CN103620537A - 使用同步振荡器的正交信号接收器 - Google Patents

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Abstract

一种系统，包括处理设备、生成第一信号的信号发生器和从电容式感应阵列接收第二信号的单一的接收器。单一的接收器被配置成在第一操作模式中处理第二信号，用于对靠近电容式感应阵列的触笔的触笔感应，且被配置成在第二操作模式中处理第二信号，用于对靠近电容式感应阵列的无源触摸物体的触摸感应。第二信号与第一信号不同步。

Description

使用同步振荡器的正交信号接收器
相关申请
本申请要求于2011年7月19日提出的美国临时申请第61/509,230号的权益，其内容特此通过引用被并入。
技术领域
本公开涉及用户接口设备领域，且特别涉及电容式传感器设备。
背景
具有触摸屏接口的触笔的使用已相当成熟。触摸屏设计已综合了许多不同的技术，包括电阻式、电容式、电感式和射频感应阵列。例如，电阻式触摸屏是无源设备，其很适合于与无源触笔一起使用。虽然电阻式触摸屏可以感应来自几乎任何物体的输入，但是通常不支持多点触摸。多点触摸应用的一个例子可以是将两个或多个手指施加到触摸屏。另一例子可以是输入签名，这可包括同时的手掌输入信号和触笔输入信号。由于这些及其它许多缺点，在消费者市场，电容式触摸屏正逐渐取代电阻式触摸屏。
各种栓系的有源触笔方法已被实现用于触摸屏，且这些方法被发现在许多消费者应用中，如销售点终端（例如，用于零售商店中的信用卡交易的签名板）及其它公共用途。然而，对于私人应用，例如个人电脑（“PC”）、智能手机和平板PC，对栓系的电缆的需要是一个明显的缺点。
在各种消费者应用中，也看到了非栓系的有源触笔方法。在非栓系的有源触笔方法中，触笔可无线地同步到电容式感应阵列。电容式感应阵列中或耦合到电容式感应阵列的发射器提供被触笔中的接收器接收的同步信号。发射器可以各种方式无线地耦合同步信号，包括电感、射频、光学、超声或其它媒介。触笔从发射器接收同步信号，并基于该同步信号生成发射信号，发射信号由电容式感应阵列检测。电容式感应阵列中或耦合到电容式感应阵列的感应电路可检测触笔的存在并基于检测到的来自触笔的发射信号确定触笔的位置。保持电容式感应阵列和触笔之间的同步对系统施加了高额负担，因为它影响电池寿命、成本和设计支持。
附图简述
本公开通过例子的方式，而不是通过限制的方式，在附图的图形中被示出。
图1是示出了具有用于检测触摸物体和触笔的存在的处理设备的电子系统的一种实施方式的框图。
图2A是示出了根据一种实施方式的包括电容式感应阵列和触摸屏控制器的系统的框图，所述触摸屏控制器将测得的电容转换成触摸坐标。
图2B是示出了根据一种实施方式的包括电容式感应阵列、触笔和触摸屏控制器的系统的框图，所述触摸屏控制器将测得的电容转换成触摸坐标。
图3是示出了根据一种实施方式的配置成起模数转换器（ADC）的作用的电容感应通道电路的示意图。
图4A和图4B是示出了根据一种实施方式的电容感应通道电路的操作的时序图。
图5A是示出了根据一种实施方式的用于接收非同步的触笔发射信号的正交接收器的框图。
图5B是示出了根据一种实施方式的正交接收器的操作的表。
图6A是示出了根据一种实施方式的用于接收非同步的触笔发射信号的正交接收器的框图。
图6B是示出了根据一种实施方式的用于接收非同步的触笔发射信号的正交接收器的框图，所述正交接收器具有用于检测无源的触摸物体的额外的并行信号处理通道。
图7是示出了根据一种实施方式的正交接收器的电容式感应通道频率峰值的简图。
图8A是示出了根据一种实施方式的用于接收非同步的触笔发射信号的双平衡的正交接收器的框图。
图8B是示出了根据一种实施方式的三循环的最小二乘估计器的数据流的简图。
图9是示出了根据一种实施方式的使用多个同步振荡器的多通道正交信号接收器的一种实现方案的框图。
详细描述
以下描述阐明了许多具体细节，例如特定的系统、部件、方法等的例子，以便提供对本发明的几种实施方式的好的理解。然而，对本领域技术人员将明显的是，至少本发明的一些实施方式可在没有这些具体细节的情况下被实践。在其它情况下，熟知的部件或方法未被详细描述，或以简单的框图形式呈现，以避免不必要地使本发明难以理解。因此，所阐明的具体细节仅仅是示例性的。特定的实现方案可根据这些示例性细节而改变，且仍被设想为在本发明的范围内。
描述了一种用于实现正交信号接收器的方法和装置的实施方式，该正交信号接收器使用同步振荡器从非同步的触笔接收发射信号。在一种实施方式中，信号发生器生成第一内部发射信号，且单一的接收器从电容式感应阵列接收第二触笔信号。单一的接收器可被配置成在第一触笔操作模式中处理第二触笔信号，用于对靠近电容式感应阵列的触笔的触笔感应。单一的接收器可另外在第二手指操作模式中处理第二信号，用于对靠近电容式感应阵列的无源触摸物体（例如，手指）的触摸感应。在一种实施方式中，通过电容式感应阵列从触笔接收到的第二信号与第一内部发射信号是不同步的。正交信号接收器可被配置成使用同步的弛张振荡器作为逐循环的ADC。正交信号接收器可被进一步配置成通过提供用于相同的逐循环的ADC的数据流的不同的解调算法来与处理来自无源触摸物体例如手指的触摸并行地处理来自触笔的发射信号。
图1是示出了电子系统100的一种实施方式的框图，电子系统100具有用于检测触摸物体140和触笔130的存在的处理设备110。电子系统100包括处理设备110、触摸屏125、触摸传感器平板120、触笔130、主处理器150、嵌入式控制器160和非电容感应元件170。在所描绘的实施方式中，电子系统100包括通过总线122耦合到处理设备110的触摸屏125。触摸屏125可包括多维的电容式感应阵列。多维的感应阵列可包括按行和列编组的多个感应元件。在另一实施方式中，触摸屏125作为全点可寻址的（“APA”）互电容感应阵列操作。在另一实施方式中，触摸屏125作为耦合电荷接收器操作。
下面，参考图2A-9详细描述用于检测和跟踪触摸物体140和触笔130的处理设备110和触摸屏125的操作和配置。简言之，处理设备110被配置成检测触摸屏125上的触笔130的存在以及触摸物体140的存在。处理设备110可单独地检测并跟踪触摸屏125上的触笔130和触摸物体140。在一种实施方式中，处理设备110可同时检测并跟踪触摸屏125上的触笔130和触摸物体140二者。如本文所述，触摸屏125与触笔130电容地耦合，这与传统的电感式触笔应用相反。还应注意，用于触摸屏125的相同组件，被配置为检测触摸物体140，也用来检测和跟踪触笔130，而无需与传统的实现一样的用于电感地跟踪触笔130的额外的PCB层。
在所描述的实施方式中，处理设备110包括模拟和/或数字通用输入/输出（“GPIO”）端口107。GPIO端口107可以是可编程的。GPIO端口107可耦合到可编程互连和逻辑（“PIL”），其充当GPIO端口107和处理设备110的数字块阵列（未示出）之间的互连。在一种实施方式中，数字块阵列可被配置成使用可配置的用户模块（“UM”）实现各种数字逻辑电路（例如，DAC、数字滤波器或数字控制系统）。数字块阵列可耦合到系统总线。处理设备110还可包括存储器，例如随机存取存储器（“RAM”）105和程序闪存104。RAM 105可以是静态RAM（“SRAM”），且程序闪存104可以是非易失性存储器，程序闪存104可用来存储固件（例如，处理核心102可执行的以实现本文所述的操作的控制算法）。处理设备110还可包括耦合到存储器和处理核心102的存储器控制器单元（“MCU”）103。
处理设备110还可包括模拟块阵列（未示出）。模拟块阵列也耦合到系统总线。在一种实施方式中，模拟块阵列也可被配置成使用可配置的UM实现各种模拟电路（例如ADC或模拟滤波器）。模拟块阵列还可耦合到GPIO端口107。
如所示，电容传感器101可被集成到处理设备110。电容传感器101可包括模拟I/O，其用于耦合到外部部件，例如触摸传感器平板120、触摸屏125、触摸传感器滑块（未示出）、触摸传感器按钮（未示出）和/或其它设备。下面，更详细地描述电容传感器101和处理设备110。
在一种实施方式中，电子系统100包括通过总线121耦合到处理设备110的触摸传感器平板120。触摸传感器平板120可包括多维的电容式感应阵列。多维的感应阵列可包括按行和列编组的多个感应元件。在另一实施方式中，触摸传感器平板120是APA互电容感应阵列。在另一实施方式中，触摸传感器平板120作为耦合电荷接收器操作。
在一种实施方式中，电子系统100还可包括通过总线171和GPIO端口107耦合到处理设备110的非电容感应元件170。非电容感应元件170可包括按钮、发光二极管（“LED”）及其它用户接口设备，例如鼠标、键盘或不需要电容感应的其它功能键。在一种实施方式中，总线121、122和171表现为单一的总线。可替换地，这些总线可被配置成一个或多个单独总线的任何组合。
处理设备110可包括内部振荡器/时钟106和通信块（“COM”）108。在另一实施方式中，处理设备110包括扩频时钟（未示出）。振荡器/时钟块106将时钟信号提供给处理设备110的部件中的一个或多个。通信块108可用来通过主机接口（“I/F”）线151与外部部件例如主处理器150通信。可替换地，处理设备110也可耦合到嵌入式控制器160来与外部部件例如主处理器150通信。在一种实施方式中，处理设备110被配置成与嵌入式控制器160或主处理器150通信，以发送和/或接收数据。
处理设备110可存在于共同的载体基板上，例如，诸如集成电路（“IC”）晶片基板、多芯片模块基板或类似物。可替代地，处理设备110的部件可以是一个或多个单独的集成电路和/或分立部件，在一种示例性实施方式中，处理设备110是由加利福尼亚州圣何塞的Cypress半导体公司开发的片上可编程系统
Figure BDA00002631030500061
处理设备。可替代地，处理设备110可以是本领域的那些普通技术人员已知的一个或多个其它处理设备，例如微处理器或中央处理单元、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”）或类似物。
还应注意，本文所述的实施方式不限于具有耦合到主机的处理设备的配置，而是可包括一个系统，所述系统测量感应设备上的电容并将原始数据发送到主计算机，在主计算机中，原始数据由应用程序分析。实际上，由处理设备110完成的处理也可在主机中完成。
电容传感器101可被集成到处理设备110的IC中，或可替代地，集成在单独的IC中。可替代地，电容传感器101的描述可被生成并编译，用于并入其它集成电路。例如，描述电容传感器101或其部分的行为级代码可使用硬件描述语言例如VHDL或Verilog生成，并存储到机器可访问的介质（例如CD-ROM、硬盘、软盘等）。此外，行为级代码可被编译成寄存器传送级（“RTL”）代码、网表或甚至电路布局，并存储到机器可访问的介质。行为级代码、RTL代码、网表和电路布局均表示描述电容传感器101的不同级别的抽象。
应注意，电子系统100的部件可包括上述所有部件。可替代地，电子系统100可以仅包括上述部件中的一些。
在一种实施方式中，电子系统100被用在平板电脑中。可替代地，电子设备可用在其它应用中，例如笔记本电脑、移动手机、个人数据助理（“PDA”）、键盘、电视、遥控器、显示器、手持多媒体设备、手持媒体（音频和/或视频）播放器、手持游戏设备、用于销售交易点的签名输入设备、及电子书阅读器、全球定位系统（“GPS”）或控制面板。本文所述的实施方式不限于用于笔记本实现的触摸屏或触摸传感器平板，而是可用在其它电容式感应实现中，例如，感应设备可以是触摸传感器滑块（未示出）或触摸传感器按钮（例如电容感应按钮）。在一种实施方式中，这些感应设备包括一个或多个电容式传感器。本文所述的操作不限于笔记本电脑指针操作，而是可以包括其它操作，例如照明控制（调光器）、音量控制、图形均衡器控制、速度控制或需要渐进或离散的调整的其它控制操作。还应注意，电容式感应实现的这些实施方式可结合非电容式感应元件一起使用，包括但不限于选择（pick）按钮、滑块（例如，显示器亮度和对比度）、滚动轮、多媒体控制（例如，音量，前进等）手写识别和数字键盘操作。
图2A是示出了系统200的一种实施方式的框图，系统200包括感应阵列202和触摸屏控制器205，触摸屏控制器205将测得的电容转换成触摸坐标。在一种实施方式中，触摸屏控制器205类似于上述的电容传感器101。在另一实施方式中，触摸屏控制器205是处理设备110。感应阵列202包括TX线235和RX线240。在一种实施方式中，触摸屏控制器205包括TX驱动电路210、RX感应电路220和多路转换器230。
在一种实施方式中，无源物体（例如手指或其它导电物体）触摸或靠近接触点245处的感应阵列202。TX驱动电路210用TX信号232驱动TX线235。在一种实施方式中，TX驱动器电路210可包括信号发生器。RX感应电路220测量RX线240上的RX信号234。在一种实施方式中，触摸屏控制器205确定接触点245的位置。TX线235和RX线240通过多路转换器230多路复用。触摸屏控制器205提供TX线235（行）上的TX信号232，且测量RX线240（列）上的电容耦合。在一种实施方式中，TX线235和RX线240是正交的，且可被互换地使用（例如，在列上发射及在行上接收）。在一种实施方式中，TX驱动电路210通过高阻抗ITO面板（TX线235）发射TX信号232，从而限制系统的频率上限和速度。总的扫描时间也可取决于感应阵列202中TX线235和RX线240的数量。例如，根据一种实施方式，TX驱动电路210提供每个TX线235上的TX信号232，且同时读取每个RX线240上的电容耦合的RX信号234。在另一实施方式中，RX线240在两次或多次扫描中被多路复用，如结合图2B所述。这可以是触摸屏控制器205的（多种）操作模式中的一种（例如手指模式）。
图2B是示出了系统202的一种实施方式的框图，在另一操作模式（例如触笔模式）中，系统202包括感应阵列202、触笔280和触摸屏控制器205，触摸屏控制器205将测得的电容转换成触摸坐标。在一种实施方式中，触摸屏控制器205类似于上述的电容传感器101。在另一实施方式中，触摸屏控制器205是处理设备110。感应阵列202可以是上述的触摸屏125或触摸传感器平板120的部分。在一种实施方式中，感应阵列202可包括RX线240和260。触摸屏控制器205可包括RX感应电路220和多路转换器230。触笔280可包括TX驱动电路285和触笔尖端288。
在一种实施方式中，触笔280的TX驱动电路285直接将TX信号277提供到感应阵列202上的接触点295。触笔尖端288可实际地触摸接触点295处的感应阵列202的表面，或可以进入相对接近感应阵列202的范围内。触摸屏控制器205中的RX感应电路220可测量感应阵列202的行（RX线260）和列（RX线240）二者上的RX信号234，且触笔接收器222可识别触笔280的存在。在一种实施方式中，在触笔TX信号277的RX感应期间，触摸屏控制器205执行感应阵列202的触笔扫描。对于触笔扫描，触摸屏控制器205可测量从触笔280电容地耦合到感应阵列202的行电极和列电极的电荷。在N行和M列的阵列中，完整的扫描可以仅包括在每行和每列上的单一的RX信号测量，或N+M次扫描，从而导致了与整个感应阵列的互电容扫描时间相比，整个感应阵列的触笔扫描时间明显减少。在一种实施方式中，多个RX通道可用来同时感应多个RX线。在这种情况下，完整的扫描可以是（N+M）/（＃RX通道）。
如上所述，无源触笔可用作触摸物体来与上述各种触摸屏相接口。与无源触笔相反，有源触笔，如本文所述，提供发射（“TX”）信号277，TX信号277通常在手指感应模式中由触摸屏控制器205提供。在一种实施方式中，触笔280将触笔TX信号277电容地耦合到感应阵列202。在一种实施方式中，触笔信号的幅值、频率、相位等可与被触摸屏控制器205用于手指感应的那些相同或类似。可替代地，触笔TX信号277可在幅值、频率和/或相位上不同于用于手指感应的TX信号，并且因此可与TX信号232不同步。在另一实施方式中，触笔TX信号277可具有用于代码调制的不同于用于手指感应的TX信号的代码的代码。在一种示例性实施方式中，触笔TX信号277具有比手指感应TX信号更大的幅值。
在一种实施方式中，触笔TX信号277的频率不同于手指感应TX信号的频率。通过使用不同的TX频率，触摸屏控制器205可区分触笔TX信号和手指感应TX信号。可替代地，如本领域的那些普通技术人员受益于本公开将理解的，触摸屏控制器205可使用其他技术区分触笔TX信号与TX驱动电路210TX信号232，所述其他技术例如检测信号特性（例如相位、频率、幅值和编码调制）中的差异。本文所述的各种实施方式适用于使用非栓系的或无线的有源触笔的任何互电容触摸屏系统，所述无线的有源触笔配置成电容地耦合到所述互电容阵列。
在一种实施方式中，非同步的电容式触笔接收器222具有低阻抗的电流输入（即，RX信号234）。低阻抗的电流输入允许根据感应阵列202的传感器电极中的寄生电容变化消除触笔接收器输入信号依赖性。当人的手指或手掌在感应阵列202上或附近出现时，传感器寄生电容可能改变，但是，触笔位置在这种情况下不应被改变。当触笔接收器222具有低阻抗的输入时，变化的面板寄生电容可以对接收器信号不具有影响。另外，电容式触笔接收器222可提供窄带感应，用于带外噪声减小。在一种实施方式中，触笔接收器222应提供仅针对触笔发射器频率的感应。此外，接收器带宽应是容易地可控的，以消除使用更昂贵的陶瓷或晶体振荡器的需要。此外，触笔接收器222可提供在短的时间间隔内执行转换的能力。例如，触笔位置感应时间可仅占用触笔发射器载波信号的约20-30个周期。这允许在短的时间周期内（例如2毫秒）感应整个感应阵列202。触摸屏控制器读数也可与触笔发射器载波信号277的初始相位无关。这允许接收器在发射器载波信号277的不同的初始相位条件下提供相同的读数。
图3是示出了根据本发明的一种实施方式的配置成起模数转换器（ADC）的作用的电容感应通道电路的示意图。该电容感应通道电路300可以是相对低成本的，且仅使用一个积分器310（或有源或无源的）、比较器320和计数器340及最少量的逻辑门。该ADC可提供逐循环的转换能力，并可在一个操作周期产生两个数值样本。ADC数值样本可与从VTX信号的上升沿/下降沿到比较器触发时间的时间间隔成正比。在一种实施方式中，电容感应通道电路300被配置成起逐循环的ADC的作用。在一种实施方式中，输入电流IS从电容式感应阵列202被接收。输入电流IS可等于图2B中的RX信号234，且可被施加到积分器310的输入端。在一种实施方式中，积分器310执行输入电流IS的时间积分并测量电流的总电荷。在一种实施方式中，对于积分器310的每半个周期，来自输入电流IS的电荷远少于通过外部电容器315CXP传送的电荷。在一种实施方式中，CXP是连接到从信号发生器（例如TX驱动电路210）接收的内部TX信号的反馈电容器。在这种实施方式中，电容感应通道电路300可在传统的模式下操作，而没有由非同步的输入电流IS所引起的限幅或饱和。
积分器310的输出可施加到比较器320，在此，积分器310的输出（Vcint）与参考电压（例如VDD/2）比较。比较器的输出（Vcomp）可施加到时钟电路330，时钟电路330可测量比较器320的时间间隔。计数器340对从VTX信号的上升沿/下降沿二者到比较器320触发的时间间隔的数量进行计数。在一种实施方式中，比较器320的时间间隔直接与每半个周期通过外部电容器315CXP（ITX）注入到积分器310以及来自电流输入IS的电荷的代数和成正比。IDAC 325起电荷平衡作用并可供给电流IDAC，且流经CXP的内部TX线电流ITX电流可具有每半个操作周期交替的方向、保持每半个周期的总电荷平衡。在其它实施方式中，该IDAC 325可用来提供操作电流，而不是流经CXP315的电流。
在一种实施方式中，逐循环的ADC的操作可包括转换DC电流IS。如果输入电流IS具有恒定的正值，那么当输入电流IS与内部发射电流ITX在相同的方向上时，这增加了每半个周期的时间间隔。相反，当IS和ITX在不同方向上流动时，每半个周期的时间间隔可能减小，这减小了积分器的输入电流。输入电流IS被电容式感应通道电路300转换为一个值，该值表示从时间间隔的原始的基础水平TB的时间间隔变化△T。基线TB表示流经电容器CXP的电荷所引起的时间间隔。该△t变化的符号（即，+或-）可每半个周期交替。输出信号Vout可施加到计数器340，计数器340可将时间间隔转换为相应的数值XB和△X。计数器340可由高频时钟信号（未示出）计时。计数器340可在VTX信号的或正边沿或负边沿处被复位。计数器340可计数，直到它被信号Vout的低值禁用。VTX的下一边沿可再次将计数循环初始化。至于一个VTX周期，计数器340可产生由该信号的上升沿和下降沿触发的两个数据样本。XB可再次表示基线值，且△X是输入电流IS所引起的变化。
图4A和图4B是示出了根据本发明的一种实施方式的电容感应通道电路300的操作的时序图。如上所述，输入电流IS可具有随时间推移而恒定的正值。当在电容式感应阵列202上检测到手指触摸时以及当在电容式感应阵列202上未检测到手指触摸时，内部发射电压Vtx可在高值和低值之间交替。在一种实施方式中，如上所述，在一种操作模式中，当触摸屏控制器205在感应手指或其它触摸物体的存在时，内部TX信号232被驱动到发射线235上。在这种情况下，发射电压Vtx可具有正值。在另一操作模式（例如触笔模式）中，当TX信号232未被驱动时，Vtx可以为零或某个其它的低值。在一种实施方式中，当Vtx具有高值时，比较器320的时间间隔tout可从基线值TB增加(+△t)，导致了TB+△t的时间间隔tout。类似地，从计数器340输出的数值X(n)可从基线值XB增加(+△X),导致了XB-△X的值。可替代地，当Vtx具有低值时，比较器320的时间间隔tout可从基线值TB减小(-△t)，导致了TB-△t的时间间隔tout，且从计数器340输出的数值X(n)可从基线值XB减小(-△X),导致了XB-△X的值。
图5A是示出了根据本发明的一种实施方式的用于接收非同步的触笔发射信号的正交接收器的框图。在一种实施方式中，建立使用相同的输入信号（例如输入电流IS）且以发射频率FTX正交地操作的两个完全并行的接收器通道可能是困难的。图5A示出了正交接收器500的一种解决方案。在一种实施方式中，接收器500可以是图2B所示的触笔接收器222的一个例子。
在一种实施方式中，来自电容式感应阵列的输入信号IS被模数转换器（ADC）510接收。在一种实施方式中，ADC 510可包括电容感应通道电路300。ADC 510还可接收频率，该频率可以是2*FTX。如上所述，ADC 510的输出可以是对应于时间间隔的数值XB±△X。该输出可被分成两个流（例如，同相输入流（I）和正交输入流（Q））。每个输入流可乘以一个±1的值的序列。例如，同相输入流可由乘法器512乘以IRef(n)=1,1,-1,-1，...，且正交输入流可由乘法器514乘以QRef(n)=1,-1,-1,1,...。该乘法的结果可分别被识别为两个正交流XI(n)和XQ(n)。这些流XI(n)和XQ(n)中的每一个可被低通滤波器522和524滤波，以形成分别对应于输入信号的同相分量和正交分量的流I(n)和Q(n)。图5B以表格的形式概括了接收器500的操作。
图6A是示出了根据本发明的一种实施方式的用于接收非同步的触笔发射信号的正交接收器的框图。对于解调序列IRef(n)=1,1,-1,-1和QRef(n)=1,-1,-1,1,...，接收器在频率FTX/2、3FTX/2、5FTX/2...处可具有频率峰值。每个正交分量可包含输入电流信号IS对（vs.）ADC采样时钟2FTX的相位信息。因为触笔信号的初始相位不是已知的，所以该相位依赖性可根据所得到的幅值计算被消除。这可以通过求取单独的正交分量的平方来实现。平方根单元消除了接收器响应对（vs.）输入信号电平的非线性。在一种实施方式中，低通滤波器522和524可被实现为积分器或简单的低通滤波器。
在一种实施方式中，信号感应在积分器522和524的复位处开始。在n个样本数据的积分后，积分器值I和Q被转移到幂平方单元632和634。幂平方单元可求取值I和Q的平方。然后，该平方值可被求和640，且平方根650在转换的末尾处被计算。结果YC可被传送，例如用于触摸坐标计算。该计算可由处理设备110执行。
关于图6A所描述的接收器可允许电容式感应阵列202使用具有两种不同的操作模式的单一的接收器检测手指和非同步的触笔二者的存在或通过增加额外的并行处理通道同时地检测手指和非同步的触笔二者的存在，如图6B所示。在最简单的情况下，该并行处理通道只包括积分器626，因为面板202由VTX信号232激发，且输入电流相位是已知的。在这种情况下，建立额外的正交通道可能是不必要的，且具有相位选择性的接收器可以是足够的。由于ADC将每半个周期的输入电流IS转换结果倒置，所以该操作可通过将每个数据样本XN乘以序列+1,-1,+1,-1，...来表示。因此，仅通过求两个输入数据流的积分（即，加在一起），我们得到了窄带的但具有相位选择性的接收器，其在频率1FTX、3FTX、5FTX、7FTX、...处具有灵敏度峰值。
假设内部发射频率FTX在触笔触摸感应模式和手指触摸感应模式之间不发生改变，则在一种实施方式中，触摸检测模式中的电容式感应通道在FTX频率处可具有主灵敏度峰值，而在1FTX、3FTX、5FTX、7FTX、...处具有其奇次谐波。在触笔感应模式中，电容式感应通道在FTX/2处可具有频率响应的峰值，而在3/2FTX、5/2FTX、7/2FTX、...处具有其奇次谐波。因此，在手指接收模式下，电容式感应通道频率峰值不与来自触笔发射器的推断重叠，如图7所示。如果触笔发射器285只产生奇次谐波（例如，预期具有矩形的、50％占空比的输出信号），则在手指感应模式中，这些谐波不应干扰接收通道。
不同的感应模式（即，手指感应和触笔感应）在逐周期的后处理选择上不同。因为感应机（engine）操作未被改变，所以对于不同的模式，基本的电容感应通道设置不改变。对相同的数据流使用不同的后处理算法（例如，使用不同的解调序列），允许潜在地实现完全并行的触笔和触摸感应，因为并行处理通道允许建立具有不同的中心频率的接收器。唯一的变化是，在触笔扫描模式中，电容感应阵列202中的所有电极被连接到接收器输入端（而行被连接到发射器）。然后，在接收电极被连接的坐标处，并行数据处理允许触笔和触摸检测。然而，在一种实施方式中，在检测靠近电容感应阵列202的触笔时，触笔接收器22可以切换到触笔单独感应模式，这可以消除由于任何触笔发射器信号中可能存在的偶次谐波导致的任何干扰。
使用同步振荡器的正交信号接收器的可替代的实施方式可包括关于图5A、6A和6B所描述的接收器的变型。该变型，包括使用固定的采样时间间隔、使用相同的IDAC极性用于相邻的操作半周期以及双平衡的正交接收器可改善接收器性能，尤其是补偿了ADC非线性、提供了具有输入信号相位独立等的读数、考虑了实数分量实施特性和非理想性。
在一种实施方式中，积分区间方差可由积分电容器CINT放电时间对输入信号电平的依赖导致。当来自触笔的信号与IDAC放电电流同相时，积分电容器CINT的放电时间减小。当该信号相位相反时，放电时间增加。触笔信号对输出信号的影响相应地改变。在一种实施方式中，输入信号IS连接到积分器310一固定的时间期间tgate，以得到用于每个循环的相同的积分区间。该采样时间可以比最小转换时间更短。固定的区间可显著降低噪声水平。
在另一实施方式中，为了检查IDAC不对称性对相位特性不规则性的影响，可使用单极测量。在本实施方式中，可使用添加的额外的IDAC，以对积分电容器CINT充电。额外的IDAC可被连接以在信号VTX的任一边沿对积分电容器CINT充电。在所述充电完成后，另一IDAC可被连接以对电容器CINT放电。
在另一实施方式中，在接收器的输出上形成寄生DC分量可由输入电路（例如，混频器、ADC等）的二次非线性引起。这可导致接收器相位特性的不规则（例如，接收器输出信号幅值对输入信号相位的依赖）。为减小寄生分量对接收器输出的影响，在一种实施方式中，可使用双平衡的正交接收器。
图8A是示出了根据本发明的实施方式的具有四个并行通道的双平衡的正交接收器800的框图，四个并行通道用于接收非同步的触笔发射信号。在一种实施方式中，在每个信号Tx半个周期之后，来自计数器340的数据通过直接存储器访问（DMA）通道801发送到存储器（例如RAM 802）。输入数据可通过由2*FTX控制的开关被分成两个流。偶数计数可依次相乘，成为在0°和90°的正交系，而奇数计数成为在180°和270°的正交系：
0°→I1Ref(n)=+1,-1,-1,+1；
90°→Q1Ref(n)=+1,+1,-1,-1；
180°→I2Ref(n)=-1,+1,+1,-1；
270°→Q2Ref(n)=-1,-1,+1,+1。
相乘的结果可施加到积分器形式的低通滤波器，且差分对I1、I2和Q1、Q2从积分器的输出中获得。差分对的可用性允许抑制输出I和Q上的恒定分量。差分对可被组合、求平方、相加在一起及求平方根，这类似于上面所讨论的处理。最终结果可用于额外的处理，以检测触笔的存在和位置。
相对于图6所示的单平衡的正交检测器，图8A所示的双平衡的正交检测器可提供两个主要改进。在一种实施方式中，双平衡的正交接收器800可使用较低的过采样率（例如，8/3x，而不是单平衡接收器情况下的4x）。此外，双平衡的正交接收器800可以对ADC内部的二次失真较不敏感。这些改进可以稍高的复杂性为代价实现，但是性能改进可以是可观的。
在另一实施方式中，触笔发射信号的幅值的估计可使用最小二乘优化方法获得。这种估计可用在其中发射器和接收器之间不能获得同步的接收器中。首先，具有4x的过采样率的单循环的最小二乘估计器可相当于图6所示的单平衡的正交检测器。其次，三循环的最小二乘估计器可使用与双平衡的正交接收器800相同数量的样本和过采样率操作，但可提供更优越的性能。
最小二乘是具有广泛的应用的优化方法。在一种实施方式中，该方法可用于已知频率的正弦波幅值估计，以确定适合给定的数据集的最可能的正弦波。已知周期性的正弦波的参数模型由下式给出：
f(t)=Asin(w0t)+Bcos(w0t)+C
其中，T0=2π/w0定义周期，且
Figure BDA00002631030500151
是幅值。为了讨论的目的，T1可表示采样周期。最小二乘方法可包括寻找使成本最小化的函数f(t)的参数。
在一种实施方式中，三循环的最小二乘估计器在8个样本和输入信号IS的3个周期上操作。为了使用双平衡的正交接收器800估计幅值，可确定的是不同的乘法序列可能产生最佳的结果。例如，乘法序列可包括值其中，该序列根据合适的处理流被移位。图8B示出了根据本发明的一种实施方式的三循环的最小二乘估计器的数据流。在一种实施方式中，数据流850的前端包括输入信号的8个样本的累加、8次乘法运算，后面是10次加法。数据流850的末端包括2次乘法，后面是加法和平方根运算。每组的8个样本可产生信号幅值的一次估计。当有完美的操作频率匹配时，三循环的最小二乘估计器对输入信号的相位可能是不敏感的。然而，这样的频率匹配发生在两个非同步的系统之间是不太可能的。频率失配引入了幅值估计对输入信号的相位的依赖性。在+/-4%的标称频率的频率范围内，可实现约14%的误差。对相位的敏感度可通过增加积分时间被最小化。通过对估计器输出求32次估计的平均值，感兴趣的频率范围上的最大误差可减小到约低于0.4%。
在一种实施方式中，三循环的最小二乘估计可呈现3/8的采样频率的最大信号灵敏度。估计器也可以不受DC偏移量的影响，且提供对二次失真的高免疫力。
图9是示出了根据本发明的实施方式的使用多个同步振荡器的多通道正交信号接收器的一种实现方案的框图。这种实现是Cypress半导体公司所生产的PSoC3/5微控制器的资源的有效实现。多种实现方案可被考虑用于实际的接收器实现。考虑到每个操作循环只有加法和减法需要被执行，在一种实施方式中，数据路径算术逻辑单元（ALU）可被用于该目的。累加结果、求平方、平方根计算可由数字滤波器块（DBF）提供。考虑到触笔信号的有限的预期的动态范围，平方根可通过迭代或使用级数表示法被计算。这应该是非常快的，且能提供好的准确度。
在一种实施方式中，接收器900包括多个通道CH1、CH2、CH3、CH4。对于每个通道，比较器902的输出端被连接到低分辨率计数器904（例如4位）的使能输入端。这种低分辨率计数器904可以在最大速度运行，用于通道量化误差的减小。考虑到ALU 906不能以全低分辨率计数器速度运行，累加步骤可由ALU 906执行。ALU操作序列可以是例如1,1,1,1,1，...，-1,-1,-1,-1,-1，.......。ALU 906执行正交和累加，并当累加完成时，使用DMA将结果传送到DFB 910。状态机912可控制4个不同的数据路径ALU，控制内部操作循环及通过DFB 910初始化处理的结果。其它实现可使用单一的ALU 906用于所有通道。DFB 910的输出可提供给额外的触摸检测电路。
本发明的实施方式包括本文所述的各种操作。这些操作可通过硬件部件、软件、固件或其组合来执行。在本文所述的各种总线上提供的信号中的任一个可与其它信号时间复用，且可被提供在一个或多个公共总线上。此外，电路部件或块之间的互连可被示出为总线或示出为单一的信号线。可替代地，总线中的每一个可以替代地是一个或多个单一的信号线，而且所述单一的信号线中的每一条可以替代地是总线。
某些实施方式可被实现为计算机程序产品，其可包括存储在机器可读介质上的指令。这些指令可用来对通用或专用处理器编程，以执行所述操作。机器可读介质包括用于存储或传送机器（例如，计算机）可读形式（如，软件、处理应用程序）的信息的任何机制。机器可读介质可包括但不限于磁存储介质（例如软盘）；光存储介质（例如CD-ROM）；磁-光存储介质；只读存储器（ROM）；随机存取存储器（RAM）；可擦除可编程存储器（例如EPROM和EEPROM）；闪存；或适合于存储电子指令的另一类型的介质。
此外，一些实施方式可在分布式计算环境中被实施，其中机器可读介质被存储在多于一个的计算机系统上并且/或者被多于一个的计算机系统执行。此外，在计算机系统之间传送的信息可穿过连接计算机系统的通信介质或被拉出或被推入（pulled or pushed）。
本文所述的数字处理设备可包括一种或多种通用处理设备，例如微处理器或中央处理单元、控制器、或类似设备。可替代地，数字处理设备可包括一种或多种专用处理设备，例如数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或类似设备。例如，在可替代的实施方式中，数字处理设备可以是网络处理器，网络处理器具有包括核心单元和多个微引擎的多个处理器。另外，数字处理设备可包括通用处理设备和专用处理设备的任意组合。
虽然本文的方法的操作以特定的顺序被示出和描述，但是每种方法的操作的顺序可被改变，使得某些操作可以相反的顺序被执行，或使得某种操作可至少部分地与其它操作同时被执行。在另一实施方式中，不同操作的指令或子操作可以间歇和/或交替的方式执行。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
处理设备；
信号发生器，其耦合到所述处理设备且配置成生成第一信号；及
单一的接收器，其耦合到所述处理设备且配置成从电容式感应阵列接收第二信号，其中所述单一的接收器被配置成在第一操作模式中处理所述第二信号，用于对靠近所述电容式感应阵列的触笔的触笔感应，且被配置成在第二操作模式中处理所述第二信号用于对靠近所述电容式感应阵列的无源触摸物体的触摸感应，其中所述第二信号与所述第一信号是不同步的。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述处理设备被配置成响应于检测到靠近所述电容式感应阵列的触笔，将所述单一的接收器切换到所述第一模式，其中所述第一模式包括触笔单独感应。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述处理设备被配置成处理所述单一的接收器的输出，以基于所述第二信号确定靠近所述电容式感应阵列的触笔的位置。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述单一的接收器包括逐循环的模数转换器（ADC），所述模数转换器配置成使用所述第一信号作为参考信号来处理全波同步检测的一次循环的半个周期的转换结果。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述接收器还包括：
第一处理流，以处理所述第二信号的同相分量；及
第二处理流，以处理所述第二信号的正交分量。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述第一处理流包括第一乘法器和第一低通滤波器，所述第一乘法器将所述同相分量乘以第一序列，所述第一低通滤波器耦合到所述第一乘法器的输出端，且其中所述第二处理流包括第二乘法器和第二低通滤波器，所述第二乘法器将所述正交分量乘以第二序列，所述第二低通滤波器耦合到所述第二乘法器的输出端，其中所述第二序列包括所述第一序列的相移形式。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述第一序列和所述第二序列使用最小二乘优化技术被确定。
8.一种方法，包括：
生成发射信号；
由单一的接收器接收来自电容式感应阵列的接收信号；及
在第一操作模式中，由所述单一的接收器处理所述接收信号用于对靠近所述电容式感应阵列的触笔的触笔感应，以及在第二操作模式中，由所述单一的接收器处理所述接收信号用于对靠近所述电容式感应阵列的无源触摸物体的触摸感应，其中所述接收信号与所述第一信号是不同步的。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：
响应于检测到靠近所述电容式感应阵列的触笔，将所述单一的接收器切换到所述第一模式，其中所述第一模式包括触笔单独感应模式。
10.如权利要求8所述的方法，还包括：
处理所述单一的接收器的输出，以基于所述接收信号确定靠近所述电容式感应阵列的触笔的位置。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述单一的接收器包括逐循环的模数转换器（ADC），所述模数转换器配置成使用所述发射信号作为参考信号来处理全波同步检测的一次循环的半个周期的转换结果。
12.如权利要求8所述的方法，其中处理所述接收信号用于触笔感应包括：
确定所述接收信号的时间间隔；及
将所述时间间隔转换成数值，其中所述数值被表示为距离基线值的差。
13.如权利要求8所述的方法，其中处理所述接收信号用于触笔感应包括：
将所述发射信号分成同相信号分量和正交信号分量；
将所述同相信号分量乘以第一序列，以产生同相值；
将所述正交信号分量乘以第二序列，以产生正交值，其中所述第二序列是所述第一序列的相移形式；
过滤所述同相值和所述正交值中的每一个；及
将过滤后的同相值与过滤后的正交值结合。
14.如权利要求13所述的方法，其中使用最小二乘优化技术来确定所述第一序列和所述第二序列。
15.一种系统，包括：
电容式感应阵列；
触笔；及
感应设备，其耦合到所述电容式感应阵列，其中所述感应设备包括：
信号发生器，其配置成生成第一信号；及
单一的接收器，其配置成从所述电容式感应阵列接收第二信号，其中所述单一的接收器被配置成在第一操作模式中处理所述第二信号用于对靠近所述电容式感应阵列的触笔的触笔感应，并配置成在第二操作模式中处理所述第二信号用于对靠近所述电容式感应阵列的无源触摸物体的触摸感应，其中所述第二信号与所述第一信号是不同步的。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述感应设备被配置成响应于检测到靠近所述电容式感应阵列的触笔，将所述单一的接收器切换到所述第一模式，其中所述第一模式包括触笔单独感应模式。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述感应设备被配置成处理所述单一的接收器的输出，以基于所述第二信号确定靠近所述电容式感应阵列的触笔的位置。
18.如权利要求15所述的系统，其中所述单一的接收器包括逐循环的模数转换器（ADC），所述模数转换器配置成使用所述第一信号作为参考信号来处理全波同步检测的一次循环的半个周期的转换结果。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述接收器还包括：
第一处理流，以处理所述第二信号的同相分量；及
第二处理流，以处理所述第二信号的正交分量。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述第一处理流包括第一乘法器和第一低通滤波器，所述第一乘法器将所述同相分量乘以第一序列，所述第一低通滤波器耦合到所述第一乘法器的输出端，且其中所述第二处理流包括第二乘法器和第二低通滤波器，所述第二乘法器将所述正交分量乘以第二序列，所述第二低通滤波器耦合到所述第二乘法器的输出端，其中所述第二序列包括所述第一序列的相移形式。
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