CN108475130B - 用于电容测量电路的增量调制器接收通道 - Google Patents

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Abstract

描述了用于测量电容的电路、系统和方法。电流可以在转换电路的输入端被接收。电流可以被转换为电压信号，该电压信号可以用于产生到转换电路的输入端的负反馈电流，并可以被数字地解调以提供表示电容的静态数字输出。

Description

用于电容测量电路的增量调制器接收通道
相关申请
本申请是2016年3月31日提交的美国申请号15/087,625的国际申请，其要求于2015年11月18日提交的美国临时专利申请No.62/257,113的权益，它们的全部内容整体并入本文作为参考。
技术领域
本公开大体上涉及感测系统，并且更具体地涉及可配置为测量电容或将电容转换为表示电容的数字值的电容感测系统。
背景技术
电容感测系统可以感测电极上生成的电信号，该电信号反映电容变化。这种电容变化可以指示触摸事件(即，物体接近特定电极)。电容式感测元件可以用来代替机械按钮、旋钮和其他类似的机械用户界面控件。电容式感测元件的使用允许消除复杂的机械开关和按钮，从而在恶劣条件下提供可靠的操作。此外，电容式感测元件被广泛用于现代客户应用，为现有产品提供新的用户界面选项。电容性感测元件的范围可以从单个按钮到以一种用于触摸感测表面的电容感测阵列形式布置的大量按钮。
利用电容式感测阵列的透明触摸屏在当今的工业和消费者市场中无处不在。可以在手机、GPS设备、机顶盒、相机、电脑屏幕、MP3播放器、数字平板电脑等上找到它们。电容式感测阵列通过测量电容式感测元件的电容，并寻找指示触摸或存在导电物体的电容增量来进行工作。当导电物体(例如，手指、手或其他物体)接触或靠近电容式感测元件时，电容被改变并且检测到导电物体。电容式触摸感测元件的电容变化可以通过电路来测量。电路将测量的电容式感测元件的电容转换成数字值。
存在两种典型的电容类型：1)互电容，其中电容感测电路接入电容器的两个电极；2)自电容，其中电容感测电路仅接入电容器的一个电极，第二个电极连接到DC电压电平或者寄生耦合到接地。触摸面板具有(1)和(2)两种类型电容的分布式负载，并且一些触摸解决方案利用各种感测模式唯一地或以混合形式对这两种电容进行感测。
附图说明
图1示出根据一个实施例的电容测量系统。
图2示出根据一个实施例的增量调制器接收(RX)通道的框图。
图3示出根据一个实施例的面板波形和增量调制器RX通道的补偿波形。
图4示出根据一个实施例的配置为测量互电容的增量调制器接收通道。
图5示出根据一个实施例的配置为测量自电容的增量调制器接收通道。
图6示出根据一个实施例的面板电流和增量调制器接收通道的量化器的输出的波形。
图7示出根据一个实施例的用于使用增量调制器接收通道来测量电容的方法。
具体实施方式
图1示出了包括面板110和电容测量电路140的电容测量系统100。面板110可以包括多个行电极111和多个列电极115。在图1的实施例中，存在八个行电极111和八个列电极115，然而本领域的普通技术人员将理解，可以在每个轴上使用多于或少于八个的电极。类似地，尽管示出了相同数量的行电极111和列电极115，但在各种实施例中，行电极的数量和列电极的数量可以不同。
电容测量系统100可以被配置为根据应用需求来测量互电容或自电容。互电容CM可以在不同的轴的电极之间形成。行电极111和列电极115之间的互电容CM显示在切口113中。互电容CM可以由彼此相邻设置但不一定相交的两个电极形成。单个电极的自电容CS可以在电极和包括接地电极的周围电路元件之间形成。在切口117中分别示出了行电极111和列电极115的自电容CS-column和CS-row。对于自电容的测量，可以设置电极从而使得彼此不相交。在该实施例中，自电容电极可以被配置为具有接地电容或其他电路电压电位的焊盘或分立电极。自电容电极可以采取圆形、椭圆形、正方形、矩形的形式，或具有针对系统需求而优化的各种其他形状中的任何形状。在一个实施例中，电容测量系统100可以被配置为基于应用需求在互电容感测模式和自电容感测模式之间进行切换。在又一个实施例中，电容测量系统100可以被固定为互电容测量系统或自电容测量系统。
电容测量系统100可以包括耦合到列电极115的电容测量电路140。每个列电极115可以通过输入多路复用器145耦合到RX通道150。图1中示出的实施例是互电容测量电路。在该实施例中，在行电极111和列电极115之间形成的互电容器只有一个电极耦合到RX通道150。在自电容测量电路中，行电极111还可以通过类似于输入多路复用器145的多路复用器耦合到RX通道150。为了解释清楚，用于行电极111的第二多路复用器未被示出。
当电容测量系统100被配置为测量互电容时，行电极可以耦合到驱动器缓冲器120，该驱动器缓冲器120用于向互电容的一个电极(在切口113中详细示出)提供驱动信号TX。尽管在图1中仅示出了八个驱动缓冲器120，但本领域的普通技术人员将理解，对于要驱动的每个电极可以使用至少一个驱动缓冲器120。提供给驱动电极的信号可以由TX驱动器160提供，TX驱动器160与RX通道150共享时钟源，以确保电容测量电路140的驱动操作和接收操作同步。RX通道150和TX驱动器160都可以耦合到处理器170，处理器170可以被配置为将在RX通道上接收到的信号转换为表示面板110上电容(行电极111和列电极115之间的互电容CM，以及行电极与地之间和列电极与地之间的自电容CS)的数字值。处理器170可以耦合到附加处理逻辑180以完成电容测量、确定导电物体的存在/不存在或者执行其他处理功能。在各种实施例中，附加处理逻辑可以在与电容测量电路140相同的集成电路上实现，或者可以在单独的集成电路上实现。此外，电容测量电路140的各种电路元件可以在不同的集成电路上实现，尽管这在图1中未被示出。
在互电容感测中，单个轴可以耦合到RX通道150。虽然图1示出了列电极115耦合到RX通道150并且列电极111耦合到TX驱动器160，但是本领域的普通技术人员应理解这种关系可以被切换。在一个实施例中，行电极111可以被耦合到RX通道150并且列电极115可以被耦合到TX驱动器160。此外，行电极111和列电极与电容测量电路140各个元件的关系不需要是静态的。在一个实施例中，根据系统需求，行电极111和列电极115的连接可以在运行时间期间切换。
图2示出了增量调制器接收(RX)通道200的一个实施例。增量调制器RX通道200可以对应于图1的RX通道150。面板210可以对应于图1的面板110。电容感测面板210的接收电极(图1的列电极115)可以通过求和点215耦合到互阻抗放大器(TIA)220的输入。TIA 220可以将电容感测面板210接收电极上的接收信号212转换为输出端(节点A)处的电压。在一个实施例中，接收信号可以是接收电极上的感应电流。TIA 220的输出可以耦合到负反馈回路225。负反馈回路225可以包括采样和保持(S/H)元件230、量化器240、缓冲器250、带通滤波器(BPF)260以及电流数模转换器(IDAC)270。负反馈回路225可以生成通过求和点215耦合到TIA 220的输入的电流。在此实施例中，TIA对面板210接收电极上的感应电流与来自负反馈回路225中的IDAC 270的电流的组合电流进行转换。负反馈回路225可以在反馈元件215(节点D)处生成正弦波输出。在其中面板210上的导电元件的存在降低TIA 220输入处的面板电流的实施例中，负反馈回路通过减小求和点215(节点D)处的信号输入的幅值来响应。在面板210上的导电物体的存在增加TIA220输入处的面板电流的实施例中，负反馈回路通过增加求和点215(节点D)处的信号的幅值来响应。接收信号的数字表示可由解调器280在带通滤波器260(节点C)的输出处接收。
在一个实施例中，量化器240可以对TX输入进行过采样。面板210上的TX频率可以是500kHz，而量化器频率(由系统时钟提供，未被示出)可以是6MHz。在其他实施例中，可以使用更高的量化器频率(并且由其他时钟源提供)。更高的过采样率可以提供更好的来自接收通道的分辨率。
图3示出了面板210的电流波形和图2中的BPF 260的输出的实施例300。面板210的接收电极上的电流可以是类似于波形310的方波。相应的BPF 260的输出的电流波形由正弦波波形320示出。波形320可以用于通过向IDAC270提供输入信号来增加或减少通过求和点215输入到TIA 220的电流。
图4示出了用于互电容感测的增量调制器RX通道400的另一个实施例。TX缓冲器410可以在第一电极上施加发射信号TX。接收信号RX可以在第二电极上被接收并被输入到TIA430。第一和第二电极可以非常接近或可以相交，从而在其间形成互电容。接收信号RXM可以从发射信号TX以及第一和第二电极之间的互电容导出。在一个实施例中，接收信号RXM可以是在第二电极上感应出的电流。TIA 430可以包括具有反馈电阻器432的运算放大器(opamp)431。opamp 431的第一(负)输入端可以耦合到接收电极，而第二(正)输入端可以耦合到参考电压435。在一个实施例中，参考电压435可以是电源电压的一半，或VDD/2。IDAC423和IDAC 427可以被配置为分别向耦合到第二电极的TIA 430的负输入端提供拉电流(source current)和灌电流(sink current)。尽管图4示出了灌电流IDAC 427的可变性，但在另一个实施例中，拉电流IDAC 423可以是可变的。在又一个实施例中，可以使用拉电流IDAC 423和灌电流IDAC 427二者的可变控制。在该实施例中，可编程IDAC分辨率可以被改变以适应TIA 430的输入信号。在另一个实施例中，拉电流IDAC 423和灌电流IDAC 427可以具有不同的LSB以补偿运算放大器431负输入端处的不同信号等级。
增量调制器RX通道400可以包括耦合到TIA 430输出端的比较器440。在一个实施例中，比较器440可以表示图2的S/H 230和量化器240。TIA 430的输出端可以耦合到比较器440的第一(负)输入端。正如TIA 430的第二(正)输入端一样，比较器440的第二(正)输入端可以耦合到参考电压435。如上面关于图2所述，比较器440(表示图2的S/H 230和量化器240)可以利用远大于面板210频率(也被称为发射信号TX的频率)的时钟频率CLK过采样。比较器440的输出可以耦合到BPF 460。BPF可以被配置为从比较器比特流(图2的节点B)提取基波信号。基波信号可以具有与发射信号TX相同的频率。解调器480可以耦合到BPF 460的输出并且被配置为输出数字比特流的绝对值。虽然RX通道400用BPF示出，但也可以使用其他滤波器类型。在一个实施例中，可以使用低通滤波器(LPF)。
解调器480可以通过从加法器470接收数字代码来操作。加法器470可以提供数字偏移，该数字偏移被配置为根据IDAC(拉电流IDAC 423和灌电流IDAC 427)的输出产生标称零电流。在一个实施例中，可以使用拉电流IDAC 423上固定的拉电流和IDAC 427上可变的灌电流。在该实施例中，加法器470可以提供偏移以从拉电流IDAC 423吸收固定的拉电流，从而抵消固定的拉电流并输出净零电流。在另一个实施例中，拉电流和灌电流二者都可以是可编程的，其中来自BPF 460的高位和低位分别驱动拉电流和灌电流。
来自加法器470的代码可以从动态信号转换为静态信号。来自加法器470的代码可以通过将其乘以模式而被转换为静态信号。在一个实施例中，BPF460的输出端上的开关电流可以具有以下模式或代码：+2，-2，+2，-2，+2，-2，+2。解调器480可以将BPF 460的输出乘以以下模式或代码：+1，-1，+1，-1，+1，-1，+1。解调器480的输出因此可以是：+2，+2，+2，+2，+2，+2，+2。因此解调器480的输出是静态的。
解调器480的静态输出可用于根据本领域已知的各种方法来确定面板上导电物体的存在或不存在，包括但不限于基线差计算。基线差计算可将解调器480的输出与表示互电容CM 420(图2的面板210)上不存在导电物体的基线值进行比较。如果解调器的输出与基线值之间的差足够大，则可以确定导电物体接近互电容CM 420。
在一个实施例中，BPF 460可以具有以发射信号TX的频率为中心的通带(passband)。在该实施例中，BPF 460可以使发射信号TX通过，但拒绝具有该通带之外频率的信号。BPF 460可以是数字式的并且可以用双二阶来实现。双二阶可以被编程为实现多个滤波器拓扑，包括但不限于带通和低通滤波器。
图5示出了增量调制器RX通道500的实施例，其类似于图4的增量调制器RX通道400，但被配置为与自电容测量电极一起操作。自电容520可以被耦合到TIA 430的负输入端。自电容520可以被配置为向TIA 430的输入端提供接收信号RXS。TIA 430的正输入端可以被耦合到参考信号TXREF 535。参考信号TXREF可以在TIA 430的输入端上生成作为感应电流的接收信号RXS。由于TIA 430正输入端上的输入电压被调制，TIA 430可以尝试在其输出端上保持DC电压(通过电阻器432)。因此TIA430的输出电压可能发生变化，生成等于输入电流乘以反馈电阻器432的电阻或IIN*RFB的信号。如上面关于图4所讨论的，TIA430的输出端可以耦合到比较器440。比较器440的正输入端可以耦合到参考信号TXREF。如上面关于图4所讨论的，比较器440的比特流输出可以通过BPF 460进行滤波并且通过解调器480进行解调。在图5的实施例中，可以基于系统噪声特性来选择参考信号TXREF 535，以提供更大的对周期性噪声源的抗性。在该实施例中，可以通过不在与噪声载波(未被示出)相同的频率下进行操作来实现抗噪性。解调器480的输出可以用于根据本领域已知的各种方法来确定面板上导电物体的存在或不存在，包括但不限于以上关于图4描述的基线差计算。
对于图4和5的实施例，发射信号TX(图4)和TXREF(图5)中较高的幅值可以产生较高的信噪比(SNR)。可能需要以最高的可能幅值操作发射信号TX和TXREF。在其他实施例中，发射信号TX和TXREF的幅值可以是可编程的，并且可以被设置为针对系统性能优化后的强度。
图6示出面板210(图2)上的信号和IDAC(图2的270以及图4的423和427)的输出的实施例。当导电物体被放置在面板210上时，到TIA220的电流输入减少。图6的信号对应于互电容测量电路，其中到TIA220的输入减小。在图5中所示的自电容测量电路中，当导电物体被放置在面板210(或单个电极；CS 520)上时，具有增加的到TIA220的电流输入。到TIA220的电流输入可以由方波601表示。方波601减小的幅值导致负反馈回路225(通过IDAC 270)的电流输出的幅值减小。负反馈回路225的电流输出可以由方波602表示。信号601和602幅值的减小可以表示(图2和图4的)面板210上导电物体的触摸响应610。
图7示出了将来自电容感测面板的接收信号转换为数字值的方法700。在步骤710，电流可以在增量调制器接收通道的接收输入端上被接收。在一个实施例中，电流可以从发射信号和互电容导出，如上面关于图4所讨论的。在另一个实施例中，电流可以从上面关于图5所讨论的自电容导出。在步骤720，来自步骤710的接收电流可以被转换为电压。在一个实施例中，利用TIA，类似于TIA 220(图2)和TIA430(图4，互电容；图5，自电容)可以将该电流转换为电压。在步骤730，响应于步骤720的输出电压可以生成负反馈信号。在一个实施例中，负反馈信号可以通过类似于图2、4和5中所示和讨论的负反馈回路来生成。步骤730的负反馈信号可以在步骤740中被转换为负反馈电流并被偏置到步骤720的转换电路(例如，TIA220或TIA430)的电压电平。在步骤750，步骤740的偏置负反馈电流可以被施加到在步骤710接收的电流。在一个实施例中，步骤740的偏置负反馈电流通过求和点215(图2)被施加到在步骤710接收的电流(并且在一个实施例中被输入到TIA 220)。步骤730的负反馈信号可以在步骤760被解调以生成表示接收信号的数字值。在一个实施例中，如上面关于图2所讨论的，BPF的输出可以由解调器电路解调。在步骤770，可以使用步骤760的解调负反馈信号来确定(例如，如前所述的)电容感测面板上导电物体的存在或不存在。
本文描述的实施例可以用于电容感测系统的互电容感测阵列，或者用于自电容感测阵列中的各种设计中。在一个实施例中，电容感测系统对阵列中被激活的多个感测元件进行检测，并可以分析相邻感测元件上的信号模式以从实际信号分离噪声。如受益于本公开的本领域普通技术人员将会理解的那样，本文描述的实施例不依赖于特定的电容感测方案并且可以与包括光学感测方案的其他感测方案一起使用。
在以上描述中，阐述了许多细节。然而，对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在某些情况下，为了避免混淆描述，已知的结构和设备以框图形式而不是细节描述被示出。
根据对计算机存储器内的数据比特的运算的算法和符号表示来呈现一些部分的详细描述。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将他们工作实质传达给本领域其他技术人员的手段。算法在这里并且通常被认为是导致期望结果的前后一致的步骤序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操纵的步骤。通常，但也不一定，这些量采用能够被存储、传输、组合、比较和以其他方式被操纵的电信号或磁信号的形式。主要出于通常用法的原因，有时将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、项、数字等被证明是方便的。
然而，应该记住的是，所有这些和类似的术语都与恰当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非特别声明，否则从以上的讨论中可以明显看出，应当理解在整个说明书中，利用诸如“加密”、“解密”、“存储”、“提供”、“导出”、“获得”、“接收”、“认证”、“删除”、“执行”、“请求”、“通信”等之类的术语的讨论是指计算系统或类似的电子计算设备的操作和处理，其对被表示为计算系统的寄存器内的物理(例如，电子)量的数据进行操纵并将该数据转换为类似地被表示为计算系统存储器或寄存器或其他这样的信息存储、传输或显示设备内的物理量的其他数据。
词语“示例”或“示例性”在本文中被用来表示充当示例、实例或说明。本文描述为“示例”或“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为比其他方面或设计更优选或有利。相反，使用“示例”或“示例性”这些词旨在以具体的方式呈现概念。如在本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排除性的“或”。即，除非特别指定或从上下文清楚得知，“X包括A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，如果X包含A；X包括B；或X包括A和B二者，则在任何前述实例下均满足“X包括A或B”。此外，除非另有说明或从上下文清楚地指定为单数形式，否则本申请和所附权利要求书中使用的冠词“一”和“一个”通常应解释为表示“一个或多个”。此外，除非如此描述，否则术语“实施例”或“一个实施例”或“实施方式”或“一个实施方式”在全文中的使用并不表示相同的实施例或实施方式。
本文描述的实施例还可以涉及用于执行本文操作的装置。该装置可以为了所需目的而专门构造，或者其可以包括通过存储在计算机中的计算机程序被选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读存储介质中，例如但不限于包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘的任何类型的磁盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、闪存存储器或适用于存储电子指令的任何类型的介质。术语“计算机可读存储介质”应该被认为包括存储一组或多组指令的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存和服务器)。术语“计算机可读介质”还应被理解为包括能够存储、编码或携带由机器执行的一组指令并使机器执行本实施例的任何一种或多种方法的任何介质。相应地，术语“计算机可读存储介质”应被理解为包括但不限于固态存储器、光学介质、磁性介质、能够存储由机器执行的一组指令并使机器执行本实施例的任何一种或多种方法的任何介质。
本文中呈现的算法和显示并不固有地涉及任何特定的计算机或其他装置。根据本文的教导，各种通用系统可以与程序一起使用，或者可以证明构造更专用的装置来执行所需的方法步骤是方便的。各种这些系统所需的结构将在下文的描述中出现。另外，本实施例没有参考任何特定的编程语言来进行描述。应该理解的是，可以使用各种编程语言来实现这里描述的实施例的教导。
为了提供对本发明的多个实施例的良好理解，以上描述阐述了许多具体细节，例如特定系统、组件、方法等的示例。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践至少一些本发明的实施例。在其他情况下，为了避免不必要地混淆本发明，没有详细描述已知的组件或方法或仅以简单的框图格式来呈现。因此，以上阐述的具体细节仅仅是示例性的。具体实施方式可以从这些示例性的细节变化并且仍然被认为是在本发明的范围内。
应该理解的是，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。在阅读和理解以上描述之后，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应该参照所附权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来确定。

Claims (10)

1.一种接收通道，包括：
输入端，被配置为从接收电极接收第一信号,其中所述第一信号是由驱动电极上的驱动信号以及所述接收电极与发送电极之间的互电容在所述接收电极上感应出的电流；
转换电路，被配置为将所述第一信号转换为第二信号，其中所述接收电极耦合到所述转换电路的第一输入，并且其中所述转换电路的第二输入耦合到参考电压；
量化器电路，被配置为将所述第二信号转换为比特流；
滤波器电路，耦合到所述量化器，并被配置为提供来自所述量化器电路的所述比特流的滤波后的输出；
电流源，耦合在所述滤波器电路的输出与所述转换电路之间，所述电流源被配置为向所述转换电路的输入提供反馈电流；以及
解调电路，耦合到所述滤波器电路的输出，所述解调电路被配置为生成所述接收通道的静态输出。
2.根据权利要求1所述的接收通道，其中所述转换电路是互阻抗放大器。
3.根据权利要求1所述的接收通道，其中所述滤波器电路的所述输出被偏置以在所述转换电路的输入处产生标称零电流。
4.根据权利要求1所述的接收通道，其中所述滤波器电路是配置为对来自所述量化器电路的输出的基波信号进行隔离的滤波器。
5.根据权利要求1所述的接收通道，其中所述转换电路被配置为在第一模式下以互电容模式操作并且在第二模式下以自电容模式操作。
6.一种接收通道，包括：
输入端，被配置为从接收电极接收第一信号,其中来自所述接收电极的所述第一信号是由耦合到转换电路及开关电压电位的所述接收电极在自电容上感应出的电流；
转换电路，被配置为将所述第一信号转换为第二信号，其中所述接收电极耦合到所述转换电路的第一输入，并且其中所述转换电路的第二输入耦合到开关电压电位；
量化器电路，被配置为将所述第二信号转换为比特流；
滤波器电路，耦合到所述量化器，并被配置为提供来自所述量化器电路的所述比特流的滤波后的输出；
电流源，耦合在所述滤波器电路的输出与所述转换电路之间，所述电流源被配置为向所述转换电路的输入提供反馈电流；以及
解调电路，耦合到所述滤波器电路的输出，所述解调电路被配置为生成所述接收通道的静态输出。
7.根据权利要求6所述的接收通道，其中所述转换电路是互阻抗放大器。
8.根据权利要求6所述的接收通道，其中所述滤波器电路的所述输出被偏置以在所述转换电路的输入处产生标称零电流。
9.根据权利要求6所述的接收通道，其中所述滤波器电路是配置为对来自所述量化器电路的输出的基波信号进行隔离的滤波器。
10.根据权利要求6所述的接收通道，其中所述转换电路被配置为在第一模式下以互电容模式操作并且在第二模式下以自电容模式操作。
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