CN111796146A - 谐振传感器的传感器频率自动定心 - Google Patents

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Abstract

系统可以包括：电阻‑电感‑电容传感器、被配置为以驱动频率驱动电阻‑电感‑电容传感器的驱动器，以及测量电路，其通信地耦合至电阻‑电感‑电容传感器并被配置为确定电阻‑电感‑电容传感器的谐振频率的测量变化，并且基于该测量变化来修改驱动频率。

Description

谐振传感器的传感器频率自动定心
相关申请
本公开要求2019年4月3日提交的美国临时专利申请序列号62/828,566的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
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，用于车辆、机械和/或器具的仪表板等)，并且更具体地涉及电阻-电感-电容传感器的谐振相位感测，该传感器用于在移动装置和/或其他合适的应用中在系统中替换机械按钮。
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)包括机械按钮，以允许在移动装置的用户与移动装置本身之间进行交互。但是，此类机械按钮容易老化、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，机械按钮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希望为移动装置配备虚拟按钮，该虚拟按钮充当人机界面，其允许在移动装置的用户与移动装置本身之间进行交互。类似地，移动装置制造商越来越希望为移动装置配备其他虚拟界面区域(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外观和感觉上就像是存在机械按钮或其他机械界面而不是虚拟按钮或虚拟界面区域一样。
当前，线性谐振致动器(LRA)和其他振动致动器(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钮上的按下)，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钮点击的感觉。
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。
发明内容
根据本公开的教导，可以减少或消除与感测移动装置中的人机界面交互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，其被配置为以驱动频率驱动电阻-电感-电容传感器；以及测量电路，其通信地耦合至电阻-电感-电容传感器，并被配置为确定电阻-电感-电容传感器的谐振频率的测量变化，并基于该测量变化来修改驱动频率。
根据本公开的这些和其他实施例，方法可以包括：在包括电阻-电感-电容传感器和被配置为以驱动频率驱动电阻-电感-电容传感器的驱动器的系统中，确定电阻-电感-电容传感器的谐振频率的测量变化，并基于该测量变化来修改驱动频率。
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的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、特征和组合来实现和达到。
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指示相同的特征，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隔开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4A至图4C中的每个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示出了根据本公开实施例的示例谐振相位感测系统的所选部件的图示，该示例谐振相位感测系统实现了多个电阻-电感-电容传感器的时分多路复用处理；
图6示出了根据本公开的实施例的电阻-电感-电容传感器的相位对驱动频率的示例曲线图；
图7示出了根据本公开的实施例的谐振相位感测系统的示例控制电路的所选部件的框图；以及
图8示出了根据本公开的实施例的用于使谐振传感器的传感器频率自动定心的示例方法的流程图。
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壳体、包装壳或用于容纳移动装置102的各种部件的其他外壳。外壳101可以由塑料、金属和/或任何其他合适的材料构造。另外，外壳101可以适应(例如，被设计大小和形状)，使得移动装置102容易地在移动装置102的用户人身上携带。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他易于在移动装置102的用户人身上携带的装置。
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(DSP)、专用集成电路(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他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可访问的其他计算机可读介质中的数据。
存储器104可以被容纳在外壳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(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、国际个人计算机存储卡协会(PCMCIA)卡、闪存、磁存储装置、光电存储装置或易失性或非易失性存储器(其在关闭移动装置102的电源之后保留数据)的任何合适的选择和/或阵列。
麦克风106可以至少部分地容纳在外壳101中，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到的声音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(MEM)麦克风或任何其他合适的电容性麦克风。
无线电发射器/接收器108可以被容纳在外壳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由此类接收信号携带的信息转换成控制器103可用的形式的任何系统、装置和设备。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、LTE等)、短程无线通信(例如蓝牙)、商业无线电信号、电视信号、卫星无线电信号(例如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，可以通信地耦合到控制器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扬声器，其采用经由柔性悬架机械地耦合到刚性框架的轻质膈膜，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，生成机械力，该机械力使音圈(并因此，附接的圆锥体)来回移动，从而在来自放大器的所施加电信号的控制下再现声音。
机械构件105可以被容纳在外壳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上或其附近的力、压力或触摸而移位到适当位置。在一些实施例中，机械构件105可被设计为在外壳101的外部上显示为机械按钮。
线性谐振致动器107可以被容纳在外壳101内，并且可以包括用于产生跨单个轴线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。当音圈以弹簧的谐振频率被驱动时，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，关于线性谐振致动器107的使用来描述本公开，但是应当理解，可以使用任何其他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，或除了线性谐振致动器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线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，以用于机械按钮替换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，虚拟按钮)，其对于移动装置102的用户而言具有移动装置102的机械按钮或其他机械界面的外观和感觉。
谐振相位感测系统112可以被容纳在外壳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。如以下更详细描述的，谐振相位感测系统112可以通过针对电阻-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的位移而变化执行电阻-电感-电容传感器的谐振相位感测来检测机械构件105的位移。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，并且此种位移可以引起集成到谐振相位感测系统112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还可以响应于和与机械构件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的细节将在下文中详细描绘。
尽管上面在图1中将特定示例部件描绘为集成到移动装置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)，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他用户界面部件，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/或以其他方式操纵移动装置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的单个虚拟按钮，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可以通过针对电阻-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的位移而变化执行电阻-电感-电容传感器的谐振相位感测来检测机械构件105的位移，但是在一些实施例中，谐振相位感测系统112可以主要通过使用谐振相位感测来确定电阻-电感-电容传感器的电感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可以在任何其他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，膝上计算机、笔记本计算机或平板计算机)、游戏控制器、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、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，其被实施为与电感线圈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，该磁场转而可以在机械构件105内部感应出涡流。当力施加到机械构件105和/或从机械构件105去除时，这会改变机械构件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转而可以修改电感线圈202的有效阻抗ZL。
图4A示出了根据本公开的实施例的示例谐振相位感测系统112A的所选部件的图示。在一些实施例中，谐振相位感测系统112A可以用于实现图1的谐振相位感测系统112。如图4A所示，谐振相位感测系统112A可以包括电阻-电感-电容传感器402和处理集成电路(IC)412A。
如图4A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4A中示出为彼此并联布置，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充当谐振槽的任何其他合适方式布置。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实现，而是可以代替地由电感线圈202的寄生电阻、电容器406的寄生电阻和/或任何其他合适的寄生电阻实现。
处理IC 412A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-感应-电容传感器402的位移。因此，处理IC 412A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，按下或释放虚拟按钮)的发生。
如图4A所示，处理IC 412A可以包括移相器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(PGA)414、振荡器416、移相器418、幅度和相位计算块431、DSP 432、低通滤波器434、组合器450和控制电路452。处理IC 412A还可以包括以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(ADC)428，该正交通道包括混频器422、低通滤波器426和ADC430，使得处理IC 412A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可以包括任何系统、装置或设备，其被配置为接收由处理IC 412A生成的振荡信号(如下文更详细地解释)，并且基于从控制电路452接收到的控制信号PHASEADJUST对此种振荡信号进行相移，使得在谐振相位感测系统112的工作频率下，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，从而通过由处理IC 412A实现的相位检测器提供共模噪声抑制，如下面更详细描述的。
电压-电流转换器408可以从移相器410接收相移振荡信号，该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上以与相移振荡信号相同的驱动频率驱动电流信号，以便生成可以由处理IC412A处理的传感器信号φ，如下面更详细描述的。在一些实施例中，可以基于电阻-电感-电容传感器402的谐振频率来选择相移振荡信号的驱动频率(例如，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和状态传感器信号φ，用于利用混频器442将其混频到由组合器444与由振荡器416生成的振荡频率组合的中频Δf，如下面更详细地描述的，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，PGA 414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向下混频到较低的中频Δf，这可以允许较低带宽和更有效的ADC(例如，图4A和图4B的ADC428和430以及图4C的ADC 429，如下所述)，和/或这可以允许最小化处理IC 412A的相位检测器的入射和正交路径中的相位和/或增益失配。
在操作中，PGA 414可以进一步放大传感器信号φ以调节传感器信号φ以用于由相干入射/正交检测器进行处理。振荡器416可以生成将用作电压-电流转换器408驱动的信号的基础的振荡信号，以及由混频器420和422用于提取放大的传感器信号φ的入射分量和正交分量的振荡信号。如图4A所示，入射通道的混频器420可以使用由振荡器416生成的振荡信号的未移位版本，而正交通道的混频器422可以使用由移相器418移相的振荡信号的90度移位版本。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振荡器416生成的振荡信号的振荡频率(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，如下文更详细地描述的，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给振荡器416，以便使振荡器416以振荡频率f0生成振荡信号。
在一些实施例中，振荡器416可以用压控振荡器(VCO)来实现，在这种情况下，控制电路452可以生成指示振荡频率f0的电压作为传送到振荡器416的控制信号。在其他实施例中，振荡器416可以利用数控振荡器(DCO)来实现，在这种情况下，控制电路452可以生成指示振荡频率f0的数字代码作为传送到振荡器416的控制信号。
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(DC)入射分量，并且ADC428可以将此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模块431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，并基于其提取幅度和相位信息的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，DSP 432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，并基于该信息确定机械构件105相对于电阻-电感-电容传感器402的位移，其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，按下或释放虚拟按钮或与虚拟界面的其他交互)的发生。DSP 432还可生成指示位移的输出信号。在一些实施例中，此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可以从参考相位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接收的误差信号。低通滤波器434可以对误差信号进行低通滤波，并且可以将此滤波后的误差信号施加到振荡器416，以修改由振荡器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。结果，响应于与谐振相位感测系统112A相关联的虚拟按钮的“按下”(或与虚拟界面的其他交互)，传感器信号φ可以包括瞬态衰减信号，以及响应于虚拟按钮的后续“释放”(或与虚拟界面的其他交互)的另一瞬态衰减信号。因此，与振荡器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振荡器416的驱动频率来跟踪谐振相位感测系统112A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相移PHASE ADJUST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设置为近似等于电阻-电感-电容传感器402的谐振频率。因此，如下所述，控制电路452可以被配置为在谐振相位感测系统112A的操作期间确定电阻-电感-电容传感器402的谐振频率，以便由于电阻-电感-电容传感器402的外部参数(包括但不限于传感器温度、机械构件105和电感线圈202之间的距离d(例如，由于老化或虚拟按钮按下)和/或外部干扰信号)而修改此谐振频率。
图4B示出了根据本公开的实施例的示例谐振相位感测系统112B的所选部件的图示。在一些实施例中，谐振相位感测系统112B可以用于实现图1的谐振相位感测系统112。在许多方面，图4B的谐振相位感测系统112B可以类似于图4A的谐振相位感测系统112A。因此，下面可以仅描述谐振相位感测系统112B和谐振相位感测系统112A之间的那些差异。如图4B所示，谐振相位感测系统112B可以包括处理IC 412B来代替处理IC 412A。在许多方面，图4B的处理IC412B可以类似于图4A的处理IC 412A。因此，下面可以仅描述处理IC 412B和处理IC 412A之间的那些差异。
处理IC 412B可以包括可变移相器419。因此，在操作中，振荡器416可以对驱动信号和振荡信号进行驱动，可变移相器419可以进行相移以生成要由混频器420和422混频的振荡信号。类似于处理IC 412A，低通滤波器434可以基于由幅度和相位计算模块431提取的相位信息对误差信号进行低通滤波，但是可以代替地将此滤波后的误差信号施加到可变移相器419，以修改由振荡器416生成的振荡信号的相位偏移，以便驱动传感器信号φ朝向指示相移为零。结果，传感器信号φ可以包括响应于与谐振相位感测系统112B相关联的虚拟按钮的“按下”(或与虚拟界面的其他交互)的瞬态衰减信号以及响应于虚拟按钮的后续“释放”(或与虚拟界面的其他交互)的另一瞬态衰减信号。因此，与可变移相器419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由可变移相器419施加的相移来跟踪谐振相感测系统112B的操作参数的变化。
图4C示出了根据本公开的实施例的示例谐振相位感测系统112C的所选部件的图示。在一些实施例中，谐振相位感测系统112C可以用于实现图1的谐振相位感测系统112。在许多方面，图4C的谐振相位感测系统112C可以类似于图4A的谐振相位感测系统112A。因此，下面可以仅描述谐振相位感测系统112C和谐振相位感测系统112A之间的那些差异。例如，谐振相位感测系统112C和谐振相位感测系统112A之间的特定差异在于谐振相位感测系统112C可以包括ADC 429代替ADC 428和ADC 430。因此，用于谐振相位感测系统112C的相干入射/正交检测器可以利用包括数字混频器421和数字低通滤波器425(代替模拟混频器420和模拟低通滤波器424)的入射信道以及包括数字混频器423和低通滤波器427(代替模拟混频器422和模拟低通滤波器426)的正交信道来实现，使得处理IC 412C被配置为使用此种相干入射/正交检测器来测量相位信息。尽管未明确示出，但是可以以与如何示出谐振相位感测系统112A被修改以产生谐振相位感测系统112C的方式类似的方式来修改谐振相位感测系统112B。
图5示出了根据本公开的实施例的示例谐振相位感测系统112D的所选部件的图示，该示例相位感测系统112D实现了多个电阻-电感-电容传感器402(例如，图5中所示的电阻-电感-电容传感器402A-402N)的时分多路复用处理。在一些实施例中，谐振相位感测系统112D可以用于实现图1的谐振相位感测系统112。在许多方面，图5的谐振相位感测系统112D可以类似于图4A的谐振相位感测系统112A。因此，下面可以仅描述谐振相位感测系统112D和谐振相位感测系统112A之间的那些差异。特别地，谐振相位感测系统112D可以包括多个电阻-电感-电容传感器402(例如，图5所示的电阻-电感-电容传感器402A-402N)代替图4A所示的单个电阻-电感-电容传感器402。另外，谐振相位感测系统112D可以包括多路复用器502和504，其每个可以响应于控制信号SELECT而从多个输入信号中选择输出信号，该控制信号SELECT可以由时分多路复用控制电路系统552控制。
控制电路系统552可以包括被配置为控制一个或多个电阻-电感-电容传感器402上的时分多路复用感测的任何合适的系统、装置或设备，如下文更详细地描述的。尽管图5将控制电路系统552示为与处理IC 412D集成，但在一些实施例中，控制电路系统552可以由控制器103或移动装置102的另一合适部件实现。
因此，尽管在一些实施例中，诸如移动装置102之类的装置可以包括可以由相应的处理IC同时驱动和单独处理的多个电阻-电感-电容传感器402，但是在其他实施例中，谐振相位感测系统(例如，谐振相位感测系统112D)可以以时分多路复用的方式驱动电阻-电感-电容传感器402。与其中同时驱动和/或感测多个传感器的多传感器实施方式相比，此种方法可以减少功耗和装置大小。通过将多个传感器时分多路复用到单个驱动器和测量电路通道中，可以减小装置大小，其中可能仅需要单个驱动器和单个测量电路，因此使执行驱动和测量所需的集成电路面积的量最小化。另外，通过利用单个驱动器和测量电路，可能不需要校准来调节不同驱动器和/或不同测量电路之间的失配和/或误差。
为了清楚和说明起见，从图5中排除了前置放大器440、混频器442和组合器444。然而，在一些实施例中，处理IC 412D可以包括类似于图4A至图4C所描绘的前置放大器440、混频器442和组合器444。
在谐振相位感测系统112D中，控制电路系统552可以提供控制信号SELECT的控制，以便在扫描周期的第一持续时间内选择第一电阻-电感-电容传感器(例如，电阻-电感-电容传感器402A)由电压-电流转换器408驱动并由处理IC 412D实现的测量电路测量。在此第一持续时间期间，控制电路系统552可以将除了电阻-电感-电容传感器402A之外的电阻-电感-电容传感器置于低阻抗状态。类似地，在扫描周期的第二持续时间期间，控制电路系统552可以提供控制信号SELECT的控制，以便选择第二电阻-电感-电容传感器(例如，电阻-电感-电容传感器402B)由电压-电流转换器408驱动并由处理IC 412D实现的测量电路测量。在此第二持续时间期间，控制电路系统552可以将除了电阻-电感-电容传感器402B之外的电阻-电感-电容传感器置于低阻抗状态。类似过程可以允许在扫描周期的其他持续时间中感测其他电阻-电感-电容传感器402。此方法可以最小化未选择的电阻-电感-电容传感器402内的功耗。
尽管未明确示出，但是可以以类似于如何示出将谐振相位感测系统112A修改为产生谐振相位感测系统112D的方式来修改谐振相位感测系统112B，使得谐振相位感测系统112B可以实现多个电阻-电感-电容传感器402上的时分多路复用感测。类似地，尽管未明确示出，但是可以以类似于如何示出将谐振相位感测系统112A修改为产生谐振相位感测系统112D的方式来修改谐振相位感测系统112C，使得谐振相位感测系统112C可以实现多个电阻-电感-电容传感器402上的时分多路复用感测。
图6示出了根据本公开的实施例的针对电阻-电感-电容传感器402的相位φ对驱动频率f0的示例曲线图。如图6所示，选择用于振荡器416的标称工作频率fnom，以使其在电阻-感应-电容传感器402的谐振频率处或附近工作，使得操作在相位φ对驱动频率f0的线性区域内。其中相位φ随驱动频率f0的变化而近似线性变化。在此范围内的操作可以确保电阻-电感-电容传感器402的电感的任何变化都成比例地反映在相位φ的变化中，其中比例因子是相位φ对驱动频率f0的斜率。在过于远离谐振频率的驱动频率f0下以及在相位-频率曲线的非线性区域中操作可能会导致较小的相位变化(根据电感变化)，因此降低测量灵敏度。所以，在非线性范围内的操作可能是次最优的，并因此是不希望的。
尽管可以将驱动频率f0最初设置为标称工作频率fnom，但是由于在电阻-电感-电容传感器402上按下虚拟按钮、传感器温度、机械构件105和电感线圈202之间的距离d(例如，由于老化)和/或外部干扰信号，电阻-电感-电容传感器402的谐振频率可能会发生变化。在一些情况下，谐振频率的此种变化可能引起标称工作频率fnom与谐振频率有很大差异，从而在电阻-电感-电容传感器的相位对频率曲线的非线性区域中导致次最优操作402。
图7示出了根据本公开的实施例的谐振相位感测系统112的示例控制电路452的所选部件的框图。如图7所示，控制电路452可以包括谐振监视器702、品质(Q)因子估计器704、频率变化计算器706和相位调节块708。在一些实施例中，控制电路452的功能中的一些或全部可以由DSP 432执行。
谐振监视器702可以包括被配置为从超出阈值变化的驱动频率f0检测电阻-电感-电容传感器402的谐振变化的任何系统、装置或设备。
Q因子估计器704可以包括被配置为基于相位信息和/或基于与电阻-电感-电容传感器402相关联的幅度信息来估计电阻-电感-电容传感器402的品质(Q)因子的任何系统、装置或设备。例如，可以通过测量相位对频率的变化或幅度对频率的变化来估计Q因子。在一些实施例中，Q因子估计器704可以类似于2019年3月6日提交的美国专利申请序列号16/294,217中公开的方式实现，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。
频率变化计算器706可以包括任何系统、装置或设备，其被配置为基于由谐振监视器702和Q因子估计器704输出的信号，从将驱动频率f0居中在电阻-电感-电容传感器402的谐振频率所需的标称频率fnom计算频率变化fJUMP。
相位调节块708可以包括任何系统、装置或设备，其被配置为基于频率变化fJUMP和来自DSP 432的相位测量信息来确定将由移相器410或移相器419施加的相位调节以使由振荡器416生成的振荡信号相移，使得在谐振相位感测系统112的驱动频率f0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实现的相位检测器提供共模噪声抑制。
参考图8及其下面的描述，可以进一步示出控制电路452的部件的操作。
图8示出了根据本公开的实施例的用于使谐振传感器的传感器频率自动居中的示例方法800的流程图。根据某些实施例，方法800可以在步骤802开始。如上所述，可以在谐振相位感测系统112的各种配置中实现本公开的教导。这样，方法800的优选初始化点和包括方法800的步骤的顺序可以取决于所选择的实施方式。在这些和其他实施例中，方法800可以被实现为固件、软件、应用程序、功能、库或其他指令。
在步骤802，谐振监视器702可以监视以确定所测量的相位φmeas之间的相位差φdiff与初始相位φinit的差异是否超过阈值量，其中此初始相位φinit是在驱动频率f0处于标称频率fnom并且相对于电阻-电感-电容传感器402没有发生交互(例如，虚拟按钮按下)时可能发生的测量相位φ。此阈值量可以被选择为足够小，使得传感器频率的自动居中发生在电阻-电感-电容传感器402的相位对频率曲线的线性区域之外发生的次最佳操作之前。在这些和其他实施例中，此阈值可以基于传感器Q因子来动态变化(例如，对于较大的Q因子，阈值可能会更高)。如果差Δdiff大于阈值量，则方法800可以前进至步骤804。否则，方法800可以保持在步骤802，直到差Δdiff大于阈值量为止。
尽管前述段落设想将超过阈值的相位差Δdiff作为执行自动居中的触发，但是代替或除了相位差Δdiff超过阈值之外，可以使用一个或多个其他触发，包括但不限于：外部触发信号、以预定速率周期性自动居中、Q因子的变化超过预定阈值，相位差φdiff超过其相应阈值持续了连续相位测量的阈值数量，相位差φdiff超过其相应阈值持续阈值时间周期和/或相位差φdiff的滤波版本超过其相应阈值。
在步骤804，Q因子估计器704可以估计用于电阻-电感-电容传感器402的Q因子。例如，Q因子估计器704可以在两个不同的驱动频率f0处测量相位φ以估计Q因子。
在步骤806，频率变化计算器706可以根据使驱动频率f0居中在电阻-电感-电容传感器402的谐振频率所需的标称频率fnom来计算频率变化fJUMP。在一些实施例中，可以将频率变化fJUMP计算为电阻-电感-电容传感器402的相位对频率曲线的相位差φdiff和斜率φslope的比，斜率φslope可以从估计的Q因子得出。例如，此斜率可以估计为：
Figure BDA0002426128160000141
其中Q是估计的Q因子。
在步骤808，控制电路452可以基于标称频率fnom和频率变化fJUMP生成控制信号，以使振荡器416以驱动频率f0＝fnom+fJUMP工作。在其中由VCO实现振荡器416的实施例中，控制电路452可以适当地改变作为控制信号传送到振荡器416的控制电压，使得振荡器416输出驱动频率f0＝fnom+fJUMP。在其中由DCO实现振荡器416的实施例中，控制电路452可以适当地改变作为控制信号传送到振荡器416的数字控制代码，使得振荡器416输出驱动频率f0＝fnom+fJUMP。
在步骤810，控制电路452可以在驱动频率f0发生变化之后使相位φ的测量在一个周期内被消隐，并且可以确保由驱动频率的修改引起的相位信息变化不被传送到下游处理(例如，通过保持先前采样的测量并在一个周期内将先前采样的测量传送到下游处理)，以便防止报告不一致的相位信息。在完成步骤810之后，方法800可以再次进行到步骤802。
尽管图8公开了要针对方法800采取的特定数量的步骤，但是与图8所描绘的步骤相比，可以用更多或更少的步骤来执行方法800。例如，在一些实施例中，方法800可以包括以下步骤：验证周期可以确保自动居中后的相位φ接近其初始相位φinit。在这些和其他实施例中，方法800可以包括以下步骤：在自动居中之后，可以执行附加的Q因子估计，以确保在电阻-电感-电容传感器402的相位对频率曲线的线性部分中的操作。在这些和其他实施例中，方法800可以包括一个或多个步骤，这些步骤具有针对参数变化(例如，温度、机械变形等)校准初始相位φinit的周期。
另外，尽管图8公开了关于方法800要采取的步骤的某些顺序，但是包括方法800的步骤可以以任何合适的顺序完成。
可以使用谐振相位感测系统112、其部件或可操作以实现方法800的任何其他系统来实现方法800。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800。
尽管前述内容考虑了使用闭环反馈用于感测位移，但是可以修改图4A至图5所表示的各种实施例以实现用于感测位移的开环系统。在此开环系统中，处理IC可以不包括从幅度和相位计算块431到振荡器416或可变移相器419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实现，但是可以不修改由振荡器416驱动的振荡频率，或可以不使由可变移相器419移位的相位被相移。
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/或否则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，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级，其将传感器信号直接转换为直流信号或转换为中频信号并然后转换为直流信号。此类频率转换级中的任一个都可以在模数转换器级之后以数字方式实现，或者在模数转换器级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，但是其他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和与机械构件105相关联的人机界面相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，短按虚拟按钮对长按虚拟按钮)。在这些和其他实施例中，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，轻按虚拟按钮对快速和硬按虚拟按钮)。
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，此术语指示该两个或更多个元件处于电子连通或机械连通(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、更少或其他的部件执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他的步骤。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。本公开绝不应该限于附图中示出和上面描述的示例性实施方式和技术。
除非另外特别指出，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，其他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 (34)

1.一种系统，包括：
电阻-电感-电容传感器；
被配置为以驱动频率驱动所述电阻-电感-电容传感器的驱动器；以及
通信地耦合到所述电阻-电感-电容传感器的测量电路，所述测量电路被配置为：
确定所述电阻-电感-电容传感器的谐振频率的测量变化；以及
基于所述测量变化来修改驱动频率。
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：
测量与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个；以及
基于与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个，确定所述电阻-电感-电容传感器的所述谐振频率的所述测量变化。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述测量电路还被配置为：
测量与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个；以及
当与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个的变化超过阈值时，修改所述驱动频率。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述阈值基于所述电阻-电感-电容传感器的品质因子。
5.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当所述测量变化超过阈值时，修改所述驱动频率。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述阈值基于所述电阻-电感-电容传感器的品质因子。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路还包括品质因子估计器，其被配置为估计所述电阻-电感-电容传感器的品质因子。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述品质因子估计器被配置为基于与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个来估计所述品质因子。
9.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基于所述品质因子修改所述驱动频率。
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通过以下方式修改所述驱动频率：
确定与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息的变化；以及
基于所述电阻-电感-电容传感器的所述相位信息和相位对频率曲线的斜率，通过频率变化来调节所述驱动频率。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述测量电路被配置为计算所述频率变化等于所述相位信息的变化除以所述斜率。
12.根据权利要求11所述的系统，其中：
所述测量电路还包括品质因子估计器，其被配置为估计所述电阻-电感-电容传感器的品质因子；以及
所述测量电路被配置为基于所述品质因子计算所述斜率。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路被配置为修改所述驱动频率以匹配所述电阻-电感-电容传感器的谐振频率。
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验证对所述驱动频率的修改引起所述驱动频率与所述电阻-电感-电容传感器的谐振频率匹配。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路被配置为修改所述驱动频率，使得所述系统在所述电阻-电感-电容传感器的相位对频率曲线的线性区域中操作。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路被配置为：
在修改所述驱动频率后的一个测量周期内，对所述电阻-电感-电容传感器的相位信息进行消隐测量；以及
确保由所述驱动频率的所述修改引起的所述相位信息变化不会传送到下游处理。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路被配置为：
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谐振传感器的位移，其中所述机械构件的所述位移引起所述谐振传感器的阻抗的变化。
18.一种方法，其包括在包括电阻-电感-电容传感器和被配置为以驱动频率驱动所述电阻-电感-电容传感器的驱动器的系统中：
确定所述电阻-电感-电容传感器的谐振频率的测量变化；以及
基于所述测量变化来修改所述驱动频率。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
测量与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个；以及
基于与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个，确定所述电阻-电感-电容传感器的所述谐振频率的所述测量变化。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
测量与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个；以及
当与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个的变化超过阈值时，修改所述驱动频率。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述阈值基于所述电阻-电感-电容传感器的品质因子。
22.根据权利要求18所述的方法，还包括当所述测量变化超过阈值时，修改所述驱动频率。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述阈值基于所述电阻-电感-电容传感器的品质因子。
24.根据权利要求18所述的方法，还包括估计所述电阻-电感-电容传感器的品质因子。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括基于与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息和与所述电阻-电感-电容传感器相关联的幅度信息中的至少一个来估计所述品质因子。
26.根据权利要求24所述的方法，还包括基于所述品质因子修改所述驱动频率。
27.根据权利要求18所述的方法，还包括通过以下步骤修改所述驱动频率：
确定与所述电阻-电感-电容传感器相关联的相位信息的变化；以及
基于所述电阻-电感-电容传感器的所述相位信息和相位对频率曲线的斜率，通过频率变化来调节所述驱动频率。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括将所述频率变化计算为等于所述相位信息的变化除以所述斜率。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括：
估计所述电阻-电感-电容传感器的品质因子；以及
基于所述品质因子计算所述斜率。
30.根据权利要求18所述的方法，还包括修改所述驱动频率以匹配所述电阻-电感-电容传感器的谐振频率。
31.根据权利要求18所述的方法，还包括验证对所述驱动频率的修改引起所述驱动频率与所述电阻-电感-电容传感器的谐振频率匹配。
32.根据权利要求18所述的方法，还包括修改所述驱动频率，使得所述系统在所述电阻-电感-电容传感器的相位对频率曲线的线性区域中操作。
33.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在修改所述驱动频率后的一个测量周期内，对所述电阻-电感-电容传感器的相位信息进行消隐测量；以及
确保由所述驱动频率的所述修改引起的所述相位信息变化不会传送到下游处理。
34.根据权利要求18所述的方法，还包括：
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谐振传感器的位移，其中所述机械构件的所述位移引起所述谐振传感器的阻抗的变化。
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