CN1116636C - 使用斜率检知方式之数字检知器 - Google Patents

Abstract

一种使用斜率检知方式的数字检知器，包括光源、光检知器、光栅、及斜率检知电路。光检知器接受该光源发出之光线，光栅介于光源与光检知器之间，当光栅移动时，光检知器接受的光线在最亮至最暗之间变化，其输出信号之大小亦随接受的光线强度比例变化，光检知器之输出送至斜率检知电路，根据光检知器之输出信号之斜率变化转换为数字之输出信号。本发明节省调校的工作，并且电路结构简单，不会增加生产成本。

Description

使用斜率检知方式之数字检知器

技术领域

本发明是有关于一种数字检知器，且特别是有关于一种使用斜率检知方式的数字检知器。

背景技术

近年来，电脑技术进步非常快速，使用者界面皆采用较友善的图形界面，在以图形界面方式操作电脑时，做为指标器(pointer)的鼠标(mouse)几乎是不可缺少的。

如图1所示为目前的鼠标的工作原理的示意图，以一个滚球140带动互相垂直的两个滚动轴，因为两个滚动轴的控制机制完全一样，故在此图中只显示一个方向滚动轴125为代表，当鼠标在一个接触的平面上移动时，滚球140与桌面摩擦而滚动，滚球140会带动滚动轴125旋转，连在滚动轴125上的圆形光栅120亦跟着转动。在圆形的光栅120上开有许多个开孔121，光栅120的一侧有光源110，一般皆使用发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)为光源110，在光栅120的另一侧装设一个双光检知器130，即在一个双光检知器130中包括两个光检知器，一般皆使用光电晶体(photo-transistor)当光检知器，两个光电晶体做在同一包装之内，可以使两个光电晶体的空间相关位置固定，例如两个光电晶体间的距离，在实际组装时，可确定使用同一型号之产品皆有同样的特性，如图2A所示为鼠标中使用的光栅120及其开孔121的位置，图2B则是双光检知器130中两个光检知器131及132与开孔121的相关位置。当滚球140带动滚动轴125及光栅120一起转动时，使开孔121移动，双光检知器130中光检知器会接受到明暗变化的光线，光检知器将按接受的光线强度转换为不同大小的电气信号，两个光检知器输出电气信号可表示如图2C之波形，以输出信号A代表光检知器131之输出，输出信号B代表光检知器132之输出。

当光栅120的开孔121移到光源110与光检知器131正中间时，光检知器131接受的光线最大，光检知器131的输出信号A也最大，当光栅120的开孔121渐渐移开时，光检知器131接受的光线渐渐变弱，其输出信号A亦随之变小，当达到点P2时，开孔121离光检知器131最远，光检知器131接受的光线最弱，此时输出信号A亦最小，当光栅130继续往同一方向转动时，下一个开孔会渐渐靠近光检知器131，因此光检知器131接受的光线又逐渐增加，输出信号A也跟着上升。光检知器132的情形亦如此，故其输出信号B亦是呈现此种连续变化的波形，但因为两个光检知器间隔一段距离，所以两个波形变化相差一段时间。

图3为处理光检知器131及132送出的电气信号的已知电路的方块图。电路中的光检知器131及132是使用光电晶体，光电晶体131及132会随接受光线的强度产生不同的射极电流，其射极电阻331及332两端的电压A及B也跟着变化，电压A及B再经由史密特(Schmitt)电路311及312转换数字信号A’及B’，电压A及B与数字信号A’及B’的波形如图4所示，当光栅120上的开孔121的宽度及两个开孔间的距离为光检知器131及132的距离的3/4时，则当光栅向某一方向转动时，即开孔向某一方向位移，电压A及B的波形变化会相差1/4，即两个波形的周期一样，但当电压A在点P1时达到最大值，而电压B则再经1/4周期到点P1’时达到最大值。假设史密特电路的触发电位刚好是电压最大值及最小值的一半时，电压A及B经史密特电路311及312后之数字信号A’及B’的状态变化亦相差1/4。数字信号A’及B’送至微控制单元(Micro-Controller Unit，简称MCU)320可供判断光栅120位移方向及位移量，其判断位移方向是根据数字信号A’及B’组合后的状态变化，如图5A及图5B的状态图为两个位移方向的状态变化，当以图5A之数字信号A’及B’组合的状态变化00→10→11→01→00表示光栅顺时针旋转，则图5B表示逆时钟旋转的状态变化为00→01→11→10→00，而当周期变得越短，也就是状态变化越快，表示光栅旋转越快，即鼠标的位移越快，相反的，周期变长，即是位移变慢。

已知作法以史密特电路做为数字检知器因为使用固定的临限电压(thresholdvoltage)当光检知器的灵敏度特性不同时，数字化时会有问题，引起特性的改变可能是随使用时间而老化，或是在制造过程的差异而不同。如图6所示，信号Vi为光检知器的输出，理想上，应以最大电压与最小电压的1/2史密特电路的临限电压，则其输出之数字信号Vo之高电位及低电位之时间恰为一半，但一般光检知器的特性并不一致，如光电晶体接受同样的光线，但输出电压变小，如图中虚线表示之电压Vi’，其输出的数字信号Vo’，高电位及低电位的时间变得不一样。相对的，当光检知器的特性相差太大，其输出信号过小或过大，在做位移判断时，将造成错误的判断。另外，外界的光线亦会影响光检知器的输出信号，进而影响MCU的判断。

要解决因光检知器本身灵敏度不同及外界光线的影响所造成问题，可以在电路中增加类比/数字转换电路，或其他的集成电路，根据光检知器的输出变化情形动态调整临限电压，以配合光检知器不同的特性或与消除外界光线的影响。但此种解决方式的将制造成本增加许多，电路复杂度亦提高许多。

综合上述之讨论，可知已知使用固定临限电位的史密特电路的数字检知电路，有下列之缺点：

1.容易受外界光的影响，当光检知器受外界光影响时，其输出信号亦随之变化，数字检知电路依照固定的临限电位做转换，将使用输出的数字信号的变化周期不同。

2.容易受光检知器本身的特性影响，当光检知器的灵敏度改变，数字检知电路的临限电位亦必需调整，才可使输出之信号能对称变化，但若要自动调整，将使电路变得复杂且成本相对提高许多。

发明内容

本发明的主要目的就是在提供一种使用斜率检知方式的数字检知器，可根据光检知器输出信号的变化斜率改变达成数字检知的目的，不会受光检知器之特性变化及外界照射而影响其正常工作。

本发明的另一目的是提供一种具有简单电路结构的使用斜率方式的数字检知电路，不需针对不同的光检知器特性调整电路的临限电压，可以节省调校的工作，亦不需设计复杂电路来自动调校临限电压。

为达成本发明之上述和其他目的，本发明提供一种使用斜率检知方式之数字检知器，包括光源、光检知器、光栅、及斜率检知电路。其中光检知器接受该光源发出之光线，光栅介于光源与光检知器之间，当光栅移动时，光检知器接受的光线在最亮至最暗之间变化，其输出信号之大小随接收的光线强度比例变化，光检知器之输出送到斜率检知电路，根据光检知器之输出信号之变化斜率转换为数字之输出信号。

依照本发明的一较佳实施例，其中斜率检知电路包括一延迟电路及一比较器，比较器之输入端包括互相互补之第一输入端及第二输入端，比较器之第一输入端及该延迟电路之输入端接收光检知器之输出信号，比较器之第二输入端则接受延迟电路之输出信号，比较器之输出即为数字之输出信号。

延迟电路包括一电阻器及一电容器，电阻器之一端耦接至光检知器之输出，另一端耦接至电容器之一端及比较器之第二输入端，电容器之另一端接地。

依照本发明的一较佳实施例，其中的光源可以是发光二极管，光检知器则可以是光电晶体。

为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明了易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1是鼠标之一个轴的检知机构示意图。

图2A图是鼠标使用之圆形光栅。

图2B是光栅之开孔与双光检知器中的两个光检知器的相关位置。

图2C是两个光检知器输出之信号变化波形。

图3是已知数字检知器的电路方块图。

图4是图3的信号变化波形。

图5A是光栅向一个方向位移的状态图。

图5B是光栅向另一个方向的状态图。

图6是不同光检知器的输出影响数字检知器输出的情形。

图7是本发明之使用斜率检知方式的数字检知器的电路方块图。

图8是图7的信号变化波形。

图9是图7中所使用之一种斜率检知电路。

图10是图9之信号变化波形。

图11是使用斜率检知方式的二位元数字检知器的电路方块图。

图12是图11的信号变化波形。

具体实施方式

请参照图7，其绘示依照本发明一较佳实施例的一种使用斜率检知方式之数字检知器的方块图，包括光源710、光栅720、光检知器730、及斜率检知电路740，其中光源710是使用发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)，光检知器730使用光电晶体(photo transistor)。光栅720是一个有多个开孔的阻挡器，由外部装置的位移可带动光栅720的开孔向某一方向移动，例如鼠标中的X轴或Y轴的圆光栅会被滚球带动，向顺时针或逆时针旋转。光栅720介于光源710与光检知器730之间，当光栅720的开孔移到光源710与光检知器730正中间时，光检知器730接受的光线最大，当开孔离开至光检知器730最远时，光检知器730接受的光线最小，因此当光栅720的开孔移动时，光检知器730的输出信号的变化如图8的电压VI波形所示。使用光电晶体当光检知器730时，光电晶体730的射极电流和接受的光线强度成正比，图8的电压VI的波形中，在点PI时，光电晶体730接受的光线最强，故电压VI最大，当光栅720的开孔渐渐移开时，光电晶体730接受的光线渐渐变弱，电压VI亦随之变小，当达到点P2时，开孔离光电晶体730最远，光电晶体730接受的光线最弱，此时电压VI亦最小，当光栅730继续往同一方向位移时，下一个开孔会渐渐靠近光电晶体730，因此光电晶体730接受的光线又逐渐增加，电压VI也跟着上升。

当电压VI由小到大变化时，其相对于时间的斜率为正，当电压VI由大到小变化时，斜率则为负，当电压VI达到最大值，斜率开始由正变为负，而当电压VI达到最下值时，斜率开始由负变为正。斜率检知电路740的功用为检知输入电压VI的变化方式并输出一数字的输出信号VO，输出信号VO为两种互补状态的信号变化，若以输出信号VO的逻辑1代表电压VI的变化为由小到大，即斜率为正时，则当电压VI的变化为由大到小，即斜率为负时，输出信号VO变为逻辑0的状态，图中以高电位代表逻辑1，以低电位代表逻辑0。当然，亦可以用逻辑0代表正斜率及以逻辑1代表负斜率。斜率检知电路740的输出位号VO和电压VI的关系如图8所示，在点P1之前，电压VI由小到大变化，斜率为正，输出信号VO为逻辑1，当达到点PI时，电压VI为最大，过了点P1之后，电压VI即开始变小，此时斜率变为负，输出信号VO为逻辑0，一直到点P2之后，电压VI达到最小之后，开始变大，斜率再次变为正，输出电压VO亦变为1。

斜率检知电路740可以用图9的电路图来完成。在此电路中主要包括一个比较器930及一个延迟电路910，比较器930有正(+)输入端与负(-)输入端两个互补的输入端，比较器930之输出即输出信号VO。当比较器930的正输入端的电压高于负输入端时，比较器930输出为高电位，而当正输入端的电压比负输入端低时，输出则为低电位。电压VI直接送到比较器930之正输入端，送到负输入端的则是电压VI经延迟电路910送出的电压VI’，此图中的延迟电路910是以电阻器911及电容器912所构成。电压VI及VI’与输出信号VO的信号关系如图10所示，图中连续变化的实线波形为电压VI的波形，较实线延后一短暂时间的虚线波形则是电压VI’的波形。当电压VI由小变大时，电压VI’较电压VI延后一短暂时间上升，所以比较器930的正输入端的电压比负输入端高，比较器930之输出为高电位，即逻辑1。当过了点P1之后，电压VI由大变小，此时电压VI’亦延后一段时间变小，所以比较器930的正输入端的电压比负输入端小，比较器930之输出变为低电位，即逻辑0。当到点P2之后，电压变化又跟点P1之前一样，为正斜率变化，比较器930之输出亦变为高电位。

经由以上之说明，光栅720移动引起光检知器730输出的类比变化的电压VI，可由斜率检知电路740转换为数字变化之输出信号VO。但是单一位元的数字检知器并不能检知光栅的位移方向，要测光栅的位移方向，需使用二位元的数字检知器。

二位元数字检知器的电路方块图如图11图所示。双光检知器130为在一个包装中包括两个光检知器，即光电晶体131及132，两个光电晶体做在同一包装之内，可以使两个光电晶体的空间相关位置固定，例如两个光电晶体间的距离，在实际组装时，可确定使用同一型号之产品皆有同样的特性。介于光源之发光二极管110与双光检知器130间之光栅120，其开孔的大小及距离是依双光检知器130中光电晶体131及132的距离决定，如开孔的宽度及距离皆为两个光电晶体之距离之四分之三，则当光栅向某一方向位移时，则电压VII及VI2之波形关系如图12所示，电压VII与电压VI2的周期时间一样，但两个波形相差1/4个周期，当电压VI1在点P1达到最大值，而电压VI2则再经1/4周期至点P1’时达到最大值。电压VI1经斜率检知电路1101产生数字输出信号VO1，电压VI2则经斜率检知电路1102产生数字输出信号VO2，输出信号VO1及VO2送至微控制单元(Micro-Controller Unit，简称MCU)1120做位移方向及位移量之判断，例如鼠标中使用圆形的光栅120，当以输出信号VO1及VO2组合的状态变化00→10→11→01→00表示光栅顺时针旋转，则逆时针旋转的状态变化为00→10→11→01→00，而当周期变得越短，也就是状态变化越快，表示光栅旋转越快，即鼠标的位移越快，相反的，周期变长，即是位移变慢。

经上述实施例的讨论，当阻隔在光源及光检知器的光栅移动时，使光检知器输出连续变化的类比信号，可以经由斜率检知电路根据其信号变化的斜率，将之转换为数字信号，而达到数字检知的功能。同时使用两个光检知器，彼此相隔一固定距离，即可做二位元的数字位移检知器。

从以上之讨论，可知本发明之使用斜率检知方式之数字检知器与已知作法比较，具有下列优点：

1.根据光检知器输出信号的变化斜率改变达成数字检知的目的，不易受光检知器之特性变化及外界光线的影响而影响其正常工作。

2.以简单电路结构达到以斜率方式做数字检知的目的，不需针对不同的光检知器特性调整电路的临限电压，可以节省调校的工作，亦不需设计复杂电路来自动调校临限电压，电路简单，不会增加生产成本。

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作少许之更动与润饰，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。

Claims (12)

1.一种使用斜率检知方式之数字检知器，它包括：

一光源；

一光检知器，接受光源发出之光线；

一光栅，具有复数个固定距离及大小的开孔，介于该光源与该光检知器之间，当光栅移动时，该光检知器接受的光线由最亮至最暗之间变化，其输出信号之大小亦随接受的光线强度比例变化；其特征在于，它还包括：

一斜率检知电路，接受该光检知器之输出，根据该光检知器之输出信号之斜率变化，将该光检知器之输出转换为一数字输出信号。

2.如权利要求1所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：其中该斜率检知电路包括一延迟电路及一比较器，该比较器之输入端包括互补之一第一输入端及一第二输入端，该比较器之第一输入端及该延迟电路之输入端接受该光检知之器输出，该比较器之第二输入端接受该延迟电路之输出，该比较器之输出即该数字输出信号。

3.如权利要求2所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：该延迟电路包括一电阻器及一电容器，该电阻器之一端耦接至该光检知器之输出，另一端耦接至该电容器之一端及该比较器之第二输入端，该电容器之另一端接地。

4.如权利要求1所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：该光源为一发光二极管。

5.如权利要求1所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：该光检知器为一光电晶体。

6.如权利要求1所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：所述的光检知器为一双光检知器，包括第一光检知器和第二光检知器，接受所述光源发出之光线；所述的斜率检知电路包括第一斜率检知电路和第二斜率检知电路，第一斜率检知电路，接受该第一光检知器之输出，根据该第一光检知器之输出信号之变化斜率，转换为一第一数字输出信号；以及第二斜率检知电路，接受该第二光检知器之输出，根据该第二光检知器之输出信号之变化斜率，转换为第二数字输出信号。

7.如权利要求6所述之一种使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：在所述的第一斜率检知电路和第二斜率检知电路中，每一个斜率检知电路包括一延迟电路及一比较器，且该比较器的输入端包括互补的一第一输入端和一第二输入端，该比较器的第一输入端及该延迟电路的输入端分别接受与该斜率检知电路相连的光检知器的输出，该比较器之第二输入端接受该延迟电路的输出，该比较器的输出即该数字输出信号。

8.如权利要求7所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：该延迟电路包括一电阻器及一电容器，该电阻器之一端耦接至该光检知器之输出，另一端耦接至该电容器之一端及该比较器之第二输入端，该电容器之另一端接地。

9.如权利要求6所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：该光栅之该些开孔彼此间的距离及每一开孔之宽度为该第一光检知器及该第二光检知器间之距离的3/4，用以使该第一光检知器之输出信号与该第二光检知器之输出信号相差1/4周期。

10.如权利要求9所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：根据该光栅移动的方向，该第一数字输出信号及该第二数字输出信号组合的状态变化顺序为00→10→11→01→00与00→01→11→10→00二者择一。

11.如权利要求6所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：该光源为一发光二极管。

12.如权利要求6所述之使用斜率检知方式之数字检知器，其特征在于：该第一光检知器及该第二光检知器为一光电晶体。

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