CN1167940A - 造价降低了的指点棒电路 - Google Patents

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Abstract

用一种成本低的电路高度精确地处理供控制计算机显示屏用的指点棒的输出信号。本发明是将高精确度中等范围模/数转换的两步法与周知的模/数转换法结合起来的，具体作法是按已知频率在待测电压的范围扫功基准电压，并记录下重合的时间。在开环状态下采用中等质量的运算放大器，使运算放大器的各输入端阻抗高。为充分隔绝电源的噪声和变化，在测量过程中将模拟线路与电源电压隔离开来。

Description

造价降低了的指点棒电路
本发明专利申请与Joseph D.Rutledge和Edwin J.Selker于1994年11月17日申请的题为“综合选择式的图形指示器”的美国专利申请08/340,935有关，这里也把该专利申请包括进来以供参考。
本发明总的说来涉及那种控制光标在显示屏上的位置的计算机用户接口，更具体地说，涉及造价降低了的一种用以根据供控制光标在显示屏上的位置和选择显示屏上显示内容的指点棒的模拟应变仪信号产生数字信号的电路。
指点棒用来例如完成美国国际商业机器公司出品的ThinkPadTM型膝上计算机中TrackPointTM型光标控制器的任务。这种指点棒的悬臂梁上装有四个应变仪供检测悬臂梁在三轴线上各自的弯度。来自各应变仪的模拟信号由模/数(A/D)转换器转换成数字X和Y的信号。这些信号经进一步处理后产生最终控制信号，用以控制光标在显示屏上的位置。
指点棒的这种显示光标位置的方式有一些缺点。首先，电压值的低位是由硬件模/数(A/D)转换器读取的，这种转换器贵。其次，电阻和运算放大器使三轴线发挥作用所要求的结构相互影响以致要求起码其中一个运算放大器为“仪器”级的，这在价线方面大致增加两倍或三倍。此外，运算放大器还要求是线性的，输出范围(干线间)大的，从而使价格提高。
让我们看看由两个大致平衡的应变仪在悬臂梁两端串联跨接电压源两端而构成的应变仪传感器的结构。两应变仪接合处的电压表示两应变仪(相对于电源电压)的相对电阻，因而表示悬臂梁在应变仪连接方向的弯度。若给两应变仪串联一个附加的固定电阻，则该电阻两端的电压表示两应变仪的总电阻，因而表示悬臂梁的伸缩程度。在电源电压变化率不大的情况下，上述变化测定值的精确度为105级的一小部分。这里要求250倍精确度的动态范围，而这个范围的位置只能在制造时预测到若干百分率的程度。成本是我们考虑的主要问题，即使一美元的差价也可决定竞争的胜负。
因此本发明的目的是提供用以处理供控制计算机显示屏上光标的指点棒的输出信号经改进且造价降低了的一种指点棒电路。
本发明的另一个目的是提供一种用以处理产生的信号可用以选择显示在显示屏的显示内容的指点棒的输出信号的指点棒电路。
本发明的再一个目的是提供一种采取了在危急期间使自身与电压源隔离的措施从而使测量过程在快速时标下不受电源电压影响的指点棒电路。
本发明是将高精确度中等范围模/数转换的两步法与周知的模/数转换法结合起来的，具体作法是按已知频率在待测电压的范围扫描基准电压，并记录下重合的时间。在开环状态下采用中等质量的运算放大器，使运算放大器的各输入端阻抗高，避免与现行三轴线的作用相互影响和与该三轴线作用有关的造价问题。为充分隔绝电源的噪声和变化，在测量过程中将模拟线路与电源电压隔离开来。为避免微处理机数字交换过渡过程影响模拟比较器转换时间，令微处理机处于空闲状态，从而从所有微处理机除正在用以进行测量的计时器外的内部线路消除了内部时钟驱动信号(和有关的过渡过程)。得出的线路能检测出噪声尖峰大多倍的极小信号。
下面参看附图详细说明本发明的最佳实施例，从这个说明可以更好地理解本发明的上述和其它目的、状态和优点。附图中：
图1是本发明最佳实施例的原理图；
图2是说明图1电路工作情况的时序图。
现在参看附图，特别是图1，图中示出了本发明电路的最佳实施例。此实施例采用菲利浦新公司制造的83C754集成电路(IC)芯片，其有关线路示于浓的竖线10的右侧。控制信号ACn表示微处理机的一个寄存器中相应的二进制位，因而控制信号ACn对IC芯片来说是内部信号。83C754芯片有一个数/模转换器(DAC)，在原理图上用抽头电阻(例如电位计)来表示，其作用是提供正比于其取决于抽头位置的输入电压VREG的输出电压。抽头的位置由微处理机的一个专利寄存器的值确定。
先看看本发明电路芯片外的各元件。应变仪11，12，13，14装在指点棒的悬臂梁(图中未示出)上，按双并联半桥电路连接。X和Y输入信号由分别由应变仪11和12和应变仪13和14组成的分配器产生。在产生这些信号时，场效应晶体管(FET)15接通(导通)，从而使应变仪11和13与VREG连接。因此，电压X和Y接近VREG/2，其实际值首先取决于应变仪11和12的“静止”电阻与应变仪13和14相应的“静止”电阻之间的配套情况，其次取决于应变仪11和12分别与应变仪13和14之间由于传感器悬臂梁的弯曲而产生的局部变化。有用的信号仅仅是这最后一种组成部分，其在所要求的分辨力约为30微伏下的变化约为±3毫伏。悬臂梁简单的伸缩过程分别影响着应变仪11和12以及应变仪13和14，影响程度相同，因而X信号和Y信号都没有变化。
Z信号是在FET15断开的情况下产生的，因而传感器通过电阻器16与VREG连接。信号由一个以电阻器16作为顶部元件和四个应变仪串并联连接作为底部元件组成的分压器产生。悬臂梁简单的压缩使所有四个应变仪等幅度压缩，从而使这些应变仪串并联结构的电阻表示压缩的程度。当然，电阻器16在匹配上没有什么变化，所以这是个“单端”分压器。Z信号与X和Y信号在大小上的关系取决于传感器悬臂梁的几何条件和材质。
三个输入信号X，Y和Z输入到相应的运算放大器17，18和19，这些放大器的输出依次经过测定。在测定X和Y的同时，FET15接通，因而XYDACBIAS＝VREG，从而使电阻器16短路。此外，由AC6控制的开关20打开(ZDAC断开)，于是FET21接通，从而使XYSOURCE接VREG，控制着XYRAMP的斜率。
X和Y信号分别都有相应的比较电压通过下列三个电压的结合产生：基极电压，83C754芯片上数/模转换器(DAC)的输出电压和XYZRAMP。基极电压大致为VREG/2，是指点棒的额定电压，是由电阻器22和23组成的分压器产生的。电压XYDAC为芯片上DAC的输出，其设定值在接通电源校准时确定的。DAC的输出在0～VREG的范围内变化，经电阻器24按比例缩小，以便可以将比较电压设定在X和Y传感器输出电压预期范围内的某值。该范围按不同元件的容差确定，可能为±3％或±60毫伏。DAC是用迭代搜索算法设定的，因而信号电压大致处在抽样扫描的中央。电压XYZRAMP在FET25断开时从零往上扫描。FET25接通时，XYZRAMP保持在地电位，但断开时，电容器26开始有电荷积累，使电压趋近VRAG升高。该电压经电阻器27按比例减小以便在大约60微秒的抽样时间内在大约6毫伏有用信号范围内扫描比较电压。
83C754芯片上的模拟多路转换器(MUX)28设定得可以将运算放大器对应于测定中的信号(例如X)的输出传送给芯片上的比较器29。于是FET25断开，计时器也起动起来。比较电压在遍及指点棒输出的有效范围内变化，而在通过指点棒电压时，X运算放大器17导通，产生急剧上升的电压。此电压经过MUX28加到比较器29上，比较器29在放大器的输出经过BANDGAP REF时截止时间，并使计时器停下来。从计时器的读数可以求出所需要的指点棒电压测定值。
Z的测定过程类似，只是FET15断开，因而电阻器16和整个传感器桥作为一个电阻以形成分压器，开关20闭合，因而电阻器35与电阻器24并联以将DAC的输出传送给比较电压，同时FET21断开，从而使接线端钮通过电阻器30得电，以便适应Z信号的不同特性。
为充分隔绝电源噪声和变化，模拟线路在测量进行过程中与VCC隔离。这时FET31断开，FET32接通，于是电容器33供电。在每次测量之前，FET32断开，FET31由比较器34控制，根据BANK GAPREF且与VCC无关地将电容器33充电到略低于容许的最低电压VCC(额定电压为5伏的线路为4.5伏)。在测量过程中，FET31的电压(VREG)因电路中的功率损耗而衰减。在各抽样时间之间，FET31和32都断开，因而电容器33只因其内部漏泄而丢失电荷。丢失量一般极小。为避免微处理机的数字交换过渡过程影响模拟比较器的转接时间，使微处理机处于空闲状态，从而从微处理机的内部线路(用以进行测量的计时器例外)除去其内部时钟驱动信号(及其有关的过渡过程)。这个隔离措施使电路可以在5伏处理器电源高达1伏的噪声和任何频率下稳定而精确地测定30微伏的输入信号。
较便宜的电阻器，其容限是相当接近任何要求的测量精确度的。容限要求严的电容器较贵。具体地说，电容器33尤其是电容器26的电容值影响测量的精确度。这里可以利用DAC的线性化来进行校正，这样就可以采用便宜的电容器。在接通电源进行校正时，可以求出使信号测定值大致在量程中间部分的DAC设定值。各DAC设定的步骤数应与测量时装置的一定数量相当，例如在200的范围内为10，且与各电容器的电容值无关。若DAC的设定步骤数改了，则测定值也应按相应量改变。任何偏差可用作应用到以后的测量过程的校正系数。
这种电路完全不受电源在整个±10％范围内变化的影响。各输入端和比较电压传送30微伏电平的信号，因而易受噪声的影响，但两者的阻抗都较低，对邻近电路引起的干扰的抵抗力也较低。其它网络的灵敏度要低大约30倍或以上。当然应避免AVss中到处产生偏差的外来接地电流。特别是从传感器返回的接地应靠近电阻器23的接地端。
图2的时序图举例说明了图1电路的工作情况。下表中说明了图2底部用带圈的编号表示的各时序点。时序点     工作内容1          转换周期开始2          因工作电流的稳定化和电容的再充电而延时3           选择XMUX，使DAC的输出为零4           因调整MUX和DAC而延时5           将电源与VCC隔离开来6           设定XDAC值7           解除斜波电容器，起动计时器，使微处理机闲置8           比较器断开，停用计时器，开动微处理机9           短接斜波电容器，使去耦电容器再充电10          选择YMUX，使DAC输出为零11          因调整MUX和DAC而延时12          将电源与VCC隔离开来13          设定YDAC的值14          解除斜坡电容器，起动计时器，使微处理机闲置15          比较器断开，停用计时器，开动微处理机16          短接斜波电容器，使去耦电容再充电17          改变斜波偏压，改变传感器偏压18          选择ZMUX，使DAC输出为零19          因调整MUX和DAC而延时20          将电源与VCC隔离开来21          设定ZDAC值22          解除斜波电容器，起动计时器，闲置微处理机23          比较器断开，停用计时器，开动微处理机24          短接斜波电容器，使去耦电容再充电25          使去耦电容浮动26          转换周期结束
上面已就本发明的一个最佳实施例说明本发明的内容，但本技术领域的行家们都知道，在不脱离本发明在本发明书所附权利要求书中所述的精神实质和范围的前提下，是可以对上述实施例进行修改的。

Claims (11)

1.一种两电阻比精确测定电路，其特征在于，它包括：
基准电压发生装置，用以产生接近连接成分压器的两电阻根据同一基准源所产生的电压的基准电压；
电压斜波加入装置，用以将斜率已知也基于同一基准源产生的电压斜波加到基准电压上；
比较装置，用以高度精确地辨认基准电压与电压斜波之间的一致性；和
计时装置，用以对所述一致性的出现进行计时，从而测定电压的变化，进而测出电阻比。
2.如权利要求1所述的两电阻比精确测定电路，其特征在于，对若干对互连的在所述比较装置前还配置有多路转换装置的电阻进行测定，从而可以在预定的时间内测定多对互连的电阻。
3.如权利要求1所述的两电阻比精确测定电路，其特征在于，它还包括电路隔离装置，用以将电路在测量期间与电源电压隔离开来，从而使测量过程不受电源电压变化的影响。
4.如权利要求3所述的两电阻比精确测定电路，其特征在于，所述隔离装置有一个按电路中元件的实际性能调节的电压调节装置，从而使电路在长时标下不受电源电压变化的影响。
5.一种两电阻比的精确测定方法，其特征在于，它包括下列步骤：
产生接近连接成分压器的两电阻根据同一基准源所产生的电压的基准电压。
将斜率已知也基于同一基准源产生的电压斜波加到基准电压上；
高度精确地检测基准电压与电压斜波之间的一致性；
对所述一致性的出现进行计时，从而测定电压的变化，进而测出电阻比，这样就可以同时测定多对互连的电阻。
6.如权利要求5所述的两电阻比的精确测定方法，其特征在于，测定是对多个互连的电阻对进行的，它还包括这样的步骤：对各对电阻都分别检测基准电压与电压斜波之间的一致性，从而可以在预定的时间内测定多对互连的电阻。
7.如权利要求5所述的两电阻比的精确测定方法，其特征在于，它还包括在测量过程中将电路与电源电压隔离起来的步骤，使测量过程不受电源电压变化的影响。
8.一种用以产生供控制图形显示器上光标的光标控制信号的电路，其特征在于，它包括：
一个传感器，具有第一、第二、第三和第四应变仪装设在一个悬臂梁上，在电气上连接成两并联的半桥电路，连接在电压源与电路接地点之间；
一个分压器，连接在所述基准电压源与电路接地点之间；
第一和第二运算放大器，分别接所述半桥电路相应的中点，且共同接于所述分压器的一个抽头；
一个阻容斜波电路，连接在所述电压源与电路接地点之间，给所述分压器的所述抽头提供斜率已知的斜波电压，使所述第一和第二运算放大器导通，并产生对应于所述传感器输出的各上升的X和Y的输出信号；
一个开关，连接于所述阻容斜波电路，先是使所述斜波电路放电，再使充电周期开始，以产生所述斜波电压；
一个多路转换器，用以接收和有选择地让来自第一和第二运算放大器的上升X和Y输出信号通过；
一个比较器，连接于多路转换器，在多路转换器让通过的电压等于预定的临界值时产生输出；
一个计时器，控制得使其在开始有斜波电压时启动，在所述比较器产生输出时停下来，计时器给光标控制线路提供其中一个所述X和Y的电压输出相应的读数。
9.如权利要求8所述的用以产生供控制图形显示器上光标的光标控制信号的电路，其特征在于，它还包括：
第三运算放大器电路，连接于所述并联半桥电路和所述分压器的一个抽头，所述阻容斜波电路给所述分压器的的所述抽头提供斜波电压，所述第三运算放大器接通并产生所述传感器的第三输出相应的Z输出信号；和
偏压装置，连接于所述阻容斜波电路和所述传感器供在测定所述Z输出信号的过程中改变斜波偏压和传感器偏压，所述多路转换器连接得使其接收和有选择地将第三运算放大器来的Z输出信号传到所述比较器，计时器则提供所述Z电压输出的读数。
10.如权利要求8所述的用以产生供控制图形显示器上光标的光标控制信号的电路，其特征在于，它还包括一个存储电容器交替地与电压源和所述电路连接，在所述电路与电源电压隔绝时给所述电路供电。
11.如权利要求10所述的用以产生供控制图形显示器上光标的光标控制信号的电路，其特征在于，它还包括根据各元件的带隙性能调节的电压调节装置，使测量过程不受电源电压变动的影响。
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