CN103797451A - 触控感应方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于生成触控电容测量的测量方法。增益和偏置控制信号被生成，其中增益和偏置控制信号（V_G,V_OS）被调整以补偿触控传感器（202）的基本电容。在时钟信号（CLK1）的第一阶段期间，增益控制信号（V_G）被施加到触控传感器（202），并且在该时钟信号的第二阶段期间，偏置控制信号（V_OS）被施加到输出电路（209）。在该时钟信号的第二阶段期间，输出电路（209）被耦合到触控传感器（202）。通过用增益和偏置控制信号补偿基本电容来生成触控电容测量，并且增益被应用于该触控电容测量。

Description

触控感应方法和设备

技术领域

本发明总体涉及电容式触控传感器，并且更特别地涉及感测电容式触控传感器中的细微变化。

背景技术

电容式触控传感器（例如触控按键）被越来越多地用在人机接口设备中。这些触控传感器通常具有基本电容，并基于检测到由于靠近传感器的电介质（即，手指）的存在而导致的基本电容增加而工作。在一些触控传感器的情况下，基本电容（其可以被称为触控电容）的这种改变或变化可以小至0.5%。这意味着，如果采用10位逐次逼近寄存器型（SAR）模数转换器（ADC）来数字化这种测量，则触控电容测量可能被限制为大约5个最低有效位。因此，很容易出现由于噪声导致的误差。此外，基本电容可能随着时间漂移，这会产生进一步的误差。因此，需要能够准确地测量微小触控电容的改进型触控传感器。

常规系统的一些示例在下列文献中进行了描述：美国专利No.5,463,388；美国专利No.7,764,274；美国专利预授权公开No.2007/0074913；美国专利预授权公开No.2008/0116904；美国专利预授权公开No.2009/0066674；美国专利预授权公开No.2009/0153152；美国专利预授权公开No.2010/0201382；以及PCT公开No.WO2007044360。

发明内容

一个实施例提供一种设备。所述设备包含：接口，其被配置为与具有基本电容（base capacitance）的触控传感器通信；以及电容电压转换器，其接收时钟信号并耦合到所述接口，其中电容电压转换器生成增益控制信号和偏置信号，并且其中电容电压转换器被配置为在时钟信号的第一阶段期间将增益控制信号施加到触控传感器，并且增益和偏置控制信号被调整以补偿基本电容，并且其中在时钟信号的第二阶段期间电容电压转换器使用增益和偏置控制信号来补偿基本电容并且提供触控电容测量值。

根据一个实施例，输出电路包括电容器，该电容器被配置为是可调整的。

根据一个实施例，电容电压转换器进一步包含：增益控制电路，其耦合到接口并接收时钟信号；输出电路，其耦合到增益控制电路，其中输出电路包括电容器；以及偏置控制电路，其耦合到输出电路并接收时钟信号。

根据一个实施例，增益控制电路进一步包含：第一传输门，其耦合在接口和输出电路之间并在时钟信号的第二阶段期间被激活；第二传输门，其耦合到接口并在时钟信号的第一阶段期间被激活；以及数模转换器（ADC），其耦合到第二传输门并生成增益控制信号。

根据一个实施例，DAC进一步包含第一DAC，并且其中增益控制电路进一步包含：第二DAC，其生成偏置控制信号；第三传输门，其耦合在第二DAC和输出电路之间并在时钟信号的第二阶段期间被激活；以及第四传输门，其耦合到输出电路并且在时钟信号的第一阶段期间被激活。

根据一个实施例，时钟信号进一步包含第一时钟信号，并且其中电容器进一步包含第一电容器，并且其中输出电路进一步包含：第二电容器，其耦合在第三和第四传输门之间；放大器，其具有第一输入终端、第二输入终端和输出终端，其中放大器的第一输入终端耦合到第二电容器和第一传输门，并且其中第一电容器耦合在放大器的第一输入终端和放大器的输出终端之间，并且其中放大器的第二输入终端接收共模电压；以及第五传输门，其由第二时钟信号控制并耦合在放大器的第一输入终端和放大器的输出终端之间。

根据一个实施例，提供一种设备。所述设备包含：触控面板，其具有多个触控传感器，其中每个触控传感器都具有基本电容；触控面板控制器，其具有耦合到每个触控传感器的接口；电容电压转换器，其具有：耦合到接口并接收时钟信号的增益控制电路，其中增益控制电路生成增益控制信号，并且其中增益控制电路被配置为在时钟信号的第一阶段期间将增益控制信号施加到从多个触控传感器中选择的触控传感器；输出电路，其耦合到增益控制电路，其中输出电路被配置为在时钟信号的第二阶段期间耦合到触控传感器；以及偏置控制电路，其耦合到输出电路并接收时钟信号，其中偏置控制电路生成偏置控制信号，并且其中偏置控制电路在时钟信号的第二阶段期间将偏置控制信号施加到输出电路，并且其中增益和偏置控制信号被调整以补偿被选择的触控传感器的基本电容。

根据一个实施例，电容器进一步包含第一电容器，并且其中输出电路进一步包含：耦合到偏置控制电路的第二电容器；以及具有第一输入终端、第二输入终端和输出终端的放大器，其中放大器的第一输入终端耦合到第二电容器和增益控制电路，并且其中第一电容器耦合在放大器的第一输入终端和放大器的输出终端之间，并且其中放大器的第二输入终端接收共模电压。

根据一个实施例，时钟信号进一步包含第一时钟信号，并且其中输出电路进一步包含第一传输门，该第一传输门由第二时钟信号控制并且耦合在放大器的第一输入终端和放大器的输出终端之间。

根据一个实施例，增益控制电路进一步包含：DAC，其生成偏置控制信号；第二传输门，其耦合在DAC和第二电容器之间并且在时钟信号的第二阶段期间被激活；以及第三传输门，其耦合到第二电容器并且在时钟信号的第一阶段期间被激活。

根据一个实施例，DAC进一步包含第一DAC，并且其中增益控制电路进一步包含：第四传输门，其耦合在接口和放大器的第一输入终端之间并在时钟信号的第二阶段期间被激活；第五传输门，其耦合到接口并在时钟信号的第一阶段期间被激活；以及第二DAC，其耦合到第二传输门并且生成增益控制信号。

根据一个实施例，触控面板控制器进一步包含：模数转换器（ADC），其耦合到放大器的输出终端；数字前端（DFE），其耦合到ADC；以及控制逻辑，其耦合到DFE、第一和第二DAC以及第一、第二、第三、第四和第五传输门。

根据一个实施例，ADC是逐次逼近寄存器型（SAR）ADC。

根据一个实施例，DFE使用关联双采样（CDS）提供噪声抑制。

根据一个实施例，提供一种方法。所述方法包括：生成增益和偏置控制信号，其中增益和偏置控制信号被调整以补偿触控传感器的基本电容；在时钟信号的第一阶段期间将增益控制信号施加到触控传感器；在时钟信号的第二阶段期间将偏置控制信号施加到输出电路；在时钟信号的第二阶段期间将输出电路耦合到触控传感器；用增益和偏置控制信号补偿基本电容以生成触控电容测量值；以及将增益施加到触控电容测量值。

根据一个实施例，施加增益控制信号的步骤进一步包含在时钟信号的第一阶段期间将DAC耦合到触控传感器。

根据一个实施例，所述方法进一步包含将具有所施加增益的触控测量值转换为数字信号。

根据一个实施例，所述方法进一步包含对数字信号执行CDS操作以补偿噪声。

附图说明

图1是根据一个实施例的系统示例的图示。

图2是图1的系统的一部分模拟前端（AFE）和触控传感器的详细示例的图示；以及

图3是图2的AFE和触控传感器的操作示例的图示。

具体实施方式

图1示出根据一个示例性实施例的系统100。如图所示，系统100通常包含触控面板102和触控面板控制器104。触控面板102通常包含以各种方式（即，阵列或线型）设置的一个或更多触控传感器（例如触控按键），并且触控面板控制器104通常包括接口或I/F106、AFE108、数字前端（DFE）110、主机控制器112以及控制逻辑114。

在操作中，触控面板控制器104能够检测触控面板106上的触控事件。为了实现该功能，触控屏控制器104能够“浏览（scan through）”或选择触控面板102上的各种触控传感器。扫描或选择通常用接口106（其可以包括多路复用器）来完成以便允许适当的或被选择的触控传感器耦合到AFE108。一旦通过接口106耦合到被选择的触控传感器，AFE108借助于由控制逻辑114提供的控制信号（即，时钟信号）确定被选择的触控传感器的触控事件是否已经发生。AFE108能够数字化DFE110的触控事件的测量值（其应该是触控电容的测量值）。之后，DFE110（其也可以从控制逻辑114接收控制信号）可以对主机控制器112的数字化测量以及其它操作执行误差校正。

然而，执行触控电容的测量可能是困难的，但是AFE108（其在图2中被更加详细地示出）能够相对容易地执行这种测量。如图2的示例所示，来自触控面板102的触控传感器202中的一个通过接口106耦合到AFE108的电容电压转换器203，并且该触控传感器202被显示为由两个电容器C_B和△C_B（其分别表示基本电容和触控电容）形成。AFE108通常包括增益控制电路205、偏置控制电路207以及输出电路209。增益和偏置控制电路205和207通常接收来自控制逻辑114的时钟信号CLK1和反相时钟信号

而输出电路209接收来自控制逻辑114的时钟信号CLK2和反相时钟信号

这些信号CLK1、CLK2、被传输门206-1到206-5所使用，使得当时钟信号CLK1是逻辑高时（即，时钟信号CLK1的一个阶段）传输门206-2和206-4是断开的，当时钟信号CLK1是逻辑低时（即，时钟信号CLK1的另一个阶段）传输门206-1和206-3是断开的，并且当时钟信号CLK2是逻辑高时传输门206-5是断开的。在这种配置下，数模转换器（DAC）204-2（其由控制逻辑114控制）能够在时钟信号CLK1的一个阶段期间（即，当CLK1是逻辑高时）将增益控制信号V_G提供给触控传感器202，同时在该相同的阶段期间基准电压REF被施加到电容器C_OS。这允许电容C_B、△C_B和C_OS被充电。然后，在时钟信号CLK1的另一阶段期间（即，当时钟信号CLK1是逻辑低时），电容器C_B和△C_B耦合到放大器208（优选在其反相终端），并且偏置控制信号V_OS被施加到DAC204-1中的电容器C_OS。此外，放大器208接收共模电压V_CM（优选在其非反相终端）。在使用电容器C_F（其是可调整的）和传输门206-5的情况下，放大器208施加增益并为ADC210（例如，其可以是10位SAR ADC）生成输出信号V_OUT（其对应于触控电容或电容器△C_B的电容的放大测量值）。

典型地，如图3所示，增益和偏置控制信号V_G和V_OS是调制信号，其被调整以补偿基本电容。典型地，这些信号V_G和V_OS可以被表示为：

V_G=△V_G±V_CM，          （1）

和

V_OS=△V_OS±V_CM。          （2）

如在预校准阶段中（即，在调整增益和偏置控制信号V_G和V_OS之前）所示，偏置控制信号V_OS被设定为共模电压V_CM，其导致输出信号V_OUT为：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_G}{C_F}{C}_B+V_{\mathrm{CM}}.---\left(3\right)$

此外，当在后校准（post-calibration）阶段中施加偏置电压V_OS时，输出信号V_OUT为：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_G}{C_F}{C}_B-\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OS}}}{C_F}{C}_{\mathrm{OS}}+V_{\mathrm{CM}}.---\left(4\right)$

由于预校准阶段的输出电压V_OUT（如等式（3）所示）是电容器C_B的电容的函数，因此系统100（即，主机控制器112或控制逻辑114）可以调整偏置控制信号V_OS以使得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{V}_G}{C_F}{C}_B=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OS}}}{C_F}{C}_{\mathrm{OS}}\⇒\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OS}}=\frac{C_B}{C_{\mathrm{OS}}}\mathrm{\Δ}{V}_G.---\left(5\right)$

这导致当电容器△C_B的电容近似为0时输出信号V_OUT近似等于共模电压V_CM，从而有效地“抵消”电容器C_B的电容。当电容器△C_B的电容是非0时（即，当触控事件发生时），输出信号V_OUT是：

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_G}{C_F}(C_B+\mathrm{\Δ}{C}_B)-\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OS}}}{C_F}{C}_{\mathrm{OS}}+V_{\mathrm{CM}}\\ =[\frac{\mathrm{\Δ}{V}_G}{C_F}{C}_B-\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OS}}}{C_F}{C}_{\mathrm{OS}}]+\frac{\mathrm{\Δ}{V}_G}{C_F}\mathrm{\Δ}{C}_B+V_{\mathrm{CM}}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_G}{C_F}\mathrm{\Δ}{C}_B+V_{\mathrm{CM}},\end{array}---\left(6\right)$

其为电容器△C_B的电容的函数。因此，一旦校准，电容电压转换器203能够准确地测量触控电容或电容器△C_B的电容。此外，如等式（6）所示，电容器C_F可以作为增益控制元件操作，以增加灵敏度。

在精确测量触控电容的情况下，DFE110可以在后校准阶段中执行关联双采样（CDS）操作以补偿系统100中的其他噪声（即，60循环噪声）。在图3所示的CDS周期期间，在存在触控造成的噪声耦合的情况下，触控事件期间的CDS输出可以被表示为：

$V_{\mathrm{OUT}}\left(T_1\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_G+V_n\left(T_1\right)}{C_F}\mathrm{\Δ}{C}_B+V_{\mathrm{CM}},---\left(7\right)$

和

$V_{\mathrm{OUT}}\left(T_2\right)=\frac{{-\mathrm{\ΔV}}_G+V_n\left(T_2\right)}{C_F}{\mathrm{\ΔC}}_B+V_{\mathrm{CM}},---\left(8\right)$

使得

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUT},\mathrm{CDS}}=V_{\mathrm{OUT}}\left(T_1\right)-V_{\mathrm{OUT}}\left(T_2\right)\\ =2\frac{\mathrm{\Δ}{V}_G}{C_F}{\mathrm{\ΔC}}_B+\frac{{\mathrm{\ΔC}}_B}{C_F}(V_n\left(T_1\right)-V_n\left(T_2\right))\end{array}---\left(9\right)$

从等式（9）中可以看出，噪声分量是V_n(T₁)-V_n(T₂)，所以通过增加采样周期（即，T_S=T₁-T₂），可以使噪声非常小。

本领域技术人员将理解，可以对所描述的示例性实施例进行修改，并且很多其他实施例在所要求保护的发明范围内是可能的。

Claims (19)

1.一种设备，其包含：

接口，其被配置为与具有基本电容的触控传感器通信；以及

电容电压转换器，其接收时钟信号并且被耦合到所述接口；

其中所述电容电压转换器生成增益控制信号和偏置信号；

其中所述电容电压转换器被配置为在所述时钟信号的第一阶段期间将所述增益控制信号施加到所述触控传感器，并且所述增益和偏置控制信号被调整以补偿所述基本电容；并且其中所述电容电压转换器在所述时钟信号的第二阶段期间使用所述增益和偏置控制信号来补偿所述基本电容并且提供触控电容测量。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述输出电路包括电容器，所述电容器被配置为是可调整的。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述电容电压转换器进一步包含：

增益控制电路，其耦合到所述接口并接收所述时钟信号；

输出电路，其耦合到所述增益控制电路，其中所述输出电路包括所述电容器；以及

偏置控制电路，其耦合到所述输出电路并接收所述时钟信号。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述增益控制电路进一步包含：

第一传输门，其耦合在所述接口和所述输出电路之间并在所述时钟信号的所述第二阶段期间被激活；

第二传输门，其耦合到所述接口并在所述时钟信号的所述第一阶段期间被激活；以及

数模转换器即DAC，其耦合到所述第二传输门并生成所述增益控制信号。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述DAC进一步包含第一DAC，并且其中所述增益控制电路进一步包含：

第二DAC，其生成所述偏置控制信号；

第三传输门，其耦合在所述第二DAC和所述输出电路之间并在所述时钟信号的所述第二阶段期间被激活；以及

第四传输门，其耦合到所述输出电路并在所述时钟信号的所述第一阶段期间被激活。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述时钟信号进一步包含第一时钟信号，并且其中所述电容器进一步包含第一电容器，并且其中所述输出电路进一步包含：

第二电容器，其耦合到所述第三和第四传输门；

放大器，其具有第一输入终端、第二输入终端和输出终端，其中所述放大器的所述第一输入终端耦合到所述第二电容器和所述第一传输门，并且其中所述第一电容器耦合在所述放大器的所述第一输入终端和所述放大器的所述输出终端之间，并且其中所述放大器的所述第二输入终端接收共模电压；以及

第五传输门，其由所述第二时钟信号控制并耦合在所述放大器的所述第一输入终端和所述放大器的所述输出终端之间。

7.一种设备，其包含；

触控面板，其具有多个触控传感器，其中每个触控传感器均具有基本电容；

触控面板控制器，其具有：

接口，其耦合到每个触控传感器；

电容电压转换器，其具有：

增益控制电路，其耦合到所述接口并接收时钟信号，其中所述增益控制电路生成增益控制信号，并且其中所述增益控制电路被配置为在所述时钟信号的第一阶段期间将所述增益控制信号施加到从所述多个触控传感器中选择的触控传感器；

输出电路，其耦合到所述增益控制电路，其中所述输出电路被配置为在所述时钟信号的第二阶段期间耦合到所述触控传感器；以及

偏置控制电路，其耦合到所述输出电路并接收所述时钟信号，其中所述偏置控制电路生成偏置控制信号，并且其中所述偏置控制电路在所述时钟信号的所述第二阶段期间将所述偏置控制信号施加到所述输出电路，并且其中所述增益和偏置控制信号被调整以补偿所选择的触控传感器的所述基本电容。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述输出电路包括电容器，所述电容器被配置为是可调整的。

9.根据权利要求5所述的设备，其中所述电容器进一步包含第一电容器，并且其中所述输出电路进一步包含：

第二电容器，其耦合到所述偏置控制电路；以及

放大器，其具有第一输入终端、第二输入终端和输出终端，其中所述放大器的所述第一输入终端耦合到所述第二电容器和所述增益控制电路，并且其中所述第一电容器被耦合在所述放大器的所述第一输入终端和所述放大器的所述输出终端之间，并且其中所述放大器的所述第二输入终端接收共模电压。

10.根据权利要求5所述的设备，其中所述时钟信号进一步包含第一时钟信号，并且其中所述输出电路进一步包含第一传输门，所述第一传输门由所述第二时钟信号控制并且耦合在所述放大器的所述第一输入终端和所述放大器的所述输出终端之间。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述增益控制电路进一步包含：

DAC，其生成所述偏置控制信号；

第二传输门，其耦合在所述DAC和所述第二电容器之间并在所述时钟信号的所述第二阶段期间被激活；以及

第三传输门，其耦合到所述第二电容器并在所述时钟信号的所述第一阶段期间被激活。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述DAC进一步包含第一DAC，并且其中所述增益控制电路进一步包含：

第四传输门，其耦合在所述接口和所述放大器的所述第一输入终端之间并在所述时钟信号的所述第二阶段期间被激活；

第五传输门，其耦合到所述接口并在所述时钟信号的所述第一阶段期间被激活；以及

第二DAC，其耦合到所述第二传输门并生成所述增益控制信号。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述触控面板控制器进一步包含：

模数转换器即ADC，其耦合到所述放大器的所述输出终端；

数字前端即DFE，其耦合到所述ADC；以及

控制逻辑，其被耦合到所述DFE、所述第一和第二DAC以及所述第一、第二、第三、第四和第五传输门。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述ADC是逐次逼近寄存器型ADC即SAR ADC。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述DFE使用关联双采样即CDS提供噪声抑制。

16.一种方法，其包括：

生成增益控制信号和偏置控制信号，其中所述增益控制信号和所述偏置控制信号被调整以补偿触控传感器的基本电容；

在时钟信号的第一阶段期间将所述增益控制信号施加到触控传感器；

在所述时钟信号的第二阶段期间将所述偏置控制信号施加到输出电路；

在所述时钟信号的所述第二阶段期间将所述输出电路耦合到所述触控传感器；

用所述增益控制信号和所述偏置控制信号补偿所述基本电容以生成触控电容测量值；以及

将增益施加到所述触控电容测量值。

17.根据权利要求16所述的方法，其中施加所述增益控制信号的步骤进一步包括在所述时钟信号的所述第一阶段期间将DAC耦合到所述触控传感器。

18.根据权利要求17所述方法，其中所述方法进一步包含将具有所施加增益的触控测量值转换为数字信号。

19.根据权利要求18所述方法，其中所述方法进一步包含对所述数字信号执行CDS操作以补偿噪声。

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