DE112012001000T5

DE112012001000T5 - Kapazitive Berührungserkennungs-Architektur

Info

Publication number: DE112012001000T5
Application number: DE112012001000T
Authority: DE
Inventors: Guozhong Shen; Ozan Erdogan; Rajesh Anantharaman; Behrooz Javid; Rahim Chowdhury; Ajay Taparia; Syed T. Mahmud
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2013-11-21
Also published as: US8878797B2; US20150048851A1; CN103392162A; CN106249954A; US20130162586A1; US9857932B2; CN103392162B; US9846186B2; US20170205948A1; WO2012148539A1

Abstract

Ein analoger Front-End-Schaltkreis nutzt kohärente Demodulation in einer Kapazitätsmessungs-Anwendung. Der analoge Front-End-Schaltkreis benutzt kohärente Demodulation, um die Kapazität eines berührungsempfindlichen Bildschirms zu messen. Ein analoges Anregungssignal wird durch einen zu messenden Kondensator moduliert. Das modulierte Signal wird synchron demoduliert, wozu ein Korrelator benutzt wird, der einen diskreten Mischer und einen diskreten Integrator enthält. Das Anregungssignal wird ebenfalls in den Mischer eingegeben, so dass das modulierte Signal mit dem Anregungssignal multipliziert wird. Das Anregungssignal ist ein analoges Signal, das einen Sinussignal-Verlauf oder eine andere Signalform aufweist.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Prioritätsrechte der vorläufigen US-Anmeldung, Serien-Nr. 61/446,944, eingereicht am 25.02.2011, mit dem Titel „Mutal Capacitance Touch-Screen Controller IIC Interface” durch dieselben Erfinder. In diese Anmeldung ist die vorläufige US-Anmeldung, Serien-Nr. 61/446,944, mit ihrem gesamten Inhalt durch Verweis aufgenommen.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft analoge Front-End-Schaltkreise zum Umwandeln von gemessenen Kapazitäten in Spannungen. Spezieller betrifft diese Erfindung analoge Front-End-Schaltkreise, die einen Korrelator aufweisen, um eine gemessene Kapazität aus einem Ansteuerungssignal zu demodulieren.
Hintergrund der Erfindung
Viele elektrische Vorrichtungen enthalten berührungsempfindliche Bildschirme. Ein berührungsempfindlicher Bildschirm ist ein Bildschirm, der das Vorhandensein, die Lage und den Druck einer Berührung, im Allgemeinen durch einen Finger, die Hand, einen Stift oder eine Zeigevorrichtung, innerhalb des Anzeigebereichs erkennt. Der berührungsempfindliche Bildschirm ermöglicht es einem Benutzer, mit dem Anzeigefeld direkt zu interagieren, ohne dass irgendeine Zwischen-Vorrichtung benötigt wird, anstatt indirekt mit einer Maus oder einem Tastenfeld. Berührungsempfindliche Bildschirme können in Computern oder als Endgeräte zum Zugriff auf Netzwerke realisiert sein. Berührungsempfindliche Bildschirme findet man im Allgemeinen in Kassensystemen, Geldautomaten, Mobiltelefonen, Personal Digital Assistants (PDAs), tragbaren Spielekonsolen, Satelliten-Navigationsvorrichtungen und Informations-Geräten.
Es gibt mehrere Arten von Technologien berührungsempfindlicher Bildschirme. Ein resistiver berührungsempfindlicher Bildschirm besteht aus mehreren Schichten, einschließlich zweier dünner metallischer elektrisch leitfähiger Widerstands-Schichten, die einen geringen Abstand voneinander aufweisen. Wenn ein Objekt den berührungsempfindlichen Bildschirm berührt, werden die Schichten an einem bestimmten Punkt miteinander verbunden. Als Reaktion auf den Kontakt mit dem Objekt wirkt das Anzeigefeld wie zwei Spannungsteiler mit verbundenen Ausgängen. Dies bewirkt eine Änderung des elektrischen Stroms, was als ein Berührungs-Ereignis registriert und zur Verarbeitung an die Steuereinheit gesendet wird.
Ein kapazitiver berührungsempfindlicher Bildschirm ist mit einem Material beschichtet, teilweise beschichtet oder mit einem Muster versehen, das einen kontinuierlichen elektrischen Strom durch einen Sensor leitet. Der Sensor zeigt ein präzise gesteuertes Feld gespeicherter Elektronen sowohl in der horizontalen als auch der vertikalen Achse, um eine Kapazität zu erhalten. Der menschliche Körper ist leitfähig, daher beeinflusst er in einer Kapazität gespeicherte elektrische Felder. Wenn eine Referenzkapazität des Sensors durch das Feld einer anderen Kapazität, wie z. B. eines Fingers, geändert wird, messen elektronische Schaltkreise, die in jeder Ecke des Anzeigefeldes angeordnet sind, die resultierende Störung der Referenzkapazität. Die mit dem Berührungsereignis in Zusammenhang stehende gemessene Information wird zur mathematischen Verarbeitung an die Steuereinheit gesendet. Kapazitive Sensoren können entweder mit dem bloßen Finger oder mit einer leitfähigen Vorrichtung, die in einer bloßen Hand gehalten wird, berührt werden. Kapazitive Sensoren arbeiten auch auf der Grundlage von Annäherung und müssen nicht direkt berührt werden, um ausgelöst zu werden. In den meisten Fällen tritt kein Kontakt zu einer leitfähigen Metallfläche auf, und der leitfähige Sensor ist vom Körper des Benutzers durch ein isolierendes Glas oder eine Kunststoffschicht getrennt. Vorrichtungen mit kapazitiven Schaltfeldern, die durch einen Finger berührt werden sollen, können oft ausgelöst werden, indem die Handfläche nahe der Oberfläche ohne Berührung schnell hin- und herbewegt wird.
1 zeigt einen beispielhaften herkömmlichen kapazitiven Berührungssensor, der in einem kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirm benutzt wird. Solche Sensoren werden typischerweise ausgebildet, indem transparente Leiter verwendet werden, wie beispielsweise ITO (Indium-Zinn-Oxid), die in Schichten ausgebildet sind. In der beispielhaften Konfiguration von 1 bilden untere Leiter Ansteuer-Elektroden X0, X1, X2, X3, auch als Ansteuerleitungen bezeichnet, und obere Leiter bilden Erkennungselektroden Y0, Y1, Y2, Y3, auch als Erkennungsleitungen bezeichnet. Jeder Schnittpunkt einer Ansteuerleitung und einer Erkennungsleitung bildet einen Kondensator mit einer gemessenen Kapazität Cm. Das Ziel ist es, eine Schätzung einer Berührungsposition auf dem kapazitiven Berührungssensor zu bestimmen. Wenn ein Finger oder ein anderes Objekt, das geerdet ist, auf oder in der Nähe eines Schnittpunktes des Sensors positioniert wird, tritt eine Änderung der gemessenen Kapazität Cm an diesem Schnittpunkt auf. Die gemessene Kapazität Cm ist die Kapazität zwischen der Erkennungsleitung und der Ansteuerleitung am Schnittpunkt. Wenn das Berührungsereignis am Schnittpunkt auftritt, wird ein Teil der Feldlinien zwischen der Erkennungsleitung und der Ansteuerleitung so abgelenkt, dass er zwischen Erkennungsleitung und dem Finger verläuft. Als solches verringert sich die gemessene Kapazität Cm während eines Berührungsereignisses.
Ein analoger Front-End-(AFE)-Schaltkreis führt die Signalverarbeitung eines analogen Signals durch und führt typischerweise eine Analog-/Digital-Umsetzung durch. Analoge Front-End-Schaltkreise können in einer Vielzahl von Anwendungen benutzt werden, einschließlich Messen und Umwandeln einer Kapazität in eine entsprechende Spannung. Die 2A und 2B zeigen ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines herkömmlichen analogen Front-End-Schaltkreises, der zur Messung der Kapazität eines externen Kondensators und zum Umwandeln der gemessenen Kapazität in eine entsprechende Spannung benutzt wird. In einer beispielhaften Anwendung ist die externe Kapazität die im Kondensator Cm von 1 gespeicherte Ladung. 2A zeigt den Schaltkreis in einer ersten Phase, und 2B zeigt den Schaltkreis in einer zweiten Phase. Während Phase 1 wird die zu messende Ladung im Kondensator Cm gesammelt. Während Phase 2 wird die in Kondensator Cm gespeicherte Ladung zum Kondensator Cf übertragen, und eine entsprechende Spannung Vout wird ausgegeben.
Mit Bezug auf 2A umfasst der Schaltkreis den Kondensator Cm, einen Operationsverstärker 2, einen Schalter 4, einen Rückkopplungs-Kondensator Cf und einen Schalter 6. Eine Spannung an dem negativen Eingang des Verstärkers 2, und daher an einem ersten Anschluss des Kondensators Cm, ist eine virtuelle Masse Vvg. Während Phase 1 ist der Schalter 4 mit der Referenzspannung Vref verbunden, und der Schalter 6 ist geschlossen. Das Schließen des Schalters 6 ermöglicht es, den Kondensator Cf vollständig auf einen bekannten Nullzustand zu entladen. Die Ladung des Kondensators Cm ist Vvg-Vref multipliziert mit der Kapazität Cm.
Während Phase 2 ist der Schalter 4 mit Masse verbunden, und der Schalter 6 ist geöffnet, wie in 2B gezeigt. Wenn der Schalter 4 mit Masse verbunden ist, ist die Spannung über dem Kondensator Cm Null, und die gesamte Ladung des Kondensators Cm wird zum Kondensator Cf übertragen. Die Ausgangsspannung Vout ist ein Signal, dessen Amplitude von der Ladung abhängt, die im Kondensator Cm gespeichert und zum Kondensator Cf übertragen ist. Die Ausgangsspannung Vout kann an einen Analog-/Digital-Umsetzer (ADC), wie in 4, angelegt werden, um in einen entsprechenden digitalen Ausgangswert umgewandelt zu werden. Da der Kondensator Cf während Phase 1 komplett entladen wurde, ist die im Kondensator Cf gespeicherte Ladung vollständig durch die Ladungsmenge bestimmt, die vom Kondensator Cm übertragen wurde. Wenn der Kondensator Cf während Phase 1 nicht vollständig auf einen Nullzustand entladen wird, wird der Kondensator Cf die Erinnerung an seinen vorherigen Zustand behalten.
Die Ausgangsspannung Vout = Vref·Cm/Cf + vn, wobei Vref ein bekannter interner Referenzwert ist, vn das vom System gemessene unerwünschte Rauschen ist, und Cf ein bekannter Wert ist. Als solche kann die Kapazität Cm aus den bekannten Werten Vref und Cf und dem gemessenen Wert Vout bestimmt werden. Die Kapazität Cm ist eine veränderliche Kapazität und stellt die zu messende Kapazität dar, wie beispielsweise die gemessene Kapazität eines berührungsempfindlichen Bildschirms. Wenn ein Finger den berührungsempfindlichen Bildschirm berührt, ändert sich die Kapazität, was die gemessene externe Kapazitätsänderung ist.
Ein Problem bei dem Schaltkreis der 2A und 2B betrifft das Abtasten von Breitband-Rauschen. Der Schaltkreis enthält keine Rauschfilterung, so dass alles Rauschen, das beim Übergang von Phase 1 zu Phase 2 in das System eingeführt wird, in die zum Kondensator Cf übertragene Ladung mit aufgenommen ist. Das Rauschen wird durch die Komponente ”vn” in der Ausgangsspannung Vout dargestellt. So ist die Ausgangsspannung Vout nicht nur ein Maß der Kapazität Cm, sondern auch eine unmittelbare Abtastung des Rauschens. Ferner muss der Dynamikbereich des ADC groß genug sein, um den durch Rauschen erhöhten Wert der Ausgangsspannung Vout zu berücksichtigen. Der größere Dynamikbereich führt zu einem ADC, der eine größere Fläche benötigt und eine höhere Stromaufnahme aufweist.
3 zeigt Beispiele für Ansprechkurven des Schaltkreises der 2A und 2B. Die obere Kurve zeigt einen Abtast-Takt, der Phase 1 und Phase 2 entspricht. Wenn der Abtast-Takt auf High-Pegel liegt, z. B. auf 1 V, befindet sich der Schaltkreis in Phase 1 (1), und wenn der Abtast-Takt auf Low-Pegel liegt, z. B. auf 0 V, befindet sich der Schaltkreis in Phase 2 (2). In der Beispiel-Anwendung wird der Eingang an der steigenden Flanke des Abtast-Taktes abgetastet. In dem Moment, in dem die Schalter 4 und 6 von Phase 2 zu Phase 1 wechseln, wird die Spannung Vout abgetastet. Wie in der mittleren Kurve in 3 gezeigt, befindet sich Rauschen auf dem Eingangssignal, aber sein Mittelwert ist im Wesentlichen konstant. Es wird erwartet, dass der abgetastete Wert konstant ist, zum Beispiel 1 V, aber wegen des Rauschens schwankt das tatsächliche abgetastete Ausgangssignal abhängig von dem zur Abtastzeit vorhandenen Momentanwert des Rauschens um den erwarteten konstanten Wert. Ein Beispiel dieser Schwankung des tatsächlichen abgetasteten Ausgangssignals ist in der unteren Kurve in 3 gezeigt. Wenn das Momentanrauschen groß ist, ist das tatsächliche abgetastete Ausgangssignal größer als der erwartete konstante Wert, wie die Teile der Kurve des abgetasteten Ausgangssignals, die über 1 V liegen. Wenn das Momentanrauschen klein ist, ist das tatsächliche abgetastete Ausgangssignal kleiner als der erwartete konstante Wert, wie die Teile der Kurve des abgetasteten Ausgangssignals, die unter 1 V liegen.
In der Anwendung wird eine Schwellenspannung zum Bestimmen einer Änderung der Kapazität, wie ein Berührungs-Ereignis auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm, erhöht, um sich an die Änderung des abgetasteten Ausgangssignals anzupassen. Durch Erhöhung der Schwellenspannung verringert sich die Empfindlichkeit des Systems. Verwendet man eine Schwellenspannung, die zu klein ist, um die Schwankungen durch Rauschen zu berücksichtigen, führt dies zu falschen Auslöseereignissen.
Verschiedene alternative Systeme, die eine Kapazität messen, umfassen Maßnahmen zur Berücksichtigung des Rauschens. 4 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines herkömmlichen analogen Front-End-Schaltkreises, bei dem digitale Filterung verwendet wird. Der Schaltkreis von 4 umfasst einen Analog-/Digital-Umsetzer (ADC), der an dem Ausgang des rauscharmen Verstärkers (LNA) angeschlossen ist. Die an den Eingang des ADC angelegte Spannung wird in einen digitalen Wert umgewandelt, der durch Digitalverarbeitungs-Schaltkreise, die Rauschfilterung umfassen, verarbeitet wird. Der ADC ist auch ein Abtastsystem, das zu einem einzigen Zeitpunkt abtastet. Dies führt zu ähnlich schwankenden Ausgangswerten, wie oben in Verbindung mit 3 beschrieben.
5 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines anderen herkömmlichen analogen Front-End-Schaltkreises. Der Schaltkreis in 5 ist derselbe wie der Schaltkreis in 4, wobei ein Bandpassfilter (BPF) hinzugefügt wurde, um das Signal vor der Eingabe in den ADC zu filtern. Der BPF versucht, das im Spannungssignal (mittlere Kurve in 3) vorhandene Rauschen zu filtern, bevor es in den ADC eingegeben wird. Die Abtastung wird an dem gefilterten Signal durchgeführt, das vom BPF ausgegeben wird. Das Problem bei dem Schaltkreis in 5 ist, dass verschiedene Anwendungen verschiedenen Rauschspektren ausgesetzt sind. Daher kann der BPF nicht fest sein, sondern stattdessen muss der BPF an die spezielle Anwendung anpassbar sein. Auch muss der BPF fein abgestimmt werden können, um an Anwendungen mit einem relativ schmalen Durchlassbereich angepasst werden zu können. Zum Beispiel kann ein berührungsempfindlicher Bildschirm einen Durchlassbereich von ungefähr 50 bis 400 kHz aufweisen. Wenn der BPF eine zu große Bandbreite aufweist, wie z. B. 50 kHz, kann es sein, dass für bestimmte Anwendungen die Filter-Bandbreite zu groß ist, um Rauschen effektiv zu filtern.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein analoger Front-End-Schaltkreis nutzt kohärente Demodulation in einer Kapazitätsmessungs-Anwendung. In manchen Anwendungen benutzt der analoge Front-End-Schaltkreis kohärente Demodulation, um die Kapazität eines berührungsempfindlichen Bildschirms zu messen. Der analoge Front-End-Demodulations-Schaltkreis umfasst einen Signalgenerator, der ein analoges Anregungssignal erzeugt. Das analoge Anregungssignal wird durch einen zu messenden Kondensator moduliert. Das modulierte Signal wird unter Verwendung eines Korrelators synchron demoduliert. In einigen Ausführungsformen umfasst der Korrelator einen diskreten Mischer und einen diskreten Integrator. Das Anregungssignal wird ebenfalls in den Mischer eingegeben, so dass das modulierte Signal mit dem Anregungssignal multipliziert wird. In einigen Ausführungsformen ist das Anregungssignal ein analoges Signal, das den Verlauf eines Sinussignals aufweist. In anderen Ausführungsformen können andere Signalformen als ein Sinussignal benutzt werden. Im Allgemeinen wird ein Anregungssignal erzeugt und von dem zu messenden Kondensator moduliert, und ein Korrelationssignal wird mit dem modulierten Signal gemischt und über eine diskrete Zeitdauer integriert. Das Korrelationssignal ist mit dem Anregungssignal korreliert.
In einem Aspekt umfasst der Kapazitätsmessungs-Schaltkreis einen externen Kondensator und einen Schaltkreis zur kohärenten Demodulation, der mit dem externen Kondensator gekoppelt ist. Der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation ist gestaltet, eine Kapazität des externen Kondensators zu messen und die gemessene Kapazität in eine entsprechendes Spannungs-Ausgangssignal umzuwandeln. Der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation kann einen diskreten Schaltkreis zum Mischen und einen diskreten Schaltkreis zum Integrieren umfassen. Der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation kann auch einen Signalgenerator umfassen, der mit dem externen Kondensator gekoppelt ist, wobei der Signalgenerator gestaltet ist, ein analoges Anregungssignal zu erzeugen. Der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation kann auch einen Verstärker und einen Rückkopplungskondensator umfassen, der mit einem Eingang und einem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, wobei der Eingang des Verstärkers mit dem externen Kondensator gekoppelt ist und der Ausgang des Verstärkers mit dem Mischungs-Schaltkreis gekoppelt ist. Ein moduliertes analoges Anregungssignal kann an einen ersten Eingang des Mischungs-Schaltkreises angelegt werden, wobei das modulierte analoge Signal das analoge Anregungssignal umfasst, das durch eine Kapazität des externen Kondensators moduliert ist. Das vom Signalgenerator erzeugte analoge Anregungssignal kann auch an einen zweiten Eingang des Mischungs-Schaltkreises angelegt werden, wobei der Mischungs-Schaltkreis gestaltet ist, das modulierte analoge Anregungssignal und das analoge Anregungssignal miteinander zu multiplizieren und ein gemischtes analoges Signal auszugeben. In manchen Ausführungsformen kann eine Phasenverzögerung in das mischende analoge Signal eingeführt werden. Der Integrations-Schaltkreis kann gestaltet sein, das gemischte analoge Signal zu empfangen und das gemischte analoge Signal über eine diskrete Zeitdauer zu integrieren, um das entsprechende Spannungs-Ausgangssignal auszugeben. Die Zeitdauer kann ein Vielfaches von 1/f sein, wobei f eine Frequenz des analogen Anregungssignals ist.
Der Mischungs-Schaltkreis kann ein über kontinuierliche Zeit mischender Schaltkreis sein, und der Integrations-Schaltkreis kann ein über kontinuierliche Zeit integrierenden Schaltkreis sein. Der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation kann ein Pfad für ein kontinuierliches Zeitsignal sein, wobei der Pfad für ein kontinuierliches Zeitsignal gestaltet ist, ein moduliertes analoges Signal von dem externen Kondensator zu empfangen und das modulierte analoge Signal in das entsprechende Spannungs-Ausgangssignal umzuwandeln. Der Schaltkreis zur Kapazitätsmessung kann auch einen berührungsempfindlichen Bildschirm umfassen, wobei der berührungsempfindliche Bildschirm den externen Kondensator umfasst. Der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation kann ein analoger Synchrondemodulator sein.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Schaltkreis zur Kapazitätsmessung einen Signalgenerator, einen berührungsempfindlichen Bildschirm, einen Rückkopplungs-Kondensator, einen Mischungs-Schaltkreis und einen Integrations-Schaltkreis. Der Signalgenerator ist gestaltet, ein analoges Anregungssignal zu erzeugen. Der berührungsempfindliche Bildschirm weist mindestens einen Kondensator auf, wobei der Kondensator so gestaltet ist, dass das analoge Anregungssignal eingegeben und ein moduliertes analoges Anregungssignal ausgegeben wird, wobei das analoge Anregungssignal entsprechend der Kapazität des Kondensators moduliert ist. Der Verstärker ist mit dem Kondensator und dem Rückkopplungs-Kondensator gekoppelt, der an einem Eingang und an einem Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist. Der Verstärker ist so gestaltet, dass das modulierte analoge Anregungssignal eingegeben und ein verstärktes moduliertes analoges Anregungssignal ausgegeben wird. Der Mischungs-Schaltkreis ist mit dem Verstärker und dem Signalgenerator gekoppelt, wobei der Mischungs-Schaltkreis so gestaltet ist, dass das verstärkte modulierte analoge Anregungssignal und ein analoges Korrelationssignal, das mit dem analogen Anregungssignal korreliert ist, eingegeben und ein gemischtes analoges Signal ausgegeben wird. Der Integrations-Schaltkreis ist mit dem Mischungs-Schaltkreis gekoppelt, wobei der Integrations-Schaltkreis gestaltet ist, das gemischte analoge Signal zu empfangen und das gemischte analoge Signal über eine diskrete Zeitdauer zu integrieren, um ein Spannungssignal auszugeben, wobei das Spannungssignal der Kapazität des Kondensators entspricht.
In noch einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Messen von Kapazität offenbart. Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines analogen Anregungssignals. Das Verfahren umfasst auch das Anlegen des analogen Anregungssignals an einen zu messenden Kondensator, wodurch das analoge Anregungssignal moduliert wird. Das Verfahren umfasst auch das Korrelieren des modulierten analogen Anregungssignals mit einem Korrelationssignal, um das modulierte analoge Anregungssignal zu demodulieren, was zu einer Ausgangsspannung führt, die einer Kapazität des Kondensators entspricht, wobei das Korrelationssignal mit dem analogen Anregungssignal korreliert ist. Korrelieren des modulierten Anregungssignals mit dem Korrelationssignal kann es umfassen, das modulierte analoge Anregungssignal mit dem Korrelationssignal zu mischen, was zu einem gemischten analogen Signal führt, und das gemischte analoge Signal über eine Zeitdauer zu integrieren, was zu der Ausgangsspannung führt. Die Ausgangsspannung kann eine Gleichspannung (DC) sein. Durch Korrelieren des modulierten analogen Anregungssignals mit dem Korrelationssignal werden Rauschen und Störungen aus dem modulierten analogen Anregungssignal herausgefiltert. Der Kondensator kann eine Kapazität eines berührungsempfindlichen Bildschirms messen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Mehrere beispielhafte Ausführungsformen werden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei an gleichen Komponenten gleiche Bezugsziffern vorgesehen sind. Die beispielhaften Ausführungsformen haben die Absicht, die Erfindung zu erläutern, jedoch nicht einzuschränken. Die Zeichnungen umfassen die folgenden Figuren:
1 zeigt einen beispielhaften herkömmlichen kapazitiven Berührungssensor, der in einem kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirm benutzt wird.
Die 2A und 2B zeigen ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines herkömmlichen analogen Front-End-Schaltkreises, der zur Messung der Kapazität eines externen Kondensators und zum Umwandeln der gemessenen Kapazität in eine entsprechende Spannung benutzt wird.
3 zeigt Beispiele für Ansprechkurven des Schaltkreises der 2A und 2B.
4 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines herkömmlichen analogen Front-End-Schaltkreises, bei dem digitale Filterung verwendet wird.
5 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines anderen herkömmlichen analogen Front-End-Schaltkreises.
6 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines analogen Front-End-Schaltkreises, bei dem kohärente Demodulation gemäß einer ersten Ausführungsform verwendet wird.
7 zeigt einen beispielhaften Frequenzgang des Schaltkreises in 6 für eine Anregungsfrequenz f gleich 300 kHz.
Genaue Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung richten sich auf einen analogen Front-End-Schaltkreis. Fachleuten sollte bewusst sein, dass die folgende genaue Beschreibung des analogen Front-End-Schaltkreises nur erläuternd ist und in keiner Weise einschränkend sein soll. Weitere Ausführungsformen des analogen Front-End-Schaltkreises werden Fachleuten einfallen, die den Nutzen dieser Offenbarung besitzen.
Nun wird genau auf Ausführungsformen des analogen Front-End-Schaltkreises Bezug genommen, wie er in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist. Dieselben Bezugszeichen sind in den gesamten Zeichnungen und der folgenden genauen Beschreibung verwendet, um sich auf dieselben oder ähnliche Teile zu beziehen. Im Interesse der Deutlichkeit sind nicht alle der Routinemerkmale der hier beschriebenen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben. Es ist natürlich einzusehen, dass bei der Entwicklung beliebiger solcher tatsächlicher Ausführungsformen zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die speziellen Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie etwa Erfüllen von anwendungs- und betriebsbezogenen Zwängen, und dass diese speziellen Ziele von einer Ausführungsform zur anderen und von einem Entwickler zum anderen variieren. Darüber hinaus ist einzusehen, dass eine solche Entwicklungsanstrengung komplex und zeitraubend sein kann, jedoch nichtsdestoweniger für Fachleute mit dem Nutzen dieser Offenbarung eine Routine-Ingenieursleistung wäre.
In manchen Ausführungsformen wird eine Kapazitätsmessung durch einen analogen Front-End-Schaltkreis durchgeführt, bei dem kohärente Demodulation verwendet wird, auch als Synchrondemodulation oder Korrelation bezeichnet, um Rauschen und/oder andere Störungen zu unterdrücken. 6 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines analogen Front-End-Schaltkreises, bei dem kohärente Demodulation gemäß einer ersten Ausführungsform verwendet wird. Kohärente Demodulation bezieht sich allgemein auf das Senden eines Signals mit einer bestimmten Frequenz f und die Demodulation des Signals bei derselben Frequenz f. Signale mit anderen Frequenzen werden als Rauschen betrachtet. Ein Mischer 10 und ein Integrator 12 werden zusammen als Korrelator bezeichnet, der Synchrondemodulation oder Korrelation durchführt, um Rauschen und/oder Störungen zu unterdrücken. In manchen Ausführungsformen umfasst ein Mischer einen Operationsverstärker und ein Widerstandspaar, einschließlich eines variablen Widerstands, wobei eine Ausgangsspannung des Mischers eine Funktion der Eingangsspannung multipliziert mit dem Verhältnis der beiden Widerstände ist. In manchen Ausführungsformen umfasst ein Integrator einen Operationsverstärker, einen Rückkopplungs-Kondensator, der mit dem Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist, und einen Widerstand, der mit dem Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt ist, wobei eine Ausgangsspannung des Integrators gleich dem Kehrwert des Produkts aus Widerstand und Kondensator multipliziert mit der Integration der Eingangsspannung über eine Zeitdauer ist. Alternativ können andere herkömmliche Mischer- und Integrator-Konfigurationen verwendet werden.
Ein Signalgenerator 8 erzeugt ein Anregungssignal sin(ωt), wobei ω = 2πf. Das Anregungssignal sin(ωt) wird mit einer Referenzspannung Vref multipliziert. Das resultierende Signal Vref·sin(ωt) wird gemäß einer gemessenen Kapazität des Kondensators Cm moduliert. Dieses modulierte Signal wird von einem rauscharmen Verstärker 9 verstärkt, in den Mischer 10 eingegeben und mit dem ursprünglichen Anregungssignal sin(ωt) gemischt. Der Mischer 10 multipliziert die beiden Eingangssignale, das modulierte und verstärkte Anregungssignal und das Anregungssignal. Die multiplizierten Signale werden dann über eine Zeitdauer T vom Integrator 12 integriert. Die Zeitdauer T ist ein Vielfaches der Periodendauer 1/f. Die Multiplikation der beiden Sinussignale führt zu einem DC-Spannungs-Term (Cm/2Cf)Vref plus einem Sinus-Term mit der doppelten Frequenz, der sich bei der Integration über ein Vielfaches der Frequenz aufhebt, so dass nur der DC-Spannungs-Term bleibt. Dies ist das Ergebnis, wenn nur ein ideales Signal vorhanden ist. Wenn Rauschen eingeführt wird, wird das Rauschen auch mit dem Anregungssignal sin(ωt) multipliziert und integriert. Die Ausgangsspannung Vout kann wie folgt dargestellt werden:
wobei T ein Vielfaches von 1/f ist und das Rauschen als n(t) repräsentiert wird. Der Integrator 12 sieht eine Bandpass-Filterfunktion mit einem Spitzenwert um f vor, so dass das im zweiten Term in Gleichung (1) enthaltene Rauschen herausgefiltert wird. Die Ausgangsspannung Vout ist der Gleichspannungs-Term, der nachfolgend unter Verwendung eines ADC abgetastet werden kann. Es ist kein dynamisches Signal abzutasten.
7 zeigt einen beispielhaften Frequenzgang des Schaltkreises in 6 für eine Anregungsfrequenz f gleich 300 kHz. In einer beispielhaften Anwendung ist der Schaltkreis von 6 zur Schmalbandpassfilterung gestaltet, und der entsprechende Schmalband-Frequenzgang in 7 zeigt, dass der Schaltkreis um 300 kHz sehr selektiv ist. Andere Frequenzen werden herausgefiltert.
Zusätzlich zum Herausfiltern des Rauschens kann der in 6 gezeigte Schaltkreis zur kohärenten Demodulation auch leicht angepasst werden, um Anregungssignale mit wechselnden Frequenzen zu erzeugen, um die Bandpass-Funktion zu ändern. Diese Abstimmung erfordert es nicht, den LNA, den Mischer 10 oder den Integrator 12 zu ändern. Der Signalgenerator 8 wird einfach geändert, um das Anregungssignal mit der anderen Frequenz zu erzeugen. Im Gegensatz dazu muss die BPF-Komponente im herkömmlichen analogen Front-End-Schaltkreis in 5, z. B. die Widerstände und Kondensatoren im BPF, eingestellt werden, um die Bandpass-Funktion zu ändern.
Obwohl die obige Anmeldung für Sinuswellen beschrieben wird, versteht sich von selbst, dass andere Signalformen verwendet werden können, um die kohärente Demodulation anzuwenden. Gleichung (1) kann verallgemeinert werden zu: V₀ = ∫ T / 0E(t)C(t)dt + ∫ T / 0n(t)C(t)dt (2) wobei E(t) ein Anregungssignal ist, das an den Kondensator Cm geliefert wird, und C(t) ein Korrektursignal ist, das in den Mischer eingegeben wird. E(t) und C(t) können beliebige Signalformen sein, so dass E(t) und C(t) korreliert sind. E(t) und C(t) werden so gewählt, dass die Integration von E(t)C(t) maximiert ist, und dass die Integration von n(t)C(t) minimiert ist. C(t) wird für die kleinste Korrelation zum Rauschen ausgewählt. Die Zeitdauer T ist ein Vielfaches der Periodendauer E(t)·C(t).
Der analoge Front-End-Schaltkreis in 6 nutzt kohärente Demodulation mit einer Kapazitätsmessungs-Anwendung. In einer beispielhaften Anwendung benutzt der analoge Front-End-Schaltkreis kohärente Demodulation, um die Kapazität eines berührungsempfindlichen Bildschirms zu messen. Der analoge Front-End-Schaltkreis sieht eine ausgezeichnete Unempfindlichkeit gegen Rauschen und Störungen vor, und sieht auch ein größeres Signal-Rauschverhältnis vor.
Der analoge Front-End-Schaltkreis in 6 sieht einen Pfad für ein kontinuierliches Zeitsignal vor, es wird keine diskrete Abtastfunktion durchgeführt, wenn die Abtastung durchgeführt wird, und dann wird die Ladung des Kondensators entladen. Das Signal fließt kontinuierlich durch den Mischer und den Integrator, und daher tritt kein Aliasing durch Abtasten an Zeitpunkten auf. Anti-Aliasing wird im Korrelator durchgeführt. Es ist kein getrenntes Anti-Aliasing-Filter erforderlich.
Der analoge Front-End-Schaltkreis von 6 hat einen kleineren Stromverbrauch als herkömmliche analoge Front-End-Schaltkreise, wie beispielsweise die analogen Front-End-Schaltkreise der 2A, 2B, 4 und 5. Der mit dem analogen Front-End-Schaltkreis von 6 gekoppelte ADC hat einen kleineren Stromverbrauch als ein ADC, wie beispielsweise der in 4 benutzte ADC, der ein aktives analoges Signal abtastet. Der mit dem analogen Front-End in 6 gekoppelte ADC kann langsamer und weniger präzise sein.
Die vorliegende Anmeldung wurde bezüglich bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, die Einzelheiten zum Erleichtern des Verständnisses der Aufbau- und Funktionsprinzipien des analogen Front-End-Schaltkreises enthalten. Viele der in den verschiedenen Figuren gezeigten und beschriebenen Bestandteile können untereinander ausgetauscht werden, um die notwendigen Ergebnisse zu erzielen, und diese Beschreibung sollte so gelesen werden, dass sie einen solchen Austausch ebenso einschließt. Daher ist nicht beabsichtigt, dass hier erfolgte Bezugnahmen auf besondere Ausführungsformen und Einzelheiten den Umfang der hier angehängten Ansprüche einschränken. Fachleuten ist offensichtlich, dass an den zur Erläuterung gewählten Ausführungsformen Abänderungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgeist und Umfang der Anmeldung abzuweichen.

Claims

Schaltkreis zur Kapazitätsmessung, umfassend: a. einen externen Kondensator; und b. einen Schaltkreis zur kohärenten Demodulation, der mit dem externen Kondensator gekoppelt ist und gestaltet ist, eine Kapazität des externen Kondensators zu messen und die gemessene Kapazität in eine entsprechende Ausgangsspannung umzuwandeln.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 1, wobei der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation einen diskreten Schaltkreis zum Mischen und einen diskreten Schaltkreis zum Integrieren umfasst.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 2, wobei der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation ferner einen Signalgenerator umfasst, der mit dem externen Kondensator gekoppelt ist, wobei der Signalgenerator gestaltet ist, ein analoges Anregungssignal zu erzeugen.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 3, wobei der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation ferner einen Verstärker und einen Rückkopplungskondensator umfasst, der mit einem Eingang und einem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, wobei der Eingang des Verstärkers mit dem externen Kondensator gekoppelt ist und der Ausgang des Verstärkers mit dem Mischungs-Schaltkreis gekoppelt ist.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 4, wobei ein moduliertes analoges Anregungssignal an einen ersten Eingang des Mischungs-Schaltkreises angelegt wird, wobei das modulierte analoge Signal das analoge Anregungssignal umfasst, das durch eine Kapazität des externen Kondensators moduliert ist.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 5, wobei das vom Signalgenerator erzeugte analoge Anregungssignal an einen zweiten Eingang des Mischungs-Schaltkreises angelegt wird, wobei der Mischungs-Schaltkreis gestaltet ist, das modulierte analoge Anregungssignal und das analoge Anregungssignal miteinander zu multiplizieren und ein gemischtes analoges Signal auszugeben.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 6, wobei der Integrations-Schaltkreis gestaltet ist, das gemischte analoge Signal zu empfangen und das gemischte analoge Signal über eine diskrete Zeitdauer zu integrieren, um das entsprechende Spannungs-Ausgangssignal auszugeben.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 7, wobei die Zeitdauer ein Vielfaches von 1/f ist, wobei f eine Frequenz des analogen Anregungssignals ist.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 2, wobei der Mischungs-Schaltkreis einen Schaltkreis zum Mischen in kontinuierlicher Zeit umfasst.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 2, wobei der Integrations-Schaltkreis einen Schaltkreis zum Integrieren in kontinuierlicher Zeit umfasst.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 1, wobei der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation einen Pfad für ein kontinuierliches Zeitsignal umfasst, wobei der Pfad für ein kontinuierliches Zeitsignal gestaltet ist, ein moduliertes analoges Signal von dem externen Kondensator zu empfangen und das modulierte analoge Signal in das entsprechende Spannungs-Ausgangssignal umzuwandeln.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen berührungsempfindlichen Bildschirm, wobei der berührungsempfindliche Bildschirm den externen Kondensator umfasst.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 1, wobei der Schaltkreis zur kohärenten Demodulation einen analogen Synchrondemodulator umfasst.
Schaltkreis zur Kapazitätsmessung, umfassend: a. einen Signalgenerator, der gestaltet ist, ein analoges Anregungssignal zu erzeugen; b. einen berührungsempfindlichen Bildschirm, der mindestens einen Kondensator aufweist, wobei der Kondensator so gestaltet ist, dass das analoge Anregungssignal eingegeben und ein moduliertes analoges Anregungssignal ausgegeben wird, wobei das analoge Anregungssignal entsprechend einer Kapazität des Kondensators moduliert ist; c. einen mit dem Kondensator gekoppelten Verstärker und einen Rückkopplungs-Kondensator, der mit einem Eingang und einem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, wobei der Verstärker so gestaltet ist, dass das modulierte analoge Anregungssignal eingegeben und ein verstärktes moduliertes analoges Anregungssignal ausgegeben wird; d. einen Mischungs-Schaltkreis, der mit dem Verstärker und dem Signalgenerator gekoppelt ist, wobei der Mischungs-Schaltkreis so gestaltet ist, dass das verstärkte modulierte analoge Anregungssignal und ein analoges Korrelationssignal, das mit dem analogen Anregungssignal korreliert ist, eingegeben und ein gemischtes analoges Signal ausgegeben wird; und e. einen Integrations-Schaltkreis, der mit dem Mischungs-Schaltkreis gekoppelt ist, wobei der Integrations-Schaltkreis gestaltet ist, das gemischte analoge Signal zu empfangen und das gemischte analoge Signal über eine diskrete Zeitdauer zu integrieren, um ein Spannungssignal auszugeben, wobei das Spannungssignal der Kapazität des Kondensators entspricht.
Verfahren zum Messen von Kapazität, wobei das Verfahren umfasst: a. Erzeugen eines analogen Anregungssignals; b. Anlegen des analogen Anregungssignals an einen zu messenden Kondensator, wodurch das analoge Anregungssignal moduliert wird; und c. Korrelieren des modulierten analogen Anregungssignals mit einem Korrelationssignal, um das modulierte analoge Anregungssignal zu demodulieren, was zu einer Ausgangsspannung führt, die einer Kapazität des Kondensators entspricht, wobei das Korrelationssignal mit dem analogen Anregungssignal korreliert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Korrelieren des modulierten analogen Anregungssignals mit dem Korrelationssignal umfasst: a. Mischen des modulierten analogen Anregungssignals mit dem Korrelationssignal, was zu einem gemischten analogen Signal führt; und b. Integrieren des gemischten analogen Signals über eine Zeitdauer, was zur Ausgangsspannung führt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Ausgangsspannung eine Gleichspannung (DC) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Korrelieren des modulierten analogen Anregungssignals mit dem Korrelationssignal Rauschen und Störungen aus dem modulierten analogen Anregungssignal herausfiltert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Kondensator eine Kapazität eines berührungsempfindlichen Bildschirms misst.