专利名称：用于通过使用多个时分频率来检测电容的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测电容的方法和设备，并且更具体地涉及一种用于通 过使用多个时分频率来检测电容的方法和设备。
背景技术：
当物体(例如，人的手指)靠近或者接触电容检测板时，用于检测电容 的设备会检测所述电容检测板与所述物体之间的电容变化，并根据检测结果 生成开关信号。所述电容变化通过振荡频率而被检测。也就是说，当物体靠 近电容检测板时，物体与电容检测板之间的电容会发生变化，并且振荡器的 振荡频率会根据检测板的电容而变化。通过频率计数器来对所述振荡频率进 行计数，并将该振荡频率与预定参考计数值进行比较，从而根据所述对象的 接触或者靠近生成开关信号。
然而，除了由靠近检测板的对象所导致的电容变化，所述振荡器的振荡 频率的变化速度会根据不期望施加的外部无线噪声而变化。另外，即使当外 部电噪声被突然施加到连接到振荡器的电源线时，该振荡器的振荡频率也会 变化。
图1至4为显示传统的单三角波振荡器的视图。
图1示出了用于生成参考电流Is的电路，该电流Is由电阻R决定。
图2示出了用于确定充电/放电电流方向的电路。当充入电容器Cx中的 电压大于Vref+时，不断地进行放电，直到所述电压达到Vref-;当所述电压 达到Vref-时，进行充电。重复进行充电和放电，从而产生振荡。电容器Cx 表示形成于电容检测板中的电容。
图3示出了图2的电容器Cx的充电/放电电压波形以及经过电压比较器
3U1A、 U2A和触发器FF的充电/放电信号。所述充电/放电电压波形为三角 形，而所述充电/放电信号为矩形。振荡频率根据参考电流Is、充电和放电的 参考电压Vref+和Vref-、充电/放电开关FF的延时、以及检测板的电容器Cx 的值而变化。
图4为显示振荡器的输出端的电路图。当输入参考电流Is和充电信号(高 电压)时，晶体管M9被打开，以使得参考电流Is输出到电流输出端口。当 输入放电信号(低电压)时，晶体管M9被断开且晶体管M11被接通，以使 得参考电流Is通过电流输出端口而被释放到地。
振荡器的振荡频率大约被定义为Is/ (2*Vth*Cx)。在此，Vth为(Vref+ -Vref-)/2。因此，振荡器通常被设计为振荡频率根据电容器Cx的值而变化。 然而，当电容检测板被强外部噪声影响时，振荡频率会由于该外部噪声而与 外部噪声的频率相一致。
图5示出了一种模式，其中外部噪声被施加到电容检测板的电容器Cx。 所述外部噪声由虚拟寄生电容器Cp和噪声强度VI所确定。
图6为显示一种现象的图示，该现象为当振荡器的振荡频率为33MHz 且在1 MHz到63 MHz范围内以正弦形式变化的外部噪声通过电容器Cp被 施加时，振荡器的振荡频率被外部噪声Cp和VI所扭曲。
如图6所示，当外部噪声的频率远离33MHz时，振荡频率的扭曲会明 显减小，而当外部噪声的频率接近33MHz时，振荡频率的扭曲会增大。当 外部噪声的频率非常接近33 MHz时，振荡频率会与外部噪声部分相一致， 之后扭曲会逐步减小。
如上所述，在传统的单三角波振荡器中，由于振荡频率会随着外部噪声 而显著变化，从而不能精确地获得与电容Cx的变化相一致的振荡频率，并 且在检测电容时会发生误差。
发明内容
因此，考虑到上述问题而做出了本发明，并且本发明的目标是提供一种 用于检测电容的方法和设备，该方法和设备能够使检测电容时产生的误差最 小化，这通过以下方式来实现，即通过最小化由外部噪声造成的振荡频率偏 差，以使得振荡频率的变化仅被电容检测板的电容器部分的变化所影响。
根据本发明的一方面，通过提供一种用于检测电容的方法来达到上述和 其他目标，所述方法包括允许振荡器根据电容检测板所检测的电容来输出 多个时分振荡频率；在预定时间期间，对所述多个时分振荡频率进行计数； 以及，抵消由于噪声而造成的振荡频率的增大和减小，以使得计数值在所述 预定时间周期期间变得一致。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测电容的设备，该设备包括 电容检测板，用于检测电容变化；振荡器，用于根据所述电容检测板的电容 来振荡出多个时分振荡频率；频率计数器，用于在预定时间周期期间对所述 振荡器的多个时分振荡频率进行计数；以及补偿单元，用于计算频率变化， 并在该频率变化大于预定检测级别时输出检测信号，所述频率变化为所述频 率计数器的计数值与预定参考计数值之差。
如上所述，根据本发明，即使施加了外部噪声，因外部噪声而造成的振 荡频率的扭曲会被最小化，并且振荡频率仅随电容检测板的电容而变化。因 此，可以在检测电容时防止因噪声而造成的误差。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其他目标、特征以及其 他优点将被更加清楚地理解，在附图中
图1至图4为示出了传统的单三角波振荡器的视图5为示出了一种模式的视图，在该模式中，外部噪声Cp和VI被施加到电容检测板的电容器Cx;
图6为示出了一种现象的图示，该现象为振荡器的振荡频率被外部噪声 Cp和VI所扭曲；
图7为示出了根据本发明的用于检测电容的方法的图示；
图8示出了表明噪声对振荡频率的影响的示波波形；
图9为显示根据本发明实施方式的用于检测电容的设备的视图10和图14为示出了内部电路的实施例的视图，该内部电路用于允许 图9所示的时分多频率振荡器20输出多个时分频率；
图11为示出了内部电路的另一实施例的视图，该内部电路用于允许图9 中示出的时分多频率振荡器20输出多个时分频率；
图12的(a)为开关晶体管MxS的时序图，所述开关晶体管MxS被图 10和11所示的时分开关的打开/关闭信号生成器21和22所控制；
图12的(b)为示出了与图12的(a)所示的工作状态相一致的参考电 流Is的变化的图示；以及
图13为显示输出电流的波形的视图，所述输出电流在图9所示的时分 多频率振荡器20中生成且被施加到电容检测板10。
具体实施例方式
将参考附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的优选实施 方式。应当理解的是，以下实施方式仅出于示例目的而被公开。本发明可以 被实施为各种不同的形式，而不应当被理解为仅限于此处提到的实施方式。
图7是示出了根据本发明的用于当多个时分三角波在1 MHz到63 MHz 的范围内振荡且施加33MHz的外部噪声时检测电容的方法的图示。
如图7所示，微略低于33 MHz的振荡频率会由于噪声部分的频率而增 大，而微略高于33MHz的振荡频率会由于噪声部分的频率而减小。因此，
6频率计数值会增大；而在微略高于33 MHz 的频率中，频率计数值会减小。因此，在整个范围内，频率计数值不会改变。 图8示出了表明噪声对振荡频率的影响的示波波形。具体而言，当存在 两个时分振荡频率fl (1.40 MHz)和G (1.96 MHz)时，图8的(a)显示 了没有施加噪声时的情况，而图8的(b)显示了施加1.65 MHz的噪声的情 况。
可以看出，在20^is的周期期间，频率计数值，即充电/放电信号(该充 电/放电信号为矩形波)的脉冲个数，在图8的(a)中为32.4，在图8的(b) 中为32.3。这是因为在微略低于1.65 MHz (即为噪声的频率)的振荡频率 中，频率计数值会增大；而在微略高于1.65 MHz的振荡频率中，频率计数 值会减小，因此，在整个范围内，频率计数值没有改变。
因此，当振荡器根据电容检测板所检测的电容输出多个时分频率且在预 定时间周期期间对该多个时分频率进行计数时，由噪声所造成的振荡频率的 增大和减小会被抵消，而且整个计数时间的计数值会变得一致。
当噪声频率并非位于振荡频率的中间部分时，由噪声干扰所造成的影响 不能被完全抵消。因此，优选为在时域上细微地划分所述振荡频率且频率计 数时间很长。更优选地为振荡频率具有包括外部噪声带的宽带。
振荡频带不能总是使噪声频率位于其中间部分。在使用传统的单个频率 的情况下，当所述单个频率接近噪声频率时，该单个频率会与噪声频率相一 致。因此，会由于单个频率中的变化而产生误差。然而，根据本发明，即使 噪声频率位于振荡频带之外，仅接近所述噪声频率的振荡频率会被噪声频率 所影响，因此，相比于单个频率的情况，振荡频率的误差小到可以忽略。
图9是显示根据本发明实施方式的用于检测电容的设备的视图。当物体 接近电容检测板10时，物体与检测板10之间的电容器Cx的值会变化。振 荡器20根据电容器的值输出多个时分振荡频率fol、 fo2、 fo3、 ...、 fo (n-l)
7和fon。在此，n为2或者更大。
频率生成周期T期间，频率计数器30对从振荡器20输出的多个时分振 荡频率进行计数。虽然在频率生成周期T期间，外部噪声会干扰振荡频率， 但基于参考图7和8所描述的原因，频率计数值S不会改变。
可以通过控制图1所示的晶体管M2或者电阻R以及在时域划分上增大
或者减小参考电流Is来获得所述多个时分频率fol、 fo2、 fo3.....fo (n-l)
和fon。可选择地，所述多个时分振荡频率可以通过控制图3所示的晶体管 M9和Mll而获得。
图IO和图14为示出了内部电路的实施例的视图，该内部电路用于通过 控制图1所示的晶体管M2而允许图9所示的时分多频率振荡器20输出多 个时分频率。图12的(a)为开关晶体管MxS的时序图，所述开关晶体管 MxS被图10所示的时分开关的打开/关闭信号生成器21所控制，图12的(b) 为示出了与图12的(a)所示的工作状态相一致的参考电流Is的变化的图示； 图13为显示输出电流的波形的视图，所述输出电流在图9所示的时分多频 率振荡器20中生成且被施加到电容检测板10。
当图10所示的时分开关的打开/关闭信号生成器21分别在图12所示的 周期tp 1 、 tp2、 tp3 、.,.和tpn期间连续地接通开关晶体管M1S、 M2S、 M3S、… 和MnS时，如图12的(b)所示，参考电流Is逐步增大。参考电流被输入 到图4所示的电路，以获取输出电流(其中，充电电流和放电电流如图13 所示那样被交替生成)，从而生成与图9所示的电容检测板10的电容相一致 的振荡频率。
随着参考电流逐步增大，振荡频率也逐步增大。从而，生成与所述参考 电流的增大相对应的多个振荡频率。所述多个振荡频率以脉冲串形式生成 (如图12所示，该频率并非生成于周期tpl到tpn与下一周期tpl到tpn之 间的时间段)，以使得电路的功耗可以被减小。图14示出了一个实施例，通过将开关晶体管MxS置于电流镜像元件Msx之上，以使得开关晶体管MxS 的源极连接到电源Vcc，从而即使被施加低电压，晶体管MxS也可以被切换。
图11为示出了内部电路的另一实施例的视图，该内部电路用于通过控 制图1所示的电阻R而允许图9中示出的时分多频率振荡器20输出多个时 分频率。
类似于图IO，当开关晶体管M1S、 M2S、 M3S、…和MnS根据时分开 关的打开/关闭信号生成器22所生成的信号(图12的(a))而被连续接通时， 电阻R1、 R2、 R3、...和Rn被并联在一起，流过并联在一起的电阻的电流I (R)会逐步变大，从而获得图12的(b)所示的参考电流。
由于生成了多个振荡频率并且通过频率计数器对该多个振荡频率进行 计数，因此振荡频率生成周期是用于确定计数值的重要参数。当所述多个振 荡频率中的每个振荡频率均在同一周期生成时，最高频率fon的计数值是最 大的。因此，频率fon比最小频率fol更容易受噪声影响。
为了解决此种问题，优选为所述多个振荡频率的计数值相等或者相近。 例如，如果生成频率fol的周期是tpl，生成频率fo2的周期是tp2，...，生 成频率fo (n)的周期是tpn， 一般可以设置成tpl^tp2-tp3:.,tpn。然而， 为了减小噪声影响，优选为调节周期tp以使得(fol*tpl) = (fo2*tp2) (fon*tpn)，从而使计数值相一致。可选择地，为了避免电路过于复杂，可 以设置成tpl〉tp2〉…〉tp (n-l) 〉tpn。
参考频率生成器40生成参考频率R。为了补偿电路和环境的临时变化 以防止检测误差，优选为所述参考频率R以比检测板10的电容Cx的可变 速度低的速度而被连续更新、或者所述参考频率R被周期性地逐步更新以使 得参考频率R与输入到频率计数器30的振荡频率的计数值S相一致。当通 过参考频率R补偿振荡频率的微弱临时变化时，通过在被参考频率R补偿之前的操作来检测和输出振荡频率的变化，该变化具有比参考频率R的补偿 速度更高的速度。因此，检测板10的电容变化基于参考频率R的补偿速度 而被检测，并且参考频率R需要以比检测板10所检测的电容的变化速度更 低的速度而被更新。
频率变化计算器50通过下式计算频率变化X: X= (aR-bS) /cR
其中，a、 b和c是加权值并且范围为0.001到10000。比较器60将频率 变化X与预定检测级别D进行比较，并且当频率变化X大于所述预定检测 级别D时，输出检测信号。
权利要求
1、一种用于检测电容的方法，该方法包括允许振荡器根据电容检测板所检测的电容来输出多个时分振荡频率；在预定时间周期期间，对所述多个时分振荡频率进行计数；以及抵消由于噪声而造成的所述振荡频率的增大和减小，以使得计数值在所述预定时间周期上变得一致。
2、 一种用于检测电容的设备，该设备包括-电容检测板，用于检测电容的变化；振荡器，用于根据所述电容检测板的电容来振荡出多个时分振荡频率； 频率计数器，用于在预定时间周期期间对所述振荡器的多个时分振荡频率进行计数；以及比较单元，用于计算频率变化，并在该频率变化大于预定检测级别时输出检测信号，所述频率变化为所述频率计数器的计数值与预定参考计数值之差。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中，当所述多个时分振荡频率fol、 fo2、…、fo (n-l)和fon满足关系foKfo2〈.,fo (n-1) <fon，并且生成所 述频率fol的周期是tpl，生成所述频率fo2的周期是tp2，...，以及生成所 述频率fon的周期是tpn的时候，所述振荡器进行振荡以使得tpl>tp2>...tp(n-1) >tpn。
4、 根据权利要求3所述的方法，其中所述振荡器进行振荡以使得 (fol*tpl) = (fo2*tp2) =...= (fon*tpn)。
5、 根据权利要求1所述的方法，其中所述多个时分振荡频率在预定振 荡时间周期期间振荡，并且在预定时间周期过去之后再次振荡。
全文摘要
在此公开了一种用于检测电容的方法，该方法包括允许振荡器根据电容检测板所检测的电容来输出多个时分振荡频率；在预定时间周期期间，对所述多个时分振荡频率进行计数；以及，抵消由于噪声而造成的所述振荡频率的增大和减小，以使得计数值在所述预定时间周期期间变得一致。即使施加了外部噪声，因外部噪声而造成的振荡频率的扭曲会被最小化，并且振荡频率仅随电容检测板的电容而变化。因此，可以在检测电容时防止因噪声而造成的误差。
文档编号G01R27/26GK101490566SQ200780027563
公开日2009年7月22日 申请日期2007年3月14日 优先权日2006年7月20日
发明者李相喆 申请人:爱迪半导体株式会社