CN111512167A

CN111512167A - 电容测量电路

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Publication number: CN111512167A
Application number: CN201880081962.0A
Authority: CN
Inventors: O·拉斯洛; E·阿贝尔; M·鲍布利尔
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: EP3729110B1; CN111512167B; WO2019125707A1; EP3729110A1; US10656191B2; US20190187196A1

Abstract

在各种示例中，存在用于测量电极的电容的电容测量电路。该电路包括充电/放电电路部分，其对电极充电或对电极放电；以及计数器，其测量充电测量，即充电/放电电路部分在两个充电阈值之间对电极充电所花费的时间，并且其测量放电测量，即充电/放电电路部分在两个放电阈值之间对电极放电所花费的时间。该电路具有控制器，其被配置成控制充电/放电电路部分和计数器，使得多个放电测量被获得且多个充电测量被获得。该电路具有平均逻辑，其根据测量的平均来计算所测电容。以此方式，高频和低频噪声被衰减并且精细分辨率、高精度的电容测量被获得。

Description

电容测量电路

背景

该技术通常涉及用于测量电极的电容的电容测量电路。电容测量被用于许多应用中，包括电容触摸屏、触控笔、压力传感器等等。

电容测量的准确性会影响相关应用的质量，诸如用户可以经由触摸屏实现的图形用户界面的控制质量，或者通过压力传感器测量压力的容器中气体密度的估值精度。精度受许多因素影响，包括噪声、温度变化、湿度变化和其他因素。

电容测量的分辨率也会影响使用电容测量的应用的质量。如果分辨率太粗糙，则低电容触摸事件可能会被电容触摸屏解释为不存在触摸事件。如果分辨率太粗糙，则很小的压力差可能无法由使用电容的压力传感器来检测。分辨率受许多因素影响，包括电容测量电路的设计和电极的环境。

以下描述的各实施例不限于解决已知电容测量电路的缺点中的任何缺点或全部缺点的实现。

概述

下面呈现了本公开的简要概述，以便向读者提供基本理解。本概述并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用于限定所要求保护的主题的范围。其唯一的目的是以简化形式呈现本文中所公开的概念的选集，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

许多附带特征将变得更容易领会，因为这些附带特征通过参考结合附图考虑的以下详细描述而变得更好理解。

附图描述

根据附图阅读以下详细描述将更好地理解本说明书，在附图中：

图1是电容测量电路的示意图；

图2是触摸面板传感器的示意图；

图3是图1的电容测量电路的更详细的示意图；

图4A是图3的电容测量电路的操作方法的流程图；

图4B是图3的电容测量电路的另一操作方法的流程图；

图5是电容测量电路的另一示例的电路图；

图6是电容测量电路的另一示例的电路图；

图7是缓冲区的示意图；

图8A是电容器电压和比较器输入电压的曲线图；

图8B是比较器输入电压的曲线图，并示出了充电和放电阈值；

图9A是充电和放电阈值交错的示意图；

图9B是图9A的副本，并且添加了示例充电和放电阈值；

图10是使用图6的电容测量电路获得的信噪比的曲线图。

在各个附图中使用相同的附图标记来指代相同的部件。

详细描述

下面结合附图提供的详细描述旨在作为本发明示例的描述，而并不旨在表示构建或使用本发明示例的唯一形式。本描述阐述了本发明示例的功能，以及用于构建和操作本发明示例的操作的序列。然而，可通过不同示例来完成相同或等效的功能和序列。

本技术提供了一种采用时域方式进行操作的办法来测量电极电容的电路系统。电极在两个指定的电压之间充电(或放电)，并且充电(或放电)所花费的时间被记录。已知此时间与电极的电容成比例，电极的电容与在测量时由电极所保留或存储的电荷量成比例。

以时域方式进行的电容测量特别适合需要精细标度电容分辨率和低功耗操作的应用，诸如触摸传感器技术、压敏触控笔技术和其他压力传感器技术。这是因为充电或放电所花费的时间可以通过使用具有高频率的时钟信号以实用且精确的方式以精细的分辨率来测量。诸如以频域方式进行的电容测量之类的替换方案不太适合低功率电容测量，因为它需要交流(AC)传输、高端模数转换器(ADC)和复杂的数字信号处理(DSP)模块，其会占用功率和空间。

但是，以时域方式进行的电容测量的一个重要问题是噪声会使测量不准确。这就给电容测量所使用的任何应用都带来了问题，诸如检测到是噪声而非实际触摸事件的触摸事件；无法检测到实际触摸事件；给出的压力值太高或太低等等。在此认识到，各种不同类型的噪声影响电容测量结果，并且不同类型的噪声会以不同方式起作用。

如果电容测量电路位于电子设备(诸如智能电话、智能手表、膝上型计算机、平板计算机、游戏控制器或其他设备)内部，则其通常会经历来自该电子设备内部的其他组件的噪声，诸如液晶显示器、近场通信天线或控制电路系统、短距离无线通信天线(诸如蓝牙(商标)天线)、直流到直流转换器或其他组件。电容测量电路通常还经历来自该电子设备外部源的噪声，诸如该设备所在房间的照明、该设备所在车辆中的电机和其他装备、该电子设备所在建筑物中的通信网络(诸如以太网(商标)电缆)等等。

考虑个体样本的时间段，在此期间电极被充电(或放电)以找到发生充电或放电所需的时间。如果在此时间段内发生噪声，则它将影响测量结果，除非该噪声以某种方式从测量中移除或其影响得到改善。

在低频噪声的情况下，当噪声的波长远大于测量时间段时，则噪声在测量时间段期间实际上是恒定的。在高频噪声的情况下并非如此，并且在测量时间期间可能会发生一个或多个高频噪声脉冲。低频噪声(诸如来自电网的50至60赫兹噪声)具有约为20毫秒的周期，这远大于约100微秒的典型测量时间。

本技术进行多个测量，每个测量包括放电时间或充电时间，并且对测量进行平均以减少噪声的影响。由于高频噪声脉冲的随机效应相互抵消，因此对测量进行平均可以降低高频噪声。在低频噪声的情况下，平均本身无法移除低频噪声，因为其在每个个体测量中实际上是相同的。然而，在此认识到，低频噪声对充电和放电测量具有相反的影响。因此，多个测量被布置成包括充电测量和放电测量。在优选的实施例中，多个测量被布置成包括与放电测量大约相同数量的充电测量，以衰减低频噪声。

图1是电容测量电路100的示意图，该电容测量电路100被部署在电子设备(诸如具有触摸屏的智能手表102、平板计算机104、触控笔108和压力传感器106)中。在一些示例中，时域电容测量电路系统是专用集成电路，并且作为个体组件单独地出售。在一些示例中，电容测量电路100是触摸面板的控制模块216(见图2)内的许多此类电容测量电路中的一者。在一些示例中，电容测量电路100被用于触控笔或压力传感器中。

电子设备(诸如平板计算机、智能电话、智能手表等)通常结合触摸面板以显示信息并接收通过触摸显示器作出的一个或多个用户输入。触摸面板通常是具有被称为数字化设备的电容感测介质的互电容触摸面板，该电容感测介质包括以矩形网格图案布置的多个行电极(称为发射电极)和多个列电极(称为接收电极)。驱动信号电压被施加在发射电极上，并且在每个接收电极处测量电压。由于人体是导电体，因此当手指触摸或靠近触摸面板时，触摸面板的静电场被扭曲，这从而在接收电极处产生可测量的变化。

触摸面板处的用户输入的坐标是从测得的变化计算而来的，内插可被用于计算网格的各个体单元内，而非网格的交点处的用户输入位置的坐标。

在触控笔108或笔与触摸面板结合使用的情况下，触控笔或笔结合一个或多个驱动电极(在本文中称为发射器)使得触摸面板本身处的驱动电极可被用作接收电极。

触摸面板(为简洁起见在本文中称为数字化仪)通常与显示器一起使用，尽管这不是必需的。显示器包括显示面板，其可以位于数字化仪的前面或后面，诸如在传统智能电话、平板计算机或智能手表中。在一些情况下，如在膝上型计算机的情形中，数字化仪是远离显示面板定位的触摸板。

数字化仪214的示例在图2中被例示，并且包括基本上彼此平行布置的第一电极阵列和基本上彼此平行布置的第二电极阵列。基本上平行是指在几度平行范围内。在一些实现中，第一阵列中的电极是基本上垂直于第二阵列中的电极(列电极)定位的行电极，以形成如图2所例示的网格或矩阵。尽管行电极可以被称为发射电极，而列电极可以被称为接收电极，但是这些名称可以颠倒而含义不变。然而，将电极布置成网格不是必需的。在一些情况下，行电极以不垂直的角度与每个列电极相交，从而形成具有平行四边形形式的传感器。在一些情况下，电极形成更复杂的图案，其中任意两行或两列不一定平行，也不一定沿直线布置。

在传感器面板用于显示器(诸如液晶显示器)之前或之内的情况下，数字化仪214对可见光波长基本上是透明的。具体地，数字化仪中的各电极由透明导电材料(例如，氧化铟锡)制成，或者替换地，由不透明材料制成，但其迹线很小以至于不明显。在其他实现中，数字化仪未定位在显示器之内、之前或之后，而是定位在与电子设备的显示器不同的触摸板内。

数字化仪214被用于测量来自电极的每一行到每一列的电容，以便测量输入介质(诸如手指或触控笔)的位置。在一些操作模式中，行/列电极中的一者与系统接地之间的电容被测量，以用于提供低功率触摸检测或用于为触摸检测算法提供输入。

图2示出了在数字化仪的各电极以网格布置以便形成基于网格的电容传感器的情况下的数字化仪<Ori：有源笔未被电容传感器检测到>。触控笔200传送由电容传感器检测到的电磁信号。一个或多个手指210或其他导电物体的触摸也可以被电容传感器检测到。触控笔200传送以定义的重复率传送的一个或多个信号突发和/或脉冲。在一些示例中，数字化仪的控制模块216管理同步信号，该同步信号用于使由触控笔200发射的信号突发与用于对来自数字化仪214的输出进行采样的采样窗口同步。可选地，一个或多个信号突发和/或脉冲由触控笔200传送，其包括关于触控笔200的操作和/或施加在触控笔的尖端202上的压力的信息。由触控笔200传送的信号突发被数字化仪214的各电极中的一者或多者在网格的水平和垂直轴上拾取。在一些示例中，信息由控制模块216中的数字化仪电路系统来解码。触控笔尖端的位置由控制模块216计算，并发送到主机设备218，该主机设备是与数字化仪相关联的计算设备。

可选地，互电容检测方法和/或自电容检测方法被应用于数字化仪214以感测与一个或多个手指210的指尖的交互。数字化仪控制模块216将触发脉冲和/或质询信号发送到数字化仪的一个或多个电极204、206，并响应于该触发和/或质询而对来自电极204、206的输出进行采样。在一些实施例中，沿着网格的一个轴的一些或全部电极204同时或以连续的方式被质询，并且响应于每次质询，来自其他轴上的电极206的输出被采样。此扫描过程提供了用于获得与网格的每个结点208相关联的输出。这提供了用于检测同时触摸数字化仪和/或悬停在数字化仪上(多点触控)的一个或多个导电物体(诸如，指尖)。在一些示例中，数字化仪控制模块216在扫描数字化仪214以检测一个或多个指尖和在水平和垂直电极两者上采样输出以定位由触控笔200传送的信号之间交替。

触控笔200具有位于其尖端202中的尖端发射器，并且数字化仪能够通过检测由尖端发射器传送的信号来检测触控笔尖端相对于数字化仪网格的位置。

在各种示例中，触控笔具有倾斜发射器。数字化仪能够检测触控笔200相对于数字化仪214的平面的倾斜，其中触控笔200除了在触控笔的尖端202处具有发射器之外还具有倾斜发射器。触控笔在其尖端处包含传送第一信号的发射器，并且其在发射器的倾斜点处包含传送不同于第一信号的第二信号的第二发射器(称为倾斜发射器)。控制模块216使用第一信号来计算触控笔200的尖端202在数字化仪214上的位置。控制模块216使用第二信号来计算从触控笔200的倾斜点接收的信号在数字化仪214上的位置。控制模块216知道触控笔200的长度，并因此能够通过三角测量来计算触控笔200的纵轴与数字化仪214的平面之间的角度。

在各种示例中，触控笔具有多个发射器，这些发射器被配置成使得数字化仪和控制模块216能够检测触控笔200的旋转。

数字化仪能够检测触控笔200的远端的位置，其中触控笔在其远端处具有至少一个发射器。在触控笔200的远端用作橡皮擦的情况下，远端发射器称为橡皮擦发射器。

图3是电容测量电路100的更详细的示意图，并且电容测量电路100被连接至电极300以测量电极的电容。该电极是触摸板传感器、触控笔、或压力传感器的电极，为清楚起见未在图3中示出。

电容测量电路100包括电压评估器302，该电压评估器302测量电极300的电压并将该电压与一个或多个指定电压(也称为阈值或参考电压)进行比较。在一些示例中，电压评估器302包括一个或两个比较器，如下面更详细地描述的。电压评估器302被连接到计数器304，该计数器304对时钟信号进行计数以便测量持续时间。计数器304被连接到平均逻辑306，该平均逻辑306对计数器304的多个持续时间或持续时间的倒数进行平均以便计算由电容测量电路100输出的电容值308。

电容测量电路100包括用于连接到电极的充电/放电电路310。充电/放电电路310用于向电极300施加电流以对电极300充电，或者用于通过从电极300吸收电流以对电极300放电。因此，充电/放电电路310包括对电极(诸如电流源)或通过阻抗连接的电压源充电的功能。充电/放电电路还包括对电极(诸如电流阱或接地阻抗)放电的功能。一个或多个开关存在于充电/放电电路310中以使得能够在电极300的充电和放电之间进行切换。

控制器312被连接到充电/放电电路300。充电/放电电路310中的开关根据比特的值来控制。

在一些示例中，电容测量电路100包括阈值生成器314。但是，此组件是可选的。阈值生成器确定参考电压(也称为阈值)以在电容测量电路100的使用期间阈值动态改变的情况下供电压评估器302使用。

图4A是在没有阈值生成器的情况下图3的电容测量电路100的操作方法的流程图。充电/放电电路310被设置为400，以使用控制器312对电极充电或放电。这通过从控制器312向充电/放电电路310发送控制信号来完成，该控制信号指定是对电极充电还是对电极放电。在此示例中，控制信号指示电极将重复地被充电并然后放电，使得电极在被充电和被放电之间切换。

假设充电/放电电路310被设置为对电极充电。电极的初始电压是已知的。随着充电开始，电极的电压被评估。当第一阈值电压被达到时，计数器被激活402。计数器继续，直到在检查404处满足标准为止。标准至少包括电极的评估电压已达到第二指定充电阈值。一旦第二指定充电阈值被满足，则计数器被读取406并重置。所读取的计数器值称为充电测量，并被存储以用于本文档后面部分更详细地描述的平均过程。在一些情况下，第一充电阈值是电极的完全放电状态。

作出关于是否重复该方法的检查408。如果已经进行了指定数量的充电测量和放电测量，则该方法进行到平均过程410，否则重复该方法。

假设该方法重复并进行到操作400，在操作400，控制器将信号发送到充电/放电电路310以对电极放电。充电/放电电路310中的开关被操作以使得电极能够被放电。电压被评估并且一旦第一阈值被超过，计数器就被激活402。一旦标准被满足404，诸如电极的评估电压达到第二放电阈值，则计数器被读取406并重置。所读取的计数器值称为放电测量并被存储以用于平均过程。在一些情况下，第一放电阈值是电极的初始电压，诸如电极处于完全充电状态的情况。

如上文提及的，充电测量与电极的电容成正比；而放电测量也与电极的电容成正比。

在假设低频噪声在整个充电测量期间和整个放电测量期间都是恒定的情况下，可以通过对充电和放电测量进行平均来抑制低频噪声。这是因为低频噪声对充电测量和放电测量的影响相反，因此这些低频噪声影响会在平均过程期间相互抵消。优选地，与放电测量相同数量的充电测量被使用以使得低频噪声影响能够最有效地相互抵消。至少一个充电测量和至少一个放电测量被平均以移除低频噪声。

在高频噪声随测量(充电测量或放电测量)的时间而变化的情况下，对多个测量(单独充电测量、或单独放电测量、或充电和放电测量两者)进行平均趋向于抵消这种高频噪声的影响。这是因为假定高频噪声是随机的并且在正方向和负方向两者上都具有大致相同的测量偏差，这些偏差会通过平均而消除。所平均的测量的数量越多，对高频噪声的抑制效果越好。

图4A的方法对多个测量进行平均，其中，这些测量既包括充电测量也包括放电测量，因此图4A的方法创建了跨频谱的针对噪声的免疫方(immcircuit party)。

在一些情况下，图4A的方法对个体充电和放电测量中的每一者的倒数进行平均。由于测量中的噪声项在求平均过程期间相互抵消，因此通过计算倒数值和求平均可以进一步减少这些噪声，如现在使用数学符号所解释的。测量的倒数是一除以测量。假设相同大小的电流I被充电/放电电路310用于在充电测量中对电极充电和在放电测量中对电极放电两者则以下数学表达式适用。在本文描述的示例中，相同的电流源被充电/放电电路310用于对电极充电和放电，并且这使得噪声抑制更加有效。如果电流值不同，则充电测量与放电测量的平均包含误差。

在充电测量的情况下，下列方程式适用：

其用文字表达为，当电极从第一充电阈值充电到第二充电阈值时，计数器所计算的时间被表示为Δt_charge，并且等于电极的电容C乘以电极的电压变化ΔV与施加到电极上的电流I和由于噪声而施加到电极上的电流I_noise之和的比值。

在放电期间，下列方程式适用

其用文字表达为，当电极从第一放电阈值放电到第二放电阈值时，计数器所计算的时间等于电极的电容乘以电极的电压降低与施加到电极上的负电流I和由于噪声而施加到电极上的电流之和的比值。这在数学上简化成电极的电容乘以电极的电压增加除以施加到电极上的电流减去由于噪声而施加到电极上的电流之差的比值。

当取充电测量的倒数和放电测量的倒数的平均时，数学表达式中的噪声项被抵消，这使得所得的电容值更加准确。充电测量的倒数是：

放电测量的倒数是

上述两个倒数的平均的倒数为

其被完全地写作

并且其被简化为

其等于

因此，充电测量和放电测量的倒数的平均的倒数等于电极的电容乘以电极的电压变化除以施加到电极上的电流，而不受任何噪声的影响。由于电极的电压变化和施加到电极上的电流是已知的，因此电容可以从抑制了噪声的上述方程式以高精度的方式被计算。尽管上面仅显示了两次测量的平均，但可以扩展为其他数量的测量。

图4A的方法在充电和放电测量之间一致地切换。对于在切换频率的周围频率及其谐波中不存在噪声的许多实际应用而言，图4A的方法是一种很好的工作办法。

在切换频率的周围频率及其谐波中存在噪声的情况下，这种类型的噪声无法通过参考图4A所描述的对充电测量与放电测量进行平均来减少。为了解决这个问题，切换是随机的，但是在指定总数的测量中，充电测量与放电测量的次数基本相同。现在参考图4B对此进行描述。

伪随机数生成器被用于生成随机比特序列，该随机比特序列包括指定总数的比特(具有大约相等数量的1和0)。伪随机数生成器是线性反馈移位寄存器(LFSR)或任何其他伪随机数生成器，并且被并入控制器中(图3的312)。这些比特被用于控制充电/放电电路，使得比特的值指定是要进行充电测量还是要进行放电测量。

由于序列中的比特是随机的，因此序列具有一些连续的1和/或一些连续的0。这意味着在某些情况下会依次进行充电测量，以及依次进行放电测量。然而，允许这样做并不简单，因为这样会导致各种问题。例如，在进行充电测量之后，电极在可以进行另一充电测量之前可能需要被放电。这是耗时的，并且降低了实现电容测量的速度和分辨率。这同样适用于放电测量，其中电极在可以进行另一放电测量之前可能需要被充电。为了解决这个问题，在测量过程期间动态地确定充电或放电测量的阈值，从而避免在开始连续测量之前需要将电极置于特定状态。

另一问题是，在电极的充电和放电之间切换时会引入电压跳变。这些跳变是由于电极和所测电容之间的等效串联电阻而引起。此电阻可能由于通向电容器的路径(诸如电线)的电阻，或者由于电容器本身不是理想电容器并因此它包含非零等效串联电阻而引起。这些电压跳变会影响电容测量，其中电压跳变发生在各充电阈值之间或各放电阈值之间。为了解决这个问题，阈值被专门地确定以避免与电压跳变冲突。本文档稍后将对此进行更详细的解释。

另一问题是，如果快速地进行连续充电(或连续放电)测量，则可能存在在并非真正测量结束的一个点处读取计数器的风险。这导致结果不准确。另一问题是存在在新的测量开始之前未将计数器重置在正确点的风险。再次，这引入了不准确性。为了解决此问题，本文档后面将详细介绍缓冲区。

如上文提及的，图4A的方法使用阈值确定和缓冲区。但是，可以省略这些特征中的一者或多者，并且仍然具有有效的解决方案。例如，在一些情况下，尤其是在对计数器的读取和重置非常快的情况下，缓冲区可能会被省略。例如，在电压跳变足够小以至于它们没有达到各充电/放电阈值之间的深度的情况下，解决电压跳变的机制可能不被需要。这种情况会在所测电容的等效串联电阻较小时出现。另外，如果等效串联电阻和充电/放电电流源值是已知的，则存在使用测量的数字后处理来补偿电压跳变的影响的选择。例如，如果电压变化ΔV的比率为100mV，并且已知跳变在充电/放电阈值之间穿透50mV，则时间测量必须加倍才能获得正确的值。

参考图4，充电/放电电路部分从伪随机比特序列428接收412伪随机比特。伪随机比特序列由线性反馈移位寄存器生成，该线性反馈移位寄存器生成具有偶数个比特的重复流，其中0的数量与1的数量大致相同。其他类型的伪随机比特生成器可被使用。

根据接收到的伪随机比特的值，充电/放电电路配置414其开关以对电极充电或放电。阈值生成器(图3的314)通过考虑先前测量中使用的阈值并还通过保持区间基本恒定来确定416充电阈值或放电阈值的值在第一充电阈值和第二充电阈值之间，以及在第一放电阈值和第二放电阈值之间。在一些情况下，阈值生成器交错充电和放电阈值，并且这也称为错开充电和放电阈值。阈值生成器314还确定当前测量的最后阈值和后续测量的第一阈值之间的缓冲区。这是通过在每个测量的最后阈值和每个后续测量的第一阈值之间引入固定大小的电压间隙来完成的。

充电/放电电路开始对电极充电或放电。根据由阈值生成器确定的阈值评估418电极电压，并且一旦第一阈值被满足，计数器即被激活。这是使用一个或多个比较器来完成的，如本文档后面所描述的。在第一阈值被超过之后，计数器开始计数。如果标准被满足420，由此电压从第一阈值移动到第二阈值，则一旦第二阈值被达到，计数器即被读取422。一旦计数器被读取，计数器即被重置并且作出关于是否重复424的决定。如果序列中存在更多的伪随机比特，则该方法从步骤414重复，使用下一伪随机比特来配置充电/放电电路部分。如果序列中不存在更多的伪随机比特，则过程移动到操作426，在该点处，计数器读数的倒数的平均426被计算并输出为电极的测得电容。

图5是用于实现图4A的方法的电容测量电路的电路图。电极由两个电容器502、504表示，一个电容器用于电极而另一电容器用于可能影响该电极的用户的手指。环境中的噪声(高频和/或低频噪声)在电路图中用符号506表示。噪声可能会通过用户的手指以外的其他路径穿透电路，尽管这是触摸感应系统的典型场景。充电/放电电路部分508、510包括开关，其可配置成使电极能够被充电或放电。充电/放电电路部分508、510在图5中表示为数字组件500的控制器的控制下在充电和放电之间切换。

电极502、504的电压由两个比较器512、514评估。比较器中的一者被连接到参考电压516，并将电极的电压与作为第一阈值的参考电压516进行比较。另一比较器512经由电压的固定步长变化连接到相同的参考电压516以提供第二阈值。在此示例中，第一和第二阈值是固定的。如果电极502、504的电压高于两个阈值，则由比较器输出的信号在与异或组合时触发计数器304停止。当电极上的电压在第一和第二阈值之间时，计数器对时钟520的时钟周期(tick)进行计数。.计数器结果被锁定并存储在数字组件500中，并且计数器被重置。

图6是用于实现图4B的方法的电容测量电路的电路图。在此示例中，如图5所示，使用两个电容器502、504来表示电极，并且以与图5相同的方式示出噪声。电阻器610被示出并且其表示被测电容器和测量电路之间的等效电阻，该电阻由氧化铟锡的电阻、金属流道、迹线和非理想电容器的等效串联电阻所引入。在一些触摸传感器中，此电阻可能高达4千欧姆。

图6中的充电/放电电路部分612包括开关606、608以使得电极能够被充电或放电。充电/放电电路部分从代表控制器的数字组件500中的线性反馈移位寄存器600接收控制信号。

电极的电压由两个比较器512、514以与图5相同的方式评估，并且比较器的输出使用异或运算符518组合，该异或运算符518触发计数器304。如图5所示，计数器对时钟的时钟周期进行计数，并且计数器的结果由数字组件500从计数器304锁定。适当时，数字组件发送信号以重置计数器304。数字组件500从计数器304接收使能信号，该使能信号指示测量何时结束。一旦测量结束，数字组件500就锁定计数器结果。在伪随机比特序列结束之后，数字组件500将测量的倒数平均以计算最终电容值。

图6示出了阈值生成器，其包括电阻梯614和多路复用器(MUX)604。数字组件500通过控制多路复用器自动地选择下一测量的较低阈值(vref 602)。这是通过在数字组件500中实现以下规则来完成的，其中当前测量使用了电阻梯中的位置j。

如果当前测量是充电测量，且下一测量是充电测量，则选择电阻梯中的j+2位置作为下一测量的第一阈值vref 602的值。

如果当前测量是充电测量，而下一测量是放电测量，则选择电阻梯中的j-1位置作为下一测量的第一阈值vref 602的值。

如果当前测量是放电测量，而下一测量是充电测量，则选择电阻梯中的j+1位置作为下一测量的第一阈值vref 602的值。

如果当前测量是放电测量，且下一测量是放电测量，则选择电阻梯中的j-2位置作为下一测量的第一阈值vref 602的值。

在一些示例中，图6的电阻分压梯614被脉宽调制(PWM)控制的电压代替。

如上文提及的，为了不需要在两个连续的充电测量之间对电极放电(或在两个连续的放电测量之间对电极充电)，充电和放电阈值在操作期间被动态地改变。如在图7中例示的，存在对电极的两个连续的充电测量704、702。结果，电极的电压如线700所指示的而增加。对于第一测量，将电极从较低阈值1充电到较高阈值1所花费的时间被测量。在较高阈值1和较低阈值2之间引入了缓冲区706，其中较低阈值2是第二测量的第一阈值。对于第二测量，将电极从较低阈值2充电到较高阈值2所花费的时间被测量。

缓冲区706允许计数器结果由控制器读取，并在下一测量开始之前重置计数器。

在此认识到，图6的电阻器610不影响电容测量电路的结果。这是因为当使用电流源对电极充电时，此电阻器610会产生恒定电压偏移，该偏移等于电流(由充电/放电电路所施加)乘以电阻610的电阻。因为测量时间是在电极上的电压超过第一阈值之后开始的，而非在充电/放电电路开始时立即开始的，所以此偏移将不会对测量产生任何影响。这会在整个测量期间产生恒定电压偏移，就像其影响对高阈值的超过一样的方式影响对低阈值的超过。因此测得的时间不受影响。

如上文提及的，当图6的充电/放电电路在充电和放电之间切换时，发生电压跳变。由于电压跳变，比较器会经历突然的输入变化。这是因为由电阻器610引起的偏移突然从正变为负，或者从负变为正。对于1微安培电流源和4千欧姆电阻610，在充电和放电测量之间存在8毫伏的电压跳变。图8A示出了比较器输入电压800从左到右增加，突然下落，并然后从左到右降低。相反，在电阻器610之前测量的电极电压没有与比较器输入电压的突然下落相对应的突然下落。

此电压跳变仅在比较器的有效区域中存在电容时影响对电容的测量，其中比较器的有效区域在下一测量的充电阈值或放电阈值之间。例如，假设当前测量为充电测量，并且电路对300毫伏至400毫伏之间的上升时间进行采样。如果下一测量是放电测量，则电压的跳变将扰乱在400毫伏和300毫伏之间的下落时间。

为了解决比较器在有效区域中电压跳变的问题，使充电和放电阈值错开或交错，如在图8B和图9中例示的。图8B示出了电阻器610之后的比较器输入电压，其与图8A相同。此外，图8B示出了在两种场景下的充电和放电阈值的值。在图8B的左手侧的场景中，充电和放电测量两者的较低阈值相同，并且充电和放电测量两者的较高阈值也相同。这会给出很差的结果，因为电压跳变发生在较低和较高阈值之间的区域中，因此其会影响充电或放电所需的时间并损害结果。在图8B的右手侧的场景中，阈值被交错，使得较低充电阈值位于各放电阈值之间。同样，较高放电阈值也位于各充电阈值之间。以此方式，电压跳变不会在充电测量或放电测量中发生。

在图9A中还例示了充电和放电阈值的交错，其在较高线900上示出了各充电阈值并在较低线902上示出了各放电阈值，其中线的长度表示电路在其上工作的全电压范围。可以看出，恒定区间904被用于充电测量和放电测量，并且还例示了缓冲区906。图9B在较高线900上示出了各充电阈值并在较低线902上示出了各放电阈值，并且给出了针对该示例的以毫伏为单位的阈值的数值，这并不旨在限制本技术的范围。图9B例示了区间全部为100毫伏，且缓冲区全部为10毫伏的情况，尽管在一些示例中使用了其他值。注意，只要每个较高阈值和较低阈值之差是恒定的，则阈值的绝对值不需要精确。这可以通过使用电阻分压梯或脉冲宽度调制受控电压来确定较低阈值来实现。较高阈值是较低阈值和直流电压源的总和。通过对所有阈值使用相同的直流电压源，较高和较低阈值之差是恒定的。

图10示出了具有以下参数值的图6的电路的信噪比的曲线图：

传感器电容491.1微微法拉(选择非舍入值(non round value)以挑战电路)。

时钟频率200兆赫兹。

各比较器阈值之差，200毫伏。

线性反馈移位寄存器序列长度，96比特。

电流源13微安培。

传感器电阻4千欧姆。

在图10的曲线图中，x轴表示注入到电容器中的以赫兹为单位的已知噪声源的频率，并且y轴表示以分贝为单位的观察到的信噪比。1微安培正弦电流源的噪声源以50赫兹和1兆赫兹之间的不同频率注入电容器(参见图10中曲线图的x轴)。对于每个频率，均采用20个不同相位的噪声进行测量。对于每个频率，计算了两个信噪比。第一信噪比被计算为20个样本相较于已知电容的偏差的信噪比，并且这在图10中被例示为线1000。与已知电容相比，第二信噪比被计算为20个样本的平均的绝对误差，并且这在图10中被例示为线1002。高于零的信噪比指示信号多于噪声。如图10所示，对于所研究的所有条件信噪比都远高于零，这表明使用本文所描述的装置和方法可以很好地抑制噪声。图10的最坏场景是在大约25千赫兹的噪声频率下出现的45分贝的信噪比。45分贝的信噪比远高于零，故因此，实际上，最坏场景也非常好。这表明本文所描述的装置和方法在抑制噪声方面非常有效。

作为本文中所描述的其他示例的替换或补充，一些示例包括以下的任何组合：

一种用于测量电极的电容的电容测量电路，该电路包括：

充电/放电电路部分，其对电极充电或对电极放电；

计数器，其测量充电测量，即充电/放电电路部分在两个充电阈值之间对电极充电所花费的时间，并且其测量放电测量，即充电/放电电路部分在两个放电阈值之间对电极放电所花费的时间；

控制器，其被配置成控制充电/放电电路部分和计数器，使得多个放电测量被获得且多个充电测量被获得；

平均逻辑，其根据测量的平均来计算所测电容。

如上文描述的电容测量电路，其中平均逻辑计算多个测量中的每一者的倒数的平均。

如上文描述的电容测量电路，其中控制器被配置成控制充电/放电电路部分和计数器，使得充电测量的数量近似等于放电测量的数量。

如上文描述的电容测量电路，其中控制器包括伪随机数生成器，伪随机数生成器被配置成生成包括指定数量的随机比特的序列，并且其中控制器被配置成控制充电/放电电路部分和计数器，使得充电和放电测量以与随机比特的序列相对应的序列进行。

如上文描述的电容测量电路，包括阈值确定器，阈值确定器被配置成确定由电压评估器使用的充电阈值和放电阈值，使得当比特序列的当前比特与比特序列的紧邻的先前比特具有相同值时，充电阈值被确定成比紧邻的先前充电阈值更大，或者放电阈值被确定成比先前放电阈值更小。

如上文描述的电容测量电路，其中阈值确定器被配置成确保存在其中没有由阈值确定器确定的充电或放电阈值的电压区间的缓冲区，该缓冲区位于两个充电阈值中的较小者与先前两个充电阈值中的较大者之间，或两个放电阈值中的较大者与先前两个放电阈值中的较小者之间。

如上文描述的电容测量电路，其中阈值确定器被配置成交错充电和放电阈值。

如上文描述的电容测量电路，其中阈值确定器被配置成确定充电和放电阈值，使得一对充电或放电阈值之差通常是恒定的。

如上文描述的电容测量电路，其中阈值确定器包括电阻分压梯或脉冲宽度调制受控电压。

如上文描述的电容测量电路，其中电阻分压梯或脉冲宽度调制受控电压被配置成计算一对充电阈值中的较低者或一对放电阈值中的较低者，以及直流电压源，当直流电压源与较低电压相结合时会产生该对电压中的较高电压。

如上文描述的电容测量电路，其中充电/放电电路部分包括用于既对电极充电又对电极放电的单个电流源。

一种测量电极的电容的方法，包括：

多次对电极充电并对电极放电；

每次电极被充电时，使用计数器测量充电测量，即在两个充电阈值之间对电极充电所花费的时间；

每次电极被放电时，使用计数器测量放电测量，即在两个放电阈值之间对电极放电所花费的时间；以及

根据测量的平均来计算所测电容。

如上文描述的方法，包括根据多个测量中的每一者的倒数的平均来计算所测电容。

如上文描述的方法，包括使充电测量的数量近似等于放电测量的数量。

如上文描述的方法，包括生成包括指定数量的伪随机比特的序列，并且以与伪随机比特的序列相对应的序列进行充电和放电测量。

如上文描述的方法，包括确定由电压评估器使用的充电阈值和放电阈值，使得：当比特序列的当前比特与比特序列的紧邻的先前比特具有相同值时，充电阈值被确定成比紧邻的先前充电阈值更大，或者放电阈值被确定成比紧邻的先前放电阈值更小；以及使得当比特序列的当前比特与比特序列的紧邻的先前比特具有不同值时，充电阈值被确定成比紧邻的先前放电阈值更大，或者放电阈值被确定成比紧邻的先前充电阈值更小。

如上文描述的方法，包括使用电阻分压梯或脉冲宽度调制受控电压来确定充电阈值和放电阈值。

如上文描述的方法，包括创建包含在其中没有充电或放电阈值的电压区间的缓冲区，缓冲区位于两个充电阈值中的较小者与先前两个充电阈值中的较大者之间，或两个放电阈值中的较大者与先前两个放电阈值中的较小者之间。

如上文描述的方法，包括交错充电和放电阈值。

一种用于测量电极的电容的电容测量电路，电路包括：

充电/放电电路部分，其对电极充电或对电极放电；

平均逻辑，其根据测量中的每一者的倒数的平均来计算所测电容。

如对本领域技术人员将显而易见的，本文中所给出的任何范围或设备值可以在不丢失所寻求的效果的情况下被扩展或被改变。

虽然用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明主题，但应当理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于以上所描述的具体特征或动作。更确切而言，以上所描述的具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

将会理解，以上所描述的益处及优点可以涉及一个实施例或者可以涉及若干实施例。各实施例并不限于解决所阐述的问题中的任何或全部问题的那些实施例或者具有所阐述的益处和优点中的任何或全部益处和优点的那些实施例。将进一步理解，对“一个”项目的提及是指那些项目中的一个或多个。

本文中所描述的方法的步骤可按任何合适次序执行，或者在合适的情况下被同时执行。附加地，在不偏离本文中所描述的主题的范围的情况下，可以从任何方法中删除各单独的框。以上所描述的示例中的任一者的诸方面可以与所描述的其他示例中的任一者的诸方面相组合，以形成进一步的示例而不会丢失所寻求的效果。

本文中使用术语“包括”以意指包括所标识的方法的框或元件，但是这样的框或元件是不包括排他性列表的，并且方法或装置可包含附加的框或元件。

术语“子集”在本文中被用来指代真子集，使得集合的子集不包括该集合的所有元素(即，该集合的至少一个元素不在该子集中)。

可以理解，上面的描述只是作为示例给出并且本领域的技术人员可以做出各种修改。以上说明、示例和数据提供了对各示例性实施例的结构和使用的全面描述。虽然上文已以一定程度的特殊性或参考一个或多个个体实施例描述了各个实施例，但是在不偏离本说明书的范围的情况下，本领域技术人员可以对所公开的实施例作出很多变化。

Claims

1.一种用于测量电极的电容的电容测量电路，所述电路包括：

充电/放电电路部分，其对所述电极充电或对所述电极放电；

计数器，其测量充电测量，所述充电测量是所述充电/放电电路部分在两个充电阈值之间对所述电极充电所花费的时间，并且其测量放电测量，所述放电测量是所述充电/放电电路部分在两个放电阈值之间对所述电极放电所花费的时间；

控制器，其被配置成控制所述充电/放电电路部分和所述计数器，使得多个放电测量被获得且多个充电测量被获得；

平均逻辑，其根据所述测量的平均来计算所测电容。

2.如权利要求1所述的电容测量电路，其特征在于，所述平均逻辑计算所述多个测量中的每一者的倒数的平均。

3.如权利要求1或权利要求2所述的电容测量电路，其特征在于，所述控制器被配置成控制所述充电/放电电路部分和所述计数器，使得所述充电测量的数量近似等于所述放电测量的数量。

4.如前述权利要求中任一项所述的电容测量电路，其特征在于，所述控制器包括伪随机数生成器，所述伪随机数生成器被配置成生成包括指定数量的随机比特的序列，并且其中，所述控制器被配置成控制所述充电/放电电路部分和所述计数器，使得所述充电和放电测量以与所述随机比特的序列相对应的序列进行。

5.如前述权利要求中任一项所述的电容测量电路，其特征在于，包括阈值确定器，所述阈值确定器被配置成确定由电压评估器使用的所述充电阈值和所述放电阈值，使得当所述比特序列的当前比特与所述比特序列的紧邻的先前比特具有相同值时，所述充电阈值被确定成比紧邻的先前充电阈值更大，或者所述放电阈值被确定成比先前放电阈值更小。

6.如权利要求5所述的电容测量电路，其特征在于，所述阈值确定器被配置成确保存在包含其中没有由所述阈值确定器确定的充电或放电阈值的电压区间的缓冲区，所述缓冲区位于两个充电阈值中的较小者与先前两个充电阈值中的较大者之间，或两个放电阈值中的较大者与先前两个放电阈值中的较小者之间。

7.如权利要求5或权利要求6所述的电容测量电路，其特征在于，所述阈值确定器被配置成交错所述充电和放电阈值。

8.如权利要求5至7中任一项所述的电容测量电路，其特征在于，所述阈值确定器被配置成确定所述充电和放电阈值，使得一对充电或放电阈值之差通常是恒定的。

9.如权利要求5至8中任一项所述的电容测量电路，其特征在于，所述阈值确定器包括电阻分压梯或脉冲宽度调制受控电压。

10.如权利要求9所述的电容测量电路，其特征在于，所述电阻分压梯或所述脉冲宽度调制受控电压被配置成计算一对充电阈值中的较低者或一对放电阈值中的较低者，以及直流电压源，当所述直流电压源与较低电压相结合时会产生该对电压中的较高电压。

11.如前述权利要求中任一项所述的电容测量电路，其特征在于，所述充电/放电电路部分包括用于既对所述电极充电又对所述电极放电的单个电流源。

12.一种测量电极的电容的方法，包括：

多次对所述电极充电并对所述电极放电；

每次所述电极被充电时，使用计数器测量充电测量，所述充电测量是在两个充电阈值之间对所述电极充电所花费的时间；

每次所述电极被放电时，使用计数器测量放电测量，所述放电测量是在两个放电阈值之间对所述电极放电所花费的时间；以及

根据所述测量的平均来计算所测电容。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包括根据所述多个测量中的每一者的倒数的平均来计算所测电容。

14.如权利要求12或权利要求13所述的方法，其特征在于，包括生成包括指定数量的伪随机比特的序列，并且以与所述伪随机比特的序列相对应的序列进行所述充电和放电测量。

15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，包括确定由电压评估器使用的所述充电阈值和所述放电阈值，使得：当所述比特序列的当前比特与所述比特序列的紧邻的先前比特具有相同值时，所述充电阈值被确定成比紧邻的先前充电阈值更大，或者所述放电阈值被确定成比紧邻的先前放电阈值更小；以及使得当所述比特序列的当前比特与所述比特序列的紧邻的先前比特具有不同值时，所述充电阈值被确定成比紧邻的先前放电阈值更大，或者所述放电阈值被确定成比紧邻的先前充电阈值更小。