CN102346607A - 触控感测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种感测电路及方法，对侦测端点充电或放电，从其取样得到取样电压再储存到量测电容，对该量测电容放电或充电到参考电压，从而计数该放电或充电的时间长度得到量测数值。此感测电路及方法可应用在电容式触控按键进行对象侦测，或应用在天线进行近距离感应。

Description

触控感测电路及方法

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种触控感测电路及方法。

背景技术

触控功能已广泛应用在智能型手机、笔记型计算机、多媒体播放器及信息家电等范畴，而电容式的触控感应由于能达到高感度及低成本，使得市场相继采用。在信息家电的产品使用电容式的触控按键可将产品外观塑造的更有现代感与设计感，也可让操作方式更贴近使用者的习性，但需要考虑信息家电的使用环境，因此对噪声抑制须特别注意。另一方面，近距离感应(proximitydetection)的功能可让产品设计得更低耗电，让使用者在靠近时即提早唤醒电器产品，不需等待唤醒时间，响应节能低碳的环保政策。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种感测电路及方法。

本发明的目的之一，在于提出一种可应用于电容式触控按键的感测电路及方法。

本发明的目的之一，在于提出一种可应用于近距离感应的感测电路及方法。

根据本发明，一种感测电路包含侦测端点供连接电容式触控按键或天线，初始化开关连接在该侦测端点与初始化电压端之间，主充电开关控制主充电电流源对该侦测端点充电，取样开关控制取样电容对该侦测端点的取样，电压缓冲器缓冲该取样电压，以及量测电路根据该取样电压产生量测数值。

根据本发明，一种感测电路包含侦测端点供连接电容式触控按键或天线，初始化开关连接在该侦测端点与初始化电压端之间，主放电开关控制主放电电流源让该侦测端点放电，取样开关控制取样电容对该侦测端点的取样，电压缓冲器缓冲该取样电压，以及量测电路根据该取样电压产生量测数值。

根据本发明，一种感测电路包含侦测端点供连接电容式触控按键或天线，第一初始化开关在第一时相控制该侦测端点的初始化，主充电开关在该第一时相控制主充电电流源对该侦测端点充电，第一取样开关在该第一时相控制第一取样电容对该侦测端点的取样，第一电压缓冲器缓冲该第一取样电压，第二初始化开关在第二时相控制该侦测端点的初始化，主放电开关在该第二时相控制主放电电流源让该侦测端点放电，第二取样开关在该第二时相控制第二取样电容对该侦测端点的取样，第二电压缓冲器缓冲该第二取样电压，以及量测电路根据该第一及第二取样电压产生量测数值。

根据本发明，一种感测方法包含提供侦测端点俾连接电容式触控按键或天线，设定该侦测端点的电压，对该侦测端点充电并取样得到取样电压，储存该取样电压到量测电容，以及让该量测电容放电到低于参考电压，因而从其放电时间得到量测数值。

根据本发明，一种感测方法包含提供侦测端点俾连接电容式触控按键或天线，设定该侦测端点的电压，让该侦测端点放电并取样得到取样电压，储存该取样电压到量测电容，以及让该量测电容充电到高于参考电压，因而从其充电时间得到量测数值。

根据本发明，一种感测方法包含提供侦测端点俾连接电容式触控按键或天线，在第一时相中，设定该侦测端点的电压，对该侦测端点充电并取样得到第一取样电压储存到第一量测电容，在第二时相中，设定该侦测端点的电压，让该侦测端点放电并取样得到第二取样电压储存到第二量测电容，以及根据该第一及第二取样电压取得量测数值。

采用上述的结构和方法，当手接近天线，或经过天线的上方或下方，将破坏其磁力线分布，导致电感值变化ΔL，因此感测电路便能由ΔVmut得到变化的量测数值，因而实现近距离感应。

附图说明

图1为电容式的触控感应的示意图；

图2为本发明的感测电路的第一实施例；

图3为本发明的感测电路的第二实施例；

图4为本发明的感测电路的第三实施例

图5为图4的时序图；

图6为消除低频共模噪声与比较器偏移电压的示意图；

图7为本发明的感测电路的第四实施例；

图8为图7的时序图；以及

图9为本发明的感测电路应用于近距离感应的示意图。

具体实施方式

图1为电容式的触控感应的示意图。电容式触控按键10由两彼此绝缘的电极板构成，通常是在印刷电路板上的迹线(trace)，可为任何形状，此构造形成一个感应电容，若有物件接近或触碰，则该感应电容的电容值会改变。感测电路12感测该感应电容的结果经数字处理器14运算，可供判断是否有对象接近或触碰，或作其它用途。

图2为本发明的感测电路12的第一实施例，感测电路12有侦测端点Vx供连接电容式触控按键10，Cx表示电容式触控按键10的感应电容。感测电路12在感测时，先连通初始化开关SUPINT，将侦测端点Vx拉到接地端GND的电压准位，因而对感应电容Cx进行电荷初始化。接下来切断初始化开关SUPINT，连通主充电开关SUP、取样开关SWUPDN1及量测开关SWUPDN2，因此主充电电流源20对侦测端点Vx充电，其电压Vx被取样电容Csm1取样得到取样电压VSM1并加以储存。由于Vx的值与Cx的值有关，因此取样电压VSM1实质上包含Cx的值，亦即包含Cx的变量信息。然后切断主充电开关SUP，开关SWUPDN1、SWUPDN2保持连通一段时间，让取样电压VSM1经过电压缓冲器22缓冲，以及经过低通滤波器30的延迟时间，储存到量测电容CT1。依序切断开关SWUPDN2、SWUPDN1，让量测电路24量测量测电容CT1储存的取样电压VSM1。首先连通从属放电开关SUPDN，同时触发一个开始计数信号(图中未示)通知图1中的数字处理器14或外部的微处理单元开始计数。量测电容CT1被从属放电电流源26以小电流慢慢的放电，直到其电压低于参考电压Vref时，比较器28触发高准位信号通知图1中的数字处理器14或外部的微处理单元停止计数。由开始计数到停止计数之间的计数时间差，即对感应电容Cx的量测数值。若量测电容CT1具较大电容值，则可得到精准度较高的量测数值。电压随耦器32从电压Vx产生电压VFOUT施加到电容式触控按键10的另一电极板，此等电位操作将使电容式触控按键10的两电极板看到的共模效应电容消失，因而消除该两电极板之间的水膜或其它附着物(如果有的话)所形成的共模效应电容。

图3为本发明的感测电路12的第二实施例，其原理与图2的实施例相似，但是将先充电再放电的方式改为先放电再充电。连通初始化开关SDNINT时，侦测端点Vx被拉到电源端VLDO的电压准位，进行感应电容Cx的电荷初始化。接下来切断初始化开关SDNINT，连通主放电开关SDN、取样开关SWDNUP1及量测开关SWDNUP2，因此主放电电流源34让感应电容Cx放电，取样电容Csm2取样得到取样电压VSM2并加以储存。然后切断主放电开关SDN，开关SWDNUP1、SWDNUP2保持连通一段时间，让取样电压VSM2经过电压缓冲器22缓冲，以及低通滤波器30的延迟时间，储存到量测电容CT2。依序切断开关SWDNUP2、SWDNUP1，让量测电路36量测量测电容CT2储存的取样电压VSM2。连通从属充电开关SDNUP时触发一个开始计数信号(图中未示)通知图1中的数字处理器14或外部的微处理单元开始计数。从属充电电流源38以小电流对量测电容CT2慢慢的充电，直到其电压高于参考电压Vref时，比较器40触发高准位信号通知图1中的数字处理器14或外部的微处理单元停止计数。由开始计数到停止计数之间的计数时间差，即对感应电容Cx的量测数值。

合并图2及图3的电路成为图4的拟差动(pseudo differential)架构，可改善感测电路12对抗低频共模噪声及比较器偏移电压的能力。图5为此实施例的时序图，其一次感测操作包含两个时相，时相Phase1为快充慢放周期，依循图2的模式得到第一计数值，时相Phase2为快放慢充周期，依循图3的模式得到第二计数值。th为相关开关的保持时间，td为低通滤波器30的延迟时间。量测电路44会将时相Phase1、Phase2分别测得的第一及第二计数值相加(图中未示)作为量测数值。若取样电容Csm1、Csm2具有相等的电容值，量测电容CT1、CT2具有相等的电容值，主充电电流源20和主放电电流源34的电流量相同，从属放电电流源26和从属充电电流源38的电流量相同，比较器28、40相同，则将两时相Phase1、Phase2分别测得的第一及第二计数值相加，便可抑制低频共模噪声以及减低比较器的偏移电压带来的误差，得到较准确的量测数值。

图6为上述消除低频共模噪声与比较器偏移电压的示意图。在量测电容充电或放电至参考电压Vref时，比较器会发生高低准位转换。若比较器有偏移电压Vos存在，则会造成时相Phase1的计数值变为t1-Δtos，时相Phase2的计数值变为t2+Δtos，但二者相加结果为t1+t2，因而消除了偏移电压Vos造成的误差Δtos。由于低频噪声无法被低通滤波器滤除，因此在取样时会提供噪声电压ΔVnoise到量测电容，造成时相Phase1的计数值变为t1+Δtn，时相Phase2的计数值变为t2-Δtn，但二者相加结果为t1+t2，因而消除了低频噪声造成的误差Δtn。所以图4的实施例能消除低频共模噪声及比较器偏移电压所产生的误差。

除了数字方式的相加运算以外，亦可透过模拟方式的相加运算来消除噪声。只要将两时相得到的取样电压VSM1、VSM2相加，再由后端的计数器得到计数值，即能达到相同的功能。图7为本发明的感测电路12的第四实施例，图8为其时序图。除了量测电路50以外，此实施例的电路和图4的实施例是相同的，产生及储存取样电压VSM1、VSM2到量测电容CT1、CT2的过程也是相同的，但是量测电路50的量测过程不同。量测电路50利用开关电路52让量测电容CT1、CT2电荷平衡，达到模拟式的相加运算。在经过两时相Phase1、Phase2后，先连通开关S2一段时间，再连通开关S3一段时间，在切断开关S3以前连通开关S1，如此，将量测电容CT2倒置和量测电容CT1并联，因而将量测电容CT1得到的电压变化量和量测电容CT2得到的电压变化量相加。连通从属放电开关SUPDN，让从属放电电流源26使量测电容CT1、CT2放电到低于参考电压Vref，由后端的电路计数得到量测数值。在另一实施例中，开关电路52改为将量测电容CT1倒置和量测电容CT2并联，再经从属充电电流源充电到高于参考电压Vref，亦可得到相同的结果。这种模拟式的运算一样可以抑制低频共模噪声与比较器偏移电压的误差。

在上述所有实施例中，滤波器30为主动式或被动式的滤波器，其目的在于滤除取样电压的高频噪声。若不在意高频噪声的影响，则可省略低通滤波器30，而将电压缓冲器22提供的取样电压直接送入量测电容。

除了应用在电容式触控按键，本发明的感测电路12也可以应用在天线实现近距离感应。如图9所示，当图2、图4或图7的感测电路12对侦测端点Vx充电，会产生瞬间电流。而手60在空间中的移动会造成天线62或66的电感值变化ΔL，因此感应电压

$\mathrm{\ΔVmut}=\mathrm{\ΔL}\·\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}},$ 公式1

造成取样电容Csm1得到的取样电压VSM1产生变化，从其得到的量测数值也跟着变化。同理，当图3、图4或图7的感测电路12让侦测端点Vx放电，会产生瞬间电流。而手60在空间中的移动造成的电感值变化ΔL使取样电容Csm2得到的取样电压VSM2产生变化，从其得到的量测数值也跟着变化。不同结构的天线有不同的磁场分布，例如图9上方的单导线条天线62得到以其为中心的同心圆磁力线64，图9下方的螺旋线圈天线66得到集中于上下方向的磁力线68。当手60接近天线62，或经过天线66的上方或下方，将破坏其磁力线分布，导致电感值变化ΔL，因此感测电路12便能由ΔVmut得到变化的量测数值，因而实现近距离感应。若是将电容式触控按键10的电极板经过特别的设计，使其具有天线的效果，则感测电路12能同时执行近距离感应的功能。

Claims (25)

1.一种感测电路，其特征在于，包含：

侦测端点，供连接电容式触控按键或天线；

初始化开关连接在该侦测端点与初始化电压端之间；

主充电电流源；

主充电开关连接在该主充电电流源与该侦测端点之间，控制该主充电电流源对该侦测端点的充电；

取样电容，对该侦测端点取样并转换成取样电压加以储存；

取样开关连接在该侦测端点与该取样电容之间，控制该取样电容对该侦测端点的取样；

电压缓冲器连接该取样电容，缓冲该取样电压；

量测电路，根据该取样电压产生量测数值；以及

量测开关连接在该电压缓冲器与该量测电路之间，控制该取样电压进入该量测电路。

2.如权利要求1的感测电路，其特征在于，更包含低通滤波器介于该电压缓冲器与该量测电路之间，滤除该取样电压的高频噪声。

3.如权利要求1的感测电路，其特征在于，该量测电路包括：

量测电容，储存该取样电压；

从属放电电流源；

从属放电开关连接在该量测电容与该从属放电电流源之间，控制该从属放电电流源让该量测电容放电；以及

比较器连接该量测电容；

其中，该量测电容被放电到低于参考电压的计数值等于该量测数值。

4.如权利要求1的感测电路，其特征在于，更包含电压随耦器连接该侦测端点，以产生等化操作用途的电压。

5.一种感测电路，其特征在于，包含：

侦测端点，供连接电容式触控按键或天线；

初始化开关连接在该侦测端点与初始化电压端之间；

主放电电流源；

主放电开关连接在该主放电电流源与该侦测端点之间，控制该主放电电流源让该侦测端点的放电；

取样电容，对该侦测端点取样并转换成取样电压加以储存；

取样开关连接在该侦测端点与该取样电容之间，控制该取样电容对该侦测端点的取样；

电压缓冲器连接该取样电容，缓冲该取样电压；

量测电路，根据该取样电压产生量测数值；以及

量测开关连接在该电压缓冲器与该量测电路之间，控制该取样电压进入该量测电路。

6.如权利要求5的感测电路，其特征在于，更包含低通滤波器介于该电压缓冲器与该量测电路之间，滤除该取样电压的高频噪声。

7.如权利要求5的感测电路，其特征在于，该量测电路包括：

量测电容，储存该取样电压；

从属充电电流源；

从属充电开关连接在该量测电容与该从属充电电流源之间，控制该从属充电电流源对该量测电容的充电；以及

比较器连接该量测电容；

其中，该量测电容被充电到高于参考电压的计数值等于该量测数值。

8.如权利要求5的感测电路，其特征在于，更包含电压随耦器连接该侦测端点，以产生等化操作用途的电压。

9.一种感测电路，其特征在于，包含：

侦测端点，供连接电容式触控按键或天线；

第一初始化开关连接在该侦测端点与第一初始化电压端之间，在第一时相控制该侦测端点的初始化；

主充电电流源；

主充电开关连接在该主充电电流源与该侦测端点之间，在该第一时相控制该主充电电流源对该侦测端点的充电；

第一取样电容，在该第一时相对该侦测端点取样转换成第一取样电压加以储存；

第一取样开关连接在该侦测端点与该第一取样电容之间，在该第一时相控制该第一取样电容对该侦测端点的取样；

第一电压缓冲器连接该第一取样电容，缓冲该第一取样电压；

第二初始化开关连接在该侦测端点与第二初始化电压端之间，在第二时相控制该侦测端点的初始化；

主放电电流源；

主放电开关连接在该主放电电流源与该侦测端点之间，在该第二时相控制该主放电电流源让该侦测端点的放电；

第二取样电容，在该第二时相对该侦测端点取样转换成第二取样电压加以储存；

第二取样开关连接在该侦测端点与该第二取样电容之间，在该第二时相控制该第二取样电容对该侦测端点的取样；

第二电压缓冲器连接该第二取样电容，缓冲该第二取样电压；

量测电路，根据该第一及第二取样电压产生量测数值；

第一量测开关连接在该第一电压缓冲器与该量测电路之间，控制该第一取样电压进入该量测电路；以及

第二量测开关连接在该第二电压缓冲器与该量测电路之间，控制该第二取样电压进入该量测电路。

10.如权利要求9的感测电路，其特征在于，更包含低通滤波器介于该第一电压缓冲器与该量测电路之间，滤除该第一取样电压的高频噪声。

11.如权利要求9的感测电路，其特征在于，更包含低通滤波器介于该第二电压缓冲器与该量测电路之间，滤除该第二取样电压的高频噪声。

12.如权利要求9的感测电路，其特征在于，该量测电路包括：

第一量测电容，储存该第一取样电压；

从属放电电流源；

从属放电开关连接在该第一量测电容与该从属放电电流源之间，控制该从属放电电流源让该第一量测电容放电；

第一比较器连接该第一量测电容；

第二量测电容，储存该第二取样电压；

从属充电电流源；

从属充电开关连接在该第二量测电容及该从属充电电流源之间，控制该从属充电电流源对该第二量测电容的充电；以及

第二比较器连接该第二量测电容；

其中，该第一量测电容被放电到低于参考电压的第一计数值，加上该第二量测电容被充电到高于该参考电压的第二计数值，等于该量测数值。

13.如权利要求9的感测电路，其特征在于，该量测电路包括：

第一量测电容，储存该第一取样电压；

第二量测电容，储存该第二取样电压；

开关电路连接该第一及第二量测电容，在该第一及第二时相后将该第二量测电容倒置和该第一量测电容并联；

从属放电电流源；

从属放电开关连接在该第一量测电容与该从属放电电流源之间，控制该从属放电电流源让该第一及第二量测电容放电；以及

比较器连接该第一量测电容；

其中，该第一及第二量测电容被放电到低于参考电压的计数值等于该量测数值。

14.如权利要求9的感测电路，其特征在于，该量测电路包括：

第一量测电容，储存该第一取样电压；

第二量测电容，储存该第二取样电压；

开关电路连接该第一及第二量测电容，在该第一及第二时相后将该第一量测电容倒置和该第二量测电容并联；

从属充电电流源；

从属充电开关连接在该第二量测电容与该从属充电电流源之间，控制该从属充电电流源对该第一及第二量测电容充电；以及

比较器连接该第二量测电容；

其中，该第一及第二量测电容被充电到高于参考电压的计数值等于该量测数值。

15.如权利要求9的感测电路，其特征在于，更包含电压随耦器连接该侦测端点，以产生等化操作用途的电压。

16.一种感测方法，其特征在于，包含：

提供侦测端点，俾连接电容式触控按键或天线；

设定该侦测端点的电压；

对该侦测端点充电并取样得到取样电压；

储存该取样电压到量测电容；以及

让该量测电容放电到低于参考电压，因而从其放电时间得到量测数值。

17.如权利要求16的感测方法，其特征在于，更包含滤除该取样电压的高频噪声。

18.一种感测方法，其特征在于，包含：

提供侦测端点，俾连接电容式触控按键或天线；

设定该侦测端点的电压；

让该侦测端点放电并取样得到取样电压；

储存该取样电压到量测电容；以及

让该量测电容充电到高于参考电压，因而从其充电时间得到量测数值。

19.如权利要求18的感测方法，其特征在于，更包含滤除该取样电压的高频噪声。

20.一种感测方法，其特征在于，包含：

提供侦测端点，俾连接电容式触控按键或天线；

在第一时相中，设定该侦测端点的电压，对该侦测端点充电并取样得到第一取样电压储存到第一量测电容；

在第二时相中，设定该侦测端点的电压，让该侦测端点放电并取样得到第二取样电压储存到第二量测电容；以及

根据该第一及第二取样电压取得量测数值。

21.如权利要求20的感测方法，其特征在于，更包含滤除该第一取样电压的高频噪声。

22.如权利要求20的感测方法，其特征在于，更包含滤除该第二取样电压的高频噪声。

23.如权利要求20的感测方法，其特征在于，该根据该第一及第二取样电压取得量测数值的步骤包含将该第一量测电容放电到低于参考电压的时间加上该第二量测电容充电到高于该参考电压的时间决定该量测数值。

24.如权利要求20的感测方法，其特征在于，该根据该第一及第二取样电压取得量测数值的步骤包含：

将第二量测电容倒置和该第一量测电容并联；以及

让该第一及第二量测电容放电到低于参考电压，因而从其放电时间得到该量测数值。

25.如权利要求20的感测方法，其特征在于，该根据该第一及第二取样电压取得量测数值的步骤包含：

将第一量测电容倒置和该第二量测电容并联；以及

让该第一及第二量测电容充电到高于参考电压，因而从其充电时间得到该量测数值。

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