CN101621291B - 电容式触控感应电路 - Google Patents

Abstract

一种电容式触控感应电路，包含：单一比较器、一参考电压控制单元、一电阻调整单元、一延迟单元及一弛张震荡控制单元。电阻调整单元连接比较器的第一输入端且参考电压控制单元连接比较器的第二输入端。延迟单元连接比较器输出端以滤除比较器输出信号的一转态过渡区间。弛张震荡控制单元输出一弛张震荡信号，该弛张震荡信号馈入比较器的第一输入端，且弛张震荡信号的频率随电阻调整单元设定的电阻值变化。

Description

电容式触控感应电路

技术领域

本发明关于一种电容式触控感应电路。

背景技术

电容传感器常被使用于各种不同的触控装置中，例如触控感应按键、触控面板等等。因为针对不同应用的电容侦测范围并不相同，且不同环境条件下的电容侦测范围也不相同，所以已知设计通常利用安装一外部补偿装置(external compensation device)，例如一外部电容或一外部电阻，来改变例如一弛张震荡控制器(relaxation oscillator)的RC常数值以调整其阻抗。然而，为搭配不同的产品或符合不同的环境需求，制造者须准备许多不同规格的外部电容或外部电阻以提高电容侦测准确性，如此明显提高成本且使震荡电路的阻抗调整过程不具弹性。另一方面，已知设计通常使用两个比较器实施弛张震荡器的充放电操作，而导致一复杂的触控感应电路结构。

发明内容

本发明提供一种具有单一比较器结构的电容式触控感应电路，其能避免已知设计的缺点。

依本发明一实施例的设计，一种电容式触控感应电路包含单一比较器、一参考电压控制单元、一电阻调整单元、一延迟单元及一弛张震荡控制单元。比较器具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，且参考电压控制单元连接比较器的第二输入端。参考电压控制单元包含一高位准电压源、一低位准电压源及一电压切换控制器。电压切换控制器依据比较器的输出信号，将高位准电压源或低位准电压源连接至比较器的第二输入端。电阻调整单元连接比较器的第一输入端，且延迟单元连接输出端以大致滤除比较器的输出信号的一转态过渡区间。弛张震荡控制单元连接电阻调整单元、延迟单元及参考电压控制单元，弛张震荡控制单元输出一弛张震荡信号，该弛张震荡信号馈入比较器的第一输入端，且弛张震荡信号的频率随电阻调整单元设定的电阻值变化。

由上述实施例的设计，仅需使用单一比较器即能实施弛张震荡控制单元的充放电操作，大幅简化电容式触控感应电路的结构，另一方面，由电阻调整单元可任意调整RC常数值来变化弛张震荡控制单元的阻抗，如此在不同环境下或搭配不同的电容侦测器时均能进行精确的电容感测，不需额外的外部补偿装置而可进一步节省成本。另外，搭配延迟单元的设计可产生具迟滞的比较器输出信号，有效去除输出信号不稳定的转态过渡区间。

依本发明另一实施例的设计，一种电容式触控感应电路包含单一比较器、一参考电压控制单元、一延迟单元及一弛张震荡控制单元。比较器具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，且参考电压控制单元连接第二输入端。参考电压控制单元包含具有多个不同的高参考位准的一高位准群组电压源，用以选择其中的一高参考位准并馈入比较器第二输入端的一高位准电压选择器，具有多个不同的低参考位准的一低位准群组电压源，用以选择其中的一低参考位准并馈入比较器第二输入端的一低位准电压选择器，及一电压源群组切换控制器。电压源群组切换控制器依据比较器的输出信号，将高位准群组电压源或低位准群组电压源连接至比较器的第二输入端。延迟单元连接输出端以大致滤除比较器的一输出信号的一转态过渡区间，且弛张震荡控制单元连接电阻调整单元、延迟单元及参考电压控制单元。弛张震荡控制单元输出一弛张震荡信号，弛张震荡信号馈入比较器的第一输入端，且弛张震荡信号的频率及振幅依据由参考电压控制单元所选择并馈入比较器第二输入端的一高参考位准及一低参考位准而变化。

由上述实施例多重位准电压装置的设计，可在省略电阻调整单元的条件下，改变弛张震荡控制单元的震荡波形。因此，可搭配不同的触控环境及电容侦测器规格选择高参考位准及低参考位准，调整出最能精确感测的弛张震荡信号输出频率。

附图说明

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下，其中：

图1为一示意图，显示依本发明一实施例的电容式触控感应电路。

图2为显示不同延迟时间下的比较器输出信号波形图。

图3为显示比较器输出电压、弛张震荡控制单元输出电压及弛张震荡信号波形图。

图4为显示本发明另一实施例的示意图。

图5为一示意图，用以说明多重位准电压控制效果的一实施例。

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为一示意图，显示依本发明一实施例的电容式触控感应电路。如图1所示，电容式触控感应电路10包含一参考电压控制单元12、一比较器14、一延迟单元16、一电阻调整单元18、一弛张震荡控制单元(relaxation oscillation control unit)22。

比较器14具有一输入负端141、一输入正端142、及一输出端143，输入负端141连接电阻调整单元18及一电容传感器(capacitancesensor)24，输入正端142连接参考电压控制单元12，且输出端142连接延迟单元16。比较器14比较输入负端141的电压(例如图2所示的Vn)及输入正端142的电压(例如图2所示的Vp)后，经由输出端143输出方波(例如图2所示的Vo)。于本实施例中，当输入电压Vp＞Vn时，输出电压Vo为高逻辑位准(logic high status)；当输入电压Vp＜Vn时，输出电压Vo为低逻辑位准(logic low status)。

参考电压控制单元12包含一高位准电压源121、一低位准电压源122、及一电压切换控制器123，且高位准电压源121及低位准电压源122分别对应一RC电路充电操作及一RC电路放电操作。电压切换控制器123依据比较器14的输出信号，由切换开关124于高位准电压源121与低位准电压源122间进行切换。

延迟单元16用以消除比较器14的输出信号的转态过渡区间，亦即使比较器14产生具迟滞(hysteresis)的输出信号。延迟单元16包含一延迟调整器161及一延迟时间选择器162，延迟时间选择器162依据比较器14的输出信号的转态过渡区间持续时间来决定一延迟时间的长度，延迟调整器161则依据该延迟时间长度，延迟比较器14的输出信号的转态时间。举例而言，如图2所示，当输入电压Vn与输入电压Vp的差值落入比较器14的一偏置电压(offset voltage)Vfs范围时即产生转态过渡区间，且当输出信号的电压转换速率(slew rate)较低时，会有时间较长的转态过渡区间。由输出信号的第一边缘触发延迟调整器161的计数器开始计数，延迟时间选择器162可指示计数器正确的转态延迟时间，以完全消除不稳定的转态过渡区间。如图2下方三个不同的输出方波波形图所示，当延迟时间T1仅能部分消除转态过渡区间，延迟时间选择器162会设定延迟较长的时间T2以完全消除转态过渡区间。延迟时间选择器162例如可为一只读存储器(ROM)、一随机储存存储器(RAM)或一缓存器(register)，且由固件(firmware)及程序化汇编语言(assembly programming)控制延迟时间。

电阻调整单元18包含一可调式电阻器181及一电阻选择控制器182，且可调式电阻器181例如可为一可变电阻。可调式电阻器181与一外部电容传感器24构成一RC电路，且电容传感器24的电容值会随使用者手指接触触控按键(图未示)的状态而变化。可调式电阻器181的阻值变化可用以调整RC电路的震荡频率，当阻值越大时，RC电路的震荡频率越低；反之当阻值越小时，RC电路的震荡频率越高。于一实施例中，电阻选择控制器182可具有N位结构(N为正整数)以使可调式电阻器具有2^N个调整阶数，例如当N＝1时，可调式电阻器181具有2阶的调整段数，当N＝8时可调式电阻器181具有256阶的调整段数。可调式电阻器181与电阻选择控制器182可由一总线183连接，且电阻选择控制器182例如可为一只读存储器(ROM)、一随机储存存储器(RAM)或一缓存器(register)，且由固件(firmware)及程序化汇编语言(assembly programming)控制。弛张震荡控制单元22连接电阻调整单元18、延迟单元16及参考电压控制单元12，弛张震荡控制单元22依据具迟滞的比较器输出信号产生RC震荡。详细而言，如图3所示，当弛张震荡控制单元22侦测到比较器14的输出电压Vo为高逻辑位准时，弛张震荡控制单元22输出一高逻辑位准电压以对RC电路充电；反之当弛张震荡控制单元22侦测到比较器14的输出电压Vo为低逻辑位准时，弛张震荡控制单元22输出一低逻辑位准电压以使RC电路放电。于进行充放电操作后弛张震荡控制单元22产生如图3所示的弛张震荡信号RS。弛张震荡信号RS馈入比较器14的输入负端141，以与连接至比较器14的输入正端142的参考电压比较。于本实施例中，高位准电压源121输出的高位准参考电压V_H为RC电路的一充电上限电压值，低位准电压源122输出的低位准参考电压V_L为RC电路的一放电下限电压值。

请再参考图2，当弛张震荡控制单元22对RC电路充电时，比较器14的输入负端电压Vn持续上升，且此时电压切换控制器123切换至高位准电压源121以使比较器14的输入正端电压Vp等于高位准参考电压V_H。当输入负端电压Vn上升至大于输入正端电压Vp(＝V_H)的瞬间，比较器14的输出电压Vo立刻切换至低逻辑位准，且电压切换控制器123切换至低位准电压源121以使比较器的输入正端电压Vp等于低位准参考电压VL。于此同时，当弛张震荡控制单元22侦测到比较器14的输出电压Vo为低逻辑位准时，弛张震荡控制单元22转而输出一低逻辑位准电压以使RC电路放电。

当RC电路放电时，比较器14的输入负端电压Vn持续下降，且此时比较器14的输入正端电压Vp为低位准参考电压V_L。当输入负端电压Vn下降至小于输入正端电压Vp(＝V_L)的瞬间，比较器14的输出电压Vo立刻切换至高逻辑位准，且电压切换控制器123切换至高位准电压源121以使比较器的输入正端电压Vp切换为高位准参考电压V_L。因此，RC电路可轮流被充放电且同时电压切换控制器123对应地于高位准电压源121及低位准电压源122间进行切换，使弛张震荡控制单元22输出图3所示的信号RS。

于本实施例中，仅需使用单一比较器及两个电压源即能实施弛张震荡控制单元的充放电操作，大幅简化电容式触控感应电路的结构，另一方面，由电阻调整单元18可任意调整RC常数值来变化弛张震荡控制单元22的阻抗，如此在不同环境下或搭配不同的电容侦测器时均能进行精确的电容感测，不需额外的外部补偿装置而可进一步节省成本。另外，搭配延迟单元16的设计可产生具迟滞的比较器输出信号，有效去除输出信号不稳定的转态过渡区间。

图4为显示本发明另一实施例的示意图。如图4所示，电容式触控感应电路30包含一参考电压控制单元32、一比较器14、一延迟单元16、及一弛张震荡控制单元22。本实施例和图1所示的实施例差异在于两者的参考电压控制单元设计不同，且本实施例省略电阻调整单元18，其余构件连接关系与图1所示的实施例类似，于此不再赘述。于本实施例中，参考电压控制单元32连接比较器14的输入正端且包含一电压源群组切换控制器321、一高位准群组电压源322、一高位准电压选择器323、一第一指令源324、一低位准群组电压源325、一低位准电压选择器326及一第二指令源327。高位准群组电压源322及低位准群组电压源325均为一种多重位准电压装置，以高位准群组电压源322为例，高位准群组电压源322具有多个不同的高参考位准，各个高参考位准均对应一个开关329。第一指令源324决定该电容式触控感应电路30所需的一高参考位准，再由高位准电压选择器323一次让其中一个开关开启而将对应该开关的所需参考位准值馈入比较器14的输入正端。高位准电压选择器323及低位准电压选择器326例如可具有一解码器结构。低位准群组电压源325同样为一个多重位准电压装置，且其低位准选取操作与上述类似，故于此不再赘述。第一及第二指令源可利用固件结构、软件运算或DSP微处理器等等实施。

电压源群组切换控制器321依据比较器14的输出信号将高位准群组电压源322或低位准群组电压源325连接至比较器14的输入正端。当弛张震荡控制单元22侦测到比较器14的输出电压Vo为高逻辑位准时，弛张震荡控制单元22输出一高逻辑位准电压以对电容传感器24充电；反之当弛张震荡控制单元22侦测到比较器14的输出电压Vo为低逻辑位准时，弛张震荡控制单元22输出一低逻辑位准电压以使电容传感器24放电。因此，和图1的实施例类似，电压源群组切换控制器321同样对应充电或放电操作，由切换开关于高位准群组电压源322与低位准群组电压源325之间切换。

由本实施例多重位准电压装置的设计，可在省略电阻调整单元18的条件下，改变弛张震荡控制单元22的震荡波形。图5为一示意图，用以说明多重位准电压控制效果的一实施例。如图5所示，Vh1、Vh2及Vh3分别代表三个不同的高参考位准，且Vh1＞Vh2＞Vh3，Vl1、Vl2及Vl3分别代表三个不同的低参考位准，且Vl1＜Vl2＜Vl3，因此高低参考位准间的差值(Vh1-Vl1)＞(Vh2-Vl2)＞(Vh3-Vl3)。于RC常数为固定的条件下，弛张震荡信号的电压斜率保持固定，但可选择不同的高低参考位准，以提供不同的高低位准间的差值即可改变弛张震荡信号的振幅并调整弛张震荡信号的周期。如图5所示，于高位准Vh1/低位准Vl1条件下，可获得波形A且周期T1的弛张震荡信号，于高位准Vh2/低位准Vl2条件下，可获得波形B且周期T2的弛张震荡信号，于高位准Vh3/低位准Vl3条件下，可获得波形C且周期T3的弛张震荡信号，如此虽然波形A、波形B、波形C的斜率均相同(因RC常数固定)，但周期可变化T1＞T2＞T3，同样可获得调整弛张震荡信号输出频率的效果。因此，可搭配不同的触控环境及电容侦测器规格选择高参考位准及低参考位准，以调整出最能精确感测的弛张震荡信号输出频率。

惟以上所述的，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利要求范围。

Claims (10)

1.一种电容式触控感应电路，包含：

单一比较器，具有一输入负端、一输入正端及一输出端；

一参考电压控制单元，连接该输入正端，该参考电压控制单元包含：

一高位准电压源，

一低位准电压源，

一电压切换控制器，依据该比较器的一输出信号将该高位准电压源或该低位准电压源连接至该比较器的该输入正端；

一电阻调整单元，连接该比较器的该输入负端，该电阻调整单元包含：

一可调式电阻器，该可调式电阻器与一外部电容传感器构成一RC电路，其中，该外部电容传感器的电容值会随使用者手指接触触控按键的状态而变化；及

一电阻选择控制器，用以选择该可调式电阻器的电阻值；

一延迟单元，连接该比较器的输出端以滤除该比较器的该输出信号的一转态过渡区间，当比较器的输入负端的电压与输入正端的电压的差值落入比较器的一偏置电压范围时即产生该转态过渡区间，且当输出信号的电压转换速率较低时，会有时间较长的该转态过渡区间，该延迟单元包含：

一延迟时间选择器，依据该比较器的该输出信号的一转态过渡区间的持续时间决定一延迟时间长度；及

一延迟调整器，依据该延迟时间长度延迟该比较器的该输出信号，其中，由该比较器的输出信号的第一边缘触发所述延迟调整器的计数器开始计数，延迟时间选择器指示计数器正确的所述延迟时间长度，以完全消除不稳定的转态过渡区间；及

一弛张振荡控制单元，连接该电阻调整单元、该延迟单元及该参考电压控制单元，该弛张振荡控制单元输出一弛张振荡信号，且该弛张振荡信号的频率随该电阻调整单元设定的电阻值变化，其中当该比较器的该输出信号为一高逻辑位准时，该弛张振荡控制单元输出一高逻辑位准电压以对该RC电路充电，当该比较器的该输出信号为一低逻辑位准时，该弛张振荡控制单元输出一低逻辑位准电压以使该RC电路放电。

2.如权利要求1所述的电容式触控感应电路，其中该电阻选择控制器具有N位结构，N为正整数，以使该可调式电阻器具有2N个调整阶数。

3.如权利要求1所述的电容式触控感应电路，其中该电阻选择控制器为一只读存储器或一随机储存存储器。

4.如权利要求1所述的电容式触控感应电路，其中该高位准电压源的一输出电压值等于该RC电路的一充电上限电压值，且该低位准电压源的一输出电压值等于该RC电路的一放电下限电压值。

5.如权利要求4所述的电容式触控感应电路，其中于该输入负端电压上升至大于该输入正端电压的瞬间，该电压切换控制器将该低位准电压源连接至该比较器的该输入正端，且于该输入负端电压下降至小于该输入正端电压的瞬间，该电压切换控制器将该高位准电压源连接至该比较器的该输入正端。

6.一种电容式触控感应电路，包含：

单一比较器，具有一输入负端、一输入正端及一输出端，其中，所述比较器的输入负端连接至电容传感器的一端，该电容传感器的电容值会随使用者手指接触触控按键的状态而变化；

一参考电压控制单元，连接该输入正端，该参考电压控制单元包含：

一高位准群组电压源，具有多个不同的高参考位准，各个高参考位准均对应一个开关；

一高位准电压选择器，用以选择所述高参考位准的其中之一并馈入该比较器的该输入正端；

一低位准群组电压源，具有多个不同的低参考位准，各个低参考位准均对应一个开关；

一低位准电压选择器，用以选择所述低参考位准的其中之一并馈入该比较器的该输入正端；

一电压源群组切换控制器，依据该比较器的该输出信号将该高位准群组电压源或该低位准群组电压源连接至该比较器的该输入正端；

一第一指令源，该第一指令源决定该电容式触控感应电路所需的一高参考位准，再由该高位准电压选择器一次让其中一个开关开启而将对应该开关的所需的所述高参考位准馈入该比较器的输入正端；

一第二指令源，该第二指令源决定该电容式触控感应电路所需的一低参考位准，该低位准电压选择器一次让其中一个开关开启而将对应该开关的所需的所述低参考位准馈入该比较器的输入正端；及

一延迟单元，连接该输出端以滤除该比较器的一输出信号的一转态过渡区间，该延迟单元包含：

一延迟时间选择器，依据该比较器的该输出信号的一转态过渡区间的持续时间决定一延迟时间长度；及

一延迟调整器，依据该延迟时间长度延迟该比较器的该输出信号，其中，由该输出信号的第一边缘触发所述延迟调整器的计数器开始计数，延迟时间选择器指示计数器正确的所述延迟时间长度，以完全消除不稳定的转态过渡区间；及

一弛张振荡控制单元，连接该比较器、该延迟单元及该参考电压控制单元，该弛张振荡控制单元输出一弛张振荡信号，该弛张振荡信号馈入该比较器的该输入负端，且该弛张振荡信号的频率及振幅依据由该参考电压控制单元所选择并馈入该输入正端的一高参考位准及一低参考位准而变化，其中，当该比较器的该输出信号为一高逻辑位准时，该弛张振荡控制单元输出一高逻辑位准电压以对该电容传感器充电，当该比较器的该输出信号为一低逻辑位准时，该弛张振荡控制单元输出一低逻辑位准电压以使该电容传感器放电，通过选择不同的高低参考位准，可提供不同的高低位准间的差值，即可改变弛张振荡信号的振幅并调整弛张振荡信号的周期，由此，通过搭配不同的触控环境及电容传感器选择高参考位准及低参考位准，以调整出最能精确感测的弛张振荡信号的频率。

7.如权利要求6所述的电容式触控感应电路，其中该高位准电压选择器及该低位准电压选择器分别具有一解码器结构。

8.如权利要求6所述的电容式触控感应电路，其中该高参考位准等于该电容传感器的一充电上限电压值，且该低参考位准等于该电容传感器的一放电下限电压值。

9.如权利要求8所述的电容式触控感应电路，其中于该输入负端电压上升至大于该输入正端电压的瞬间，该电压源群组切换控制器将该低位准群组电压源连接至该比较器的该输入正端，且于该输入负端电压下降至小于该输入正端电压的瞬间，该电压源群组切换控制器将该高位准群组电压源连接至该比较器的该输入正端。

10.如权利要求6所述的电容式触控感应电路，其中该延迟单元为一只读存储器或一随机储存存储器。

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