CN105379120B - 使用δ/σ转换的电容式接近检测 - Google Patents

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Abstract

通过组合Δ/Σ调制器与电容式分压器电路以形成高分辨率电容/数字转换器来提供电容式接近检测。周期计数器及工作循环计数器从所述Δ/Σ调制器提供工作循环比以用于在物体接近于电容式传感器(102)时比较所述电容式传感器的电容值的改变。

Description

使用Δ/Σ转换的电容式接近检测
相关专利申请案
本申请案主张2013年6月12日申请且出于所有目的而特此以引用的方式并入本文中的共同拥有的第61/834,236号美国临时专利申请案的优先权。
技术领域
本发明涉及接近检测，且特定来说涉及使用Δ/Σ转换的电容式接近检测。
背景技术
电容式接近检测需要电容值的非常高分辨率转换(>10至12个位)。使用现有电容触摸解决方案的基于接近的检测系统需要重复的测量、平均结果及因此高处理时间额外开销，这些不适合于低电力应用。
发明内容
因此，需要一种低电力、高分辨率电容改变检测系统、方法及设备。电容改变可为物体接近于电容式传感器的结果。
根据一实施例，一种接近检测系统可包括：比较器，其具有第一输入及第二输入以及输出，其中所述第二输入可与参考电压耦合且所述第一输入可与保持电容器耦合；电容式传感器；切换器，其用于将所述电容式传感器交替地耦合到电压及所述保持电容器；时钟，其具有输出；触发器，其具有与所述比较器的所述输出耦合的输入、耦合到所述时钟的所述输出的时钟输入，及输出；反馈电阻器，其耦合于所述触发器的所述输出与所述比较器的所述第一输入之间；工作循环计数器，其具有耦合到所述时钟的所述输出的时钟输入、复位输入、耦合到所述触发器的所述输出的启用输入，及用于提供所计数的时钟输出的数目的输出，其中所述工作循环计数器仅在其所述启用输入可处于第一逻辑电平时计数所述时钟输出；及电路，其用于每当所述触发器的所述输出从第二逻辑电平变为所述第一逻辑电平时控制所述切换器；其中可使用所计数的时钟输出的所述数目来确定物体到所述电容式传感器的接近。
根据又一实施例，可提供具有耦合到所述时钟的所述输出的时钟输入、复位/启用输入及进位输出的周期计数器，其中所述周期计数器确定测量时间周期。根据又一实施例，可使用所述工作循环计数器及所述周期计数器中的计数值来确定取决于所述电容式传感器的电容值的工作循环。根据又一实施例，所述工作循环可为所述工作循环计数器中的所述计数值除以所述周期计数器中的所述计数值。根据又一实施例，数字处理器与存储器可耦合到所述时钟以及所述工作循环计数器及所述周期计数器，其中所述数字处理器从所述工作循环计数器及所述周期计数器读取所述计数值，且从其确定与所述电容式传感器的电容值有关的工作循环。根据又一实施例，与所述电容式传感器的电容值有关的所述工作循环可存储于所述数字处理器存储器中且经比较以确定工作循环改变是否指示接近于所述电容式传感器的物体的检测。
根据又一实施例，所述周期计数器的所述进位输出产生到所述数字处理器的中断信号。根据又一实施例，耦合到所述电容式传感器的所述电压可处于逻辑高。根据又一实施例，耦合到所述电容式传感器的所述电压可处于逻辑低。根据又一实施例，输出驱动器可具有耦合到所述数字处理器的输入及耦合到所述切换器的输出，其中针对循序工作循环周期，耦合到所述电容式传感器的所述电压在逻辑高与逻辑低之间交替。根据又一实施例，微控制器包括所述数字处理器与存储器、所述比较器、所述时钟、所述触发器、所述反馈电阻器、所述工作循环计数器、所述周期计数器、所述切换器及所述用于控制所述切换器的电路。根据又一实施例，可用电流源及电流槽来替换所述反馈电阻器。根据又一实施例，所述反馈电阻器的电阻值可以可编程方式调整。根据又一实施例，所述保持电容器的电容值可以可编程方式调整。
根据另一实施例，一种用于检测接近于电容式传感器的物体的方法可包括以下步骤：将电容式传感器充电到第电压；将所述经充电电容式传感器与保持电容器并联耦合；用电压比较器将所述经并联连接的电容式传感器及保持电容器上的所得电压与参考电压进行比较，其中：如果所述所得电压可大于所述参考电压，那么将所述保持电容器部分地放电到较低电压，且如果所述所得电压可小于所述参考电压，那么将所述保持电容器部分地充电到较高电压并将一个计数加到工作循环计数器；将一个计数加到周期计数器；返回到所述将所述电容式传感器充电到所述第一电压的步骤。
根据所述方法的又一实施例，可包括以下步骤：存储多个工作循环周期计数；及从所述多个工作循环计数除以所述多个周期计数中的相应者计算工作循环。根据所述方法的又一实施例，可包括从所述工作循环确定所述电容式传感器的电容值的改变的步骤。根据所述方法的又一实施例，可包括从所述工作循环确定物体到所述电容式传感器的接近的步骤。
根据再一实施例，一种用于检测接近于电容式传感器的物体的方法可包括以下步骤：将电容式传感器放电；将所述经放电电容式传感器与保持电容器并联耦合；用电压比较器将所述经并联连接的电容式传感器及保持电容器上的所得电压与参考电压进行比较，其中：如果所述所得电压可小于所述参考电压，那么将所述保持电容器部分地充电到较高电压，且如果所述所得电压可大于所述参考电压，那么将所述保持电容器部分地放电到较低电压并将一个计数加到工作循环计数器；将一个计数加到周期计数器；返回到所述将所述电容式传感器充电到所述第一电压的步骤。
根据所述方法的又一实施例，可包括以下步骤：存储多个工作循环周期计数；及从所述多个工作循环计数除以所述多个周期计数中的相应者计算工作循环。根据所述方法的又一实施例，可包括从所述工作循环确定所述电容式传感器的电容值的改变的步骤。根据所述方法的又一实施例，可包括从所述工作循环确定物体到所述电容式传感器的接近的步骤。
根据又一实施例，一种用于接近检测的设备可包括：比较器，其具有第一输入及第二输入以及输出，其中所述第二输入可与参考电压耦合且所述第一输入可与保持电容器耦合；切换器，其适于将电容式传感器交替地耦合到电压及所述保持电容器；时钟，其具有输出；触发器，其具有与所述比较器的所述输出耦合的输入、耦合到所述时钟的所述输出的时钟输入，及输出；反馈电阻器，其耦合于所述触发器的所述输出与所述比较器的所述第一输入之间；工作循环计数器，其具有耦合到所述时钟的所述输出的时钟输入、复位输入、耦合到所述触发器的所述输出的启用输入，及用于提供所计数的时钟输出的数目的输出，其中所述工作循环计数器仅在其所述启用输入可处于第一逻辑电平时计数所述时钟输出；及电路，其用于每当所述触发器的所述输出从第二逻辑电平变为所述第一逻辑电平时控制所述切换器。
根据又一实施例，可使用所计数的时钟输出的所述数目来确定物体到所述电容式传感器的接近。根据又一实施例，可使用所计数的时钟输出的所述数目来确定所述电容式传感器的电容值的改变。根据又一实施例，可用电流源及电流槽来替换所述反馈电阻器。根据又一实施例，所述反馈电阻器的电阻值可以可编程方式调整。根据又一实施例，所述保持电容器的电容值可以可编程方式调整。
根据另一实施例，一种用于接近检测的设备可包括：电压求和器，其具有第一输入及第二输入以及输出；切换器，其适于将电容式传感器交替地耦合到电压及所述电压求和器的所述第一输入；时钟，其具有输出，其中在每一时钟脉冲处，所述切换器将所述电容式传感器短暂地耦合到所述电压，接着耦合回到所述电压求和器的所述第一输入；电压参考，其具有参考电压输出；运算放大器，其具有耦合到所述电压求和器的输出的第一输入及耦合到所述电压参考的所述输出的第二输入；积分电容器，其耦合于所述运算放大器的所述第一输入与其输出之间；模/数转换器(ADC)，其具有耦合到所述操作放大器的所述输出的输入，其中所述ADC将所述运算放大器输出转换为其多位数字表示；数/模转换器(DAC)，其具有耦合到所述ADC的输入且将来自所述ADC的所述多位数字表示转换为耦合到所述电压求和器的所述第二输入的模拟反馈电压；抽取滤波器，其具有耦合到来自所述ADC的所述多位数字表示的输入；及数字信号处理器(DSP)，其耦合到所述抽取滤波器，其中所述DSP确定物体何时可接近于所述电容式传感器。根据又一实施例，可用来自所述时钟的时钟脉冲使所述ADC、所述DAC及所述抽取滤波器同步在一起。
附图说明
可通过参考结合附图进行的以下说明获取对本发明的更完整理解，附图中：
图1图解说明根据本发明的特定实例性实施例包括电容式传感器及Δ/Σ模/数转换器的电容式接近检测系统的示意性框图；
图2图解说明根据本发明的另一特定实例性实施例包括电容式传感器及Δ/Σ模/数转换器的电容式接近检测系统的示意性框图；
图2A图解说明根据本发明的再一特定实例性实施例包括电容式传感器及Δ/Σ模/数转换器的电容式接近检测系统的示意性框图；
图3图解说明根据本发明的特定实例性实施例的电容式接近检测系统的操作的示意性时序图；
图4及5图解说明根据本发明的特定实例性实施例的电容式接近检测系统的操作的示意性过程流程图；及
图6图解说明根据本发明的又一特定实例性实施例包括电容式传感器及Δ/Σ模/数转换器的电容式接近检测系统的示意性框图。
虽然本发明易于作出各种修改及替代形式，但在图式中展示并在本文中详细描述其特定实例性实施例。然而，应理解，本文对特定实例性实施例的说明并不打算将本发明限制于本文中所揭示的特定形式，而是相反，本发明将涵盖所附权利要求书所定义的所有修改及等效形式。
具体实施方式
根据各个实施例，可通过组合Δ/Σ调制器与电容式分压器电路以形成可用于检测由物体接近于电容式传感器而导致的所述电容式传感器的电容值的小改变的高分辨率电容/数字转换器来提供电容式接近检测系统、方法及设备。
组合Δ/Σ转换与电容测量具有数个优点。Δ/Σ转换器具有可调整分辨率且可在无数字处理器额外开销的情形下进行操作。其可在电容测量期间当数字处理器处于低电力睡眠模式中时在低电力模式中操作。
现在参考图式，示意性地图解说明实例性实施例的细节。图式中，将由相同编号表示相同元件，且将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示相似元件。
参考图1，描绘根据本发明的特定实例性实施例包括电容式传感器及Δ/Σ模/数转换器的电容式接近检测系统的示意性框图。通常由编号100表示的电容式接近检测系统可包括电容式传感器102、数字处理器与存储器114、第一计时器/计数器128、第二计时器/计数器132、D触发器134、电压比较器136、电压参考142、保持电容器140、反馈电阻器138、单刀双掷切换器150、单发单稳态产生器152、时钟126、通信接口116及通信端口118。除电容式传感器102之外的前述元件均可由混合信号(具有模拟电路及数字电路两者)集成电路装置130(例如，专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列、简单数字状态机(例如，用作独立外围装置)或微控制器)提供。通信接口116可为串行通信接口(例如，RS-232、USB、SPI、I2C、Microwire或UNI/O及类似物)，且可透过通信端口118、并行总线(未展示)及/或当人或物体接近于电容式传感器102时设定/清除的个别指示器(例如，LED)(未展示)提供数据(例如，接近检测)及警报。
通过电路在短时间中将电容式传感器102充电到例如VDD的电压，所述电路将电容式传感器102连接到所述电压。此电路可包括(但不限于)由单发单稳态产生器152控制的切换器150，单发单稳态产生器152致使切换器150将电容式传感器102短暂地耦合到VDD且接着耦合回到与保持电容器140的并联连接。单稳态产生器152及切换器150是出于解释性目的而展示的，但数字电路设计领域且受益于本发明的技术人员可容易地想出用于将电容式传感器102快速充电且接着将电容式传感器102与保持电容器140重新连接的替代且同样有效的电路。保持电容器140的电容值大于电容式传感器102的电容值，使得当与保持电容器140并联连接时电容式传感器102上的电荷VDD将不显著改变保持电容器140的电压电荷。保持电容器140的典型值可为(但不限于)从约20微微法拉到约500微微法拉。电容式传感器102的典型值可为(但不限于)从约5微微法拉到约50微微法拉。从无物体紧接近到物体紧接近的电容值改变可为(但不限于)从接近传感器102的电容值的约0.1％到0.5％，例如，从约一(1)飞法拉到约250飞法拉。
在长时间周期内，保持电容器140上的电压将稳定到大约为来自电压参考142的正或负电压(参考电压)的电压。此为Δ/Σ调制器电压平衡点。所述参考电压可为小于VDD或大于VSS的任何值，例如，VDD*3/4、VDD/2、VDD/4等，优选地，所述参考电压可为VDD/2，这是因为其可给出最大测量范围。带VDD电荷的电容式传感器102上的电压基于两个电容器的个别电容值及其上的电压而在所述两个电容器之间划分。最初，电容式传感器102上的电压大于保持电容器140上的电压，使得当两个电容器并联连接时，所得电压将大于保持电容器140初始电压，例如，VDD/2。如果电容式传感器102的电容改变，那么跨越两个电容器的电压划分将改变，导致保持电容器140上的电压的改变。
比较器136与D触发器134构成Δ/Σ调制器。当保持电容器140上的电压大于参考电压Vref时，在下一时钟脉冲之后，比较器136的输出变低且来自D触发器134的Q-输出变低(例如，VSS)。由于来自D触发器134的低输出将小于保持电容器140上的电压，因此保持电容器140将透过反馈电阻器138放电到较低电压。当保持电容器140上的电压小于参考电压Vref时，在下一时钟脉冲之后，比较器136的输出变高且来自D触发器134的Q-输出变高(例如，VSS)。由于来自D触发器134的高输出将大于保持电容器140上的电压，因此保持电容器140将透过反馈电阻器138充电到高电压。反馈电阻器138的典型值可为(但不限于)从约100欧姆到约10,000欧姆。优选地，反馈电阻器138可相加/减去来自保持电容器140的电荷量，所述电荷量在大小上类似于由电容式传感器102在其连接到保持电容器140时相加的电荷量。可从V＝q/C及dV＝dq/C确定保持电容器140上的电荷Q，其中保持电容器140上的电压改变除以其电容值给出其上的电荷改变。电阻器供应的电荷量可由q＝t*(Vdd–Vcap)/R确定，t＝时钟周期。
第一计时器/计数器128及第二计时器/计数器132形成工作循环测量系统。当保持电容器上的电压小于参考电压时，第二计时器/计数器132确定电容/数字值转换发生的时间长度，第一计时器/计数器132计数在此转换时间期间出现的时钟脉冲的数目。第二计时器/计数器132将仅在其启用输入为高(来自D触发器134的输出)时计数时钟脉冲。Δ/Σ转换周期可运行直到存在来自第一计时器/计数器128的进位输出(溢出)。此进位输出可用于警示数字处理器114：转换周期结束。其中数字处理器114可(例如)经由n位总线从第二计时器/计数器132读取计数值，并计算由来自第二计时器/计数器132的计数值除以第一计时器/计数器128的最大计数值(转换周期)表示的工作循环比。此后，数字处理器114可复位第一计时器/计数器128及第二计时器/计数器132。
二进制十(10)位计数值210将具有1024计数粒度；二进制二十(20)位计数值220将具有1,048,576计数粒度等等。明显地，第一计时器/计数器128及第二计时器/计数器132具有的位的数目越大，分辨率就越大且可确定的电容值的改变就越精细。然而，具有较大数目个位的计时器/计数器需要较长电容/二进制转换时间。依据从第二计时器/计数器132读取的计数值，数字处理器可确定电容式传感器102何时具有电容值的改变。
参考图3，描绘根据本发明的特定实例性实施例的电容式接近检测系统的操作的示意性时序图。在长时间周期内且在无外部电压影响的情形下，保持电容器140上的电压将为参考电压加上或减去非常小误差电压。此导致大约50％的工作循环。所述工作循环可定义为由第一计时器/计数器128在第二计时器/计数器132从零计数到其产生进位输出的最大位计数(或从经预加载数字值计数到其最大位计数)所花费的时间期间计数的时钟脉冲的数目除以所述最大位计数(例如，在Δ/Σ调制器的电容/数字值转换期间计数的时钟脉冲的数目)。
当将外部电压从电容式传感器102引入到保持电容器140时，如果来自电容式传感器102的电压比保持电容器140上的初始电压更正，那么其上的所得电压将比参考电压更正。更正的程度取决于已经充电到(举例来说)VDD的电容式传感器102的电容值。由于电容式传感器102的电容值小于保持电容器的电容值，因此保持电容器上的所得电压的正增加将为其上的初始电压的百分比，且如果电容式传感器102具有比保持电容器140小得多的电容值，那么所得正电压增加将为小增加。当电容式传感器102经放电到比保持电容器140上的电压低的值的电压(例如，VSS)时，且到电容式传感器102的连接将同样较小。
图1中所展示的Δ/Σ电路在所得电压大于参考电压时将减小D触发器134的工作循环且在所得电压小于参考电压时将增加D触发器134的工作循环，例如，分别将电容式传感器102充电到VDD或VSS。此为如何确定电容式传感器102的电容值何时改变的基础。
举例来说，在图3中，当处于第一电容值的电容式传感器102经充电到第一电压(例如，VDD)且接着与保持电容器140并联连接时，此时刻的电压将上升由编号360表示的增量。Δ/Σ调制器将开始通过将工作循环减小到低于50％的值而补偿电压的此增加。在其中无物体接近于电容式传感器102的情形中，工作循环为约45％。现在，当物体接近电容式传感器102时，电容器的所得组合将产生由编号362表示的较大正电压增量(电容式传感器102由于其与接近于其的物体的较大电容值而在其上具有较多电压电荷)。在此情形中，工作循环为约37％。当无物体接近于电容式传感器102时，显著小于所述工作循环。
电容式传感器102将仅在保持电容器上的电压已透过反馈电阻器138放电到小于参考电压的电压值时充电到较正值。由于D触发器134充当一位存储器元件，因此将在一个时钟后确定是否将电容感测电容器充电。借助Δ/Σ转换器，可容易地确定转移电压电荷值的非常小的差。第一计数器/计时器128具有的位越多(取样时间越长)，当无物体或物体接近于电容式传感器102时的电压电荷差的分辨率就越好。
数字处理器与存储器114可存储与电容式传感器的电容值有关的工作循环且当存在工作循环的改变时，数字处理器可产生物体接近检测，且可透过通信接口且经由进一步传达此物体接近检测。
参考图2，描绘根据本发明的另一特定实例性实施例包括电容式传感器及Δ/Σ模/数转换器的电容式接近检测系统的示意性框图。图2中所展示的电路与图1中所展示的电路实质上相同地操作，但其中添加有耦合到数字处理器114的数字输出及切换器150的电压驱动器254，其中第一电压输出(例如，VDD)或第二电压输出(例如，VSS)可为来自电压驱动器254的输出且用于分别将电容式传感器102充电或放电。当使用比参考电压更正的电压将电容式传感器102充电时，由Δ/Σ转换器测量的工作循环将在物体接近于电容式传感器102时减小。当不及参考电压正的电压用于将电容式传感器102放电时，由Δ/Σ转换器测量的工作循环将在物体接近于电容式传感器102时增加。
数字处理器114可将电容式传感器102交替地充电及放电且针对每一充电及放电测量周期进行工作循环测量。举例来说，每次将电容式传感器102充电时进行1024个样本的一个完整转换，每次将电容式传感器102放电时进行1024个样本的另一完整转换，且接着将两个值相减以得出差分电容改变测量。取得1024个以上样本将增加电容改变测量的分辨率，其中2048个样本给出11位分辨率，4096个样本给出12位分辨率等等。反馈电阻器138的大小也可经调整以给出约VDD/2的较精细分辨率，较高值电阻为较小改变给出较大分辨率，且有助于测量电容式传感器102中的较大改变。预期且在本发明的范围内，可提供以可编程方式可变的保持电容器140使得可针对最优电容改变分辨率“调谐”Δ/Σ转换器。可提供以可编程方式可变的反馈电阻器138且使用其来“调谐”电容改变。
参考图2A，可用恒定电流源239及恒定电流槽238来替换图1及2中所展示的反馈电阻器138以达成对保持电容器140的更线性充电/放电。当D触发器134的Q-输出处于逻辑高时，恒定电流源239可经启用以将恒定电流从VDD供应到保持电容器140。且当D触发器的Q-输出处于逻辑低时，恒定电流槽238可经启用以将恒定电流从保持电容器140吸收到VSS。
可用混合信号(具有模拟电路及数字电路两者)集成电路装置130(例如，专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列、简单数字状态机(例如，用作独立外围装置)或包括大多数标准芯片上外围装置的微控制器)来方便地实施图1、2及2A中所展示的接近检测系统。其将提供高分辨率及低CPU额外开销。其可在具有低电力消耗(其中包含数字处理器与其中的存储器114的睡眠模式操作)的小引脚计数装置中实施。
参考图4及5，描绘根据本发明的特定实例性实施例的电容式接近检测系统的操作的示意性过程流程图。图4图解说明其中将电容式传感器102充电到第一电压(例如，VDD)的情形，且图5图解说明其中将电容式传感器102放电到第二电压(例如，VSS)的情形。两种情形以实质上相同方式发挥作用。
参考图4及5，描绘根据本发明的特定实例性实施例的电容式接近检测系统的操作的示意性过程流程图。图4图解说明其中将电容式传感器102充电到第一电压(例如，VDD)的情形，且图5图解说明其中将电容式传感器102放电到第二电压(例如，VSS)的情形。两种情形以实质上相同方式发挥作用。
在步骤402中，将电容式传感器102充电到第一电压。在步骤404中，将经充电电容式传感器102与保持电容器140并联耦合。在步骤406中，将保持电容器140上的所得电压与参考电压进行比较，其中在步骤408中：如果所得电压大于参考电压，那么在步骤410中，将保持电容器上的电压部分地放电，且在步骤412中，将一个计数加到周期计数器(计时器/计数器)128；如果所得电压小于参考电压，那么在步骤414中，将保持电容器上的电压部分地充电，在步骤416中，将一个计数加到工作循环计数器(计时器/计数器)132，且在步骤412中，将一个计数加到周期计数器(计时器/计数器)128。接着，返回到步骤402。
在步骤502中，将电容式传感器102放电。在步骤504中，将经放电电容式传感器102与保持电容器140并联耦合。在步骤506中，将保持电容器140上的所得电压与参考电压进行比较，其中在步骤508中：如果所得电压小于参考电压，那么在步骤510中，将保持电容器上的电压部分地充电，且在步骤512中，将一个计数加到周期计数器(计时器/计数器)128；如果所得电压大于参考电压，那么在步骤514中，将保持电容器上的电压部分地放电，在步骤516中，将一个计数加到工作循环计数器(计时器/计数器)132，且在步骤512中，将一个计数加到周期计数器(计时器/计数器)128。接着返回到步骤502。
每次周期计数器128超时时即可将多个工作循环计数存储于数字处理器与存储器114中，且可使用这些工作循环计数来确定由指示物体到电容式传感器102的接近的电容式传感器102的电容值改变产生的工作循环，如上文中更全面地描述。
参考图6，描绘根据本发明的又一特定实例性实施例包括电容式传感器及Δ/Σ模/数转换器的电容式接近检测系统的示意性框图。通常由编号600表示的电容式接近检测系统可包括电容式传感器102、数字信号处理器与存储器614、抽取滤波器662、多位数/模转换器(DAC)654、多位模/数转换器(ADC)656、运算放大器636、积分反馈电容器658、模拟求和器660、电压参考642、单刀双掷切换器150、单发单稳态产生器652、时钟626、通信接口116及通信端口118。除电容式传感器102之外的前述元件可由混合信号(具有模拟电路及数字电路两者)集成电路装置630(例如，专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列、简单数字状态机(例如，用作独立外围装置)或微控制器)提供。通信接口116可为串行通信接口(例如，RS-232、USB、SPI、I2C、Microwire或UNI/O及类似物)，且可透过通信端口118、并行总线(未展示)及/或当人或物体接近于电容式传感器102时设定/清除的个别指示器(例如，LED)(未展示)提供数据(例如，接近检测)及警报。
通过电路在短时间中将电容式传感器102充电到例如VDD的电压，所述电路将电容式传感器102连接到所述电压。此电路可包括(但不限于)由单发单稳态产生器652控制的切换器650，单发单稳态产生器652致使切换器650将电容式传感器102短暂地耦合到VDD且接着耦合回到求和器660的输入。单稳态产生器652及切换器650是出于解释性目的而展示的，但数字电路设计领域且受益于本发明的技术人员可容易地想出用于将电容式传感器102快速充电且接着将电容式传感器102重新连接到求和器660的替代且同样有效的电路。
来自DAC 654的输出耦合到求和器660的第二输入。DAC 654可为多位DAC，例如，具有四个电压输入电平的两个位。求和器660将来自电容式传感器102的电压与来自DAC 654的电压输出相加在一起。运算放大器636结合积分电容器658一起对来自求和器660的输出电压与来自电压参考642的参考电压之间的差进行积分。参考电压可为(但不限于)VDD/2。在来自时钟626的每个时钟脉冲时，来自运算放大器636的经积分电压输出由ADC 656取样，且在下一时钟脉冲上，在ADC 656的输出处可获得所述电压输出的数字表示。ADC 656可具有多电平输出，例如，具有四个输出电平的两个位。来自ADC 656的多电平输出耦合到DAC 654及抽取滤波器662。在来自时钟626的每一时钟脉冲处使ADC 656、DAC 654及抽取滤波器662的操作同步。来自抽取滤波器662的多位输出可耦合到数字信号处理器614。关于获得物体的接近检测的进一步处理如上文中更全面地描述。
图6中所展示的电路提供与图1、2及2A中所展示的电路实质上相同的结果，例如，接近检测，其中第一计数器/计时器128及第二计数器/计时器132由抽取滤波器662及数字信号处理器614替换。保持电容器140、反馈电阻器138、电压比较器136及D触发器134由求和器660、运算放大器636、积分电容器658、ADC 656及DAC 654替换。图6中所展示的实施例的优点为其由于其多位能力而能够较快地进行Δ/Σ转换，借此较快速地检测指示物体到电容式传感器的接近的电容式传感器的电容改变。
虽然已参考本发明的实例性实施例来描绘、描述及定义本发明的实施例，但此些参考并不暗示对本发明的限制，且不应推断出存在此限制。所揭示的标的物能够在形式及功能上具有大量修改、变更及等效形式，熟习相关技术且受益于本发明的技术者将会联想到此等修改、变更及等效形式。所描绘及所描述的本发明实施例仅作为实例，而并非是对本发明范围的穷尽性说明。

Claims (25)

1.一种用于接近检测的设备，其包括：
比较器，其具有第一输入及第二输入以及输出，其中所述第二输入与参考电压耦合且所述第一输入与保持电容器耦合；
切换器，其适于将电容式传感器交替地耦合到电压及所述保持电容器；所述电压优选地为逻辑高电压或逻辑低电压；
时钟，其具有输出；
触发器，其具有与所述比较器的所述输出耦合的输入、耦合到所述时钟的所述输出的时钟输入，及输出；
工作循环计数器，其具有耦合到所述时钟的所述输出的时钟输入、复位输入、耦合到所述触发器的所述输出的启用输入，及用于提供所计数的时钟输出的数目的输出，其中所述工作循环计数器仅在所述工作循环计数器的所述启用输入处于第一逻辑电平时计数所述时钟输出；及
充电电路，其由所述触发器的所述输出控制，且所述充电电路经配置以根据在所述触发器的所述输出处的输出信号而为所述保持电容器充电；
电路，其用于每当所述触发器的所述输出从第二逻辑电平变为所述第一逻辑电平时控制所述切换器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中使用所计数的时钟输出的所述数目来确定所述电容式传感器的电容值的改变。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述充电电路是反馈电阻器。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述充电电路由电流源及电流槽形成。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述反馈电阻器的电阻值是以可编程方式调整。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述保持电容器的电容值是以可编程方式调整。
7.一种接近检测系统，其包括根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，所述接近检测系统进一步包括：
所述电容式传感器；
其中使用所计数的时钟输出的所述数目来确定物体到所述电容式传感器的接近。
8.根据权利要求7所述的接近检测系统，其进一步包括具有耦合到所述时钟的所述输出的时钟输入、复位/启用输入及进位输出的周期计数器，其中所述周期计数器确定测量时间周期。
9.根据权利要求8所述的接近检测系统，其中使用所述工作循环计数器及所述周期计数器中的计数值来确定取决于所述电容式传感器的电容值的工作循环。
10.根据权利要求9所述的接近检测系统，其中所述工作循环为所述工作循环计数器中的所述计数值除以所述周期计数器中的所述计数值。
11.根据权利要求9或10所述的接近检测系统，其进一步包括耦合到所述时钟以及所述工作循环计数器及所述周期计数器的数字处理器与存储器，其中所述数字处理器从所述工作循环计数器及所述周期计数器读取所述计数值，且从其确定与所述电容式传感器的电容值有关的工作循环。
12.根据权利要求11所述的接近检测系统，其中与所述电容式传感器的电容值有关的所述工作循环存储于所述数字处理器存储器中且经比较以确定工作循环改变是否指示检测到接近于所述电容式传感器的物体。
13.根据权利要求11所述的接近检测系统，其中所述周期计数器的所述进位输出产生到所述数字处理器的中断信号。
14.根据权利要求11所述的接近检测系统，其进一步包括具有耦合到所述数字处理器的输入及耦合到所述切换器的输出的输出驱动器，其中针对循序工作循环周期，耦合到所述电容式传感器的所述电压在逻辑高与逻辑低之间交替。
15.根据权利要求11所述的接近检测系统，其中微控制器包括所述数字处理器与存储器、所述比较器、所述时钟、所述触发器、反馈电阻器、所述工作循环计数器、所述周期计数器、所述切换器及所述用于控制所述切换器的电路。
16.一种用于检测接近于电容式传感器的物体的方法，所述方法由根据权利要求1所述的用于接近检测的设备执行，且所述方法包括以下步骤：
将所述电容式传感器充电到第一电压；
将所述经充电电容式传感器与所述保持电容器并联耦合；
用所述比较器将所述经并联连接的电容式传感器及保持电容器上的所得电压与所述参考电压进行比较，其中：
如果所述所得电压大于所述参考电压，那么将所述保持电容器部分地放电到较低电压，且
如果所述所得电压小于所述参考电压，那么将所述保持电容器部分地充电到较高电压并将一个计数加到工作循环计数器；
将一个计数加到周期计数器；
返回到所述将所述电容式传感器充电到所述第一电压的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括以下步骤：
存储多个工作循环周期计数；及
从所述多个工作循环计数除以所述多个周期计数中的相应者计算工作循环。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括从所述工作循环确定所述电容式传感器的电容值的改变的步骤。
19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括从所述工作循环确定物体到所述电容式传感器的接近的步骤。
20.一种用于检测接近于电容式传感器的物体的方法，所述方法由根据权利要求1所述的用于接近检测的设备执行，且所述方法包括以下步骤：
将所述电容式传感器放电到第二电压；
将所述经放电电容式传感器与所述保持电容器并联耦合；
用所述比较器将所述经并联连接的电容式传感器及保持电容器上的所得电压与所述参考电压进行比较，其中：
如果所述所得电压小于所述参考电压，那么将所述保持电容器部分地充电到较高电压，且
如果所述所得电压大于所述参考电压，那么将所述保持电容器部分地放电到较低电压并将一个计数加到工作循环计数器；
将一个计数加到周期计数器；
返回到所述将所述电容式传感器放电到所述第二电压的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括以下步骤：
存储多个工作循环周期计数；及
从所述多个工作循环计数除以所述多个周期计数中的相应者计算工作循环。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括从所述工作循环确定所述电容式传感器的电容值的改变的步骤。
23.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括从所述工作循环确定物体到所述电容式传感器的接近的步骤。
24.一种用于接近检测的设备，其包括：
电压求和器，其具有第一输入及第二输入以及输出；
切换器，其适于将电容式传感器交替地耦合到电压及所述电压求和器的所述第一输入；
时钟，其具有输出，其中在每一时钟脉冲处，所述切换器将所述电容式传感器短暂地耦合到所述电压，接着耦合回到所述电压求和器的所述第一输入；
电压参考，其具有参考电压输出；
运算放大器，其具有耦合到所述电压求和器的输出的第一输入及耦合到所述电压参考的所述输出的第二输入；
积分电容器，其耦合于所述运算放大器的所述第一输入与其输出之间；
模/数转换器，其具有耦合到所述运算放大器的所述输出的输入，其中所述模/数转换器将所述运算放大器输出转换为其多位数字表示；
数/模转换器，其具有耦合到所述模/数转换器的输入且将来自所述模/数转换器的所述多位数字表示转换为耦合到所述电压求和器的所述第二输入的模拟反馈电压；
抽取滤波器，其具有耦合到来自所述模/数转换器的所述多位数字表示的输入；及
数字信号处理器，其耦合到所述抽取滤波器，其中所述数字信号处理器确定物体何时接近于所述电容式传感器。
25.根据权利要求24所述的设备，其中用来自所述时钟的时钟脉冲使所述模/数转换器、所述数/模转换器及所述抽取滤波器一起同步。
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