中所述控制装置可操作来使得对于每个采样端子多个样本被获取。在一些实施例中，具有这样的多个端子，控制装置可被配置为与这些端子中的特定端子的第一阶段同步地将其它端子连接到给定电压电位源，并且与该特定端子的第二阶段同步地将其它端子从给定电压电位源断开连接并且将它们连接到另一电压电位源，所述另一电压电位源被配置为对那些其它端子的外部电容具有与在特定端子的第一阶段期间对那些其它端子的外部电容具有的影响相反的影响。给定电压电位源可以是“电压为高”的源，例如VDD，并且其它电压电位源可以是 “电压为低”的源，例如GND，或者反之亦然。通过将这些端子控制为使得它们彼此同步，可以在触摸与错误状况(例如可能由位于一些端子(而未在其它端子)附近的水引起的局部错误状况)之间进行区分(在触摸感测应用的情况中)。这样的集成电路可以是微控制器或者作为微控制器的一部分。根据本发明第二方面的实施例，提供了一种微控制器，该微控制器包含根据前述本发明第一方面的集成电路。根据本发明第三方面的实施例，提供了一种用于电容式触摸感测的设备，包括根据前述本发明第一或第二方面的集成电路或微控制器；以及电容，所述电容连接到采样端子作为所述外部电容并且被配置为可由所述装置的用户触摸。根据本发明第四方面的实施例，提供了一种在集成电路上运行的计算机程序，所述集成电路包括用于将集成电路连接到外部电容的采样端子以及可操作地连接到端子以获取各自具有样本值的样本的采样装置，当外部电容被连接到采样端子时，所述计算机程序使得集成电路在内部将采样端子或者集成电路中也与外部电容相连的另一端子连接到给定电压电位源以实现存储在外部电容上的电荷的改变，所述给定电压电位源在集成电路被使用时可在集成电路中被获得；使得采样装置在外部电容跟随电荷的改变而充电或放电的时段中和/或在外部电容在电荷的改变期间充电或放电的时段中获取多个样本；以及依据所述多个样本来判断事件是否发生。根据本发明第五方面的实施例，提供了一种在集成电路上执行的采样方法，该集成电路包括用于将集成电路连接到外部电容的采样端子以及可操作地连接到所述端子以获取各自具有样本值的样本的采样装置，当外部电容被连接到采样端子时，该采样方法使得集成电路在内部将采样端子或者集成电路中也与外部电容相连的另一端子连接到给定电压电位源以实现存储在外部电容上的电荷的改变，所述给定电压电位源在集成电路被使用时在集成电路中是可用的；使得采样装置在外部电容跟随电荷的改变而充电或放电的时段中和/或在电荷的改变期间充电或放电的时段中获取多个样本；以及依据所述多个样本来判断事件是否发生。可想到这里使用的短语“集成电路”对于一些实施方式来说可用短语“采样电路” 替换，使得并不要求电路是集成电路。例如，在外部电容在采样期间放电的“自电容”实施方式的情况中，可认为这里公开了采样电路，其可以是集成电路，包括采样端子，用于将电路连接到外部电容；采样装置，可操作地被连接到所述端子以获取样本，每个样本具有样本值；以及控制装置，在外部电容被连接到采样端子时，控制装置被配置为在内部将采样端子连接到给定电压电位源以实现存储在外部电容上的电荷的改变，给定电压电位源在集成电路被使用时在所述集成电路中是可用的；使得所述采样装置在所述外部电容跟随所述电荷的改变而放电的时段中获取多个样本；以及依据所述多个样本来判断事件是否发生。
现在将仅以示例的方式来参考附图。在附图中图1如上所述呈现了有关电容式触摸感测的一般背景信息；图2和图3也如上所述呈现了示出就获取时间测量而言在触摸和非触摸状态中的放电/充电过程的电压-时间曲线图；图4和图5也如上所述呈现了示出就获取电压测量而言在触摸和非触摸状态中的放电/充电过程的电压-时间曲线图；图6是体现本发明的设备的示意图；图7是体现本发明的设备的示意图；图8是可由图7的设备执行的方法的流程图；图9是用于理解图7的设备的操作的电压-时间曲线图；图10是与滤波器的使用有关的示意图；图11是体现本发明的设备的示意图；以及图12是用于尤其是在关注触摸感测应用时考虑串扰和水效应(water-effect)抑制/识别的效果的示意图和信号轨迹。
具体实施例方式
本发明的实施例在这里被呈现为涉及采样电路或者更具体地涉及集成电路。将理解，在一些实施例中，这样的电路可被实现为微控制器。本发明的实施例可以采用嵌入式软件和/或(在特定实施例中)嵌入在MCU(微控制器单元)内部的专用硬件来实现电容式触摸应用，来作为本发明的一个示例应用。然而，将理解，本发明的一些实施例可以通过除了存在内部ADC电路和外部电极之外在外部或内部都没有专用硬件的微控制器来实现。本发明例如可以有利地被实施为在其中存储有用于控制微控制器的操作的合适代码(计算机程序)的微控制器。 本发明的实施例被认为与先前考虑过的布置相比，可以提供大幅增加的信噪比(已经在获取原始数据的阶段，即，采样结果)、更高的感测分辨率以及更高的动态范围。在电容式触摸感测的上下文中，与先前考虑过的布置相比，本发明的“最小”实施例无需外部组件(除了与外部电极相对应的外部电容之外)，如果有对高精度时间测量的任何依赖则具有少量外部组件，并且具有低的CPU(中央处理单元)资源要求(在微控制器实施例的情况中)。当然，一些实施例可能采用额外的外部组件来满足一些具体的额外要求。与先前考虑过的布置相比，本发明的一些实施例被认为提供了先进得多的滤波和校准算法，以提高系统稳定性、多功能性、可用性和可配置性。这里公开的例如涉及电容式触摸感测的一些实施例几乎可应用于与标准1/0(输入-输出)功能共享A/D (模数)转换器引脚的任何微控制器，并且对于不同I/O和模拟单元实施方式之间的变化以及变更具有高度的稳健性。这些实施例不需要外部组件(除了外部电容之外，该外部电容可能是简单的电极或者在一些实例中甚至可以由实际特别适配的微控制器引脚本身来实现)，并且每个电容式感测通道仅使用单个引脚(端子)。在这样的实施例中，仅需要例如由定时器给予的低频周期性中断来确保用于数据获取和滤波的稳定采样频率。在微控制器或其它类似集成电路的上下文中，可考虑将I/O端子连接到用于访问外面世界的引脚，或者可考虑I/O端子与这样的引脚相同。术语“端子”和“引脚”在这里可互换使用，然而，将理解，它们可以被认为是连接在一起的分开元件。要重申的是，尽管这里公开的一些实施例被呈现为涉及例如用在HMI (人机接口 ) 设备中的电容式触摸感测，然而本发明的其它实施例可被用于其它技术领域。例如，可能对其它技术领域中的电容值或电容改变的测量感兴趣。作为介绍，本发明的实施例关注的是正放电或充电的电容(将被测量的电容)的电压-时间曲线之下(或之上)的区域，而非依赖于单个样本或单次测量。S卩，本发明的实施例依据在放电或充电过程期间(即，在电容充电或放电的时段中)获得的多个样本来判断事件(在电容式触摸感测的情况中例如为触摸)是否发生。如果例如在整个特定的放电/充电过程(即，充完电状态与未充电状态之间，或者未充电状态与充完电状态之间)中重复获取电压样本并且然后相组合(例如，相加)，则将理解，组合结果可以指示电压-时间曲线之下的区域或者与之成比例。本发明的另一关注点在于提供可以通过执行根据本发明的代码(诸如计算机程序之类的程序)的现有微控制器实现而无需除了电极以外的外部组件的电路。图6是采用本发明的采样设备1的示意图。采样设备1包含采样(集成)电路2 (其本身也体现本发明)和连接到(存在于) 采样电路2的端子4的外部电容3。如图6所示，外部电容3可被认为等效于分立组件，该分立组件的一端连接到端子 4并且其另一端接地。在实际实施例中，外部电容3可以是与以地为参考的电极相关联的电容，即不是这样的分立组件。采样电路2包含端子4、可连接到(在此实施例中借助于切换装置6)端子4的采样装置5以及控制装置7。如图6中的虚线所指示的，切换装置6可被认为是采样装置5的一部分。在图6中，端子4(采样端子)用于将采样电路连接到其他电路。采样装置5可操作地连接(在一些方面，鉴于切换装置6，为“可连接”)到端子4以获取样本，每个样本具有样本值。控制装置7被配置为重复地将采样装置5连接到该端子(借助于切换装置6)， 以使得采样装置在存在于端子4处的外部电容3充电或放电时采到多个样本，并且依据这多个样本判断事件是否发生。控制装置7与采样装置5和切换装置6之间的连接可以用于数据和/或控制信号。该事件例如可以是外部电容3的电容值例如在预定或给定时间段中和/或以预定或给定量的稳定性，改变了例如至少预定或给定量。在电容式触摸感测的上下文中，外部电容3可以形成传感器电极或触摸传感器的一部分，并且电容值的这样的改变可能是由于手指或其它身体部分触摸触摸传感器或传感器电极引起的。采样电路2是集成电路，例如微控制器。端子4例如可以是或连接到这样的微控制器的GPIO引脚。图7是体现本发明的采样设备10的示意图。采样设备10包含采样(集成)电路20 (其本身也体现本发明)以及连接到(存在于)采样电路20的端子40的外部电容30。如图7所示，外部电容30等效于一端连接至端子40并且其另一端接地的分立组件，但是也可以是与以地作为参考的相连电极相关联的电容。采样电路20包含端子40、可连接到(在此实施例中借助于切换装置60)端子40 的采样装置50以及控制装置70。采样电路20、外部电容30、端子40、采样装置50、切换装置60和控制装置70分别对应于如图6所示的采样电路2、外部电容3、端子4、采样装置5、 切换装置6和控制装置7。因此，如图7中的虚线所指示的，切换装置60可被认为是采样装置50的一部分。在图7中，采样电路可被认为是微控制器(例如，MCU或微控制器单元)。端子40 可被认为是这样的微控制器的GPIO引脚，并且具有被建模为Cin 42的有效输入电容。输入电容Cin 42等效于在内部被连接在端子40与地供应源(GND，或Vee或Vss)之间的分立组件。外部电容30表示端子40 (经由电极3 与地之间的电容。电极32被连接到端子 40并且在电容式触摸感测的上下文中可被认为是传感器电极。当手指或其它身体部分触摸该传感器电极时，外部电容30的电容值可能改变。采样装置50包含比较器52、采样器电容M和采样器电阻56。在一个实施例中， 采样装置50可以是模数转换器(ADC)。采样器电容M和采样器电阻56可被认为是将切换装置60的电阻考虑在内的、比较器52在采样过程(当切换装置60闭合时)期间的有效输入阻抗的表示。为了方便理解，采样器电容M和采样器电阻56被建模为图7中的分立组件。采样器电阻56被连接在比较器52的输入与切换装置60之间，采样装置经由切换装置 60可被连接到端子40。采样器电容M被连接在比较器52的输入与地供应源(GND，或Vee 或Vss)之间。采样器电容M和采样器电阻56可被认为是或者至少部分地是“寄生的”，这通常是不希望的。例如，采样器电阻56可以有效地作为切换装置60的电阻(其可被实现为非理想FET)。将理解，本发明的实施例以有利的方式来利用这些寄生效应来测量外部电容30。图7的设备根据图8的流程图所示的方法来操作。
在第一步骤S2中，通过将外部电容30连接到微控制器20的电压供应源(Vcc或 Vdd)来对其预充电。即，端子40(GPI0引脚)被设为输出高(Output High)，即是说，端子 40在内部被连接到当微控制器20被使用时在其内可用的给定高电压电位(在FET技术的情况中，为Vdd)。在步骤S4中，端子40被从电压源断开连接。步骤S4例如可以在步骤S2之后给定量的时间时发生，以使得外部电容30能够被预充电。在步骤S6中，由采样装置50通过借助于切换装置60重复地将采样装置连接到端子40来获取多个样本。例如可在预定量的时间中获取样本，或者可以获取样本直到预定数目的样本被获取为止。样本可以在突发过程中被获取。可以重复地、快速地、频繁地以及规则地获取样本。优选地步骤S6在步骤S4之后立即开始，尽管在其它实施例中在步骤S4与步骤S6之间可能存在给定延迟。步骤S6本身可被认为构成了测量过程。外部电容30在测量过程期间的放电至少部分地可能是因采样装置以及微控制器20的其余电路(未在图7中示出)内的寄生漏电流而发生的。对放电过程的主要影响来自于采样装置50的每个采样过程期间(S卩，当每个样本被获取时)的电荷重分布。在每个采样过程期间，采样器电容器M通过具有采样器电阻56 的切换装置60 (采样开关)被连接到端子40 (模拟输入)。因此，电荷重分布的发生是由于每次测量(获取样本)都对外部电容30放电某一(少)量，该某一量取决于所涉及的电容 30、42、M的比率、它们的瞬时电压电平、电阻56、以及采样开关闭合的时间。在从该端子断开连接之后，S卩，在样本的获取之间，采样器电容M通过主动地被连接到内部地供应源(GND)或者简单地通过内部电流(例如，在比较器52的比较时段期间，或者通过其它寄生电流)而被放电。可选切换装置55在图7中被示为连接在采样器电容M与内部地供应源(GND)之间，并且可被用来在样本的获取之间主动地对该电容放电。基于图7，将理解，由比较器52获取的样本可以是当样本被获取时存在于比较器 52的输入处的电压的电压样本。比较器52可以输出指示这样的电压样本的样本值(例如， 数字值)。当然，将明白，比较器52可以是更大电路部分(例如ADC)的一部分。通常，比较器本身将作为例如具有SAR(逐次近似寄存器)的ADC中的逐次近似块的一部分。逐次近似块作为整体可被用来生成实际样本值，并且比较器52在图7中被示为没有这样的其它电路仅仅是为了简化的目的。在步骤S8中，判断预定事件是否已发生，在电容式触摸感测的上下文中，该预定事件对应于手指或其它身体部分对传感器电极32的触摸。现在将进一步描述步骤S6。如上所述，本发明的实施例依据在放电或充电过程期间获得的多个样本来判断事件(例如在电容式触摸感测的情况中为触摸)是否发生。因此，在本实施例中，单个原始数据值(采样结果)是从多个单样本(样本值)获得的或者是由多个单样本(样本值)组成的。每个采样事件(当外部电容30放电时，多个样本中的单个样本的获取)导致将被测量的电容(外部电容30)的进一步放电，因此，多个样本的获取可以有利地用来加速测量过程。
将进一步考虑该“加速”。当使用ADC(参考采样装置50)时，通常希望测量电路对信号源(以及由此对测量结果)的影响保持尽可能小。即，通常诸如采样电容器的大小、输入漏电流等之类的寄生影响被最小化。作为示例，利用大采样电容器时，由于需要更高的电荷量来将(大)采样电容器充电至输入电压，因此从高阻抗源测量电压将比利用较小电容器花更长的时间。由于高阻抗源的电阻限制电流的流入，因此电流流动量以及因此充电速度受到限制。此外，进入 ADC的输入漏电流将引起高阻抗电压源上的(通常不希望的)电压降。相比之下，在图7的设备中，通过对输入采样数次而不重新初始化外部电容30来有意增加(采样装置50)ADC寄生效应的影响，以使外部电容30有意被由于电荷重分布而流入ADC的电流以及ADC内部的寄生电流影响(被放电)。一方面，该影响可以利用示波器被观察到；如果数个微控制器输入通道同时从 Vdd被切换为“ADC输入模式”，则这些通道中“被突发采样”的一个通道可被视为比其它通道放电更快，从而缩短图7的上下文中的一次测量获取的时间(假设对于每个输入通道具有相同的放电结束电压)。如果使样本的总数保持相等(通过例如利用突发/连续模式足够快地采样)，则通过突发采样获得了速度而不会损失分辨率。对于“理想的”ADC，放电速度将独立于ADC活动(并且甚至为零，如果绝对没有任何寄生损失存在的话)。另一方面，在慢速放电的情况中(例如，在放电周期结束时获取单个样本)，“空闲”状态中的放电量可能非常小(即，在某个可接受时间之后的电压可能没有下降到Vdd之下很远)，从而限制了系统的动态范围/净空(由于触摸而产生的甚至更大的电容将会更多的减少放电量)。如果偏移电容较大(比采样电容大得多)(通常是这样的)，则尤其是这种情况。该问题可以通过利用外部电阻器或电流阱来更快地对电容放电来解决，但是要以外部组件为代价。将理解，在图7的设备中，内部寄生效应和突发采样有意被用来针对每多个样本获得高的放电量。作为又一方面，本发明的实施例在考虑到对来自外部源的诸如RF噪声之类的噪声的易感性时也可以具有优点。作为背景，具有极高输入阻抗的测量电路往往易受来自不同源的噪声(例如来自蜂窝电话和其它源的RF噪声)的影响。特别是在电容式触摸感测的情况中，许多实现方式可能由于高输入阻抗而遭受着噪声易感性。在本发明的实施例的上下文中(例如参见图6和图7)，由于获取过程期间的每个样本导致电流流入采样装置50 (采样电路)，因此与基本上可被认为“空闲”(例如，当每个充电或放电周期仅获取单个样本时)的电路相比，流入该采样电路的平均输入电流更高。实际上，该更高的平均电流可被视为是由比采样装置50(采样电路)的输入阻抗 (例如，在空闲时，在端子40处看到的输入阻抗)低得多的“虚拟阻抗”引起的。作为示例， 当在采样开始时采样器电容M完全被放电，在闭合采样开关(切换装置60)之后的第一时刻中可看到，初始启动电流(in-rush current)-并且因此，有效输入阻抗-主要是由采样器电阻56定义的。因此，通过这里描述的方法，即使在第一眼看时正被测量的电极32处于浮动状态(仅被连接到采样电路的高阻抗输入)，放电周期中的较低虚拟“平均”输入阻抗也可通过重复的采样过程被生成，除了上面描述的平均/积分行为之外，该重复的采样过程也极大地增强了对抗由蜂窝电话或其它噪声源引起的例如EMI (电磁干扰)之类的噪声的稳健性。因此，将明白，本发明的实施例中采用的多次测量/突发采样技术具有若干优点， 例如，(a)以合理时间对外部电容放电而无需任何外部组件；(b)通过增加系统的动态范围 /净空来提高SNR ； (c)由于平均/积分行为而提高了 SNR和灵敏度；以及(d)在放电周期中由于较低的虚拟“平均”输入阻抗，而增加了对抗噪声的稳健性。返回图8的步骤S6，关于上面提到的平均/积分行为，对于一个原始数据值(采样结果)的获取来说，特定测量过程(步骤S6)中的每个样本的值在此实施例中被累积，以使得原始数据值(以及由这样的连续的值组成的信号)从放电曲线下面的面积被得出，而不是对于每个测量过程从单个样本被得出。图9是类似于图5的曲线图，但是指示出本发明的实施例与由图5表示的先前被考虑的方法有何不同。如由一系列垂直虚线所表示的(在图9中并未示出全部虚线，但是如图所示，垂直虚线的图案被理解为从时间、到时间tn是一致的且规则的)，在放电过程期间多个样本((^至！！巧被获取，使得样本值的相加组合(采样结果)表示放电(或者在其它实施例中，充电)曲线下面的面积。将理解，虽然电容的每次充电或充电中的大量样本(η较大，例如，约20至40，或者高至100)将给出对曲线下面的面积的良好指示，然而较少数目的样本(例如，5和10之间) 也可被用来给出对该面积的满意指示，其中对电路的负担相应较低但是具有较低的SNR和较低的灵敏度。如果图8的方法定期地或者不时地被执行，则取决于外部电容30的电容值，随着时间的采样结果可能不同。如已经提到的，在电容式触摸感测的情况中，这样的改变可能是由于手指或其它身体部分接触电极32引起的。通过如从图9可明白的相加或积分行为，与先前被考虑过的测量方法(包括图4 和图5的标准电压测量方法)相比，系统的SNR和动态范围被大幅增加。较高SNR的原因可被表达为如下 希望信号(Δ)通过随着时间的相加(Aeff=Z An)被放大，从而带来更高的动态范围和对小信号改变的更好响应。即，外部电容值的改变将其自己表现为放电曲线下面的面积的改变，其导致可被相加以提供更大的组合改变(表示面积改变)的多个样本中的个体样本的值的改变。因此，多个样本中的样本的数目越大，对于给定的电容改变来说被记录下来的改变就越大。·测量信号的AC噪声基本上通过积分行为被抵消。多个样本中的样本的数目越大，对抗测量中的随机噪声的电阻越高(因为这些值的基线可被视为带有随机AC分量[噪声]的常数[偏移])；·测量信号中的单个尖峰仅具有很小影响； 单个样本的时间抖动(例如，由于中断负荷)仅具有小的影响并且可以通过自动重启动诸如ADC之类的采样装置而被最小化。这样的自动重启动可被称为“连续模式”。·增加的系统动态范围/净空；以及·由于放电周期中的较低虚拟“平均”输入阻抗而增加了对抗噪声的稳健性。与上面讨论的先前考虑过的过采样方法相比，图7的设备(以及本发明的其它实施例)的方法对于每个读数仅测量要被测量的电容一次，并且通过多个采样事件连续地对其放电(以使得每个读数由多个样本组成)，每个采样事件引起从要被测量的电容(外部电容30)到ADC(采样装置50)的采样电容器(采样器电容的电荷重分布。由于省略了专门充放电阶段，因此在相同时间期间可以获得更高数目的样本，从而得到比单个样本更高的SNR以及比其它过采样方法更短的总体获取时间。如上所述，在图7的设备中，采样电路20可被认为是微控制器(该微控制器的其它部分未在图7中示出)。在该实例中，可以通过将采样装置50 (ADC)布置为在每次采样之后自动重启动采样过程(以获取另外的样本)来使系统负荷(控制装置70上的负担，该控制装置70可以是微控制器的处理器)保持较低。每次采样的结果(样本值)例如可被保存在采样装置50内部的缓冲器中(未在图7中示出)或者可利用DMA(直接存储器访问)转移被转移到(例如，微控制器的，也未在图7中示出)存储器中的缓冲器。除了低系统/处理器负荷以外，由于每个采样过程而流入采样装置50 (ADC)的电流增加了将被测量的电容的放电速度，从而使得无需硬件改变也可以处理非常高的偏移电容。检测要被测量的电容的极小改变的能力(面积的改变比两个单独样本之间的改变更加明显)对于电容式触摸感测系统是有用的，因为随着触摸传感器的介电前面板厚度的增长，因靠近的手指引起的电容改变相对于系统的基本偏移电容(通常> IOOpF)来说可能非常小(<< IpF)。通过上述方法，可以在原始数据值(采样结果)本身中，即在经任何后处理之前获得高SNR，并且可以获得对干扰的免疫性，以使得可以在进一步的信号处理期间施加不那么强的滤波。现在参考图10，图10是在概念上表示滤波可如何被采用来利用包含一系列原始数据值(采样结果)的信号的示意图。在图7的设备中，每个原始数据获取过程(如图8所示)由如上所述的突发采样组成，以生成采样结果。随着时间的过去重复图8的过程，一系列这样的原始数据获取过程可以生成基于一系列这样的采样结果的信号或者从一系列这样的采样结果得出的信号。这样的信号(原始数据信号)可被进行信号处理。为了对触摸进行检测，希望执行偏移和漂移校准。因此，原始数据信号可被馈送到可被级联连接的两个不同低通滤波器中(滤波器1和幻。图10的(a)示出了被级联连接的滤波器1和2的示例，图10的(b)示出了彼此并联布置的滤波器1和2的示例，这两种情况中的输入信号都是原始数据信号。在本实施例中，第一滤波器(滤波器1)具有短到中等的时间常数并且主要对原始数据信号进行平均。第二滤波器(滤波器幻具有比第一滤波器慢的响应，以使得其不跟随因靠近的手指引起的快的改变(在电容式触摸感测的情况中)。第二滤波器的输出表示包括寄生偏移电容等的底线(或基线)。高于某阈值的平均滤波器(滤波器1)的改变(在电容式触摸感测的情况中，主动触摸被检测到)一旦被检测到，只要该情况发生，底线滤波器(滤波器2)更新就可被暂停，以避免将系统校准为例如靠近的手指。对于触摸检测(在电容式触摸感测的情况中)，第一和第二滤波器的输出之差可被评估并与阈值相比较。一旦阈值被超过，就可认为触摸被检测到。
两个滤波器的滤波器参数可以在运行时间期间动态地被改变，和/或可以是非对称的，例如，对下降值的响应比对上升值更快，以在释放按钮(即，对触摸传感器“解除触摸”)之后加速重新校准。顺便提及，虽然以上实施例是在考虑单个端子和当前外部电容的情况下提出的， 然而将理解，在其它实施例中，可以存在带有当前外部电容的多个这样的端子。在电容式触摸感测的情况中，这样的多个外部电容可以对应于复杂触摸传感器的多个感测电极。以上方法可以应用于每对端子与外部电容。来自每个端子的采样结果可被认为是逐个端子的， 或者可被认为是一起的。返回参考图7，将理解，采样电路20可被认为是微控制器，并且这样的微控制器可以具有类似端子40的数个端子(例如，一组GPIO引脚)。鉴于此，将明白，本发明的实施例可适于检测错误，例如，传感器引脚(端子)之间或传感器引脚(端子)与地(GND)或电压源(Vdd)之间的短路。例如，在两个或更多个输入引脚(端子)之间短路的情况中，取决于未被采样的输入引脚(端子)的引脚状态(0或1，即，连接到GND或Vdd)，它们的采样结果将接近理论最大值(例如，对于10比特ADC，样本数*1023)或最小值(O)0例如，在所有引脚在非采样状态期间被保持为高的配置中，因错误状况而连接到另一触摸输入引脚(采样端子)的触摸输入引脚(采样端子)的效果与将其连接到电源电压的效果相同，即，在采样时段期间将看不到任何放电，并且因此将看到接近最大值的值。 类似地，因错误状况而连接到GND的引脚(端子)在采样一开始就示出瞬时放电，并且因此将示出接近零的输出值。在这两种状况下，常规操作与指示错误状况的信息之间的差别可在原始数据信号中被检测到，并且使得诸如安全停止之类的对策被采取(例如，通过在微控制器中被运行的软件)。还可设想本发明的其它实施例，具体地，其中，采样电路20是微控制器。例如，可向这样的微控制器提供范围比较器，该范围比较器将样本(ADC样本)的值与上下限阈值相比较，并且判断所关注的样本是在由这些阈值所限定的范围之内还是之外。此外，可向这样的微控制器提供脉冲检测单元，该脉冲检测单元被配置为评估范围比较器的输出，并且因此可被用来检测某些脉冲属性。与未使用范围比较器和脉冲检测单元的系统相比，例如被用作电容式触摸感测系统一部分的这样的微控制器可以具有减少的sw(软件)开销。例如，范围比较器的阈值可以按如下方式来设置在非触摸状态期间，仅有少量样本在范围检测器的检测范围中。一旦因触摸事件使得电容上升，则信号幅度上升，从而使得更多样本落在检测范围内。可由脉冲检测单元来对落在所定义范围内的每个样本计数，并且一旦达到某个数目(的事件)，则信号就被生成。范围比较器和脉冲检测单元可通过运行在微控制器中的软件来配置，但是也可以以其他方式自治地操作而不会给处理器带来负担。这样的配置可以使得可变触摸阈值被实现。范围比较器阈值可被用来实现受主机软件控制的校准。将理解，图6和图7的设备是在电容式触摸感测的情况中考虑“自电容”技术的情况下呈现的。然而，本发明还可应用于对两个或更多个电极之间的电容式耦合进行测量的互电容技术。图11是体现本发明的采样设备100的示意图。采样设备100包含采样(集成)电路120(其本身也体现本发明)以及连接到(存在于)采样电路120的端子4的外部电容3。将理解，图11的采样电路120非常类似于图6的采样电路20，并且相似的元件用相似的标号来表示以使得可省略重复描述。采样电路120包含连接到(信号传输)端子140的信号传输(signalling)装置 160。外部电容3有效地是在端子4和140之间(例如，在分别连接到这两个端子的两个电极之间)测得的电容。在操作时，控制装置7可以使信号传输装置向端子140输出信号，并且相应地使采样装置5按与上面结合图6至图9描述过的方式类似的方式在端子4处获取样本。将理解， 外部电容3的电容值例如可以由于触摸感测应用中的触摸而变化，并且因此在端子4处拾取的信号可能取决于电容值而变化。因此，将理解，关于图6至图9所呈现的教导也类似地适用于图11，从而本发明的实施例也可以涉及互电容技术。例如，容易理解，与图7所示的电路类似的电路可与图11 一致地被提供。在一些实施例中，端子4和140可以是例如可在使用期间被重新配置的多用途端子。即，采样装置5和信号传输装置160到这些端子的分配是可配置的，以使得在一些实例中端子4是连接到信号传输装置160的信号传输端子，并且在一些实例中端子140是连接到采样装置5的采样端子。在触摸感测装置的上下文中，本发明的实施例可以使得到触敏区域的外部电极的每个连接被配置(动态地、在使用期间或者在设置时)为对于自电容测量作为双向电极(采样端子)操作，对于互电容测量作为发送电极(信号传输端子)操作， 和/或对于互电容测量在操作期间作为感测电极(采样端子)操作。即，电极的功能可以随着时间被改变。将理解，不依赖于外部组件使得本发明的实施例能够具有这样的多功能性。回忆起本发明的实施例可以具有多个端子，每个端子具有当前外部电容，例如根据图7(自电容)或图11(互电容)。这可能将在串扰/交叉耦合以及水效应抑制/识别 (特别是就触摸感测应用而言)的上下文中，结合图12进一步被考虑。图12的(a)对应于与图7相符的本发明的实施例(在该图右侧示出)，其具有被标为A、B和C的与三个输入或感测通道相对应的三个采样端子40。因此，图12的(a)的实施例具有拥有三个采样端子40的采样(集成)电路20，每个采样端子具有对应的电极32。三个电极32位于可由玻璃制成的传感器表面200下面。图12的(a)所示的电容Cab和Cbc分别表示通道A与B、通道B与C之间的引起的耦合电容。电容Cf表示可能在通道B上由于触摸的手指或其他身体部分引起的电容。图12的(a)的左侧上的曲线图对应于当没有触摸手指存在时，即，当电容Cf = 0 时在通道A、B和C处接收的信号(利用这里公开的采样技术)。图12的(b)与图12的(a)相同，但是表示触摸手指存在，即，当电容Cf大于0时的情形。图12的(c)与图12的(a)相同，即，电容Cf = 0，但是表示水201 (或某种其他物质)存在于通道A与B之间和之上的传感器表面200上的情形。在此情形中，电容Cab可能比电容Cbc大得多。例如，在“常规”情况(空气)中，电极/通道之间的绝大部分电场经过具有低介电常数( 1)的空气，因此总体容量(电容)较低。例如当水在表面上时，绝大部分电场呆在具有高得多的介电常数( 80)的、增加了容量(电容)的水中。另外，未去离子的水是传导性的，这再次增加了耦合性。为了简化，图12的(a)所示的电容以及该图中的标号从图12的(b)和图12的(c) 中被省去。然而，可通过与图12的(a)相比较来容易地理解图12的(b)和图12的(c)。触摸感测应用不仅受可能被耦合到感测电极(并且因此耦合到采样端子)中的高频噪声和寄生偏移电容的影响。特别是在具有彼此非常靠近的多个传感器电极的应用中， 电极之间的串扰可以影响感测性能。这样的串扰的机制在图12的(a)、(b)和(c)中通过耦合电容Cab和CBe被表示出。用于确定输入通道的电容的测量可以通过借助于某种多路复用顺序地访问一个一个端子来进行(例如，通道A，然后B，然后C，等等)。在这样的情形中，在具体测量周期期间未被连接到测量电路(采样装置)的其余输入端子可被连接到GND以减少可能的干扰。尽管一方面“非活动”通道(例如，通道A和C)的电极32可以充当被测量通道的电极32的屏蔽，并且可以帮助减少EMI对所进行测量(例如，对通道B)的影响，但是它们会增加传感器上的寄生电容(参见电容Cab和Cbc)。另外，在许多这样的实施方式中，由于被测量电极与被接地的其余电极之间的对地电容增加，因此存在覆盖多个电极的传导对象 (例如，水201)的存在可能错误地被检测为触摸事件的风险。例如，在仅仅活动电极被充电并且其余电极被接地的情况中，电极间耦合可被视为对地电极耦合。在本发明的实施例中，可以使在特定通道(单个通道)的测量期间对“非活动”通道(其余通道)的测量广泛地、自由地适应于不同需求。其余端子如上所述可被接地(GND)， 被连接到预定义或给定电压(如Vcc (VDD))，被保持漂浮状态，或者经历这些状态的组合/ 循序。在优选实施例中，使多个传感器通道的每个根据上面例如结合图7和图8描述的方法进行操作，使得可以按如下方式来控制传感器通道的状态，该方式使得电路能够在例如由接近多个电极的传导对象(例如，诸如水膜之类的液体膜)引起的串扰效应与由人手指或其它点选身体部分进行的有益触摸之间进行区分。如上面结合图7描述的，每个通道的测量过程从将传感器电极(端子40)连接到已知电压源(通常为Vcc)开始，并且从而将外部电容30预充电至该电压。在下一状态中， 传感器电极(端子40)被从电压源断开连接，并且获取处理(获取样本)开始。在所产生放电周期的所有样本都被获取之后，该处理立即或者在某一间隔之后重新开始。在所述方法的优选多通道实施方式中，通道组(例如，通道A、B和C)或者所有传感器通道同时被预充电，而与哪个通道将被测量无关。由于预充电周期同时被施加给所有电极，因此相邻电极对之间的耦合电容的两侧(例如，电容Cab和Cbc)处于同一电位(电压)，以使得耦合电容实际上未被充电。与此相比，每个单电极例如对地(GND)的电容被充电至已知电压，并且因此该电容的改变(例如，由手指触摸引入的，即，电容Cf的改变)可如上所述这样被测量。在给予预充电的时间之后，要被测量的通道如上所述被从电压源断开连接，同时除了要被测量的通道之外的所有通道同时地(或几乎同时地)被主动驱动为低(在MCU实施方式的情况中，通过将GPIO切换为输出低)。该行为在图12的(a)、(b)和(c)的每幅图中被示出。电极之间的电容耦合(例如，电容Cab和Cbc)在将被耦合到正被测量的电极的其余电极上产生负斜率(其余电极上的电压在短时间中几乎变为零，类似于方波，而被测量电极上的电压遵循几乎指数的放电曲线)，从而也在该电极的电压中引入(更小的)负斜率。因此，在图12的(a)的上下文中，通道A和C的负斜率202和204经由电容Cab和 Cbc相耦合以影响斜率206，从而使得针对斜率206采样到的值比耦合电容Cab和Crc不存在时它们应具有的值要小。因此，串扰的增加导致获取的原始值减小，而如图12的(b)中那样靠近对象/手指触摸基本上触摸一个电极使得所关注通道的原始值增加，因为该所关注通道不受，或者仅受周围电极的负斜率的影响。这在图12的(b)中由斜率208表示出，斜率208将带来比针对斜率206获得的那些值大的采样值。由于电极对之间的交叉耦合的影响是对称的(不存在局部性影响)，因此不同通道间的串扰的增大将导致所有受影响通道的原始值减小，以使得可以通过信号处理和校准方法来确定哪些通道被影响，并且采取正确措施。由于希望避免误动作或错误触摸触发，因此这在一些对象或液体201 (例如水)被放置于传感器电极之上的表面上的情况(如图12的(c)中)中是有趣的。在图12的(c) 中，液体201的存在增加了通道A与B之间的耦合(电容Cab)，但是未增加通道B与C之间的耦合。因此，上面就图12的(a)讨论的耦合的值减小效应在图12的(c)中由于液体201 的存在而是不均勻的。因此，根据本优选实施例的支持数个感测通道的感测表面可以以当传导对象或液体被置于其上时不生成触摸输出的方式来配置(通过采样电路)，这给予了针对对由触摸传感器电路控制的任何装置的无意操作的高度额外安全性。将理解，上面讨论并在附图中示出的实施例主要关注了外部电容首先被预充电 (例如，通过将其连接到诸如VDD之类的内部可用电压源)并且然后通过采样装置被放电的 “放电”布置。虽然出于实践原因这样的“放电”布置可以优先被考虑，然而将明白，其它实施例可以关注“充电”布置，其中外部电容首先被放电(例如，通过将其连接到诸如GND之类的内部可用电压源)并且然后通过采样装置被充电。所公开的“放电”布置的优点之一是利用了使漏电流(通常，对地)对外部电容放电的寄生元件，因此例如，存在于先前考虑过的或标准MCU中的采样元件可得到使用。在 “充电”布置的情况中，采样装置可能需要被修改(与存在于先前考虑过的或标准MCU中的采样元件相比，或者与图7所示的采样元件相比)。具体地，采样装置可能需要被修改为使得采样电容器(参见图7的采样器电容54)在两个采样之间(在采样开关-参见图7的切换装置60-断开时)例如在内部被充电到Vcc (VDD)，以使得在“突发”采样期间每个样本将 (最初被放电的)外部电容上的电压增加一小的量。因此，本发明的实施例扩展至这样的“充电”布置，但是在一些实例中出于实践原因(例如，利用在先前考虑过的MCU中提供的部件，例如其ADC)可以优先考虑“放电”布置。在这样的“充电”布置的一个示例实施方式中，可以从连接到Vcc(VDD)的、被测量端子之外的一端子(即，不是从样本被获取的端子)获取“伪样本”，并且然后可以进行到要被测量的电极的切换而不对其间的采样电容器(参见图7的采样器电容54)放电。然而， 由于漏电等原因，在切换期间可能预期具有少量放电。因此，虽然在这里所公开的“放电”布置中“寄生效应”可被视为有利的，然而在“充电”布置中可能需要在两个采样之间主动对采样电容器再充电。因此，这样的“充电”布置可能需要被配置为使得采样装置能够执行这样的主动再充电，或者例如在采样之间可能需要额外步骤，在该额外步骤中，由于没有在“放电”布置中被利用的采样电容器的“寄生放电”的等效物，因此要从Vcc (VDD)获取“伪”样本。出于至少以下原因，认为本发明的实施例是有益的·在触摸输入引脚(端子)外面，对于电容式触摸感测而言不需要外部组件；ο存在于这样的引脚处的外部电容仅仅以连接到该引脚的感测电极的存在的方式而存在；ο这样的实施例可以提供相对低的Β0Μ(材料清单)费用，并且需要相对低量的 PCB空间； 在图7实施例中，每个电极32仅需要单个端子40 ；ο在考虑微控制器时，任何ADC引脚在与GPIO功能共享时都可被用作触摸输入；·由于突发采样和对采样值的积分(相加)增加了抗噪性和SNR ；ο将放电过程的多个样本(采样值)相加来平均噪声尖峰/突发；ο原始样本值之和对应于放电曲线下的面积，从而产生对放电曲线的小改变的更好响应；ο增加了系统的动态范围/净空；ο增加了针对放电周期中因较低虚拟“平均”输入阻抗引起的噪声的稳健性； 在突发采样的情况中(“连续模式”)，可以针对每个放电过程获取多个样本而不用重新初始化(放电、预充电或类似的)；ο更快的过采样(在“连续模式”中，可以采用全ADC采样速率，而不用在采样之间进行重新初始化)，为触摸获取/识别带来更短的时间；ο在原始数据水平上已经增加了噪声滤波和灵敏度·无需特殊外围设备(例如，电流源或高分辨率定时器)；ο无需精确的时间测量-该方法不太受抖动影响；ο ADC连续模式可被使用-无需对每次单个样本进行触发-因此系统对因CPU (处理器)负荷引起的时序变化不那么敏感；ο当DMA被使用时，可以减少IRQ(中断请求)负荷，但是代价是采样之后的一次稍微更长时间的计算；·低EMI (电磁干扰)、高EMI稳健性/容忍性；ο无需高频信号，从而带来来自感测线(端子和感测电极)的低EMI发射；·容易适应于不同测量拓扑；ο例如将图6和图11的教导相组合，在一些实施例中在无需改变硬件的情况下混合自电容/互电容感测是可能的。一些实施例可被配置为在使用期间在自电容感测与互电容感测之间切换，并且将从二者获取的输入相组合。以这种方式，两种类型的感测的优点可被一起享受到；·电源电压对灵敏度无影响；ο采样装置(ADC)所采用的参考电压可以与施加给端子的预充电电压，即，采样电路的内部电源电压(Vdd或Vcc)相同；·非常低的处理器(例如，CPU)负荷；ο可以通过诸如范围比较器和脉冲检测单元之类的外围设备和/或使用DMA转移来进一步减小处理器负荷。提供了下面的表述Al. 一种用于评估要被测量的电容的放电期间的电压的电容式感测方法。A2.根据表述Al的电容式感测方法，其中，ADC的漏电流和内部电容被用来对要被测量的电容放电。A3.根据表述A2的电容式感测方法，其中，输入电压被采样多次而不对输入电容进行重新初始化(预充电、放电或类似的)，即，在多个时间点测量单个放电事件。A4.根据表述A3的电容式感测方法，其中，通过对单次放电事件的多次采样获得的数据被相加以形成与放电曲线(放电过程的时间-电压曲线)下面的区域相对应的值。A5.根据表述A4的电容式感测方法，其中，诸如电阻器或电流阱之类的另外组件被用来(作为用于另外的能力的另外的组件)对要被测量的电容放电。A6.根据表述Al至A5中任一项的电容式感测方法，其中，要被测量的电容被预充电到与采样之前的ADC参考电压相同的电压。A7.根据表述Al至A6中任一项的电容式感测方法，其中，对要被测量的电容的放电曲线的评估通过将原始样本值与上下限阈值相比较并且评估比较结果来执行。A8.根据表述A7的电容式感测方法，其中，比较结果的评估是通过依据比较结果来递增、递减或重置计数器来进行的。例如，如上面讨论的脉冲检测单元可采用多个计数器来对范围比较器的事件(在范围内、在范围外，等等)进行计数。这些计数器可彼此交互， 以使得例如某一事件的发生可以重置一个计数器或者递增另一计数器，等等。A9. 一种利用具有第一和第二组参数的第一和第二滤波器的电容式感测方法，其中第一滤波器被馈入原始测量数据，而第二滤波器被馈入第一滤波器的输出或原始测量数据，并且其中这两个滤波器的输出之差被测量以生成触摸强度信息。A10.根据表述A9的电容式感测方法，其中，一个或这两个滤波器的滤波器参数依据诸如被触摸/未被触摸状况或者原始值的改变方向或速度之类的其它参数而动态地被适配。All. 一种电容式感测方法，其中，到触敏区域的外部电极的每个连接可被配置为对于自电容测量来说作为双向电极操作，对于互电容测量来说作为发送电极操作，并且对于操作期间的互电容测量来说作为感测电极操作。A12.根据表述All的电容式感测方法，其中，电极可被重新配置以使得该系统可在操作期间在自电容测量与互电容测量之间动态地被重新配置。A13. 一种电容式感测系统，其中，定期地检查传感器电极到GND、其它感测电极或电源电压的短路，以及从传感器焊盘断开连接以检测错误连接。A14. 一种由于增加的动态范围/净空、由于放电周期中的较低虚拟“平均”输入阻抗而具有提高的SNR性能的电容式感测系统。A15. 一种电容式感测系统，具有多个感测通道并且被配置为与将其它通道(电极)连接到高系统电压(例如，VDD)然后连接到低系统电压(例如，GND)同步地对要被测量的通道(电极)预充电然后放电，以利用通道之间的交叉耦合来在触摸与诸如覆盖在一些通道(电极)上的水之类的物质之间进行区分。在以上方面中的任一方面中，各个特征可以用硬件或者运行在一个或多个处理器上的软件模块来实现。一个方面的特征可应用于其它方面中的任何方面。本发明还提供了用于执行这里描述的任何方法的计算机程序以及计算机程序产品，以及在其上存储有用于执行这里描述的任何方法的程序的计算机可读介质。体现本发明的计算机程序可被存储在计算机可读介质上，或者例如其可以为信号(例如从因特网网站提供的可下载数据信号)的形式，或者其可以为任何其它形式。
权利要求
1.一种集成电路，包括采样端子，用于将所述集成电路连接到外部电容；采样装置，可操作地被连接到所述端子以获取样本，每个样本具有样本值；以及控制装置，在所述外部电容被连接到所述采样端子时，所述控制装置被配置为在内部将所述采样端子或者所述集成电路中也与所述外部电容相连的另一端子连接到给定电压电位源以实现存储在所述外部电容上的电荷的改变，所述给定电压电位源在所述集成电路被使用时在所述集成电路中可用；使得所述采样装置在所述外部电容跟随所述电荷的改变和/或在所述电荷的改变期间充电或放电的时段中获取多个样本；以及依据所述多个样本来判断事件是否发生。
2.如权利要求1所述的集成电路，其中，当所述外部电容被连接到所述采样端子时，所述控制装置被配置为在第一阶段中将所述采样端子连接到所述给定电压电位源，并且在所述第一阶段之后的第二阶段中将所述采样端子从所述给定电压电位源断开连接并且使得所述样本被获取。
3.如权利要求1或2所述的集成电路，其中所述集成电路的所述另一端子是信号传输端子；所述控制装置被配置为当所述外部电容被连接在所述采样端子与所述信号传输端子之间时执行信号传输处理和采样处理；以及所述控制装置被配置为在所述信号传输处理中将所述信号传输端子连接到作为信号的所述给定电压电位源，并且在所述采样处理中使得所述样本被获取以检测所述信号。
4.如前面任一项权利要求所述的集成电路，其中，所述采样装置包括采样器电阻和采样器电容，所述采样器电阻和采样器电容被布置为使得当所述采样装置正获取样本并且所述外部电容存在于所述采样端子处时，所述外部电容上存储的电荷被准许经由所述采样器电阻转移到所述采样器电容。
5.如权利要求4所述的集成电路，被配置为使得在获取所述多个样本中的连续样本之间，所述采样器电容通过所述采样电路内的寄生电流和/或漏电流而被动地至少部分地被放电，和/或通过将其连接到诸如地供应源之类的给定电压电位源而主动地至少部分地被放电。
6.如前面任一项权利要求所述的集成电路，被配置为在获取所述多个样本中的一样本之后，自动地获取所述多个样本中的下一样本，以使得所述样本在突发处理中被获取。
7.如前面任一项权利要求所述的集成电路，其中，所述控制装置被配置为将所述多个样本的样本值相组合来生成采样结果，并且依据所述采样结果判断所述事件是否发生。
8.如权利要求7所述的集成电路，被配置为随着时间获取一系列的所述采样结果，每个采样结果来自在所述外部电容充电或放电的对应时段中获得的对应的所述多个样本值， 其中，所述控制装置被配置为依据所述一系列的采样结果来判断所述事件是否发生。
9.如权利要8所述的集成电路，包括滤波器，该滤波器被配置为对从所述采样结果形成的信号进行滤波以获得经滤波信号。
10.如前面任一项权利要求所述的集成电路，其中，所述控制装置可操作来基于所述采样值和/或采样结果以及指示错误状况的对应信息来检测所述采样电路中的错误。
11.如前面任一项权利要求所述的集成电路，包括多个所述采样端子，其中所述控制装置可操作来使得对于每个所述采样端子多个样本被获取。
12.如权利要求11所述的集成电路，其中，所述控制装置被配置为与这些端子中的特定端子的所述第一阶段同步地将其它端子连接到所述给定电压电位源，并且与该特定端子的所述第二阶段同步地将所述其它端子从所述给定电压电位源断开连接并且将它们连接到另一电压电位源，所述另一电压电位源被配置为对那些其它端子的外部电容具有与在所述特定端子的所述第一阶段期间对那些其它端子的外部电容具有的影响相反的影响。
13.—种微控制器，包含如前面任一项权利要求所述的集成电路。
14.一种用于电容式触摸感测的设备，包括如前面任一项权利要求所述的集成电路或微控制器；以及电容，所述电容连接到所述采样端子作为所述外部电容并且被配置为可由所述装置的用户触摸。
15.一种在集成电路上运行的计算机程序，所述集成电路包括用于将所述集成电路连接到外部电容的采样端子以及可操作地连接到所述端子以获取各自具有样本值的样本的采样装置，当所述外部电容被连接到所述采样端子时，所述计算机程序使得所述集成电路在内部将所述采样端子或者所述集成电路中也与所述外部电容相连的另一端子连接到给定电压电位源以实现存储在所述外部电容上的电荷的改变，所述给定电压电位源在所述集成电路被使用时在所述集成电路中可用；使得所述采样装置在所述外部电容跟随所述电荷的改变和/或在所述电荷的改变期间充电或放电的时段中获取多个样本；以及依据所述多个样本来判断事件是否发生。
全文摘要
本发明公开了采样电路。一种集成电路包括采样端子，用于将集成电路连接到外部电容；采样装置，可操作地被连接到该端子以获取样本，每个样本具有样本值；以及控制装置，在外部电容被连接到采样端子时，控制装置被配置为在内部将采样端子或者集成电路中也与外部电容相连的另一端子连接到给定电压电位源以实现存储在外部电容上的电荷的改变，给定电压电位源在集成电路被使用时在集成电路中可用；使得采样装置在外部电容跟随电荷的改变和/或在电荷的改变期间充电或放电的时段中获取多个样本；以及依据多个样本来判断事件是否发生。
文档编号G01D5/24GK102564474SQ20111042414
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者克里斯坦·哈德斯, 少云·程, 德里克·费希尔, 沃尔夫·弗洛纳尔, 马卡斯·沃格特 申请人:富士通半导体股份有限公司