CN111610922A - 电阻-电感-电容传感器的片上谐振检测和传递函数映射 - Google Patents

电阻-电感-电容传感器的片上谐振检测和传递函数映射 Download PDF

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Abstract

一种系统可以包括：电阻‑电感‑电容传感器；驱动器，其被配置为在驱动频率下以驱动信号驱动电阻‑电感‑电容传感器；以及测量电路，其被通信地耦合到电阻‑电感‑电容传感器，并且被配置为在测量电路的校准阶段期间，测量与电阻‑电感‑电容传感器相关联的相位和幅度信息，并基于该相位和幅度信息，确定电阻‑电感‑电容传感器的谐振频率和电阻‑电感‑电容传感器的传递函数中的至少一个。

Description

电阻-电感-电容传感器的片上谐振检测和传递函数映射
相关申请
本公开要求于2019年2月26日提交的美国临时专利申请序列号62/810,696以及2019年6月27日提交的美国专利申请序列号16/455,437的优先权，上述专利申请的全部内容通过引用并入本文。
本公开涉及2019年2月4日提交的美国临时专利申请序列号16/267,079、2018年3月29日提交的美国临时专利申请序列号62/649,857、2018年8月22日提交的美国临时专利申请序列号62/721,134和2018年10月2日提交的美国临时专利申请序列号62/740,029，这些专利申请的全部内容都通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及具有用户界面的电子装置(例如，移动装置、游戏控制器、仪表板等)，并且更具体地涉及在用于移动装置和/或其它合适应用中替换机械按键的电阻-电感-电容传感器的谐振相位感测系统。
背景技术
许多传统的移动装置(例如，移动电话、个人数字助理、视频游戏控制器等)包括机械按键，以允许在移动装置的用户与移动装置本身之间进行交互。然而，此类机械按键容易老化、磨损和撕裂，这可能会缩短移动装置的使用寿命和/或如果发生故障可能需要大量修理。而且，机械按键的存在可能使制造防水的移动装置变得困难。因此，移动装置制造商越来越多地希望为移动装置配备虚拟按键，该虚拟按键充当人机界面，从而允许在移动装置的用户与移动装置本身之间进行交互。同样地，移动装置制造商越来越希望为移动装置配备其它虚拟界面区域(例如，虚拟滑块，除触摸屏之外的移动装置主体的界面区域等)。理想地，为了获得最佳的用户体验，此类虚拟界面区域应在用户的视觉和感觉上就像是存在机械按键或其它机械界面而不是虚拟按键或虚拟界面区域一样。
当前，线性谐振致动器(linear resonant actuators，LRAs)和其它振动致动器(例如，旋转致动器、振动马达等)越来越多地用于移动装置中，以响应于用户与此类装置的人机界面的交互而生成振动反馈。通常，传感器(传统上是力或压力传感器)检测用户与装置的交互(例如，手指在装置的虚拟按键上的按下)，并且响应于此，线性谐振致动器可以振动以向用户提供反馈。例如，线性谐振致动器可以响应于用户与人机界面的交互而振动，以向用户模仿机械按键点击的感觉。
然而，工业上需要传感器来检测用户与人机界面的交互，其中此类传感器提供可接受水平的传感器灵敏度、功耗和大小。可以用来检测用户与人机界面的交互的一种类型的传感器是电阻-电感-电容传感器。电阻-电感-电容传感器的特性(例如，谐振频率、传递函数)可能由于制造差异、温度漂移、部件老化、机械结构变化、电磁干扰的存在和/或其它原因而变化。因此，为了确保使用电阻-电感-电容传感器进行准确和精确的测量，出于校准、确定品质因数和/或降低噪声的目的，可能需要测量和/或检测此类特性。
发明内容
根据本公开的教导，可以减少或消除与确定电阻-电感-电容传感器中的特性相关联的缺点和问题。
根据本公开的实施例，一种系统可以包括：电阻-电感-电容传感器；驱动器，其被配置为在驱动频率下以驱动信号驱动电阻-电感-电容传感器；以及测量电路，其被通信地耦合到电阻-电感-电容传感器，并且被配置为在测量电路的校准阶段期间，测量与电阻-电感-电容传感器相关联的相位和幅度信息，并基于该相位和幅度信息，确定电阻-电感-电容传感器的谐振频率和电阻-电感-电容传感器的传递函数中的至少一个。
根据本公开的这些和其它实施例，一种方法可以包括在校准阶段期间测量与在驱动频率下由驱动信号驱动的电阻-电感-电容传感器相关联的相位和幅度信息，并且在校准阶段期间并基于该相位和幅度信息，确定电阻-电感-电容传感器的谐振频率和电阻-电感-电容传感器的传递函数中的至少一个。
根据本公开的实施例，主机装置可以包括外壳和与该外壳集成的谐振相位感测系统。谐振相位感测系统可以包括：电阻-电感-电容传感器；驱动器，其被配置为在驱动频率下以驱动信号驱动电阻-电感-电容传感器；以及测量电路，其被通信地耦合到电阻-电感-电容传感器，并且被配置为在测量电路的校准阶段期间，测量与电阻-电感-电容传感器相关联的相位和幅度信息，并基于该相位和幅度信息，确定电阻-电感-电容传感器的谐振频率和电阻-电感-电容传感器的传递函数中的至少一个。
根据本文包括的附图、描述和权利要求，本公开的技术优点对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。实施例的目的和优点将至少通过权利要求中特别指出的要素、特征和组合来达到和实现。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例和解释性的，并且不限制本公开中阐述的权利要求。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以获得对本发明实施例及其优点的更完整的理解，其中相同的附图标记表示相同的特征，并且在附图中：
图1示出了根据本公开的实施例的示例移动装置的所选部件的框图；
图2示出了根据本公开的实施例的与电感线圈间隔一定距离的机械构件；
图3示出了根据本公开的实施例的可以在电感感测系统中使用的机械构件和电感线圈的模型的所选部件；
图4示出了根据本公开的实施例的示例谐振相位感测系统的所选部件的图示；
图5示出了根据本公开的实施例的用于执行电阻-电感-电容器传感器的片上内置自测试的示例方法的流程图；以及
图6示出了根据本公开的实施例的示例图表，其描绘了在电阻-电感-电容器传感器的片上内置自测试期间获得的电阻-电感-电容传感器的输出幅度和相位。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的实施例的示例移动装置102的所选部件的框图。如图1所示，移动装置102可以包括外壳101、控制器103、存储器104、机械构件105、麦克风106、线性谐振致动器107、无线电发射器/接收器108、扬声器110和谐振相位感测系统112。
外壳101可以包括任何合适的外壳、壳体或用于容纳移动装置102的各种部件的其它外壳。外壳101可以由塑料、金属和/或任何其它合适的材料构造。另外，外壳101可以被适配(例如，确定大小和形状)，使得移动装置102容易地在移动装置102的用户的人身上运输。因此，移动装置102可以包括但不限于智能电话、平板计算装置、手持计算装置、个人数字助理、笔记本计算机、视频游戏控制器或任何其它可以容易地在移动装置102的用户的人身上运输的装置。
控制器103可以容纳在外壳101内，并且可以包括被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何系统、装置或设备，并且可以包括但不限于微处理器、微控制器、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、专用集成电路(application specificintegrated circuit，ASIC)或被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何其它数字或模拟电路系统。在一些实施例中，控制器103可以解释和/或执行程序指令和/或处理存储在存储器104和/或控制器103可访问的其它计算机可读介质中的数据。
存储器104可以容纳在外壳101内，可以通信地耦合到控制器103，并且可以包括被配置为在一段时间内保留程序指令和/或数据的任何系统、装置或设备(例如，计算机可读介质)。存储器104可以包括随机存取存储器(random access memory，RAM)、电可擦除可编程只读存储器(read-only memory，EEPROM)、个人计算机存储卡国际协会(PersonalComputer Memory Card InternationalAssociation，PCMCIA)卡、闪存、磁存储装置、光-磁存储装置或任何合适的选择和/或易失性或非易失性存储器的阵列，其在关闭移动装置102的电源之后保留数据。
麦克风106可以至少部分地容纳在外壳101内，可以通信地耦合到控制器103，并且可以包括被配置为将入射在麦克风106处的声音转换成可以由控制器103处理的电信号的任何系统、装置或设备，其中使用具有基于在隔膜或膜片处接收的声波振动而变化的电容的隔膜或膜片，将此种声音转换为电信号。麦克风106可以包括静电麦克风、电容式麦克风、驻极体麦克风、微机电系统(microelectromechanical systems，MEMs)麦克风或任何其它合适的电容性麦克风。
无线电发射器/接收器108可以容纳在外壳101内，可以通信地耦合至控制器103，并且可以包括被配置为借助于天线来生成和发射射频信号以及接收射频信号，并将此类接收到的信号所携带的信息转换为控制器103可以使用的形式的任何系统、装置或设备。无线电发射器/接收器108可以被配置为发射和/或接收各种类型的射频信号，包括但不限于蜂窝通信(例如2G、3G、4G、长期演进(Long Term Evolution，LTE)等)、短距离无线通信(例如蓝牙(BLUETOOTH))、商业无线电信号、电视信号、卫星无线电信号(例如全球定位系统(Global Positioning System，GPS))、无线保真等。
扬声器110可以至少部分地容纳在外壳101内或者可以在外壳101外部，可以通信地耦合至控制器103，并且可以包括被配置为响应于电音频信号输入而产生声音的任何系统、装置或设备。在一些实施例中，扬声器可以包括动态扩音器，其采用经由柔性悬架机械耦合到刚性框架的轻质隔膜，该柔性悬架约束音圈轴向移动通过圆柱形磁隙。当将电信号施加到音圈时，音圈中的电流会产生磁场，从而使其成为可变电磁体。音圈和驱动器的磁性系统相互作用，从而生成使音圈(并因此与连接的圆锥体)来回移动的机械力，从而在来自放大器的施加的电信号的控制下再现声音。
机械构件105可以容纳在外壳101内或之上，并且可以包括任何合适的系统、装置或设备，其被配置为使得机械构件105的全部或一部分响应于施加在机械构件105上或机械构件105附近的力、压力或触摸而移位到适当的位置。在一些实施例中，机械构件105可被设计为在外壳101的外部上呈现为机械按键。
线性谐振致动器107可以容纳在外壳101内，并且可以包括用于产生跨单个轴的振荡机械力的任何合适的系统、装置或设备。例如，在一些实施例中，线性谐振致动器107可以依靠交流电压来驱动压靠在连接到弹簧的移动质量上的音圈。当音圈在弹簧的谐振频率下被驱动时，线性谐振致动器107可以以可感知的力振动。因此，线性谐振致动器107在特定频率范围内的触觉应用中可能有用。尽管出于清楚和说明的目的，相对于线性谐振致动器107的使用来描述本公开，但是应当理解，可以使用任何其它一种或多种类型的振动致动器(例如，偏心旋转质量致动器)代替线性谐振致动器107，或除线性谐振致动器107之外使用该振动致动器。另外，还应理解，可以使用布置成产生跨多个轴的振荡机械力的致动器来代替线性谐振致动器107，或除线性谐振致动器107之外使用该致动器。如本公开中别处所述，基于从谐振相位感测系统112接收的信号，线性谐振致动器107可以将触觉反馈呈现给移动装置102的用户，以用于机械按键的替代和电容传感器反馈中的至少一种。
机械构件105和线性谐振致动器107可以一起形成人机界面装置，诸如虚拟界面(例如，虚拟按键)，其对于移动装置102的用户而言具有机械按键或移动装置102的其它机械界面的外观和感觉。
谐振相位感测系统112可以容纳在外壳101内，可以通信地耦合到机械构件105和线性谐振致动器107，并且可以包括被配置为检测指示与移动装置102的人机界面(例如，人的手指向移动装置102的虚拟界面施加的力)的物理交互(例如，通过移动装置102的用户)的机械构件105的位移的任何系统、装置或设备。如下面更详细所述，谐振相位感测系统112可以通过对电阻-电感-电容传感器执行谐振相位感测来检测机械构件105的位移，该电阻-电感-电容传感器的阻抗(例如，电感、电容和/或电阻)响应于机械构件105的位移而变化。因此，机械构件105可以包括任何合适的系统、装置或设备，其全部或一部分可以位移，并且此种位移可能引起与谐振相位感测系统112集成的电阻-电感-电容传感器的阻抗的变化。谐振相位感测系统112还可响应和与机械构件105相关联的人机界面相关联的物理交互，生成用于驱动线性谐振致动器107的电子信号。根据本公开的实施例的示例谐振相位感测系统112的细节在下面更详细地描绘。
尽管上面在图1中将特定示例部件描绘为与移动装置102(例如，控制器103、存储器104、机械构件105、麦克风106、无线电发射器/接收器108、(多个)扬声器110、线性谐振致动器107等)集成，根据本公开的移动装置102可以包括上面未具体列举的一个或多个部件。例如，尽管图1描绘了某些用户界面部件，但是移动装置102可以包括除了图1中所描绘的那些之外的一个或多个其它用户界面部件，包括但不限于小键盘、触摸屏和显示器，因此允许用户与移动装置102及其相关联的部件进行交互和/或以其它方式操纵移动装置102及其相关联的部件。另外，尽管为了清楚和说明的目的，图1仅描绘了包括机械构件105和线性谐振致动器107的单个虚拟按键，但是在一些实施例中，移动装置102可以具有多个虚拟界面，每个虚拟界面包括相应的机械构件105和线性谐振致动器107。
尽管如上所述，谐振相位感测系统112可以通过对电阻-电感-电容传感器执行谐振相位感测来检测机械构件105的位移，该电阻-电感-电容传感器的阻抗(例如，电感、电容和/或电阻)响应于机械构件105的位移而变化，但在一些实施例中，谐振相位感测系统112可以主要通过使用谐振相位感测以确定电阻-电感-电容传感器的电感的变化来检测机械构件105的位移。例如，图2和图3示出了根据本公开的实施例的示例电感感测应用的所选部件，该示例电感感测应用可以由谐振相位感测系统112实现。
尽管前述内容设想了在移动装置102中使用的谐振相位感测系统112，但是谐振相位感测系统112可以在任何其它合适的主机装置中使用。主机装置可以包括但不限于便携式和/或电池供电的移动计算装置(例如，膝上型计算机、笔记本计算机或平板计算机)、游戏控制台、远程控制装置、家庭自动化控制器、家用电器(例如，家用温度或照明控制系统)、玩具、诸如机器人的机器(例如，机器人)、音频播放器、视频播放器和移动电话(例如，智能手机)。
图2示出了根据本公开的实施例的机械构件105，其被实现为与电感线圈202间隔开距离d的金属板。图3示出了根据本公开的实施例的可以在电感感测系统300中使用的机械构件105和电感线圈202的模型的所选部件。如图3所示，电感感测系统300可以包括建模为可变电阻304和可变电感306的机械构件105，并且可以包括物理上靠近机械构件105的电感线圈202，使得电感线圈202具有与机械构件105的互感，其由可变的耦合系数k限定。如图3所示，电感线圈202可以建模为可变电感308和可变电阻310。
在操作中，当电流I流过电感线圈202时，此电流可以感应出磁场，该磁场继而可以在机械构件105内部感应出涡电流。当力施加到机械构件105上和/或从机械构件105去除时，这改变机械构件105和电感线圈202之间的距离d，耦合系数k、可变电阻304和/或可变电感306也可以响应于距离的变化而变化。各种电参数中的这些变化可以继而修改电感线圈202的有效阻抗ZL。
图4示出了根据本公开的实施例的示例谐振相位感测系统112的所选部件的图示。在一些实施例中，谐振相位感测系统112可以用于实现图1的谐振相位感测系统112。如图4所示，谐振相位感测系统112可以包括电阻-电感-电容传感器402和处理集成电路(IC)412。
如图4所示，电阻-电感-电容传感器402可包括机械构件105、电感线圈202、电阻器404和电容器406，其中机械构件105和电感线圈202具有可变的耦合系数k。尽管在图4中示出布置为彼此并联，但是应当理解，电感线圈202、电阻器404和电容器406可以以允许电阻-电感-电容传感器402用作谐振回路的任何其它合适的方式布置。例如，在一些实施例中，电感线圈202、电阻器404和电容器406可以彼此串联布置。在一些实施例中，电阻器404可以不由独立电阻器来实现，而是可以由电感线圈202的寄生电阻、电容器406的寄生电阻和/或任何其它合适的寄生电阻来实现。
处理集成电路(Integrated Circuit，IC)412可以通信地耦合到电阻-电感-电容传感器402，并且可以包括任何合适的系统、装置或设备，其被配置为实现测量电路以测量与电阻-电感-电容传感器402相关联的相位信息，并且基于该相位信息，确定机械构件105相对于电阻-电感-电容传感器402的位移。因此，处理IC 412可以被配置为基于相位信息，确定和与机械构件105相关联的人机界面相关联的物理交互(例如，按下或释放虚拟按键)的发生。
如图4所示，处理IC 412可包括移相器410、电压-电流转换器408、前置放大器440、中频混频器442、组合器444、可编程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)414、压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)416、移相器418、幅度和相位计算模块431、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)432、低通滤波器434、组合器450和控制电路452。处理IC 412还可以包括用入射通道和正交通道实现的相干入射/正交检测器，该入射通道包括混频器420、低通滤波器424和模数转换器(analog-to-digitalconverter，ADC)428，该正交通道包括混频器422、低通滤波器426，以及ADC 430，使得处理IC 412被配置为使用相干入射/正交检测器来测量相位信息。
移相器410可以包括被配置为检测由处理IC 412生成的振荡信号(如下文更详细地说明)并且对此振荡信号进行相移(例如，45度)，使得在相位谐振感测系统112的正常工作频率下，由前置放大器440生成的传感器信号φ的入射分量近似等于传感器信号φ的正交分量，以便通过由处理IC 412实现的相位检测器来提供共模噪声抑制的任何系统、装置或设备，如下面更详细描述。
电压-电流转换器408可以从移相器410接收移相振荡信号(该移相振荡信号可以是电压信号)，将电压信号转换为对应的电流信号，并在电阻-电感-电容传感器402上在驱动频率下以移相振荡信号驱动电流信号，以便生成可以由处理IC 412处理的传感器信号φ，如下面更详细描述。在一些实施例中，可以基于电阻-电感-电容传感器402的谐振频率来选择移相振荡信号的驱动频率(例如，其可以近似等于电阻-电感-电容传感器402的谐振频率)。
前置放大器440可以接收传感器信号φ并调节传感器信号φ，以利用混频器442将其混频到由组合器444与VCO 416生成的振荡频率f0组合的中频Δf，如下面更详细描述，其中中频Δf明显小于振荡频率。在一些实施例中，可能不存在前置放大器440、混频器442和组合器444，在这种情况下，PGA414可以直接从电阻-电感-电容传感器402接收传感器信号φ。然而，当存在时，前置放大器440、混频器442和组合器444可以允许将传感器信号φ向下混合到较低的中间频率Δf，这可以允许较低带宽和更有效的ADC(例如，图4的ADC 428和430)，和/或可以允许处理IC 412的相位检测器的入射和正交路径中的相位和/或增益失配的最小化。
在操作中，PGA414可以进一步放大传感器信号φ以调节传感器信号φ用于由相干入射/正交检测器进行处理。VCO 416可以生成振荡信号，以用作由电压-电流转换器408驱动的信号的基础，以及由混频器420和422用来提取放大的传感器信号φ的入射和正交分量的振荡信号。如图4所示，入射通道的混频器420可以使用由VCO 416生成的振荡信号的未移位版本，而正交通道的混频器422可以使用被移相器418移相的振荡信号的90度移位的版本。如上所述，可以基于电阻-电感-电容传感器402的谐振频率来选择由VCO 416生成的振荡信号的振荡频率f0(例如，可以近似等于电阻-电感-电容传感器402的谐振频率)。因此，如下面更详细描述，控制电路452可以生成指示振荡频率f0的控制信号，并且将此控制信号传送至VCO 416，以使VCO 416在振荡频率f0下生成振荡信号。
在入射通道中，混频器420可以提取放大的传感器信号φ的入射分量，低通滤波器424可以滤除与放大的传感器信号φ混频的振荡信号以生成直流(Direct Current，DC)入射分量，并且ADC 428可以将此种DC入射分量转换为等效入射分量数字信号，以供幅度和相位计算块431进行处理。类似地，在正交通道中，混频器422可以提取放大的传感器信号φ的正交分量，低通滤波器426可以滤除与放大的传感器信号φ混频的相移振荡信号以生成直流(DC)正交分量，并且ADC 430可以将此种DC正交分量转换为等效正交分量数字信号，以供幅度和相位计算块431进行处理。
幅度和相位计算块431可以包括被配置为接收包括入射分量数字信号和正交分量数字信号的相位信息，并基于其提取幅度和相位信息的任何系统、装置或设备。
DSP 432可以包括被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何系统、装置或设备。特别地，DSP432可以接收由幅度和相位计算块431生成的相位信息和幅度信息，并基于其确定机械构件105相对于电阻-电感-电容传感器402的位移，这可以基于该相位信息指示和与机械构件105相关联的人机界面相关联的物理交互(例如，按下或释放虚拟按键或与虚拟界面的其它交互)的发生。DSP432还可生成指示位移的输出信号。在一些实施例中，此类输出信号可以包括用于响应于位移来控制线性谐振致动器107的机械振动的控制信号。
组合器450可以在从由控制电路452生成的参考相位φref中减去由幅度和相位计算块431生成的相位信息，以便生成可以由低通滤波器434接收的错误信号。低通滤波器434可以对该错误信号进行低通滤波，并且可以将此滤波后的错误信号施加至VCO 416，以修改由VCO 416生成的振荡信号的频率，以便将传感器信号φ朝着参考相位φref驱动。因此，传感器信号可以包括响应于与谐振相位感测系统112相关联的虚拟按键的“按下”(或与虚拟界面的其它交互)的瞬态衰减信号以及响应于虚拟按键的后续“释放”(或与虚拟界面的其它交互)的另一个瞬态衰减信号。因此，与VCO 416连接的低通滤波器434可以实现反馈控制环路，该反馈控制环路可以通过修改VCO 416的驱动频率来跟踪谐振相位感测系统112的操作参数的变化。
控制电路452可以包括被配置为生成指示参考相位φref的控制信号和指示振荡频率f0的控制信号的任何合适的系统、装置或设备。如上所述，控制电路452可以将振荡频率f0设置成近似等于电阻-电感-电容传感器402的谐振频率。因此，在电阻-电感-电容传感器402的最终使用期间和/或在预期的最终使用之前的电阻-电感-电容传感器402的制造后测试和特性化期间的校准阶段期间，控制电路452可以被配置为确定电阻-电感-电容传感器402的谐振频率。另外，控制电路452可以被配置为确定电阻-电感-电容传感器402的传递函数，如下面更详细描述。
出于多种原因，可能需要电阻-电感-电容传感器402的谐振检测，包括但不限于由于以下原因而在电阻-电感-电容传感器402的最终使用操作期间进行校准：电阻-电感-电容传感器402的特性差异、由于操作温度的漂移、由于部件老化而引起的变化，电阻-电感-电容传感器402的机械特性的变化(例如，气隙、装置弯曲、装置扭曲、装置变形等)、错误的检测和/或干扰噪声的存在(例如，这可能导致电阻-电感-电容传感器402的谐振频率的修改)。
出于多种原因，也可能需要电阻-电感-电容传感器402的传递函数映射，包括但不限于电阻-电感-电容传感器可能具有较大的制造差异。因此，在制造后测试期间执行电阻-电感-电容传感器402的传递函数映射以及在预期的最终使用之前特性化电阻-电感-电容传感器402可有助于基于每个传感器检测传感器特性、检测传感器中的缺陷或故障，并确定传感器特性，以便在处理电路系统中建立适当的发射和接收信号路径。在最终使用期间执行电阻-电感-电容传感器402的传递函数映射可以帮助确定传感器的操作健康状况。
电阻-电感-电容传感器402的谐振检测和传递函数映射可以通过测量传感器相位、相位斜率、幅度和/或品质因数来帮助确定最佳的电阻-电感-电容传感器402和/或处理IC 412操作点，以便例如最大化电阻-电感-电容传感器402的测量灵敏度，如下面更详细描述。
图5示出了根据本公开的实施例的用于执行电阻-电感-电容传感器402的片上内置自测试的示例方法500的流程图。根据一些实施例，方法500可以在步骤502开始。如上所述，可以在移动装置102的各种配置中实现本公开的教导。这样，方法500的优选的初始化点和包括方法500的步骤的顺序可以取决于所选择的实施方式。
为了进一步示出方法500的操作，图6示出了根据本公开的实施例的示例曲线图，该曲线图描绘了在电阻-电感-电容传感器402的片上内置自测试期间获得的电阻-电感-电容传感器402的输出幅度和相位。
在步骤502，控制电路452可以检测执行方法500的片上内置自测试的事件或“触发”的发生。此种事件的示例可以包括错误的发生(例如，相位测量值落入预期范围之外)。此种事件的另一个示例可以包括周期性的时间流逝，使得片上内置自测试以周期性的间隔发生。此种事件的额外示例可以是进行相位测量，使得在每次相位测量之前执行片上内置自测试。进一步的示例是来自移动装置102的另一个传感器(例如，温度传感器、运动传感器和/或光学传感器)的测量值落入特定范围之外。又一个示例是来自主机的执行片上内置自测试的请求(例如，在谐振相位感测系统112的预期的最终使用之前的其测试和特性化期间，来自移动装置102的控制器103和/或来自测试设备的控制器的命令)。方法500可以保持在步骤502，直到检测到此种事件。一旦检测到事件，方法500就可以进行到步骤504。
在步骤504，控制电路452可以在预定频率范围内扫描振荡频率f0，并且在每个频率下测量由幅度和相位计算块431生成的幅度和相位信息(例如，由DSP 432处理)。在一些实施例中，控制电路452还可以控制电压-电流转换器408以期望的幅度驱动到电阻-电感-电容传感器402的驱动信号。在这些和其它实施例中，步骤504的测量可以在粗略阶段(之后是精细阶段)中执行，如图6所示：(i)在粗略阶段中，控制电路452可以在宽频率范围(例如2兆赫兹)内扫描振荡频率f0，并在该范围内的频率中的一些下测量幅度和相位信息；以及(ii)在精细阶段中，在粗略阶段期间产生最大幅度的频率附近，控制电路452可以在较窄的范围内扫描振荡频率f0，但是包括在较窄的范围内的所有离散的可能的离散频率电平。在这些和其它实施例中，在方法500进行到步骤506之前，步骤504的测量可以被重复多次并且取平均，以便减少或消除噪声对测量的影响。
在步骤506，控制电路452可以基于从DSP 432接收的处理后的相位和幅度信息，选择与在步骤504的频率扫描期间检测到的最大幅度MAX对应的频率fPM，并且存储此频率fPM(例如，在集成到控制电路452或控制电路452以其它方式可访问的存储器中)。在一些实施例中，控制电路还可以记录在与在步骤504的频率扫描期间检测到的最大幅度对应的频率处出现的相位φPM，并且存储此相位φPM(例如，在集成到控制电路452或控制电路452以其它方式可访问的存储器中)。
在步骤508，控制电路452可以基于从DSP 432接收的处理后的相位和幅度信息，选择与在步骤504的频率扫描期间检测到的零相位测量值对应的频率fφZERO，并且存储此频率fφZERO(例如，在集成到控制电路452或控制电路452以其它方式可访问的存储器中)。在一些实施方式中，可以在绕过电阻-电感-电容传感器402的情况下执行频率fφZERO的确定(例如，电阻-电感-电容传感器402与处理IC解耦以确定对应于零相位测量值的频率fφZERO)。
在步骤510，控制电路452可以使用频率fPM、相位φPM和/或频率fφZERO确定电阻-电感-电容传感器402的谐振频率。在步骤512，控制电路452可以确定频率fPM附近的相位对于频率的斜率(例如，基于在频率fPM附近获取的两个相位对于频率的测量值)，并基于此相位斜率确定电阻-电感-电容传感器402的品质因数。
在步骤514，控制电路452可以使用频率fPM、相位φPM和/或频率fφZERO确定电阻-电感-电容传感器402的其它特性(例如，除谐振频率和品质因数之外的其它特性)。例如，电阻-电感-电容传感器402的初级和次级谐振可以从幅度对于频率的曲线图确定。作为另一个示例，可以从频率fPM、相位φPM和/或频率fφZERO确定交流阻抗对于频率的曲线。
在步骤516，控制电路452可以基于频率fPM、相位φPM和/或频率fφZERO的测量值采取一个或多个后测量动作。例如，控制电路452可以重新校准并对电阻-电感-电容传感器402的所测量的谐振频率生成振荡频率f0，因此允许以最大效率和灵敏度进行操作。因此，VCO416和电压-电流转换器408可以基于重新校准的振荡频率f0进行调整，以将电阻-电感-电容传感器402驱动到或接近其谐振频率。
作为测量后动作的另一个示例，如果电阻-电感-电容传感器402的所测量的品质因数、所测量的相位斜率和/或传感器传递函数参数落入预定的可接受范围之外，则控制电路452可以声明错误并传达此错误的指示。
另一个示例是，控制电路452可以引起对幅度和相位的测量信号的滤波，使得在次级谐振处或附近进行的测量中降低或消除噪声。
作为附加示例，如果确定电阻-电感-电容传感器402的谐振频率处于易受噪声影响的频率，则控制电路452可以改变电阻-电感-电容传感器402的谐振频率(例如，通过修改电阻-电感-电容传感器402的电容406)。
在完成步骤516之后，方法500可以再次进行到步骤502。
尽管图5公开了要关于方法500采取的特定数量的步骤，但是方法500可以以比图5所描绘的步骤更多或更少的步骤执行。此外，尽管图5公开了要关于方法500采取的特定步骤顺序，但包括方法500的步骤可以以任何合适的顺序完成。
可以使用控制电路452或可操作以实现方法500的任何其它系统实现方法500。在某些实施例中，可以在计算机可读介质中体现的软件和/或固件中部分或全部地实现方法500。
使用本文公开的方法和系统，实现了本文讨论的测量和传递函数映射，因为在控制电路452的内置自测试期间，电阻-电感-电容性传感器402用作由驱动器主动驱动的无源负载阻抗，而不是谐振器或振荡器的一部分。内置自测试改变了驱动的频率(并且在一些实施例中为幅度)而与传感器谐振行为无关，使得可以在多个频率下测量与电阻-电感-电容传感器402相关联的幅度和相位信息。
尽管图4表示用于实现谐振相位感测系统112的一个或多个实施例，但是可以与本公开一致地使用任何其它合适的谐振相位感测系统。例如，在2019年2月4日提交并且标题为“电阻-电感-电容传感器的谐振相位感测(Resonant Phase Sensing of Resistive-Inductive-Capacitive Sensors)”的美国专利申请序列号16/267,079和2019年3月6日提交并且标题为“谐振相位感测系统中的误触发预防(False Triggering Prevention in aResonant Phase Sensing System)”的美国专利申请序列号16/294,311中公开了可用于实现谐振相位感测系统112的其它示例谐振相位感测系统，这两个申请的全部内容都通过引用并入本文。
尽管前述内容考虑了使用闭环反馈来感测位移，但是可以将图4表示的各种实施例修改为实现用于感测位移的开环系统。在此种开环系统中，处理IC可以不包括从幅度和相位计算块431到VCO 416或可变移相器418的反馈路径，并因此也可以缺少反馈低通滤波器434。因此，相位测量可以仍然可以通过将相位变化与参考相位值进行比较来进行，但是不可以改变由VCO 416驱动的振荡频率，或者不可以使由可变移相器418移位的相位移位。
尽管前述内容考虑将相干入射/正交检测器用作用于确定与电阻-电感-电容传感器402相关联的相位信息的相位检测器，但是谐振相位感测系统112可以执行相位检测和/或以任何合适的方式确定与电阻-电感-电容传感器402相关联的相位信息，该方式包括但不限于仅使用入射路径或正交路径中的一个以确定相位信息。
在一些实施例中，本文公开的入射/正交检测器可包括一个或多个频率转换阶段，其将传感器信号直接转换为直流信号或转换为中频信号然后转换为直流信号。此类频率转换阶段中的任一个都可以在模数转换器级之后以数字方式实现，或者在模数转换器阶段之前以模拟方式实现。
另外，尽管前述内容考虑了测量由机械构件105的位移引起的电阻-电感-电容传感器402中的电阻和电感的变化，但是其它实施例可以基于以下原理进行操作：基于机械构件105的位移的阻抗的任何变化都可以用于感测位移。例如，在一些实施例中，机械构件105的位移可以引起电阻-电感-电容传感器402的电容的变化，诸如如果机械构件105包括实现电容器406的电容板中的一个的金属板。
尽管DSP 432能够处理相位信息以对与机械构件105关联的人机界面关联的物理交互是否已经发生和/或停止发生做出二元确定，但是在一些实施例中，DSP 432可以将机械构件105的位移的持续时间量化为一个以上的检测阈值，例如以检测不同类型的物理交互(例如，短按虚拟按键对长按虚拟按键)。在这些和其它实施例中，DSP 432可以将位移的量值量化为一个以上的检测阈值，例如以检测不同类型的物理交互(例如，轻按虚拟按键对于快速按和重按虚拟按键)。
如本文中所使用的，当两个或更多个元件被称为“彼此耦合”时，此术语指示此两个或更多个元件处于电子通信或机械连通(如适用)，无论是间接连接还是直接连接，是否有中间元件。
本公开涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。此外，所附权利要求中对设备或系统或设备或系统的部件适于、被布置成、能够、被配置为、被启用、可操作以或操作以执行特定功能的引用涵盖该设备、系统或部件，无论其或该特定功能是否被激活、开启或解锁，只要该设备、系统或部件如此适配、布置、能够、配置、启用、可操作或操作即可。因此，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文所述的系统、设备和方法进行修改、增加或省略。例如，系统和设备的部件可以被集成或分离。此外，本文公开的系统和设备的操作可以由更多、更少或其它的部件执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其它的步骤。另外，可以以任何合适的顺序执行步骤。如本文档中所使用的，“每个”是指集合的每个成员或集合的子集的每个成员。
尽管在附图中示出了示例性实施例并在下面进行了描述，但是可以使用任何数量的技术来实现本公开的原理，无论当前是否已知该技术。本公开绝不应该限于附图中图示和上面描述的示例性实施方式和技术。
除非以其它方式特别指出，否则附图中描绘的物品不一定按比例绘制。
本文叙述的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本公开以及发明人为进一步发展本领域所贡献的构思，并且被解释为不限于此类具体叙述的示例和条件。尽管已经详细描述了本公开的实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。
尽管上面已经列举了特定的优点，但是各种实施例可以包括所列举的优点中的一些、无这些优点或包括全部这些优点。另外，在回顾了前述附图和描述之后，其它技术优点对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。
为了帮助专利局和根据本申请发布的任何专利的任何读者解释本申请的所附权利要求，申请人希望注意，他们不希望所附权利要求或权利要求要素中的任一个援引35U.S.C.§112(f)，除非在特定权利要求中明确使用词语“用于……的手段”或“用于……的步骤”。

Claims (29)

1.一种系统，包括：
电阻-电感-电容传感器；
驱动器，其被配置为在驱动频率下以驱动信号驱动所述电阻-电感-电容传感器；以及
测量电路，其被通信地耦合到所述电阻-电感-电容传感器，并且被配置为在所述测量电路的校准阶段期间：
测量与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位和幅度信息；以及
基于所述相位和幅度信息，确定所述电阻-电感-电容传感器的谐振频率和所述电阻-电感-电容传感器的传递函数中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路还被配置为在所述校准阶段期间，使用所述电阻-电感-电容传感器的所述谐振频率和所述电阻-电感-电容传感器的所述传递函数中的至少一个监控所述电阻-电感-电容传感器的健康状况。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路还被配置为在所述校准阶段期间，使用所述电阻-电感-电容传感器的所述谐振频率和所述电阻-电感-电容传感器的所述传递函数中的至少一个作为修改所述系统的一个或多个操作参数的基础。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述一个或多个操作参数包括所述驱动频率。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述一个或多个操作参数包括所述谐振频率。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路还被配置为在所述校准阶段期间，从所述相位和幅度信息中确定以下中的至少一项：
所述电阻-电感-电容传感器的相位对于频率的斜率；
所述电阻-电感-电容传感器的品质因数；
所述电阻-电感-电容传感器的相位对于频率曲线；
所述电阻-电感-电容传感器的幅度对于频率曲线；
所述电阻-电感-电容传感器的初级和次级谐振；
所述电阻-电感-电容传感器的最大幅度和发生最大幅度的频率；以及
所述电阻-电感-电容传感器的交流阻抗对于频率曲线。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路还被配置为在所述校准阶段期间，在所述驱动信号的多个频率下测量所述相位和幅度信息。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述测量电路还被配置为在所述校准阶段期间，在所述驱动信号的多个幅度下测量所述相位和幅度信息。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路还被配置为在所述校准阶段期间，在从所述测量电路绕过所述电阻-电感-电容传感器的同时，在所述驱动信号的多个频率下测量所述相位和幅度信息。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路被配置为响应于进入所述校准阶段的事件的发生而启动所述校准阶段。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述事件包括以下中的至少一个：
检测到与所述电阻-电感-电容传感器相关联的错误；
在预期范围之外检测到所述电阻-电感-电容传感器的测量值；
经过周期性的持续时间；
由所述电阻-电感-电容传感器进行的测量在所述校准阶段之外发生；
电阻-电感-电容传感器外部的一个或多个传感器的测量数据在相应的预期范围之外；以及
进入所述校准阶段的命令。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路响应于对所述相位和幅度信息的测量，引起对响应于所述电阻-电感-电容传感器的品质因数、相位斜率或所述传递函数的一个或多个参数在相应的预期范围之外的错误的声明。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路响应于对所述相位和幅度信息的测量，引起对所述系统的一个或多个参数的修改，以减小在所述电阻-电感-电容传感器的次级谐振处或附近发生的噪声。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路被配置为在所述测量电路的测量阶段期间：
测量与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息；以及
基于所述相位信息，确定机械构件相对于所述电阻-电感-电容传感器的位移，其中所述机械构件的所述位移引起所述电阻-电感-电容传感器的阻抗变化。
15.一种方法，包括：
在校准阶段期间测量与在驱动频率下由驱动信号驱动的电阻-电感-电容传感器相关联的相位和幅度信息；以及
在所述校准阶段期间并基于所述相位和幅度信息，确定所述电阻-电感-电容传感器的谐振频率和所述电阻-电感-电容传感器的传递函数中的至少一个。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述校准阶段期间，使用所述电阻-电感-电容传感器的所述谐振频率和所述电阻-电感-电容传感器的所述传递函数中的至少一个监控所述电阻-电感-电容传感器的健康状况。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述校准阶段期间，使用所述电阻-电感-电容传感器的所述谐振频率和所述电阻-电感-电容传感器的所述传递函数中的至少一个作为修改所述系统的一个或多个操作参数的基础。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述一个或多个操作参数包括所述驱动频率。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述一个或多个操作参数包括所述谐振频率。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述校准阶段期间，从所述相位和幅度信息中确定以下中的至少一项：
所述电阻-电感-电容传感器的相位对于频率的斜率；
所述电阻-电感-电容传感器的品质因数；
所述电阻-电感-电容传感器的相位对于频率曲线；
所述电阻-电感-电容传感器的幅度对于频率曲线；
所述电阻-电感-电容传感器的初级和次级谐振；
所述电阻-电感-电容传感器的最大幅度和发生最大幅度的频率；以及
所述电阻-电感-电容传感器的交流阻抗对于频率曲线。
21.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述校准阶段期间，在所述驱动信号的多个频率下测量所述相位和幅度信息。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括在所述校准阶段期间，在所述驱动信号的多个幅度下测量所述相位和幅度信息。
23.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述校准阶段期间，在从所述测量电路绕过所述电阻-电感-电容传感器的同时，在所述驱动信号的多个频率下测量所述相位和幅度信息。
24.根据权利要求15所述的方法，还包括响应于进入所述校准阶段的事件的发生而启动所述校准阶段。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述事件包括以下中的至少一个：
检测到与所述电阻-电感-电容传感器相关联的错误；
在预期范围之外检测到所述电阻-电感-电容传感器的测量值；
经过周期性的持续时间；
由所述电阻-电感-电容传感器进行的测量在所述校准阶段之外发生；
电阻-电感-电容传感器外部的一个或多个传感器的测量数据在相应的预期范围之外；以及
进入所述校准阶段的命令。
26.根据权利要求15所述的方法，还包括响应于对所述相位和幅度信息的测量，引起对响应于所述电阻-电感-电容传感器的品质因数、相位斜率或所述传递函数的一个或多个参数在相应的预期范围之外的错误的声明。
27.根据权利要求15所述的方法，还包括响应于对所述相位和幅度信息的测量，引起对所述系统的一个或多个参数的修改，以减小在所述电阻-电感-电容传感器的次级谐振处或附近发生的噪声。
28.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述测量电路的测量阶段期间：
测量与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息；以及
基于所述相位信息，确定机械构件相对于所述电阻-电感-电容传感器的位移，其中所述机械构件的所述位移引起所述电阻-电感-电容传感器的阻抗变化。
29.一种主机装置，包括：
外壳；以及
与所述外壳集成的谐振相位感测系统，并且所述谐振相位感测系统包括：
电阻-电感-电容传感器；
驱动器，其被配置为在驱动频率下以驱动信号驱动所述电阻-电感-电容传感器；以及
测量电路，其被通信地耦合到所述电阻-电感-电容传感器，并且被配置为在所述测量电路的校准阶段期间：
测量与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位和幅度信息；以及
基于所述相位和幅度信息，确定所述电阻-电感-电容传感器的谐振频率和所述电阻-电感-电容传感器的传递函数中的至少一个。
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