高分辨率的电容到代码转换器的制造方法
【专利摘要】包括第一电容器的积分电路可操作地耦合到比较器。比较器被配置为将第一电容器的第一电容器电压与参考电压进行比较，并且基于比较产生第一比较器输出。电流发生器可操作地与积分电路相耦合，并且被配置为在第一电容器上平衡电荷。控制单元可操作地耦合到比较器和电流发生器，并且被配置为通过感测第一比较器输出并且基于第一比较器输出控制电流发生器，在第一电容器上平衡电荷。
【专利说明】
高分辨率的电容到代码转换器
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年9月13日提交的第61/877，773号美国临时申请和2013年10月14 日提交的第61/890,622号美国临时申请的权益，其全部内容特此通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本公开通常涉及感测系统，更具体地，涉及可配置以确定电容感测系统上的触摸 位置的电容感测系统。
【背景技术】
[0004] 电容感测系统能够感测电极上生成的反映电容变化的电信号。电容中的这种变化 能够表明触摸事件（即，物体向特定电极的接近）。电容感测元件可用于替代机械按键、把手 和其他类似的机械用户界面控件。电容感测元件的使用允许消除复杂的机械开关和按键， 在恶劣条件下提供可靠的操作。另外，电容感测元件在现代客户应用中得到广泛应用，并在 现有产品中提供用户界面选择。电容感测元件的范围能够从单个按钮到以用于触摸感测表 面的电容感测阵列的形式布置的大量按钮。
[0005] 利用电容感测阵列的透明触摸屏在当今的工业市场和消费者市场都非常普遍。它 们能够配置在便携式电话、GPS装置、机顶盒、相机、计算机屏幕、MP3播放器、数字平板电脑 等上。电容感测阵列通过测量电容感测元件的电容并且寻找指示导电物体的触摸或存在的 电容的变量来进行工作。当导电物体(例如手指、手或其他物体)开始接触或极为接近电容 感测元件时，电容发生变化并检测到导电物体。电容触摸感测元件的电容变化能够由电路 进行测量。电路将测量的电容感测元件的电容转换成数字值。
[0006] 存在两种典型的电容类型：1)互电容，其中，电容感测电路可以接入电容器的两个 电极;2)自电容，其中，电容感测电路只可以接入电容器中的一个电极，其中第二个电极与 DC电压电平绑定或者寄生耦合接地。触摸面板具有（1)(2)两种类型的分布电容负载，并且 Cypress触摸解决方案独立地或者以具有其各种感测模式的混合形式来感测两种电容。
【附图说明】
[0007] 在附图的示图中，通过示例而非限制的方式示出本发明。
[0008] 图1是示出具有处理装置的电子系统的一个实施例的框图，其中该处理装置包括 电荷到代码转换器。
[0009] 图2是根据一个实施例的电荷到代码转换器的框图。
[0010] 图3是根据另一个实施例的电荷到代码转换器的图。
[0011] 图4是示出根据一个实施例的电荷到代码转换器电路的信号波形的图。
[0012] 图5是根据另一个实施例的电荷到代码转换器的图。
[0013] 图6是根据一个实施例的电荷到代码转换的方法的流程图。
[0014] 图7是根据另一个实施例的电荷到代码转换的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0015] 出于解释的目的，在以下的说明中，阐述了大量的具体细节，以便提供对本发明的 透彻理解。然而，对于本领域的技术人员明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施 本发明。在其他例子中，众所周知的电路、结构和技术没有被详细示出，而是用框图来示出， 以便避免不必要地模糊对描述的理解。
[0016] 在描述中涉及"一个实施例"或"实施例"意味着连同实施例所描述的特定特征、结 构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。位于描述中不同位置的短语"在一个实施 例中"不一定是指同一个实施例。
[0017] 图1是示出具有处理装置的电子系统的一个实施例的框图，其中该处理装置包括 电荷到代码转换器。参考图2-7更详细地描述关于电荷到代码转换器120的细节。处理装置 110被配置为检测一次或多次触摸，该一次或多次触摸被检测到接近于与诸如电容感测阵 列125的触摸-感测装置。处理装置110能够检测导电物体，诸如触摸物体140(手指或者无源 接触笔，有源接触笔130，或者其任何组合）。电容-感测电路101能够测量通过使用电容感测 阵列125的触摸所造成的触摸数据。该触摸可以被一个或多个感测单元检测到，每个单元代 表电容感测阵列125的孤立的感测元件或交叉的感测元件（例如，电极）。在另一个实施例 中，触摸数据用于生成电容感测阵列125的2D电容图像。在一个实施例中，当电容-感测电路 101测量电容-感测装置的互电容时(例如，使用电容感测阵列125)，电容-感测电路101获得 触摸-感测物体的2D电容图像并对峰值和位置信息的数据进行处理。在另一个实施例中，处 理装置110是微控制器，该微控制器从应用处理器150获得诸如来自电容感测阵列125的电 容触摸信号数据集合，并且在该微控制器上执行的手指检测固件识别表明触摸的数据集合 区域，检测并处理峰值，计算坐标或因此的任何组合。微控制器能够向应用处理器报告精确 坐标以及其他信息。
[0018] 电子系统100包括处理装置110、电容感测阵列125、接触笔130和应用处理器150。 电容感测阵列125可以包括电容感测元件，这些电容感测元件是诸如铜的导电材料的电极。 感测元件也可以是铟锡氧化物（ITO)面板的一部分。电容感测元件能够用于允许电容-感测 电路101测量自电容、互电容或者其任意结合。在描绘的实施例中，电子系统100包括通过总 线122耦合到处理装置110的电容感测阵列125。电容感测阵列125可以包括多维电容感测阵 列。多维感测阵列包括多个感测元件，这些感测元件按行和列进行排布。在另一个实施例 中，多维感测阵列作为全点可寻址(APA))互电容感测阵列来操作。在另一个实施例中，电容 感测阵列125是不透明的电容感测阵列（例如，PC触摸板）。电容感测阵列125可以被布置成 具有平面轮廓。可选地，电容感测阵列125可以具有非平面轮廓。可选地，可以使用其他配置 的电容感测阵列。例如，如获得本公开益处的本领域的普通技术人员所理解的，代替垂直列 和水平行，电容感测阵列125可以具有六边形布置等。在一个实施例中，电容感测阵列125可 以包括在ITO面板或触摸屏面板中。
[0019] 本文描述了处理装置110的操作和配置，和用于检测和追踪触摸物体140和接触笔 130的电容感测阵列125的操作和配置。简单来说，处理装置110可配置用于检测在电容感测 阵列125上触摸物体140的存在、接触笔130的存在或者其任意结合。在一个实施例中，如果 触摸物体是有源接触笔，则有源接触笔130可配置为作为定时"主(master)"来操作，并且当 有源接触笔130在使用时，处理装置110调整电容感测阵列125的定时，以匹配有源接触笔 130的定时。在一个实施例中，与传统的感应接触笔应用相反，电容感测阵列125与有源接触 笔130进行电容性耦合。应该注意的是，可配置检测触摸物体140、用于电容感测阵列125的 相同装配也用于检测和追踪接触笔130,而不用额外的PCB层来感应式地追踪有源接触笔 130〇
[0020] 在描述的实施例中，处理装置110包括模拟和/或数字通用输入/输出（GPIO)端口 107 APIO端口 107可以是可编程的。GPIO端口 107可以耦合到可编程互联和逻辑(PIL)，PIL 可作为GPIO端口 107和处理装置110的数字块阵列（没有示出）之间的互连。数字块阵列可以 被配置为在一个实施例中使用可配置用户模块（"UM"）来实现各种数字逻辑电路（例如， DAC、数字滤波器和数字控制系统）。数字块阵列可以耦合到系统总线。处理装置110还可以 包括存储器，诸如随机存取存储器(RAM)105和程序闪存104AAM105可以是静态RAM(SRAM)， 程序闪存104可以是非易失性存储，其可以用于存储固件(例如，处理核102可执行的实现本 文描述的操作的控制算法）。处理装置110可以包括耦合到存储器的存储器控制单元 ("MCU"）103和处理核102。处理核102是被配置为执行指令或执行操作的处理元件。如获得 本公开益处的本领域的普通技术人员所理解的，处理装置110可以包括其他处理元件。还需 要注意的是，存储器可以在处理装置的内部或者在其外部。在存储器在内部的情况下，存储 器可以耦合到诸如处理核102的处理元件。在存储器在处理装置外部的情况下，如获得本公 开益处的本领域的普通技术人员所理解的，处理装置耦合到存储器驻留的其他装置。
[0021] 处理装置110还可以包括模拟块阵列(未示出）（例如，现场可编程模拟阵列）。该模 拟块阵列也耦合到系统总线。模拟块阵列可以被配置为在一个实施例中使用可配置UM来实 现各种模拟电路(例如，ADC或者模拟滤波器）。模拟块阵列也可以耦合到GPI0107。
[0022] 如所示，电容-感测电路101可以被集成到处理装置110中。电容-感测电路101可以 包括用于耦合到外部组件的模拟1/0,诸如触摸感测垫(未示出）、电容感测阵列125、触摸感 测滑块(未示出）、触摸感测按钮(未示出）和/或其他装置。电容-感测电路101可配置为使用 互电容感测技术、自电容感测技术、电荷耦合技术等来测量电容。在一个实施例中，电容-感 测电路101使用电荷累积电路、电容调制电路、或本领域技术人员熟知的其他电容感测方法 来进行操作。在实施例中，电容-感测电路是101属于触摸屏控制器的Cypress TMA-3XX、 TMA-4XX或者TMA-xx家族。可选地，可以使用其他电容-感测电路。如本文描述的互电容感测 阵列或者触摸屏可以包括布置在视觉显示器(例如，LCD监视器)本身之上、其中或之下的透 明导电感测阵列，或者显示器前面的透明基板。在实施例中，TX和RX电极分别被配置在行和 列中。应该注意的是，电极的行和列能够通过电容-感测电路101以任意选择组合被配置为 TX和RX电极。在一个实施例中，电容感测阵列125的TX和RX电极可配置为在第一模式下作为 互电容感测阵列的TX和RX电极进行操作以检测触摸物体，以及在第二模式下作为耦合电荷 接收器的电极进行操作以检测感测阵列的相同电极上的接触笔。被激活时生成接触笔TX信 号的接触笔用于将电荷耦合到电容感测阵列，而不是如在互电容感测期间所完成的测量RX 电极和TX电极(感测元件)交叉处的互电容。两个感测元件之间的交叉点可以被认为是互相 保持电流隔离的同时一个感测电极穿过或重叠另一个电极的位置。能够通过选择TX电极和 RX电极的每个可用组合来感测与TX电极和RX电极之间的交叉点相关联的电容。当诸如手指 或接触笔触摸物体的靠近电容感测阵列125时，该物体引起一些TX/RX电极之间的互电容的 减少。在另一个实施例中，手指的存在增加了电极到环境(地球)地面的电容，通常被称为自 电容变化。利用互电容的变化，能够通过识别具有减少的在RX电极与TX电极之间的耦合电 容的RX电极，来确定电容感测阵列125上手指的位置，当在RX电极上测量到减少的电容时TX 信号被施加到TX电极上。因此，通过连续确定与电极交叉点相关联的电容，能够确定一个或 多个触摸物体的位置。应该注意的是，这个过程能够通过确定感测元件的基线来校准感测 元件(RX和TX电极的交叉点）。还应该注意的是，如获得本公开益处的本领域的普通技术人 员所理解的，可使用具有以比行/列间距更好的分辨率的插值来检测手指的位置。另外，如 获得本公开益处的本领域的普通技术人员所理解的，可使用各种类型的坐标插值算法来检 测触摸的中心。
[0023]电容-感测电路101包括电荷到代码转换器120。以下参考图2-7描述电荷到代码转 换器120的附加细节。
[0024]处理装置110可以包括内部振荡器/时钟106和通信块（"COM"）108。在另一个实施 例中，处理装置110包括扩频时钟(未示出）。振荡器/时钟模块106将时钟信号提供给处理装 置110中的一个或多个组件。通信块108可以用于经由应用接口（ "I/F"）线151与诸如应用处 理器150的外部组件进行通信。
[0025]处理装置110可以驻留在普通载体基板上，例如，集成电路（"1C"）晶粒基板、多芯 片模炔基板等。可选地，处理装置110的组件可以是一个或多个单独的集成电路和/或分立 组件。在一个示例性实施例中，处理装置110是由加利福尼亚圣荷西的赛普拉斯半导体公司 (Cypress Semiconductor Corporation,San Jose,California)开发的芯片（PSoC? )处 理装置上的可编程系统。可选地，处理装置110可以是本领域技术人员熟知的一个或多个其 他处理装置，诸如微处理器或者中央处理单元、控制器、专用处理器、数字信号处理器 ("DSP"）、专用集成电路（"ASIC")、现场可编程门阵列（"FPGA"）等。
[0026]应该注意的是，本文所描述的实施例并不限于具有耦合到应用处理器的处理装置 的配置，而是可以包括测量感测装置上的电容并且将原始数据发送到主计算机)的系统，在 主计算器上由应用来分析原始数据。事实上，由处理装置110完成的处理也可以在应用处理 器中完成。
[0027] 电容-感测电路101可以集成到处理装置110的IC中，或者可选地，集成到单独的IC 中。可选地，可以生成和编译电容-感测电路101的描述，以便并入到其他集成电路中。例如， 可以使用诸如VHDL或者Verilog的硬件描述语言来生成描述电容-感测电路101或者其部分 的行为级代码，并且可以将其存储到机器可访问介质（例如，CD-ROM、硬盘、软盘等）。此外， 行为级代码能够被编辑成寄存器传输级（"RTL"）代码、连线表或者甚至电路布局并且将其 存储到机器可访问介质。行为级代码、RTL代码、连线表和电路布局可以代表描述电容-感测 电路101的各种抽象层级。
[0028] 应该注意的是，电子系统100的组件包括以上描述的所有组件。可选地，电子系统 100可以包括以上描述的一些组件。
[0029] 在一个实施例中，电子系统100用于平板电脑。可选地，电子装置可用于其他应用 中，诸如笔记本电脑、移动电话、个人数据助理（"PDA"）、键盘、电视、遥控器、监视器、手持多 媒体装置、手持媒体(音频和/或视频)播放器、手持游戏装置、用于销售交易点的签名输入 装置、电子书阅读器、全球定位系统(GPS)或者控制面板。本文描述的实施例并不限于用于 笔记本实现方式的触摸屏或者触摸感测面板，而是能够用于其他电容感测实现方式，例如， 感测装置可以是触摸感测滑块(未示出）或者触摸感测按钮(例如，电容感测按钮）。在一个 实施例中，这些感测装置包括一个或多个电容传感器或者其他类型的电容感测电路。本文 描述的操作并不限于笔记本指针操作，而是能够包括其他操作，诸如照明控制(调光器）、音 量控制、图形均衡器控制、速度控制、或者要求逐步或分立调整的其他控制操作。应该注意 的是，这些电容感测实现方式的实施例可以用于与非电容感测元件结合，包括但不限于选 择按钮、滑块(例如，显示亮度和对比度）、滚轮、多媒体控制(例如，音量，音轨前进等)手写 识别和数字键盘操作。
[0030] 图2是根据一个实施例的电荷到代码转换器的框图。电荷到代码转换器120包括衰 减器电路220,积分电路230和转换器240。在一个实施例中，转换器240是如本文描述的电 荷-平衡转换器。可选地，其他电路能够用于将输入信号转换成数字值。电荷到代码转换器 120可以是耦合到铟锡氧化物（ITO)面板（或者其他感测阵列，例如上述的电容感测阵列 125)的触摸屏控制器的一部分。触摸屏控制器测量来自电容感测阵列125的输入电流，并且 基于输入电流计算触摸位置。从电容感测阵列125接收到的信号能够在输入到积分电路230 之前由衰减器电路220进行衰减。积分电路230积分衰减信号并将结果信号输入到转换器 240中。转换器240将积分信号转换成数字值，例如，数字输出代码250。该数字值能够进一步 由处理装置110或应用处理器150进行处理。出于检测一个或多个导电物体在电容感测阵列 125上的触摸、以及触摸的位置、导电物体的手势等的目的，数字值代表在电容感测阵列125 上测量的电容。
[0031] 图3是根据另一个实施例的电荷到代码转换器的示图。电荷到代码转换器120包括 衰减器电路220、积分电路230和转换器240。衰减器电路220接收来自电容感测阵列125的信 号。衰减器电路220衰减信号以在衰减器输出312上产生衰减的输出电荷。衰减的输出电荷 被积分到第一电容器321上（即，积分或采样），造成第一电容器电压。在第二步骤中，第一电 容器321从位置inti 353切换到位置Ball 352,以使第一电容器321与衰减器电路220断开 连接，并且将第一电容器321与比较器331连接。在比较器331上，第一电容器321的第一电容 器电压与参考电压(Vref 320)进行比较。比较器331基于比较在比较器输出340上产生第一 比较器输出。控制单元332接收来自比较器331的第一比较器输出。作为响应，控制单元332 用信号通知电流发生器333对第一电容器321进行充电或放电（即，平衡）。在一个实施例中， 电荷平衡周期是电容器被充电或放电的时间长度。例如，控制单元332测量电流发生器333 对第一电容器进行充电或放电到原始电压的时间（即，电荷平衡周期）。电荷平衡周期可以 由计数器360来测量，并将其转换成数字输出代码250。在一个实施例中，计数器360可以是 控制单元332的一部分。
[0032]在一个实施例中，可以在两个阶段实现电荷平衡。在第一个阶段中（例如，采样阶 段），来自衰减器输出312的衰减的输出电荷存储在第一电容器321上。在第二个阶段(例如， 平衡阶段），使用恒流源(例如，电流发生器333)将第一电容器321再平衡(例如，将第一电容 器321切换到位置Bal 1 352)到其初始值。
[0033] 在另一个实施例中，积分电路230包含第一电容器321和第二电容器322。电荷到代 码转换器120被配置为交替地在第一电容器321或第二电容器322的一个上积分电荷（即，采 样），而在第一电容器321或第二电容器322的另一个上平衡电荷。对第一电容器321和第二 电容器322的每一个测量电荷平衡周期。计数器360将电荷平衡周期转换成数字输出代码 250〇
[0034]在实施例中，可以说电荷到代码转换器120由两个转换器组成。例如，第一转换器 (例如，使用第一电容器321)在一个阶段中对来自衰减器电路220的衰减信号进行采样，而 第二转换器在第二电容器322上对之前采样的电荷进行平衡，反之亦然（即，乒乓操作）。电 荷到代码转换器120的双重性允许例如来自衰减器电路220的衰减信号的输入信号的连续 积分。乒乓操作对狭窄的接收器带宽是有利的，并且在单转换器实现上提供大大改善的噪 音抑制。
[0035] 在另一实施例中，衰减器电路220对积分电容器--第一电容器321或第二电容器 322一一进行充电，以便单独上升和下降激励信号边缘。这种配置允许在获取和平衡输入信 号(例如，来自电容传感阵列125的信号）的期间电路资源的"时间共享"。平衡电路包含具有 两个电流源(例如，Ibalp 334和Ibaln 335)和开关SWl 336的电流发生器333。开关SWl 336 由控制单元332控制。电流发生器333的平衡电流方向（拉出或灌入)在平衡阶段的开端由比 较器331的输出来定义，并且由控制单元332来进行控制。电荷平衡周期在比较器改变其状 态之后停止，由例如时钟341的系统时钟同步地锁存。
[0036] 在一个实施例中，从衰减器电路220到积分电路230的输入信号由可编程电流模式 衰减器电路来提供，将传入的充电信号递送到积分(例如，采样）电容器(例如，第一电容器 321)。存储在电容器(例如，第一电容器321)上的来自衰减器电路220的电流模式信号的组 合形成积分器。使衰减器电路220可编程提供了处理来自电容感测阵列125的小信号或者大 信号的适应机制。通过对大输入信号进行衰减，电荷到代码转换器120能够实现物理上小的 积分电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)，显著地减少了物理上RX通道的尺寸， 因此来降低了成本。
[0037]在另一个实施例中，电荷平衡允许积分电路230使用非线性电容器，诸如基于MOS 栅极氧化物电容的电容器。基于这种MOS电容的电容器通常要比线性(例如，金属-金属）电 容器小很多，并且进一步导致了晶粒尺寸的减少。
[0038] 在一个实施例中，例如衰减电路220的可编程衰减器缩放来自电容感测阵列125的 传入电流。衰减器电路220的输出表现与电流源类似，按照定义来说，其是不管在其输出上 的电压如何均递送期望的输出电流的电路（即，高输出阻抗电路）。这种电流模式输出允许 衰减器电路220用作有源积分器的一部分。也就是说，衰减器电路220能够使用电流对电容 器(例如，第一电容器321和第二电容器322)进行充电，其等同于通过基于运算放大器的积 分器对电容器进行充电，而不需要运算放大器，因此节约了空间和电力。
[0039] 在另一个实施例中，电荷到代码转换器120允许每次单独转换的量化误差的累积， 以携带到下一次转换(例如，累积连续电荷平衡周期上的量化误差）。累积量化误差允许电 荷到代码转换器120以与总转换时间（即，所有之前转换的总和，直到最后重置转换器系统） 成比例地增加转换器分辨率。
[0040] 在一个实施例中，单独的电荷平衡动作的残差累积在积分电容器上(例如，第一电 容器321和第二电容器322)，而不是如使用传统转换器通常所完成的那样被重置(例如，重 置到"零"或参考电压320)。通过不对电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)进行 重置，来自之前转换的残余电荷平衡误差被保留并且被添加到下一个信号样本。因此，之前 转换(平衡）的误差永远不会消失，并且在随后的采样期间在平衡处理中得到处理。只有最 后的平衡误差留待于未校正。因此，累积技术相当于单个转换误差而不是所有之前误差的 总和。这转化为小的LSB误差，诸如十万分之一。
[0041 ]在一个实施例中，平衡持续时间（例如，电荷平衡周期）由系统时钟（例如，时钟 341)来进行同步。结果，电流发生器333为每一时钟周期生成特定的恒定的充电包，其等同 于量化步骤（即，LSB)。电荷平衡周期在比较器输入超过参考电压时停止。实际上，电荷平衡 周期可能是一个太久的计数。这意味着平衡电流没有在第一电容器321或第二电容器322上 完全地平衡电荷，并且留下了小的误差。因此，在平衡结束时，积分电容器(例如，第一电容 器321和第二电容器322)存储了残余电荷，该残余电荷是传入电荷和量化的平衡电荷之间 的差异。然后，在下一个转换循环中，积分电路230收集新的传入电流加上之前的量化误差。 换句话说，每一个接下来的转换都包含来自之前转换的量化误差。因此，除了最后的转换之 外，随后的转换将最终填补所有之前量化误差的总和。这意味着电荷到代码转换器120将具 有通常仅仅1个计数（ILSB)的量化误差。随后转换的总数越长，总信号计数就越大。如果对 于全部转换计数只有一个LSB误差，则随着总计数增大有效的量化误差会变得更小。例如， 如果总信号计数量达到~1 〇〇〇，则1 〇〇〇中的1个计数等效于I 〇位转换器(2 ~ 10 = 1024)的等 同物。但是当累积两倍采样时，总数达到~2000,但是仍然有一个计数误差。因此，2000中的 1个计数等效于11位转换(2~11 = 2048)。在一个实施例中，电荷到代码转换器120的量化误 差累积允许转换器分辨率以与总累积时间成比例地增加。
[0042]在一个实施例中，电荷平衡周期由诸如高速计数器(例如，使用48MHZ系统时钟）的 计数器360进行测量。在一个实施例中，任何随后的转换能够被累加（累积）以形成一个主数 据点。作为一个典型的示例，电荷到代码转换器120收集来自50TX(即，传输)循环的样本(例 如，因此是100个边缘），所有样本被累积到单一总计数中，例如10000。
[0043]在另一个实施例中，转换器240包括两个比较器(未示出）。此配置可以被称为"双 比较器"方法。在双比较器方法中，两个比较器中的每一个耦合到积分电路230中的电容器 的一个。例如，第一比较器为第一电容器321操作，并且第二比较器为第二电容器322操作。 在双比较器方法中，当各自电容器(例如，第一电容器和第二电容器)被平衡时，比较器的输 入节点上的一些寄生效应被减少。
[0044] 应该注意的是，在图3呈现的一个实施例中，电容感测阵列125由等效电路代表，为 了说明，该等效电路模仿了实际传感器面板的RX和TX线电阻和自电容(分别是Rrx、C rx、Rtx 和Ctx)。另外，控制单元332在转换器中形成所有控制信号，并且还生成激励信号TX。控制单 元332由例如时钟341的系统时钟来同步。
[0045] 图4是示出根据一个实施例的电荷到代码转换器电路的信号波形的图。两个积分 电容器--第一电容器321和第二电容器322--依次连接到衰减输出312或比较器输入 343。两个开关--SW2 323和SW3 324--在衰减输出312和比较器输入343之间切换两个 积分电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)。该切换由来自控制单元332的状态机 的信号Ball 352，Bal2 354，Intl 353和Int2 354控制。Intx(例如，Intl 353和Int2 355) 代表电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)连接到衰减器输出312的信号。Balx (例如，Ball 352和Bal2 354)代表电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)连接到 比较器输入343的信号。信号Ball 352和Int2 355同相。信号Bal2 354和Intl 353的相位与 Ball 352和Int2 355的相位相反。积分和平衡的不同相位允许电荷到代码转换器120分离 积分和平衡处理。不同相位允许电荷到代码转换器120在没有来自传感器的传入噪声的情 况下来执行平衡。
[0046] 在一个实施例中，积分电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)连接到与 相应TX( 即，传输)边缘同步的衰减器输出312,并且在接下来的TX边缘之前与衰减器输出 312断开连接。积分电容器(即，第一电容器321和第二电容器322)电压波形的加粗部分描绘 了在电荷积分期间这些电容器（即，第一电容器321和第二电容器322)和衰减输出312之间 的交互。
[0047]在一个实施例中，Ibal 350的平衡电流方向直接依赖于比较器的状态(例如，比较 器331)。平衡电流由来自控制单元332的信号Bins 334来控制。
[0048] 在一个实施例中，电荷到代码转换器120包含两个开关，SW4 355和SW5 356,这两 个开关将衰减器输出312和比较器输入343连接到参考电压源（即，Vref 320) AW4 355和 SW5 356的控制由控制单元以信号Res 357和Init 351来执行。切换电容器(例如，第一电容 器321和第二电容器322)之后，在衰减器输出312上的开关SW4 355致力于阻止在衰减器电 路220和积分电容(例如，第一电容器321和第二电容器322)之间的电荷共享。在正常的操作 中，连接到比较器331的电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)几乎被完全放电。 然而，衰减器输出312的电压不同于TX脉冲结束处的参考电压(Vref 320)。
[0049] 在一个实施例中，衰减器输出312具有对地的寄生电容。因此，衰减器输出312的电 压在与积分电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)断开连接之后没有变化。衰减 器输出312短暂地连接到参考电压（即，Vref 320)，以对寄生电容进行放电。因此，在衰减器 输出312的寄生电容上的电荷在每次转换之后都保持不变。随后的转换不受之前转换的寄 生电容上剩余电荷的干扰。在另一个实施例中，信号Init 351的持续时间能够用于减少积 分时间，这会导致通道频率响应的变化。
[0050] 在一个实施例中，当发生超载时，第二开关SW5 356(由信号Res 357控制）选择性 地允许电荷到代码转换器120改变转换器行为。超载意思是平衡持续时间长于TX半周期的 情况。在超载的情况下，积分电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)包含在平衡周 期结束之后但是在接下来的TX边缘之前的电荷。在另一个实施例中，在外部噪声对积分电 容器充电时发生超载。
[0051]在一个实施例中，当发生超载时，电荷到代码转换器120的至少两种操作选项是可 用的。在一个实施例中，电荷到代码转换器120的积分电容器(例如，第一电容器321和第二 电容器322)从不被重置(即，平衡选项A)。在另一个实施例中，电荷到代码转换器120的积分 电容器(例如，第一电容器321和第二电容器322)在超载情况之后被测试（即，平衡选项B)， 并基于检测的超载被重置。
[0052]图5是根据另一个实施例的电荷到代码转换器的图。电荷到代码转换器500被配置 为允许测量传感器自电容(例如，电容感测阵列125)。电荷到代码转换器120被补充有两个 电压源(Vbias_l 510，Vbias_h 511)和开关SW6 512。开关SW6 512由激励控制信号（例如， 控制信号570)来控制，并且在两个电压源（即，Vbias_l 510和Vbiasji 511)之间切换。SW6 512的切换使用等于Vbias_h 511且低于Vbias_l 510的摆动来调制衰减器电路220。每一个 调制的边缘(例如，控制信号570)导致传感器自电容(例如，电容感测阵列125的自电容）的 再充电。再充电电流被反映在在衰减器的输出阶段(例如，衰减器输出312)。衰减器的输出 电流使用与传感器(例如，电容感测阵列125)电荷变化成比例的电荷来对积分电容器(例 如，第一电容器321和第二电容器322)进行充电。在传感器再充电之后，积分电容器(例如， 第一电容器321和第二电容器322)由平衡电流进行再平衡。在一个实施例中，积分电容器 (例如，第一电容器321和第二电容器322)的切换和平衡是同一种操作，之前在图3和图4对 此进行了描述。
[0053] 在一个实施例中，衰减调制电压（即，Vbias_l 510和Vbias_h 511)通过TX缓冲器 (即具有单位增益的元件的Txbuf 380,注意，TX缓冲器也可被称为屏蔽缓冲器)向传感器TX 电极(例如，电容感测阵列125的TX电极)进行传送。该配置在传感器(例如，电容感测阵列 125)互电容的两侧均产生了同样的电压，并且在充电时忽略互电容值。电容感测阵列125的 感测电容显著地被减少，并且传感器互电容变化的副作用也被消除。
[0054]图6是根据一个实施例的电荷到代码转换的方法600的流程图。可以通过处理逻辑 来执行方法600,该处理逻辑可以包含硬件（电路、专用逻辑等）、软件(诸如在通用计算机系 统或专用机器上运行的软件）、固件(嵌入式软件)或者其任意结合。在一个实施例中，处理 装置110执行方法600。在另一个实施例中，电荷到代码转换器120执行方法600。可选地，电 子系统100的其他组件执行方法600的一些或全部操作。
[0055]根据一个实施例，方法600从块605开始，其中，衰减器电路220衰减来自例如电容 感测阵列125的输入电荷，以在衰减器输出312处产生衰减的输出电荷。方法600通过向第一 电容器321提供衰减的输出电荷继续到块610。在方法600的块615中，第一电容器321积分来 自衰减器311的衰减的输出电荷。在方法600的块620中，在比较器331上将第一电容器321上 的第一电容器电压与参考电压(例如，Vref 320)进行比较，以基于第一比较来产生第一比 较器输出。开关SW2 323将第一电容器321从衰减器输出312切换到比较器输入343。在方法 600的块625中，电流发生器333基于第一比较的第一比较器输出在第一电容器321上的平衡 电荷。电流发生器333可以灌入电荷或拉出电荷。控制单元332基于比较器331的输出控制电 流发生器333。在方法600的块630中，控制单元332基于电流发生器333在第一电容器321上 的电荷平衡来测量电荷平衡周期。在方法600的块635中，控制单元332通过控制信号Bins 344控制电流发生器333在第一电容器321上的电荷平衡。控制单元332基于比较器331的第 一比较器输出控制电流发生器333。在方法600的块640中，在积分电容器(例如，第一电容器 321和第二电容器322)上在连续电荷平衡周期上累积量化误差。在方法600的块645中，电荷 平衡周期被转换成数字输出代码250。电荷平衡周期由例如计数器360的高速计数器进行计 数。
[0056] 在一个实施例中，可以在两个积分电容器（例如，第一电容器321和第二电容器 322)的情况下，使用方法600。电荷到代码转换器120可以交替地在第一电容器321或第二电 容器322的一个上积分电荷，而在第一电容器321或第二电容器322的另一个上平衡电荷。 [0057]图7是根据一个实施例的电荷到代码转换方法的流程图。可以通过处理逻辑来执 行方法700,该处理逻辑可以包括硬件（电路、专用逻辑等）、软件(诸如在通用计算机系统或 专用机器上运行的软件）、固件(嵌入式软件)或者其任意结合。在一个实施例中，处理装置 110执行方法700。在另一个实施例中，电荷到代码转换器120执行方法700。可选地，电子系 统100的其他组件执行方法700的一些或全部操作。
[0058] 在一个实施例中，方法700描述了多个积分电容器(例如，第一电容器321和第二电 容器322)的平衡。方法700示出了应用于电荷到代码转换器120的两个主要"事件途径"，图 示了此前提到的乒乓方法。在方法700的块705中，从电容感测阵列125接收输入电荷。在方 法700的块710中，输入电荷在衰减器电路220上被衰减，并且被变换成衰减的输出电荷。在 方法700的块715中，通过将第一电容器321连接到衰减器电路220并积分衰减的输入信号， 第一电容器途径开始。在方法700的块720中，第二电容器途径以相反的方式开始。在第一电 容器被积分时，通过由电流发生器333进行平衡第二电容器322途径开始。在方法700的块 725中，第二电容器322与电流发生器333断开连接，并且继续前进到块735或者结束。在方法 700的块730中，第一电容器321与衰减器输出322断开连接并重新连接到电流发生器333。在 方法700的块735中，第二电容器322连接到衰减器输出312，并且积分衰减的输入信号。在方 法700的块740中，电流发生器333对第一电容器321进行充电或者放电，并且由控制单元322 测量电荷平衡周期。在方法700的块745中，第二电容器322与衰减器电路220断开连接。在一 个实施例中，第二电容器322可以继续第二电容器途径。在方法700的块750中，第一电容器 321与电流发生器333断开连接，并且继续采样和平衡操作或者结束。
[0059] 图6到7是示出电荷到代码转换方法的流程图。出于简化解释，这些方法被描绘或 描述为一系列行为。尽管本文以特定顺序示出和描述了方法的操作，但是这种顺序并不意 味着这种操作必须以这种顺序来执行。根据本公开的操作能够以各种顺序发生或同时发 生，并且能够具有本文没有呈现和描述的其他行为。特定操作可以至少部分地与其他操作 同时执行，并且特定操作可以以与示出或描述的顺序相反的顺序来执行。
[0060] 上述的关于电容到代码转换的方法能够由电荷到代码转换器120来实现，电荷到 代码转换器120可以实现在电容触摸屏控制器中。在一个实施例中，电容触摸屏控制器是 TrueToudvjl电容触摸屏控制器，诸如加利福尼亚圣荷西的赛普拉斯半导体公司（Cypress Semiconductor Corporation of San Jose ,California)开发的TrueTouchJt 多角虫摸全点 触摸屏控制器的CY8CTMA3xx家族。解决多手指和接触笔在触摸屏上的触摸位置的 TrueTouch?电容触摸屏控制器感测技术支持操作系统，并且被优化用于低功耗多触摸手 势和全点触摸屏功能。可选地，可以由其他触摸屏控制器或者其他触摸感测装置的触摸控 制器来实现触摸位置计算特征。在一个实施例中，如获得本公开益处的本领域的普通技术 人员所理解的，可以由其他触摸滤波算法来实现触摸位置计算特征，。
[0061] 本文描述的实施例可用于电容感测系统的互电容感测阵列的各种设计，或者用于 自电容感测阵列。在一个实施例中，电容感测系统检测到在阵列中被激活的多个感测元件， 并且能够分析相邻感测元件上的信号模式，以将噪音与实际信号分离。如获得本公开益处 的本领域的普通技术人员所理解的，本文描述的实施例不依赖于特定电容感测解决方案， 并且也能够与包括光学感测解决方案的其他的感测解决方案一起使用。
[0062] 在上面的描述中，阐述了许多细节。然而，对获得本公开的益处的本领域的普通技 术人员显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实施本发明的实施例。在一些情 况下，以框图的形式而不是以细节示出了公知的结构和装置，以避免模糊本描述。
[0063] 根据对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现详细描述的一 些部分。这些算法描述和表示是在数据处理领域中的技术人员所使用的手段，以将他们工 作的实质最有效地传达给本领域中的其他技术人员。这里并且一般将算法设想为促成所需 结果的有条理的步骤序列。步骤是需要物理操控物理量的那些步骤。这些量尽管未必、但是 通常采用能够被存储、传送、组合、比较和以其他方式操控的电或者磁信号的形式。主要出 于普遍用法的原因将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、项、数等已经被证实有时是 方便的。
[0064] 然而，应当谨记，所有这些和相似术语将与适当的物理量相关联并且仅为应用于 这些量的方便标签。除非如从以上讨论中明显的那样另有具体明示，应理解贯穿该描述利 用诸如"积分"、"比较"、"平衡"、"测量"、"提供"、"衰减"、"控制"、"转换"、"累积"等术语的 讨论是指计算系统或者类似电子计算装置的动作和处理，该计算系统或者类似电子计算装 置将计算系统的寄存器和存储器内的被表示为物理（电子)量的数据操控和变换成计算系 统存储器或者寄存器或者其他这样的信息存储、传输或者显示装置内的被类似地表示为物 理量的其他数据。
[0065] 在本文中使用词语"示例"或"示例性"以表示用作示例，实例或说明。本文中描述 为"示例"或"示例性"的任何方面或设计没有必要被解释为优于或胜过其他方面或设计。相 反，使用词语"示例"或"示例性"旨在以具体方式呈现概念，如在本申请中所使用，术语"或" 旨在表示包含性的"或"而不是排他性的"或"。也就是说，除非另有指定，或从上下文中明确 得知，"X包括A或B"旨在表示任何自然的包括性置换。也就是说，如果X包括A;X包括B;或X包 括A和B两者，则在任何以上实例下满足"X包括A或B"。另外，如在本申请和所附的权利要求 中使用的冠词"一"和"一个"一般应被解释为表示"一个或多个"，除非另有指定或从上下文 中明确得知其针对于单数形式。此外，贯穿使用的术语"实施例"或"一个实施例"或"实现方 式"或者"一个实现方式"并不旨在表示相同的实施例或实现方式，除非如此描述。
[0066] 本文描述的实施例还涉及用于执行本文操作的设备。可以为了所需目的特别地构 造此设备，或者此设备可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置 的通用计算机。这种计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读存储介质中，诸如但不限 于包括软盘，光盘，CD-ROM和磁光盘的任何类型的盘，只读存储器(R0M)，随机存取存储器 (RAM)，EPR0M，EEPR0M，磁卡或光卡、闪存，或适于存储电子指令的任何类型的介质。术语"计 算机可读存储介质"应当被认为包括存储一个或多个指令集合的单个介质或多个介质（例 如，集中式或分布式数据库，和/或相关联的缓存和服务器）。术语"计算机可读介质"也应被 认为包括能够存储，编码或携带指令集合的任何介质，该指令集合用于由机器执行并且使 机器执行本实施例的任何一个或多个方法。术语"计算机可读存储介质"应相应地被认为包 括但不限于固态存储器，光媒体，磁媒体，能够存储指令集合的任何介质，该指令集合用于 由机器执行并且使机器执行本实施例的任何一个或多个方法。
[0067]本文所呈现的算法和显示并不固有地涉及任何特定计算机或其他设备。各种通用 系统可以与根据本文教导的程序一起使用，或者可以证明构建更专业的设备来执行所需的 方法步骤是方便的。用于多种这些系统的所需结构将出现在下面的描述。此外，并不参考任 何特定的编程语言来描述本实施例。应当理解的是，多种编程语言可以用于实现如本文所 述的实施例的教导。
[0068]以上描述阐述了许多具体细节，诸如特定系统，组件，方法等的示例，以便提供对 本发明的若干实施例的良好理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些 特定细节的情况下实施本发明的至少一些实施例。在其它实例中，没有详细描述或者以简 单的框图形式呈现公知的组件或方法，以避免不必要地模糊本发明。因此，以上阐述的具体 细节仅是示例性的。特定实现方式可以根据这些示例性细节而变化，并且仍然被认为是在 本发明的范围之内。
[0069] 应该理解的是，上面的描述旨在是说明性的而不是限制性的。在阅读和理解上述 描述之后，许多其它实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，应当参考所附的 权利要求以及这些权利要求有权要求的等同物的全部范围来确定本发明的范围。
【主权项】
1. 一种设备，包括： 积分电路，所述积分电路包括第一电容器，所述积分电路耦合到电容感测阵列； 比较器，所述比较器可操作地耦合到所述积分电路，以将所述第一电容器的第一电容 器电压与参考电压进行比较，并基于所述比较产生第一比较器输出； 电流发生器，所述电流发生器可操作地耦合到所述积分电路，所述电流发生器被配置 为在所述第一电容器上平衡电荷；以及 控制单元，所述控制单元可操作地耦合到所述比较器和所述电流发生器，所述控制单 元被配置为通过感测所述第一比较器输出并且基于所述第一比较器输出控制所述电流发 生器，在所述第一电容器上平衡电荷。2. 如权利要求1所述的设备，进一步包括： 衰减器电路，所述衰减器电路可操作地耦合到所述积分电路，所述衰减器电路将电荷 灌入或拉出所述积分电路，以及所述积分电路积分所述电荷。3. 如权利要求2所述的设备，其中，所述衰减器电路包括可编程电流模式衰减器电路。4. 如权利要求1所述的设备，所述积分电路进一步包括： 第二电容器，所述第二电容器被配置为当所述电流发生器在所述第一电容器上平衡电 荷时积分电荷，并且当所述第一电容器积分电荷时，由所述电流发生器平衡电荷。5. 如权利要求1所述的设备，其中，所述控制单元被配置为测量电荷平衡周期，所述电 荷平衡周期在第一状态开始，所述第一状态为当所述控制单元从所述第一比较器输出感测 到所述第一电容器电压与所述参考电压之间的差异时，所述电荷平衡周期在第二状态结 束，所述第二状态为当所述控制单元从所述第一比较器输出感测到所述第一比较器电压与 所述参考电压平衡时，以及所述控制单元使用时钟信号锁存所述第二状态。6. 如权利要求5所述的设备，其中，所述控制单元被配置为在所述电荷平衡周期期间生 成量化误差，其中，在连续电荷平衡周期上在所述第一电容器上累积所述量化误差。7. 如权利要求5所述的设备，进一步包括： 计数器，所述计数器耦合到所述控制单元，以将所述电荷平衡周期转换成数字输出代 码。8. 如权利要求1所述的设备，其中，所述电流发生器执行至少将电荷灌入或拉出所述积 分电路中的一个。9. 如权利要求1所述的设备，其中，所述第一电容器包括非线性电容器。10. -种方法，包括： 在第一电容器上积分电荷，所述第一电容器親合到电容感测阵列； 在比较器上，将所述第一电容器上的第一电容器电压与参考电压进行比较，所述比较 器基于第一比较产生第一比较器输出； 通过电流发生器，基于所述第一比较的第一比较器输出，在所述第一电容器上平衡电 荷；以及 基于通过所述电流发生器在所述第一电容器上的电荷平衡，测量电荷平衡周期。11. 如权利要求10所述的方法，进一步包括： 在衰减器电路上衰减输入电荷，以在衰减器输出处产生衰减的输出电荷；以及 向所述第一电容器提供所述衰减的输出电荷。12. 如权利要求11所述的方法，其中，所述衰减器电路包括可编程电流模式衰减器电 路。13. 如权利要求10所述的方法，进一步包括： 通过控制单元，基于所述第一比较器输出，控制通过所述电流发生器在所述第一电容 器上的电荷平衡。14. 如权利要求10所述的方法，进一步包括： 交替地在所述第一电容器或第二电容器的一个上积分电荷，而在所述第一电容器或第 二电容器的另一个上平衡电荷； 在所述比较器上，将所述第二电容器的第二电容器电压与所述参考电压进行比较，以 基于第二比较产生第二比较器输出；以及 基于通过所述电流发生器在所述第二电容器上的电荷平衡，测量所述电荷平衡周期。15. 如权利要求10所述的方法，进一步包括： 在连续电荷平衡周期上累积量化误差。16. 如权利要求10所述的方法，进一步包括： 将所述电荷平衡周期转换成数字输出代码。17. 如权利要求10所述的方法，其中，所述第一电容器包括非线性电容器。18. -种系统，包括： 电容-感测电路，所述电容-感测电路被配置为测量来自电容感测阵列的触摸数据，所 述电容感测电路包括： 第一电容器，所述第一电容器被配置为交替地积分电荷或平衡电荷； 比较器，所述比较器可操作地耦合到所述第一电容器，以将所述第一电容器的第一电 容器电压和参考电压进行比较，并且基于所述比较产生第一比较器输出； 电流发生器，所述电流发生器可操作地与所述第一电容器相耦合，所述电流发生器被 配置为在所述第一电容器上平衡电荷； 控制单元，所述控制单元可操作地耦合到所述比较器和所述电流发生器，所述控制单 元被配置为通过感测所述第一比较器输出并且基于所述第一比较器输出控制所述电流发 生器，在所述第一电容器上平衡电荷。19. 如权利要求18所述的系统，其中，所述控制单元被配置为测量电荷平衡周期，所述 电荷平衡周期在第一状态开始，所述第一状态为当所述控制单元从所述第一比较器输出感 测到所述第一电容器电压与所述参考电压之间的差异时，所述电荷平衡周期在第二状态结 束，所述第二状态为当所述控制单元从所述第一比较器输出感测到所述第一比较器电压与 所述参考电压平衡时，以及所述控制单元使用时钟信号锁存所述第二状态。20. 如权利要求19所述的系统，其中，所述电容-感测电路进一步被配置为将所述电荷 平衡周期转换成数字输出代码。
【文档编号】G06F3/044GK105849680SQ201380080204
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2013年12月19日
【发明人】罗曼·奥吉尔科, 汉斯·克勒因, 安德里·马哈里塔
【申请人】谱瑞科技有限公司