CN111713020B - 基于采样和保持电路的基准噪声抑制改善 - Google Patents

基于采样和保持电路的基准噪声抑制改善 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种触摸控制器，该触摸控制器可包括测量电路，该测量电路被配置为从接近传感器中的活动通道接收信号，并且对信号进行采样和保持信号以测量信号。触摸控制器可包括驱动屏蔽缓冲器。触摸控制器可包括电压基准电路，该电压基准电路被配置为生成分压基准，向测量电路提供分压基准，并且通过开关电路将分压基准驱动到驱动屏蔽缓冲器，以在活动通道的测量期间将通道保持在接近传感器中。

Description

基于采样和保持电路的基准噪声抑制改善
技术领域
本公开涉及用于人机界面的触摸和接近检测，并且更具体地涉及使用采样和保持电路的基准噪声抑制。
背景技术
噪声可包括电信号的随机波动。噪声可以是有用信息信号的错误或不期望的随机干扰。噪声是来自天然或人造源的不需要的或干扰的能量的总和。噪声可通过信噪比(SNR)来量化。噪声可具有各种来源。噪声可包括例如热噪声、散粒噪声、闪烁噪声、突发噪声、跨时间噪声、耦合噪声、互调噪声、串扰、干扰或工业噪声。工业噪声可包括来自设备部件的噪声，这可影响周围部件或设备内的部件。例如，当电动马达启动和停止时，可产生噪声。在另一个示例中，触摸面板上的水可引起电容变化，从而引入噪声。
可通过多种技术来降低噪声。可通过法拉第笼降低噪声，从而避免电容耦合或避免接地回路。然而，在一些情况下，不可能使所有接地连接连接到相同的接地总线。
噪声通常可被测量为以瓦特或dBm为单位的电功率N、以伏特、dBμV为单位的均方根(RMS)电压(与噪声标准偏差相同)或以伏特平方为单位的均方误差(MSE)。噪声还可通过其概率分布和以瓦特/赫兹为单位的噪声谱密度来表征。噪声信号通常被认为是可用信息信号的线性加法。噪声功率可相对于标准功率以瓦特或分贝(dB)测量。
发明内容
本公开的实施方案可以包括触摸控制器。触摸控制器可包括测量电路，该测量电路被配置为从接近传感器中的活动通道接收信号，并且对信号进行采样和保持信号以测量信号。触摸控制器可包括驱动屏蔽缓冲器。触摸控制器可包括电压基准电路，该电压基准电路被配置为生成分压基准，向测量电路提供分压基准，并且通过开关电路将分压基准驱动到驱动屏蔽缓冲器，以在活动通道的测量期间将通道保持在接近传感器中。结合上述实施方案中的任一个，开关电路可包括第一开关、第二开关、第一电容器和第二电容器。结合上述实施方案中的任一个，开关电路可被配置为在第一操作阶段中激活第一开关和第二开关，以根据分压基准对第二电容器充电。结合上述实施方案中的任一个，开关电路可被配置为在第二操作阶段中另选地激活第一开关和第二开关以通过第一电容器和第二电容器驱动分压基准，从而生成通道电压基准以将通道保持在接近传感器中。结合上述实施方案中的任一个，开关电路被配置为在第二操作阶段中并且在每个连续周期期间将等效量的总电荷从第一电容器和第二电容器驱动到所保持的通道。结合上述实施方案中的任一个，通过开关电路驱动分压基准可被配置为减少源自为分压基准供电的电压源的噪声。结合上述实施方案中的任一个，分压基准可以是中间模拟供电电压。
本公开的实施方案可以包括电压基准电路。电压基准电路可包括连接到电阻网络的电源输入、第一开关、连接到第一开关和电阻网络的中点的第二开关、连接到第一开关和第二开关之间的点的第一电容器、连接到第一电容器和第一开关的第二电容器，以及开关控制信号，该开关控制信号被配置为从电阻网络的中点通过第一开关、第二开关、第一电容器和第二电容器驱动分压基准，以在接近传感器的活动通道的测量期间保持接近传感器的通道。结合上述实施方案中的任一个，电压基准电路还可包括用于测量电路的分压基准的输出。结合上述实施方案中的任一个，开关控制信号可被配置为在第一操作阶段中激活第一开关和第二开关以根据分压基准对第二电容器充电。结合上述实施方案中的任一个，开关控制信号可被配置为在第二操作阶段中另选地激活第一开关和第二开关以通过第一电容器和第二电容器驱动分压基准，从而生成通道电压基准以将通道保持在接近传感器中。结合上述实施方案中的任一个，开关控制信号可被配置为在第二操作阶段中并且在每个连续周期期间将等效量的总电荷从第一电容器和第二电容器驱动到所保持的通道。结合上述实施方案中的任一个，通过开关电路驱动分压基准可被配置为减少源自为电阻网络供电的电压源的噪声。结合上述实施方案中的任一个，电阻网络的中点可为中间模拟供电电压。
本公开的实施方案可以包括由上述的任何电压基准电路或触摸控制器执行的方法。
附图说明
图1是根据本公开的实施方案的基准噪声抑制的系统的图示。
图2是根据本公开的实施方案的基准噪声抑制的系统的元件的更详细图示。
具体实施方式
图1是根据本公开的实施方案的基准噪声抑制的系统100的图示。在一个实施方案中，系统100可使用采样和保持电路来实现基准噪声抑制。
在一个实施方案中，系统100可以包括基准电压电路114。在另一个实施方案中，系统100可包括耦接或通信地耦接到基准电压电路114的驱动屏蔽缓冲器120。基准电压电路114和驱动屏蔽缓冲器120的示例性具体实施在图1中示出，但在各种实施方案中，基准电压电路114和驱动屏蔽缓冲器120可包括根据本公开中讨论的配置的更多或更少的部件，或以不同但功能上等效的方式布置的部件。基准电压电路114可被配置为单独地或在由驱动屏蔽缓冲器120修改时向系统100的其他部分提供基准电压。这样的基准电压可在噪声已被抑制或消除的情况下产生。
系统100可包括可使用由基准电压电路114单独提供的基准电压或由驱动屏蔽缓冲器120修改的基准电压的元件。例如，系统100可包括外围控制器102。外围控制器102可被配置为控制外围设备、与外围设备交互或与外围设备通信。此类外围设备可包括例如触摸板104。触摸板104可被配置为执行触摸或接近感测，作为电子设备的人机界面的一部分。触摸板104和外围控制器102可通过例如开关矩阵112通信地耦接。外围控制器102，触摸板104和开关矩阵可以使用模拟电路、数字电路、由处理器执行的指令或其任何合适的组合中实现。外围控制器102可在芯片、裸片、板、片上系统或其他合适的平台上实现。在一个实施方案中，外围控制器102可在与基准电压电路114相同的平台上实现。在另一个实施方案中，外围控制器102可在与基准电压电路114不同的平台上实现。
外围控制器102可被配置为从触摸板104进行测量。外围控制器102还可被配置为对此类测量执行处理。外围控制器102还可被配置为一旦进行测量，就通过输出值122将所测量的值发送到其他实体，诸如较大的系统或处理器。为了执行测量，外围控制器102可包括测量电路116。测量电路116可使用采样和保持电路或拓扑结构来实现。测量电路116的示例性具体实施在下面的图2中示出。
触摸板104可被配置为根据异物(诸如手指或触笔)与感测表面的接近或触摸来生成信号。触摸板104可包括多个通道108，其中每个此类通道可进行独立的测量。触摸板104可包括以任何合适的配置诸如线性配置或网格布置的任何合适数量的N个触摸板通道108。当根据通道的位置考虑时，来自这些不同通道的具体测量值形成数据点，输出值122的接收者可以关于该数据点做出接近度、位置或触摸的更完整的视图。
每个通道108可包括触摸传感器132。触摸传感器132可通过电容器接地并连接到驱动信号，诸如drv_ext 130。Drv_ext 130可由适于允许电容式检测的算法驱动。可根据在序列期间传感器将被驱动为高、低还是未被驱动来选择此类算法。可使用三态驱动器。每个通道108可包括一个或多个开关、开关织物、复用器或其他合适的实施方式，以选择性地路由来自外围控制器102的信号。例如，电压输出142可选择性地从外围控制器102路由到通道108中的各个通道。选择性路由可由例如开关134执行。在另一个示例中，来自通道108的所得测量电压138可选择性地从单个通道108路由到外围控制器102。选择性路由可由例如开关136执行。开关134、136可以单独地在各个通道108中实现，或者在复用器、开关织物或用于所有通道108的其他实体内一起实现。
为了从给定通道108进行测量以生成所得的测量电压138，开关136的实例可使得来自传感器132的对应实例的信号作为所得的测量电压138被路由到外围控制器102。来自传感器132的信号可由身体与传感器132的接近度或触摸驱动，并且由drv_ext 130驱动。在从给定通道108进行测量的同时，在一个实施方案中，在剩余通道108中，可施加电压输出142。电压输出142可以基准电压140、接地或电源驱动，以模拟测量电路116中使用的积分器输入线电压。因此，电压输出142可有时模拟所得的测量电压138。当传感器将在高阻抗下由传感器驱动器欠驱动时，电压输出142可模拟基准电压。因此，相邻通道108之间的电容可通过在相同电压下驱动它们而抵消。
例如，在操作期间，受测通道诸如通道108A可生成到测量电路116的信号。在进行此类测量时，触摸板104的其他通道(诸如通道108B-108N)可保持在来自驱动屏蔽缓冲器120的电压输出142。驱动屏蔽缓冲器120可被配置为在处理来自基准电压电路114的基准电压140之后提供此类电压输出142。
在一个实施方案中，基准电压电路114可被配置为向测量电路116提供测量基准电压140。在另一个实施方案中，基准电压电路114可被配置为向驱动屏蔽缓冲器120提供通道基准电压，该驱动屏蔽缓冲器继而可向触摸板104的通道提供电压输出142。
基准电压电路114可包括分压器电路。供电电压VDD可用作基准电压140的源极。VDD可在被接地之前被路由通过两个电阻器R1和R2。电阻器可具有相同的值，诸如50KΩ。可通过在R1和R2之间分接分压器电路来获得基准电压，诸如测量基准电压。测量基准电压可被传递到测量电路116并表示为VDD/2。在一个实施方案中，测量基准电压可在用于触摸板104之前通过基准电压电路114的其他部件。可使用测量基准电压，例如测量电路116的积分器部分，该积分器部分使用根据R1和R2的值的电压基准集来操作。当R1和R2相等时，可将电压基准设定在中间模拟供电电压。在其他解决方案中，该基准可从简单的电阻分压器生成，并且该基准也被提供给触摸板104。在此类其他解决方案中，这可导致对供电噪声的3dB抑制。然而，使用通过驱动屏蔽缓冲器120提供的基准电压电路114可替代地允许生成相同的测量电压基准以及对低频源噪声进行分压。这可在假设供电噪声与接地中的噪声不相关的情况下操作。
驱动器屏蔽缓冲器120可以跟随器模式连接，通过在负输入上捆绑输出来实现。驱动屏蔽缓冲器120的输出可为电压输出142。输出电压可与驱动屏蔽缓冲器120的反相输入以及其其他输入(给定为VREF)绑定。电压输出142可通过开关、复用器或可将信号路由到必要通道的其他合适的机构提供给触摸板104。基准电压140可由原始测量基准电压(VDD/2)生成为保持电压，并通过开关S1，S2和电容器C1，C2的电路进行滤波。开关S1和S2可提供初始测量基准电压(VDD/2)与驱动屏蔽缓冲器120的正输入端之间的串联连接。电容器C1和C2可在开关S1，S2之间的点与开关S1和驱动屏蔽缓冲器120的正输入端之间的点之间的分支上相对于彼此串联连接。开关S1、S2可被配置为由开关控制信号118控制。
在一个实施方案中，在操作的初始阶段期间，开关S1和S2均可被激活，以便将槽电容C2预充电至接近预期值的水平。期望值可为VDD/2而无噪声。相反，可用的是(VDD+噪声)/2。因此，可利用基准电压电路114的采样和保持电路来消除差值(噪声/2)。然而，这种校正可能是缓慢的，因此预充电可允许基准电压电路114更接近最终值地开始后续操作。在操作的初始阶段完成之后，在操作的后续阶段中，S1和S2可由具有互补或极性相反信号的开关控制信号118驱动。这可导致一次仅激活S1和S2中的一者。此类信号的频率可根据系统100的部件的设计特性来设定。在第二操作阶段期间的每个周期中，从电源转移到基准(并存储在槽电容C2中)的电荷量与C1/C2成比例。这可导致来自因子C1(C1+C2)的电源(VDD)的噪声衰减。如果C2远大于C1，则该因子C1(C1+C2)大约为C1/C2。使用基准电压电路114和驱动屏蔽缓冲器120可允许省去或排除线性调压器来执行相同的任务。
在开关控制信号的第二阶段的给定周期中，S1和S2可相对于彼此另选地启用和禁用。当S1打开时，S2可闭合。当S2打开时，S1可闭合。
在开关控制信号118的第二阶段的周期i期间，当通往S1和S2的信号交替，并且S1断开且S2接通时，C2和C1的电荷可被给定为：
Q2(i)＝Vrefi-1·C2
此外，在开关控制信号118的相同第二阶段内的下一个周期i+1期间，当通往S1和S2的信号交替并且S1接通且S2断开时，聚积在C2和C1上的电荷可被给定为：
Q2(i+1)＝Vrefi·C2
Q1(i+1)＝Vrefi·C1
N可识别噪声，并且VN可为对电压的噪声贡献。在第一和第二周期i和i+1之间进行比较，C1和C2的全局电荷可保持不变：
Q1(i)+Q2(i)＝Q1(i+1)+Q2(i+1)
在大量迭代并且i变大之后：
一个循环内的最大噪声由下式给出
这可表示来自提供给触摸板104的通道的供电电压的噪声的40dB改善。
图2是根据本公开的实施方案的系统100的更详细图示。图2示出了测量电路116的示例性具体实施。
为了从触摸板104进行测量，测量电路116可包括用于启用采样的驱动器信号206和来自触摸板104的模拟输入(测量电压138)。基准电压140可从基准电压电路114发出到运算放大器212的正输入，而来自触摸板104的输入(测量电压138)可通过电阻器202路由到运算放大器212的负输入。驱动器信号206可通过缓冲器208和可变电容器204发送，并且连接到运算放大器212的负输入端。反馈网络可在运算放大器212的输出以及运算放大器212的负输入之间实现。反馈电路可包括一系列开关和电容器，使得运算放大器212的输出保持不变，同时可对运算放大器212的输出进行采样。电容器214可连接在运算放大器212的输出端和地之间。可使用附接到模数转换器(ADC)216电路的开关218来进行采样。ADC 216的输出可包括输出值122。
积分器可由运算放大器212和电容器Cint形成。反馈电路210内的开关(由pha和not_pha控制)可允许交换电容器Cint的极性。
返回到图1，在没有系统100的情况下，如果从电阻分压器创建，则基准电压140可能仅为VDD/2，从而导致仅3dB抑制。然而，在这种情况下，基准电压本身是嘈杂的。相反，基准电压电路114可使基准电压140噪声更小，即使没有线性调节器。其他解决方案可使用线性调节器代替基准电压电路114的全部或一部分。线性调节器用于为整个控制器提供处理供电噪声的固有抑制。在没有此类线性调节器的情况下，控制器易受电源噪声的影响。这将尤其在直接DC/DC调节器供应控制器时发生。在其他解决方案中，被保持到基准电压或地的触摸板104的通道可连接到裸片、印刷电路板或系统的器具的地或由其驱动。在此类解决方案中，性能可能受到严重限制。
可能不使用带隙作为基准，因为带隙与现有算法不兼容。使用带隙作为基准的修改算法是复杂且尺寸更大的。在触摸板104的给定测量期间，面板迹线从VDD、VDD/2和GND驱动。带隙电压可能不包括这些中的一个。以VDD/2作为基准简化了该算法。
已根据一个或多个实施方案描述了本公开，并且应当理解，除了明确陈述的那些之外，许多等同物、替代物、变型和修改是可能的并且在本公开的范围内。虽然本公开易受各种修改形式和替代形式的影响，但是其具体示例性实施方案已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，本文对具体示例性实施方案的描述并非旨在将本公开限于本文所公开的特定形式。

Claims (19)

1.一种触摸控制器，包括：
测量电路，所述测量电路被配置为：
从接近传感器中的活动通道接收信号；以及
对所述信号进行采样并保持所述信号以测量所述信号；
驱动屏蔽缓冲器；和
电压基准电路，所述电压基准电路被配置为：
生成分压基准；
向所述测量电路提供所述分压基准；以及
通过开关电路将所述分压基准驱动到所述驱动屏蔽缓冲器，
以在所述活动通道的测量期间将通道保持在所述接近传感器中，
其中：
所述开关电路包括第一开关、第二开关、第一电容器和第二电容器；以及
所述开关电路被配置为在第二操作阶段中：
另选地激活所述第一开关和所述第二开关以通过所述第一电容器和所述第二电容器驱动所述分压基准，从而生成通道电压基准以将所述通道保持在所述接近传感器中；以及
在每个连续周期期间，将等量的总电荷从所述第一电容器和所述第二电容器驱动到所保持的通道。
2.根据权利要求1所述的触摸控制器，其中所述开关电路被配置为在第一操作阶段中激活所述第一开关和所述第二开关以根据所述分压基准对所述第二电容器充电。
3.根据权利要求1或2所述的触摸控制器，其中所述开关电路被配置为在第二操作阶段中另选地激活所述第一开关和所述第二开关以通过所述第一电容器和所述第二电容器驱动所述分压基准，从而生成通道电压基准以将所述通道保持在所述接近传感器中。
4.根据权利要求1或2所述的触摸控制器，其中通过所述开关电路驱动所述分压基准被配置为减少源自为所述分压基准供电的电压源的噪声。
5.根据权利要求1或2所述的触摸控制器，其中所述分压基准为中间模拟供电电压。
6.一种电压基准电路，包括：
电源输入，所述电源输入连接到电阻网络；
第一开关；
第二开关，所述第二开关连接到所述第一开关并连接到所述电阻网络的中点；
第一电容器，所述第一电容器连接到所述第一开关和所述第二开关之间的点；
第二电容器，所述第二电容器连接到所述第一电容器和所述第一开关；和
开关控制信号，所述开关控制信号被配置为通过所述第一开关、所述第二开关、所述第一电容器和所述第二电容器从所述电阻网络的所述中点驱动分压基准，以在接近传感器的活动通道的测量期间保持所述接近传感器的通道
其中所述开关控制信号被配置为在第二操作阶段中：
另选地激活所述第一开关和所述第二开关以通过所述第一电容器和所述第二电容器驱动所述分压基准，从而生成通道电压基准以将所述通道保持在所述接近传感器中；以及
在每个连续周期期间，将等量的总电荷从所述第一电容器和所述第二电容器驱动到所保持的通道。
7.根据权利要求6所述的电压基准电路，还包括所述分压基准到测量电路的输出。
8.根据权利要求6或7所述的电压基准电路，其中所述开关控制信号被配置为在第一操作阶段中激活所述第一开关和所述第二开关，以根据所述分压基准对所述第二电容器充电。
9.根据权利要求6或7所述的电压基准电路，其中所述开关控制信号被配置为在第二操作阶段中另选地激活所述第一开关和所述第二开关以通过所述第一电容器和所述第二电容器驱动所述分压基准，从而生成通道电压基准以将所述通道保持在所述接近传感器中。
10.根据权利要求6或7所述的电压基准电路，其中通过包括所述第一开关、所述第二开关、所述第一电容器和所述第二电容器的开关电路驱动所述分压基准被配置为减少源自为所述电阻网络供电的电压源的噪声。
11.根据权利要求6或7所述的电压基准电路，其中所述电阻网络的所述中点为中间模拟供电电压。
12.一种基准噪声抑制方法，包括：
从接近传感器中的活动通道接收信号；
对所述信号进行采样并保持所述信号以测量所述信号；
生成分压基准；
向测量电路提供所述分压基准，所述测量电路被配置成执行对所述信号进行采样并保持所述信号以测量所述信号的步骤；
通过开关电路将所述分压基准驱动到驱动屏蔽缓冲器，以在所述活动通道的测量期间将通道保持在所述接近传感器中；
在第二操作阶段中，另选地激活第一开关和第二开关以通过第一电容器和第二电容器驱动所述分压基准，从而生成通道电压基准以将所述通道保持在所述接近传感器中；以及
在所述开关电路的所述第二操作阶段中，在每个连续周期期间，将等量的总电荷从所述第一电容器和所述第二电容器驱动到所保持的通道。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述开关电路的第一操作阶段中，根据所述分压基准激活所述第一开关和所述第二开关以对第二电容器充电。
14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括在所述开关电路的第二操作阶段中，另选地激活第一开关和第二开关以通过第一电容器和第二电容器驱动所述分压基准，从而生成通道电压基准以将所述通道保持在所述接近传感器中。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中通过所述开关电路驱动所述分压基准减少源自为所述分压基准供电的电压源的噪声。
16.一种基准噪声抑制方法，包括：
接收开关控制信号；
使用所述开关控制信号通过以下部件从电阻网络的中点驱动分压基准：
第一开关；
第二开关，所述第二开关连接到所述第一开关和所述电阻网络的所述中点；
第一电容器，所述第一电容器连接到所述第一开关和所述第二开关之间的点；和
第二电容器，所述第二电容器连接到所述第一电容器和所述第一开关；
其中驱动所述分压基准在接近传感器中的活动通道的测量期间保持所述接近传感器的通道，
其中在第二操作阶段中，使用所述开关控制信号另选地激活所述第一开关和所述第二开关以通过所述第一电容器和所述第二电容器驱动所述分压基准，从而生成通道电压基准以将所述通道保持在所述接近传感器中；以及
在第二操作阶段中，使用所述开关控制信号在每个连续周期期间将等量的总电荷从所述第一电容器和所述第二电容器驱动到所保持的通道。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括生成用于测量电路的所述分压基准的输出。
18.根据权利要求16或17所述的方法，还包括在第一操作阶段中，使用所述开关控制信号来激活所述第一开关和所述第二开关来根据所述分压基准对所述第二电容器充电。
19.根据权利要求16或17所述的方法，其中通过包括所述第一开关、所述第二开关、所述第一电容器和所述第二电容器的开关电路驱动所述分压基准减少源自为所述分压基准供电的电压源的噪声。
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