DE112021006476T5

DE112021006476T5 - Verfahren und systeme zur bestimmung einer rauscharmen erfassungsanordnung für den betrieb eines sensorsystems

Info

Publication number: DE112021006476T5
Application number: DE112021006476.2T
Authority: DE
Inventors: Axel Heim
Original assignee: Microchip Technology Inc
Current assignee: Microchip Technology Inc
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2024-01-25
Also published as: TW202235889A; US20220190857A1; US11916582B2; KR20230117095A; JP2023549624A; CN116134407A

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zur Bestimmung einer rauschrobusten Erfassungsanordnung für einen Sensor oder ein Kommunikationssystem offengelegt. Ein beispielhaftes Verfahren umfasst eine Rauschabtastung mit: Erhalten eines Sensor-Empfangssignals von dem Sensorsystem; Bestimmen eines digitalen Empfangssignals aus dem Sensor-Empfangssignal durch A/D-Wandlung des Sensor-Empfangssignals bei einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz; Bestimmen einer Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, wobei jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten mit einer jeweiligen Kandidaten-Erfassungsanordnung verbunden ist; Bestimmen eines oder mehrerer Rauschmaße für mehrere der Kandidaten-Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale; und Bestimmen der Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität vor der am 16. Dezember 2020 beim United States Patent and Trademark Office eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung 63/126,137 . Der Inhalt der vorgenannten Patentanmeldung ist für alle Zwecke hierin enthalten.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren und Systeme zur Bestimmung einer rauscharmen Erfassungsanordnung, insbesondere für ein Sensorsystem.
HINTERGRUND
Dieser Hintergrundabschnitt dient dazu, den Kontext der Offenbarung allgemein zu beschreiben. Arbeiten des/der hier genannten Erfinder(s) sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung möglicherweise nicht zum Stand der Technik gehören, werden weder ausdrücklich noch stillschweigend als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung anerkannt.
Sensorsysteme, manchmal auch als „Sensoriksysteme“ bezeichnet, sind für verschiedene Anwendungen bekannt. Beispielsweise werden kapazitive Berührungssensoren für Benutzeroberflächen von elektronischen Geräten wie Computern, Tablets, Smartphones und anderen elektronischen Geräten verwendet.
Kapazitive Berührungssensorsysteme können beispielsweise durch die Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes und die Messung der in einem Zyklus an einer Sensorelektrode innerhalb dieses Feldes erhaltenen Potentialdifferenz (d.h. der Spannung) realisiert werden. Dabei kann eine einzelne Elektrode oder eine Kombination aus einer Sende- und einer oder mehreren Empfangselektroden verwendet werden. Diese Spannung ist ein Maß für die Kapazität zwischen der Sensorelektrode und ihrer elektrischen Umgebung, d. h. sie wird durch Objekte wie einen menschlichen Finger oder eine Hand beeinflusst. Alternativ kann ein elektrischer Strom, der zwischen einer Elektrode und dem Sensorkreis fließt (d. h. die Bewegung elektrischer Ladungen), zur Bestimmung der Kapazität zwischen der Sensorelektrode und ihrer elektrischen Umgebung verwendet werden.
Ein Problem bei herkömmlichen Systemen, die nach dem oben genannten Prinzip arbeiten, ist, dass elektrische Störquellen wie Schaltnetzteile, Leuchtstofflampen oder Funkverkehr in der Nähe des Sensors das elektrische Feld beeinflussen können. Daher ist eine genaue und zuverlässige Schätzung dieser Spannung in einer verrauschten Umgebung problematisch.
Wie der Erfinder festgestellt hat, ist die Robustheit gegenüber Rauschen eine Herausforderung für jedes Sensorsystem, einschließlich kapazitiver Berührungssensoren, und auch für Kommunikationssysteme. Insbesondere das Bestehen von standardisierten Rauschprüfungen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC), z. B. mit amplitudenmoduliertem Rauschen wie in IEC 61000-4-6, Bulk Current Injection (BCI) Tests, z. B. nach der Automobilnorm ISO 11452-4, oder die Robustheit gegenüber quadratischem Rauschen waren in der Vergangenheit problematisch.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausgehend von dem Vorangegangenen besteht die Notwendigkeit, einen rauscharmen Betrieb eines Sensorsystems, wie beispielsweise eines kapazitiven Berührungssensorsystems, zu ermöglichen. Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche und die folgende Beschreibung weisen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung auf.
Im Allgemeinen und in einem beispielhaften Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer rauschrobusten Erfassungsanordnung für den Betrieb eines Sensorsystems bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte in einer Rauschabtastung auf:

Erfassen eines Sensor-Empfangssignals vom Sensorsystem;
Bestimmen eines digitalen Empfangssignals aus dem Sensor-Empfangssignal durch A/D Wandlung des Sensor-Empfangssignals mit einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz;
Bestimmen einer Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, wobei jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten mit einer jeweiligen Kandidaten-Erfassungsanordnung verbunden ist;
Bestimmen eines oder mehrerer Rauschmaße für mehrere der Kandidaten-Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale; und
unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße Bestimmen der Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen.

Im Allgemeinen und in einem anderen beispielhaften Aspekt wird eine Sensorschaltung bereitgestellt, um eine Erfassungsanordnung für den Betrieb eines Sensorsystems zu bestimmen, die Folgendes aufweist:

eine Sensorschnittstelle zum Beziehen eines Sensorempfangssignals vom Sensorsystem;
einen A/D-Wandler zur Bestimmung des digitalen Empfangssignals aus dem Sensor-Empfangssignal durch A/D-Wandlung des Sensor-Empfangssignals mit einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz;
eine Dezimierungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, bestimmt, wobei jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten mit einer jeweiligen Kandidaten-Erfassungsanordnung verbunden ist;
eine Rauschauswertungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie ein oder mehrere Rauschmaße für mehrere der Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale bestimmt; und
eine Konfigurationsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße die Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen bestimmt.

Im Allgemeinen und in einem anderen beispielhaften Aspekt wird ein kapazitives Berührungserfassungssystem bereitgestellt, das aufweist:

eine oder mehrere Elektroden, die zur kapazitiven Erfassung ausgebildet sind; und
die Sensorschaltung des vorhergehenden Aspekts, wobei die Sensorschaltung mit zumindest einer der einen oder mehreren Elektroden verbunden ist.

Im Allgemeinen und in einem weiteren beispielhaften Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer rauschrobusten Erfassungsanordnung für den Betrieb eines Kommunikationssystems bereitgestellt. Das Verfahren weist in einer Rauschabtastung die folgenden Schritte auf:

Erhalten eines Empfangssignals vom Kommunikationssystem;
Bestimmung eines digitalen Empfangssignals aus dem Empfangssignal durch A/D-Wandlung des Empfangssignals mit einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz;
Bestimmen einer Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, wobei jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten einer jeweiligen Kandidaten-Erfassungsanordnung zugeordnet ist;
Bestimmen eines oder mehrerer Rauschmaße für mehrere der Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale; und
unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße Bestimmen der Erfassungsanordnung für den Betrieb des Kommunikationssystems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen.

Im Allgemeinen und in einem anderen beispielhaften Aspekt wird eine Kommunikationsschaltung zur Bestimmung einer Erfassungskonfiguration für den Betrieb eines Kommunikationssystems bereitgestellt. Die Kommunikationsschaltung weist auf:

eine Schnittstelle für das Kommunikationssystem, um ein Empfangssignal von dem Kommunikationssystem zu erhalten;
einen A/D-Wandler zur Ermittlung des digitalen Empfangssignals aus dem Empfangssignal durch A/D-Wandlung des Empfangssignals bei einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz;
eine Dezimierungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, bestimmt, wobei jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten einer jeweiligen Erfassungsanordnung zugeordnet ist;
eine Rauschbewertungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie ein oder mehrere Rauschmaße für mehrere der Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale bestimmt; und
eine Konfigurationsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße die Erfassungsanordnung für den Betrieb des Kommunikationssystems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen bestimmt.

Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Sensorschaltung in einem schematischen Blockdiagramm;
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines kapazitiven Berührungssensorsystems in einer schematischen Ansicht;
3 veranschaulicht die Funktionsweise der Sensorschaltung von 1 in einem beispielhaften Flussdiagramm gemäß einer ersten Ausführungsform;
4 veranschaulicht schematisch die Funktionsweise einer Dezimierungsschaltung der Sensorschaltung nach 1;
5 veranschaulicht schematisch zwei Signalverarbeitungsketten für einen Rauschscan und einen SN-Scan;
6 veranschaulicht die Funktionalität der Sensorschaltung von 1 in einem beispielhaften Flussdiagramm gemäß einer zweiten Ausführungsform;
7 zeigt beispielhafte Größen der Übertragungsfunktion eines idealen ADC in einem schematischen Diagramm;
8A und 8B veranschaulichen die Funktionalität der Sensorschaltung nach 1 in einem beispielhaften Flussdiagramm gemäß einer weiteren Ausführungsform;
9 veranschaulicht die spektrale Rauschunterdrückung durch digitale LPF;
10 veranschaulicht die Funktionsweise der Sensorschaltung nach 1 in einem beispielhaften Flussdiagramm gemäß einer anderen Ausführungsform;
11 zeigt ein grundlegendes Beispieldiagramm für die Ladungsmessung mittels Stromintegration und ein entsprechendes Zeitdiagramm;
12 zeigt ein weiteres beispielhaftes Diagramm zur Ladungsmessung unter Verwendung von zwei Stromintegratoren zusammen mit einem entsprechenden Zeitdiagramm;
13 zeigt schematisch zwei Slices eines beispielhaften analogen Front-Ends (AFE) eines Touchscreen-Controllers;
14 zeigt ein beispielhaftes Zeitdiagramm für die Stromintegration und das Rücksetzen des Integrators mit vom Slice unabhängiger Steuerung der Apertur- und Rücksetzschalter;
15 zeigt ein beispielhaftes Zeitdiagramm für die Stromintegration und das Rücksetzen des Integrators ohne vom Slice unabhängige Steuerung der Apertur- und Rücksetzschalter;
16 zeigt Daten, die mit der Zeitkonfiguration von 15 erhalten wurden; und
17 veranschaulicht die spektrale Rauschunterdrückung durch digitale LPF für zwei Paketlängen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Spezifische Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend im Detail beschrieben. In der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung werden die spezifischen Details beschrieben, um ein umfassendes Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Es ist jedoch für einen Fachmann offensichtlich, dass die Erfindung auch ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen wurden bekannte Merkmale nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Beschreibung nicht unnötig zu verkomplizieren.
In der folgenden Erläuterung der vorliegenden Erfindung gemäß den beschriebenen Ausführungsformen werden die Begriffe „verbunden an“ oder „verbunden mit“ verwendet, um eine Daten- oder Signalverbindung zwischen zumindest zwei Komponenten, Geräten, Einheiten, Prozessoren, Schaltkreisen oder Modulen anzugeben. Eine solche Verbindung kann direkt zwischen den jeweiligen Komponenten, Geräten, Einheiten, Prozessoren, Schaltkreisen oder Modulen bestehen oder indirekt, d. h. über zwischengeschaltete Komponenten, Geräte, Einheiten, Prozessoren, Schaltkreise oder Module. Die Verbindung kann permanent oder temporär, drahtlos oder leitungsgebunden, digital oder analog sein.
In der folgenden Beschreibung können Ordnungszahlen (z. B. erste, zweite, dritte usw.) als Adjektiv für ein Element (d. h. ein beliebiges Substantiv in der Anmeldung) verwendet werden. Durch die Verwendung von Ordnungszahlen soll weder eine bestimmte Reihenfolge der Elemente impliziert oder geschaffen werden, noch soll ein Element darauf beschränkt werden, nur ein einziges Element zu sein, es sei denn, dies wird ausdrücklich angegeben, wie z. B. durch die Verwendung der Begriffe „vor“, „nach“, „einzeln“ und anderer derartiger Terminologie. Vielmehr dient die Verwendung von Ordnungszahlen der Unterscheidung zwischen gleichnamigen Elementen. So unterscheidet sich beispielsweise ein erstes Element von einem zweiten Element, und das erste Element kann mehr als ein Element umfassen und dem zweiten Element in der Reihenfolge der Elemente folgen (oder vorangehen).
In vielen Anwendungen werden Sensorsysteme eingesetzt. So sind beispielsweise die heutigen elektronischen Geräte wie Smartphones, Laptops, Tablets und Wearables ohne Touchscreens, die in der Regel kapazitive oder resistive Berührungssensoren verwenden, nicht mehr denkbar. Aktuelle Entwicklungen fördern den Einsatz von Touchscreens in komplexeren Systemen wie Autos, Flugzeugen oder Industrieanlagen.
Die Robustheit gegenüber Störungen ist, wie bereits erwähnt, eine zentrale Herausforderung für jedes derartige Sensorsystem. Ein besonderes Problem bei kapazitiven Touchscreens ist, dass diese bauartbedingt dem Benutzer zugewandt sind und so ausgebildet werden müssen, dass das verwendete elektrische Feld beeinflusst werden kann, z. B., wenn sich die Hand oder der Finger des Benutzers in der Nähe befindet. Dies macht diese Art von Touchscreens besonders anfällig für Störungen durch Umgebungsfelder.
Darüber hinaus gibt es, wie der Erfinder erkannt hat, keine zuverlässigen Mittel zur Bestimmung des erwarteten Signal-Rausch-Verhältnisses (im Folgenden auch als „SNR“ bezeichnet) für einen bestimmten Sensor und eine bestimmte Konfiguration, was entweder zu einem unzureichenden Ausgangs-SNR oder zu einer Verschwendung von Ressourcen, z. B. Erfassungszeit, führt. Für einen Kunden eines Berührungssensorsystems (z. B. einen Smartphone-Hersteller) ist es wichtig, eine hohe Berührungsmelderate mit zuverlässigen und genauen Ausgangsschätzungen zu erzielen. Die Berührungsmelderate bezieht sich dabei auf die Rate, mit der eine Berührungssteuerung z. B. (x,y)-Positionsschätzungen an eine Host-Steuerung weiterleitet.
Es gibt mehrere Einflussfaktoren, die sich auf die Rauschrobustheit eines Sensorsystems auswirken, z. B. die Betriebsfrequenz (im Falle eines kapazitiven Sensorsystems die Betriebsfrequenz eines so genannten „Stimulussignals“) mit der dazugehörigen Abtastfrequenz für die A/D-Wandlung, die Abtastdauer und die Wahl der Tiefpassfilterkoeffizienten. Im Rahmen der vorliegenden Diskussion wird die Menge der konfigurierbaren Parameter des Sensorsystems, die diese Einflussfaktoren beeinflussen, als „Erfassungsanordnung“ oder „Datenerfassungsanordnung“ des Sensorsystems (im Folgenden der Einfachheit halber auch als „AC“ bezeichnet) verstanden. In einigen Ausführungsformen weist die Erfassungsanordnung zumindest einen oder mehrere der folgenden Parameter auf: eine Abtastfrequenz für die A/D-Wandlung, eine Betriebsfrequenz (Trägerfrequenz) eines Stimulussignals für den (Erfassungs-)Betrieb des Sensorsystems, die Abtastdauer, eine Anzahl von zu erfassenden Abtastwerten, die „Paketlänge“ und Tiefpassfilterkoeffizienten. Verschiedene ACs unterscheiden sich in einem oder mehreren dieser Parameter. Die Parameter können zur Konfiguration des analogen Front-Ends und der digitalen Verarbeitung der Sensorsteuerschaltung verwendet werden.
Das Empfangssignal eines Kommunikations- oder Sensorsystems ist in der Regel eine Mischung aus der eigentlichen Information, die empfangen und ausgewertet werden soll, und Rauschen. Diese Information kann z. B. ein Maß für die Kapazität oder den Abstand zwischen einer Sensorelektrode und dem Finger eines Benutzers sein. Im Falle von additivem Rauschen ist das Empfangssignal einfach die Summe aus Information und Rauschen. Da in der Regel sowohl der Informations- als auch der Rauschanteil unbekannt sind, kann der Informationsanteil nicht einfach aus dem Empfangssignal extrahiert werden - vergleichbar mit einer Gleichung mit zwei Unbekannten, die nicht eindeutig gelöst werden kann. Was jedoch möglich ist, ist die Schätzung des Informationsanteils anhand des verrauschten Empfangssignals, wobei Annahmen über die Eigenschaften der Information, des Rauschens oder beider getroffen werden, z. B. „die Information ändert sich langsam über die Zeit“. Je weniger Rauschen vorhanden ist, desto genauer ist die resultierende Schätzung, d.h. desto kleiner ist die Schätzunsicherheit. Daher möchte man eine Erfassungsanordnung verwenden, bei der nur wenig Rauschen vorhanden ist, z. B. eine Erfassungsanordnung, die im Vergleich zu einer anderen Erfassungsanordnung weniger Rauschen in der resultierenden Schätzung aufweist.
Es ist möglich, mit dem Sensorsystem eine Testmessung durchzuführen und aus diesen Messdaten ein Rauschmaß zu berechnen, das repräsentativ für die Höhe des Rauschens ist. Solche Testmessungen werden im vorliegenden Zusammenhang als „Rauschabtastungen“ bezeichnet.
Es können Rauschabtastungen für verschiedene AC-Kandidaten durchgeführt werden, und anhand des j eweils ermittelten Rauschens kann der AC ausgewählt werden, für den das geringste Rauschen ermittelt wurde. Messungen, bei denen das Empfangssignal sowohl die gewünschte Information als auch Rauschen enthält, werden als Signal- und Rauschabtastung oder „SN-Scan“ bezeichnet. Bei einem SN-Scan muss der Sensor oder das Kommunikationssystem möglicherweise ein Stimulussignal erzeugen und aussenden, um ein elektrisches Wechselfeld anzuregen und den Informationsteil auf der Empfangsseite zu erhalten. Aus den während einer Rauschabtastung erfassten Daten können Schätzungen der während eines SN-Scans zu erwartenden Rauschmenge für vordefinierte Kandidaten-ACs berechnet werden. Eine solche Schätzung wird hier als „Rauschschätzung“ bezeichnet. Die ACs, für die Rauschschätzungen aus den Rauschabtastdaten berechnet werden, die während einer einzelnen Rauschabtastung erfasst werden, können sich zumindest in ihrer Betriebsfrequenz und Abtastfrequenz unterscheiden, die als Parameter des analogen Front End des Sensorsystems gelten.
Im vorliegenden Zusammenhang wird unter einem „Stimulussignal“ oder einfach „Stimulus“ eine aktiv gesteuerte Bewegung elektrischer Ladungen zwischen einer Sensorschaltung, z. B. einem Chip, und einer Elektrode verstanden, um beispielsweise das elektrische Potenzial der Elektrode auf einen bestimmten Zielwert oder ein bestimmtes Zielsignal zu bringen. In einigen Ausführungsformen wird dieser Zielwert oder dieses Zielsignal festgelegt, bevor der Stimulus ausgelöst wird; wenn das Zielsignal beispielsweise eine rechteckige Impulsfolge mit einer bestimmten Impulsfrequenz ist, wird diese Impulsfrequenz ausgewählt, bevor das elektrische Potenzial der Elektrode mit diesem Zielsignal angesteuert wird.
In einigen Ausführungsformen kann der Stimulus ein periodisches Signal sein, z. B. eine rechteckige Impulsfolge. Die Frequenz dieses periodischen Signals, z. B. die Pulsfrequenz, ist die oben beschriebene Betriebsfrequenz, die auch als „Trägerfrequenz“ bezeichnet wird. In einigen Ausführungsformen pendelt sich das Stimulussignal abwechselnd auf einen höheren und einen niedrigeren Signalpegel ein, und zwar jeweils einmal während einer Trägersignalperiode. Auf der Empfangsseite kann das Empfangssignal demoduliert und tiefpassgefiltert werden - beides kann im digitalen Bereich nach der Analog-Digital-Wandlung (A/D) erfolgen. Handelt es sich bei dem Stimulus um eine rechteckige Impulsfolge, kann die Abtastung in einigen Ausführungsformen mit der doppelten Trägerfrequenz erfolgen. Die Demodulation kann in einigen Ausführungsformen durch abwechselnde Multiplikation der A/D-gewandelten Abtastwerte mit plus eins und minus eins erfolgen.
Ausgehend von den vorstehenden Ausführungen besteht ein Bedarf, das durch Ausführungsformen der Erfindung gelöst wird, darin, ein geeignetes AC aus einer Reihe von AC-Kandidaten auszuwählen, um z. B. eine hohe Berührungsmelderate mit zuverlässigen und genauen Ausgangsschätzungen zu erreichen.
Grundlegende beispielhafte Ideen der Erfindung umfassen a) die Idee der Basis- und Subfrequenzen, die es ermöglichen, dieselbe Sequenz von Rauschabtastmessdaten auf unterschiedliche Weise, genauer gesagt mit unterschiedlichen Parametern, zu verarbeiten, um zuverlässige Rausch(leistungs-)schätzungen für mehrere Wechselströme (z. B. in Bezug auf Trägerfrequenzen und Abtastzeiten) zu erhalten, und b) ein robustes Rauschmaß, das eine genaue Schätzung der wahren Rauschleistung von SN-Scan-Messdaten nach Demodulation und Tiefpassfilterung bereitstellt.
Gemäß einem ersten beispielhaften Aspekt weist ein Verfahren zur Bestimmung einer rauschrobusten Erfassungskonfiguration für den Betrieb eines Sensorsystems die folgenden Schritte in einer Rauschabtastung auf:

Erfassen eines Sensor-Empfangssignals vom Sensorsystem;
Bestimmung eines digitalen Empfangssignals aus dem Sensor-Empfangssignal durch A/D Wandlung des Sensor-Empfangssignals mit einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz;
Bestimmen einer Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, wobei die zwei oder mehr Dezimierungsraten einer jeweiligen Kandidaten-Erfassungsanordnung zugeordnet sind;
Bestimmen eines oder mehrerer Rauschmaße für mehrere der Kandidaten-Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale; und
unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße Bestimmen der Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen.

Das Sensorsystem des vorliegenden Aspekts kann von jedem geeigneten Typ sein, einschließlich, ohne Einschränkung, Sensorsysteme zur Erkennung und Messung von Nähe, Druck, Position, Verschiebung, Kraft, Feuchtigkeit, Flüssigkeitsstand und Beschleunigung. Das Sensorsystem kann zum Beispiel ein Infrarotsensorsystem oder ein Ultraschallsensorsystem sein. Das Sensorsystem kann z. B. ein kapazitives oder resistives Berührungssensorsystem sein, wie z. B. für ein Touchscreen-Display. Das Sensorsystem kann z. B. ein berührungsloses Sensorsystem sein.
In einigen Ausführungsformen wird das Verfahren des vorliegenden Aspekts unter Verwendung einer Sensorschaltung durchgeführt, beispielsweise einer Sensorschaltung, die eine Steuereinheit, wie einen Mikrocontroller und/oder Mikroprozessor mit geeigneter Programmierung, aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensorschaltung eine spezielle Schaltung aufweisen, die zumindest einen Teil der Funktionalität des Verfahrens dieses beispielhaften Aspekts bereitstellt.
Wie bereits erwähnt, kann die Rauschabtastung des vorliegenden Aspekts als Testmessung betrachtet werden, um z. B. die Auswirkungen von Rauschen auf das jeweilige Sensorsystem zu ermitteln. In einigen Ausführungsformen enthalten die während der Rauschabtastung erhaltenen Messdaten keine Informationen, sondern nur Rauschen, d. h. das Sensorempfangssignal wird während der Rauschabtastung erfasst, ohne dass ein Stimulussignal an das Sensorsystem angelegt wird.
Das (Sensor-)Empfangssignal (d. h. ein empfangenes, gemessenes oder erfasstes Signal während einer Rauschabtastung oder einem SN-Scan) kann z. B. ein elektrischer Strom sein, der zwischen einer Elektrode und dem Sensorkreis fließt, d. h. eine Bewegung elektrischer Ladungen, ein über ein bestimmtes Zeitintervall integrierter elektrischer Strom oder ein elektrisches Potenzial oder eine elektrische Spannung der Elektrode relativ zu einem Referenzpotenzial.
Das Sensor-Empfangssignal kann durch jedes geeignete Mittel, z. B. eine entsprechende leitende Verbindung, vom Sensorsystem bezogen werden. Dieses Empfangssignal kann durch den verwendeten Stimulus beeinflusst werden, möglicherweise durch Umgebungsfaktoren wie einen menschlichen Finger verändert werden und wird in den meisten Fällen durch Umgebungsrauschen beeinflusst. Zusätzlich zu diesen Umgebungs- oder externen Einflussfaktoren kann es eine analoge Vorverarbeitung innerhalb der Sensorschaltung geben, die dem Empfangssignal weiteres internes Rauschen hinzufügen kann, beispielsweise 1/f-Rauschen oder Quantisierungsrauschen eines A/D-Wandlers. Während die Robustheit gegenüber Geräuschen aus internen Quellen in der Regel während des Systementwurfs berücksichtigt werden kann, sind Umgebungsgeräuschquellen zum Zeitpunkt des Entwurfs zumindest bis zu einem gewissen Grad unbekannt. Die hier erörterten Verfahren und Systeme befassen sich mit der Robustheit gegenüber externem Rauschen. Unabhängig von internem Rauschen wird jede Änderung des Empfangssignals, d. h. jeder elektrische Strom oder jede Änderung des elektrischen Potenzials, durch das betreffende externe Rauschen verursacht.
Gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt weist das Verfahren die Bestimmung eines digitalen Empfangssignals aus dem Sensorempfangssignal durch A/D-Wandlung des Sensorempfangssignals bei einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz auf. Die A/D-Wandlung kann mit jedem geeigneten Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise mit einem Flash-A/D-Wandler, einem integrierenden A/D-Wandler, einem A/D-Wandler mit sukzessiver Annäherung, einem Sigma-Delta-A/D-Wandler, einem A/D-Wandler mit Direktumwandlung, einem A/D-Wandler mit Rampenvergleich, einem Wilkinson-A/D-Wandler, einem ladungsausgleichenden A/D-Wandler, einem Dual-Slope-A/D-Wandler, einem delta-kodierten A/D-Wandler, einem A/D-Wandler mit Pipeline, einem zeitverschachtelten A/D-Wandler, einem A/D Wandler mit FM-Zwischenstufe, eine TS-ADC oder einem Äquivalent ohne Einschränkung. Der Begriff „A/D-Wandler“ umfasst hier auch Konfigurationen eines analogen Frontends mit einem geeigneten A/D-Wandler. Die A/D-Wandlung wird mit der vordefinierten Rauschabtastfrequenz durchgeführt, die je nach Anwendung eingestellt werden kann. In einigen Ausführungsformen ist die Rauschabtastfrequenz deutlich höher als eine Betriebsfrequenz eines Stimulussignals während des Betriebs des Sensorsystems. In einigen Ausführungsformen kann die Rauschabtastfrequenz auf zumindest das Dreifache der Betriebsfrequenz eingestellt werden, z. B. auf das 3- bis 40-fache der Betriebsfrequenz. In einigen Ausführungsformen ist die Rauschabtastfrequenz auf das 3- bis 4-fache der Betriebsfrequenz eingestellt.
In einigen Ausführungsformen kann die Rauschabtastfrequenz, d. h. die Abtastrate des A/D-Wandlers während einer Rauschabtastung, deutlich höher sein als die Abtastrate des A/D-Wandlers während eines SN-Scan. Umgekehrt kann das Abtastintervall des A/D-Wandlers bei einer Rauschabtastung deutlich kürzer sein als bei einer SN-Scan, und damit auch die Zeit, die für die analoge Verarbeitung des empfangenen Eingangssignals für eine analog-digital (A/D) gewandelte Abtastung zur Verfügung steht. Folglich ist der für einen SN-Scan gewünschte Zeitplan für die analoge Verarbeitung möglicherweise nicht auf eine Rauschabtastung anwendbar, da zwischen den A/D-Wandlungen weniger Zeit verbleibt. Im Folgenden werden Ausführungsformen erörtert, die ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Aperturzeit für eine Rauschabtastung und der Aperturzeit für eine SN-Scan verwenden.
Gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt weist das Verfahren die Bestimmung einer Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr voneinander verschiedenen Dezimierungsraten auf.
Mit anderen Worten: Nach der durchgeführten A/D-Wandlung, d. h. im digitalen Bereich, wird das digitale Empfangssignal durch ganzzahlige Dezimierung dezimiert, um die Vielzahl der dezimierten digitalen Empfangssignale zu erhalten. Es werden zumindest zwei verschiedene Dezimierungsraten verwendet, von denen jede mit einer entsprechenden Erfassungsanordnung verknüpft ist. In einigen Ausführungsformen sind die zwei oder mehr Dezimierungsraten Vielfache von 2, wie z. B. 2 und 4. In einigen Ausführungsformen werden mehr als zwei Dezimierungsdaten verwendet.
Die zwei oder mehr Dezimierungsraten werden den jeweiligen Erfassungsanordnungen zugeordnet, z. B. im Hinblick auf die unterschiedlichen Abtastraten, die sich bei Anwendung der verschiedenen Dezimierungsraten ergeben.
Gemäß dem vorliegenden Aspekt werden ein oder mehrere Rauschmaße für mehrere der Kandidaten-Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale bestimmt. Aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen wird wiederum unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße die Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems bestimmt.
Wie aus dem Vorangegangenen ersichtlich ist, ermöglicht das Verfahren nach dem ersten Aspekt die Verwendung derselben Messdaten des Sensorempfangssignals zur Ermittlung mehrerer dezimierter digitaler Empfangssignale. Da zwei oder mehr Dezimierungsraten verwendet werden, weist die Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen entsprechend zwei oder mehr unterschiedliche Abtastfrequenzen auf. Da die Abtastfrequenz und die zugehörige Betriebsfrequenz Teil der zu prüfenden Erfassungsanordnung, d. h. der „AC-Kandidaten“, sein können, ermöglicht das beschriebene Verfahren z. B. die Verwendung derselben Messdaten zur Prüfung mehrerer unterschiedlicher AC-Kandidaten.
In einigen Ausführungsformen wird während einer Rauschabtastung eine Überabtastung durchgeführt. Um das gleiche Aliasing (des Rauschens) wie bei einer SN-Scan zu erzielen, kann die Dezimierungsrate für die Dezimierung des Rauschsignals beispielsweise so gewählt werden, dass die dezimierte Abtastrate der Abtastrate des SN-Scans entspricht.
Im Gegensatz zu anderen bekannten Ansätzen bieten die hierin enthaltenen Lehren, zumindest in einigen Ausführungsformen, nicht nur eine Lösung für die Identifizierung einer relativ besten Trägerfrequenz, sondern eine vollständige Lösung für die Rauschrobustheit. Die Robustheit gegenüber z. B. AM-Rauschen und quadratischem Rauschen wird durch die Bestimmung eines oder mehrerer Rauschmaße aus denselben Messdaten, jedoch für unterschiedliche ACs, gewährleistet. Dieses Verfahren ist auch von Natur aus schnell und spart Messzeit. In einigen Ausführungsformen ermöglicht das Verfahren außerdem, einen Kompromiss zwischen der Berührungsmelderate und dem Ausgangs-SNR zu finden.
Wie bereits erwähnt, weist das Verfahren des ersten beispielhaften Aspekts die Bestimmung eines oder mehrerer Rauschmaße für mehrere der (zwei oder mehr) Kandidaten-Erfassungsanordnungen aus einem oder mehreren der Vielzahl der dezimierten digitalen Empfangssignale auf. Die Bestimmung der Rauschmaße kann zum Beispiel im digitalen Bereich durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen werden ein oder mehrere Rauschmaße für jede der Kandidaten-Erfassungsanordnungen bestimmt, was einen Vergleich verschiedener in Frage kommender ACs ermöglicht. In einigen Ausführungsformen wird ein Rauschmaß für jede Dezimierungsrate aus zumindest einem dezimierten digitalen Empfangssignal berechnet, das der jeweiligen Dezimierungsrate zugeordnet ist. In einigen Ausführungsformen wird ein Rauschmaß für jede Dezimierungsrate aus mehreren dezimierten digitalen Empfangssignalen berechnet. Auf dieses Verfahren wird im Folgenden näher eingegangen.
Die Rauschmessung kann in jeder geeigneten Form erfolgen, um ein vergleichbares Maß für das Rauschen zu erhalten. Das Rauschmaß kann beispielsweise ein numerischer Wert sein, der typischerweise einen Rauschpegel quantifiziert, der in zumindest einem der mehreren dezimierten digitalen Empfangssignale vorhanden ist.
Das Rauschmaß kann in einigen Ausführungsformen ein Leistungsmaß sein, wie es z. B. durch die Schätzung der effektiven Rauschleistung (ENPE) erhalten wird, es kann aber auch z. B. die Quadratwurzel eines Leistungsmaßes oder ein anderes lineares Maß sein, d. h. eine Größe, die aus den Eingangsdaten nur mit Hilfe linearer Funktionen berechnet wird, ohne Einschränkung. In einigen Ausführungsformen ist das Rauschmaß ein phaseninstantes Rauschmaß. Es gibt auch Ansätze, bei denen das Rauschmaß ein Scoring-Wert ist, bei dem ein höherer Wert einen niedrigeren Rauschpegel für einen SN-Scan anzeigt, wie beispielsweise in US10151608 B2 erörtert, die hier für alle Zwecke einbezogen ist.
In einigen Ausführungsformen ist ein Stimulus während eines Scans vorhanden, um Daten für die Berechnung von Rauschmaßen zu erfassen, d. h. während der Rauschabtastung. Obwohl Messdaten, die während eines solchen Scans erfasst werden, eher durch z. B. einen menschlichen Finger in der Nähe des Sensors beeinflusst werden, können sie dennoch verwendet werden, um eine ausreichend gute Entscheidungsgrundlage für die Identifizierung einer geeigneten AC zu liefern. In diesem Sinne kann der Begriff „Leistungsmessung“ in einigen Ausführungsformen austauschbar mit dem Begriff „Rauschmessung“ verwendet werden.
Nach der Ermittlung des einen oder der mehreren Rauschmaße wird gemäß dem ersten beispielhaften Aspekt aus den vorgegebenen Erfassungsanordnungen die Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems bestimmt. Die vorliegende Bestimmung basiert auf dem einen oder den mehreren Rauschmaßen. Wie im Folgenden näher erläutert wird, kann die Bestimmung in einigen Ausführungsformen durch weitere Überlegungen beeinflusst werden, wie z. B. eine kürzeste Abtastzeit (auch als „Abtastdauer“ bezeichnet).
In einigen Ausführungsformen weist der Schritt des Bestimmens der Erfassungsanordnung das Auswählen eines bevorzugten Rauschmaßes aus dem einen oder den mehreren Rauschmaßen auf, wobei die Erfassungsanordnung so eingestellt wird, dass sie der dem bevorzugten Rauschmaß zugeordneten Kandidaten-Erfassungsanordnung entspricht.
In einigen Ausführungsformen wird das bevorzugte Rauschmaß auf der Grundlage eines vordefinierten Kriteriums ausgewählt, z. B. auf der Grundlage eines vordefinierten Schwellenwerts für das maximale Rauschen.
In einigen Ausführungsformen liefert das bevorzugte Rauschmaß den niedrigsten Rauschpegel unter den ein oder mehreren Rauschmaßen. Mit anderen Worten, in diesen Ausführungsformen kann das bevorzugte Rauschmaß auch als „bestes“ Rauschmaß bezeichnet werden, wobei das beste Rauschmaß als ein Rauschmaß verstanden wird, dessen Größe den niedrigsten Rauschpegel im Vergleich zu allen anderen Rauschmaßen in einer gegebenen Vergleichsgruppe von Rauschmaßen angibt. Wenn das Rauschmaß beispielsweise durch ENPE bestimmt wird, dann hätte das beste Rauschmaß den niedrigsten Wert, und gemäß der Offenbarung von US10151608B2 hätte es den höchsten Wert.
In einigen Ausführungsformen werden für jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten entsprechende Gruppen von dezimierten digitalen Empfangssignalen (d.h. Gruppen von zwei oder mehr dezimierten digitalen Empfangssignalen) als Teil der Bestimmung der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen bestimmt. Dementsprechend und im Hinblick auf die zwei oder mehr Dezimierungsraten werden gemäß den vorliegenden Ausführungsformen zumindest zwei Gruppen dezimierter digitaler Empfangssignale bereitgestellt, wobei die Gruppenmitglieder einer Gruppe dieselbe Dezimierungsrate aufweisen.
In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich jedes dezimierte digitale Empfangssignal einer bestimmten Gruppe von allen anderen dezimierten digitalen Empfangssignalen der bestimmten Gruppe. Die Gruppe der dezimierten digitalen Empfangssignale kann sich auf jede geeignete Weise voneinander unterscheiden. Die Gruppe der dezimierten digitalen Empfangssignale kann die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Abtastwerten aufweisen.
In einigen Ausführungsformen und in jeder Gruppe können sich die dezimierten digitalen Empfangssignale zumindest, aber nicht ausschließlich, durch eine unterschiedliche Startphase voneinander unterscheiden. Die vorliegenden Ausführungsformen ermöglichen eine weiter verbesserte Bestimmung des Rauschens, wie aus der folgenden Erörterung ersichtlich wird. Der Begriff „Startphase“ wird in Bezug auf digitale Signale als die Verzögerung des ersten Abtastwerts eines dezimierten Signals relativ zum ersten Abtastwert des digitalen Empfangssignals verstanden, typischerweise in der Einheit von Abtastwerten bei der Abtastrate des Empfangssignals. Dementsprechend bezieht sich eine unterschiedliche Anfangsphase in Bezug auf zwei Signale darauf, dass die beiden Signale unterschiedliche Anfangsabtastwerte aufweisen.
Wie leicht zu erkennen ist, müssen nicht alle möglichen Anfangsphasen in einer bestimmten Gruppe dezimierter digitaler Empfangssignale vertreten sein. Zum Beispiel kann das digitale Empfangssignal x für jede der zumindest zwei Dezimierungsraten R(0,j) für eine Teilmenge von Startphasen v = v0, v0+dv, v0+2dv, ..., R(0,j)-1 dezimiert werden, wobei j=0,1,... als Subfrequenzindex bezeichnet wird. In anderen Ausführungsformen repräsentiert eine Gruppe von dezimierten digitalen Empfangssignalen alle möglichen Startphasen. Zum Beispiel kann das Signal x für jede der zumindest zwei Dezimierungsraten R(0,j) für alle Startphasen v= 0, 1, ..., R(0,j)-1 dezimiert werden. Dementsprechend würde die Gruppe im beispielhaften Fall eines digitalen Empfangssignals mit 24 Abtastwerten und einer Dezimierungsrate von vier (d. h. R=4) vier entsprechende dezimierte digitale Empfangssignale mit jeweils sechs Abtastwerten aufweisen, wobei jedes Signal mit einer anderen Startphase der insgesamt vier möglichen Startphasen beginnt. Obwohl jedes der dezimierten digitalen Empfangssignale der Gruppe nur jeden vierten Abtastwert aufweist, ist aufgrund der Phasenverschiebung um einen Abtastwert immer noch jeder Abtastwert in der Gruppe vertreten, was zu einem verbesserten Rauschmaß führt.
In einigen Ausführungsformen werden die ein oder mehreren Rauschmaße durch eine Schätzung der effektiven Rauschleistung (ENPE) bestimmt, die eine Bestimmung einer (z. B. normalisierten) Summe phaseninstanter Rauschmaße über jedes der dezimierten digitalen Empfangssignale einer der Gruppen von dezimierten digitalen Empfangssignalen aufweist. In einigen Ausführungsformen wird die Schätzung der effektiven Rauschleistung für alle Gruppen, d. h. für alle Dezimierungsraten, durchgeführt. Die Bestimmung der Summe der phaseninstabilen Rauschmaße kann mit jedem geeigneten Verfahren durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen ist das Maß für phaseninstantes Rauschen eine Summe von (allen) Abtastwerten eines dezimierten digitalen Empfangssignals, das mit Koeffizienten aus einem Koeffizientenvektor gewichtet wird. Der Koeffizientenvektor kann z. B. ein Vektor sein, der die Koeffizienten eines Tiefpassfilters aufweist. Zum Beispiel die Koeffizienten eines Boxcar-Windows (alle) oder eines Hann- (oder Hanning-) Windows von gewünschter Länge. Die Normalisierung eines solchen Summenterms kann z. B. durch Division dieses Summenterms durch die Summe aller Koeffizienten im Koeffizientenvektor erfolgen. Diese Normalisierung muss nicht direkt am gewichteten Summenterm vorgenommen werden, sondern kann auch in einer späteren Verarbeitungsphase erfolgen, z. B. nach der Summierung der phaseninstanten Rauschmaße, was den Rechenaufwand verringern kann.
Um beispielsweise den ENPE für eine bestimmte Dezimierungsrate zu berechnen, wird für jedes dezimierte digitale Empfangssignal einer bestimmten Gruppe das Punktprodukt mit dem zugewiesenen Koeffizientenvektor errechnet. In einigen Ausführungsformen werden diese Punktprodukte normalisiert, indem sie durch die Summe aller Koeffizienten dividiert werden. Dann kann der Durchschnitt der quadrierten normalisierten Punktprodukte berechnet werden, um den ENPE zu erhalten.
In einigen Ausführungsformen weist der Schritt der Bestimmung der Erfassungsanordnung aus der Menge der Kandidaten-Erfassungsanordnungen die Auswahl derjenigen Kandidaten-Erfassungsanordnung auf, die die kürzeste Abtastzeit aufweist, während das Rauschmaß einen (vordefinierten) Rauschschwellenwert erfüllt. Die vorliegenden Ausführungsformen bieten eine besonders hohe Berührungsmelderate, da die kürzestmögliche Abtastzeit verwendet wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit dem Vergleich von Rauschmaßen mit einem Rauschschwellenwert auch die Alternative des Vergleichs des erwarteten Signal Rausch-Verhältnisses (SNR) mit einem (vordefinierten) SNR-Schwellenwert gemeint ist. Das SNR kann aus einer a priori ermittelten Signalleistung und der Bestimmung des Rauschmaßes berechnet werden, wie im Vorangegangenen beschrieben.
In einigen Ausführungsformen weist der Schritt des Bestimmens der Erfassungsanordnung aus dem Satz von Kandidaten-Erfassungsanordnungen weiterhin das Vergleichen des einen oder der mehreren Rauschmaße mit einem Rauschschwellenwert auf, und, falls der Rauschschwellenwert von keinem der einen oder mehreren Rauschmaße erfüllt wird, das Erhöhen der Abtastzeit von zumindest einer der Kandidaten-Erfassungsanordnungen, um zumindest eine aktualisierte Kandidaten-Erfassungsanordnung zu erhalten, das Bestimmen eines oder mehrerer aktualisierter Rauschmaße für die zumindest eine aktualisierte Kandidaten-Erfassungsanordnung und das Vergleichen des einen oder der mehreren aktualisierten Rauschmaße mit dem Rauschschwellenwert.
Die vorliegenden Ausführungsformen ermöglichen die schrittweise Bewertung von Erfassungsanordnungen mit erhöhter Abtastzeit, falls keine der ursprünglichen Erfassungsanordnungen den gewünschten Rauschschwellenwert erfüllt, der z. B. entsprechend der jeweiligen Anwendung festgelegt werden kann. Dementsprechend und in einigen Ausführungsformen können die besprochenen Schritte wiederholt werden, bis eine Erfassungsanordnung gefunden wird, die den Rauschschwellenwert erfüllt. Für den Fall, dass in einer gegebenen Iteration mehrere Erfassungsanordnungskandidaten gefunden werden, die den Schwellenwert erfüllen, wird in einigen Ausführungsformen diejenige Erfassungsanordnung als Erfassungsanordnung für den Systembetrieb ausgewählt, die den niedrigsten Rauschpegel für die Abtastzeit der gegebenen Iteration aufweist. In einigen Ausführungsformen wird die Abtastzeit mehrerer oder aller Kandidaten-Erfassungsanordnungen in einer bestimmten Iteration der vorangegangenen Schritte erhöht. Dies führt zu mehreren aktualisierten Erfassungsanordnungskandidaten, die dieselbe Betriebs- und Abtastfrequenz, aber unterschiedliche Koeffizientenvektoren aufweisen können.
In einigen Ausführungsformen wird die Abtastzeit um ein im Wesentlichen ganzzahliges Vielfaches der Abtastzeit der ursprünglichen/vorherigen Kandidaten-Erfassungsanordnung erhöht. Diese Ausführungsformen sind besonders vorteilhaft für die Reduzierung von Rauschen. In einigen Ausführungsformen weist ein „im Wesentlichen ganzzahliges Vielfaches“ prozentuale Abweichungen von dem ganzzahligen Vielfachen von ca. ± 100/T % auf, wobei T die ursprüngliche Abtastzeit ist.
Um die Abtastzeit zu verlängern, kann in einigen Ausführungsformen eine neue Rauschabtastung mit einer entsprechend verlängerten Abtastzeit durchgeführt werden, um die zumindest eine aktualisierte mögliche Erfassungsanordnung zu erhalten.
In anderen Ausführungsformen ist es möglich, während des Schritts der Gewinnung des Sensorempfangssignals aus dem Sensorsystem ein Sensorempfangssignal mit maximaler Abtastzeit zu gewinnen und zunächst nur einen Teil davon zu berücksichtigen. Beispielsweise wird in einigen Ausführungsformen nach Durchführung der A/D-Wandlung nur ein Teil des Sensorempfangssignals weiterverarbeitet und bildet die Grundlage für die besprochene Dezimierung, nämlich mit einer minimalen Abtastzeit, während das ursprüngliche Sensorempfangssignal gespeichert wird. In diesen Ausführungsformen ist es möglich, die Abtastzeit zu „erhöhen“, indem anschließend ein längerer Teil der gespeicherten Kopie des ursprünglichen Sensorempfangssignals verwendet wird, d. h. mit erhöhter Abtastzeit. In einigen Ausführungsformen kann die maximale Abtastzeit das Vierfache der minimalen Abtastzeit betragen.
In einigen Ausführungsformen kann eine vordefinierte Mindestausgaberate für das Sensorsystem vorgegeben werden oder umgekehrt eine maximale Dauer für einen Scanzyklus (d. h. die aufeinanderfolgende Durchführung eines oder mehrerer Rauschabtastungen und eines SN-Scans), während der entsprechende Messdaten erfasst werden. Diese für einen Scan-Zyklus zur Verfügung stehende Zeit verteilt sich auf alle während des Scan-Zyklus durchzuführenden Einzelmessungen, einschließlich Hilfsmessungen wie einer Rauschabtastung und zumindest einem SN-Scan. So ergibt sich beispielsweise für eine Einzelmessung eines SN-Scans eine maximale Abtastzeit T. Bei einer AC mit der Abtastfrequenz f_S, z.B., f_S = 2 * f_C, wobei f_S das Doppelte der Betriebsfrequenz oder Trägerfrequenz f_C ist, können bis zu $| \frac{T}{1 / fs} |$
ADC-Abtastwerte in die Zeit T passen. Um diese verfügbare Abtastzeit T voll auszunutzen, ist es daher in einigen Ausführungsformen möglich, die Anzahl der zu erfassenden und zu verarbeitenden Abtastwerte, hier als „Paketlänge“ L bezeichnet, für die gegebene AC auf $L = | \frac{T}{1 / fs} |$
einzustellen.
In einigen Ausführungsformen und für den Fall, dass ein Finite Input Response (FIR-) Tiefpassfilter zur Verarbeitung der erfassten Daten verwendet wird, kann die Filterlänge auch auf L gesetzt werden, um alle erfassten Daten zu nutzen, und weil ein einziger Ausgabewert für die während der Abtastzeit T erfassten Daten erwünscht sein kann, während der Tiefpassfilterausgang eingeschwungen sein muss. Der Vektor der Tiefpassfilterkoeffizienten kann beispielsweise gewählt werden, um die Spektralunterdrückung des Filters in einigen Ausführungsformen zu steuern. So können beispielsweise die ersten Elemente des Vektors positive Werte sein, die kleiner sind als die mittleren Elemente des Vektors. Ein solcher Vektor kann zum Beispiel [0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,2, 0,1, 0,05] sein. In einigen Ausführungsformen ist der Vektor symmetrisch. Zum Beispiel ist es möglich, ein Hanning-Window der Länge L als Vektor der Tiefpassfilterkoeffizienten zu wählen. Das n-te Element des Hanning-Windows, wie von Mathworks definiert, ist $w_{n} = sin (\frac{π (n + 1)}{L + 1}), 0 \leq n \leq (L - 1)$
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren im Anschluss an die Rauschabtastung das Betreiben des Sensorsystems während eines SN-Scan unter Verwendung der während der Rauschabtastung bestimmten Erfassungsanordnung auf. Während des SN-Scans kann das Sensorsystem so betrieben werden, dass es ein Stimulussignal aussendet, um ein elektrisches Wechselfeld anzuregen, das dann für die jeweilige Erfassungsanwendung, z. B. eine Berührungserkennung, ausgewertet werden kann.
In einigen Ausführungsformen wird das Sensorsystem während des SN-Scans mit der Erfassungsanordnung der letzten Rauschabtastung betrieben, da die Erfassungsanordnung des letzten Scans die aktuellste Konfiguration für ein aktuelles Rauschszenario darstellt. In einigen Ausführungsformen wird im Anschluss an den SN-Scan ein weiterer Rauschscan durchgeführt. Der sich daraus ergebende zyklische Vorgang kann in einigen Ausführungsformen so lange wiederholt werden, bis der Erfassungsbetrieb des Sensorsystems eingestellt wird, beispielsweise wenn das Sensorsystem abgeschaltet wird.
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren die anschließende Durchführung mehrerer Rauschabtastungen zwischen zwei SN-Scans auf, wobei die mehreren Rauschabtastungen vordefinierte Rauschabtastfrequenzen verwenden, wobei sich die vordefinierten Rauschabtastfrequenzen zumindest einiger (oder z. B. aller) der mehreren Rauschabtastungen voneinander unterscheiden. Die vorliegenden Ausführungsformen ermöglichen es, die Bestimmung einer rauschrobusten Erfassungsanordnung weiter zu verbessern, insbesondere wenn Erfassungsanordnungen bewertet werden sollen, die kein gemeinsames Vielfaches aufweisen.
Zum Beispiel ist es möglich, eine Gesamterfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems aus den Erfassungsanordnungen zu bestimmen, die während der anschließend durchgeführten mehrfachen Rauschabtastungen erhalten wurden. Mit anderen Worten, eine „bevorzugte“ oder „beste“ Gesamterfassungsanordnung kann aus den mehreren Erfassungsanordnungen bestimmt werden, die bei jedem Durchlauf einer Rauschabtastung ermittelt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Gesamterfassungsanordnung aus der Gruppe von Erfassungsanordnungen bestimmt werden, die während der mehrfachen Rauschabtastungen ermittelt wurden, indem die zugehörigen Rauschmessungen und/oder die jeweiligen Abtastzeiten verglichen werden.
Alternativ ist es in einigen Ausführungsformen möglich, Rauschabtastungen für z. B. nur zwei (oder eine unterschiedliche Anzahl von) vordefinierten Rauschabtastfrequenzen nacheinander während eines Abtastzyklus durchzuführen, wobei diejenige beibehalten wird, die die beste AC ergibt, und die verbleibenden Kandidaten-Rauschabtastfrequenzen zyklisch in einer Schleife zu durchlaufen, um die zweite auszuwählen.
In einigen Ausführungsformen wird die Aperturzeit der A/D-Wandlung zur Bestimmung der Erfassungsanordnung (d. h. während der Rauschabtastung) so eingestellt, dass sie im Wesentlichen identisch mit der Aperturzeit eines SN-Scans oder ein ganzzahliger Bruchteil davon ist. Mit anderen Worten, es wird eine Aperturzeit für den SN-Scan entsprechend der jeweiligen Anwendung (z. B. in Bezug auf die Berührungsmelderate) vordefiniert oder nach Wunsch gewählt, und die Aperturzeit für die A/D-Wandlung während der Rauschabtastung wird entsprechend eingestellt, d. h. identisch oder ein ganzzahliger Bruchteil der vordefinierten Aperturzeit. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Aperturzeit“ im Allgemeinen als die Zeitdauer verstanden, während der ein analoges Signal in ein Messsystem eingegeben wird, d. h. die Zeit, während der das Messsystem der Außenwelt ausgesetzt ist und somit sein interner analoger Zustand durch das analoge Eingangssignal verändert wird. In einigen Ausführungsformen bezieht sich die Aperturzeit auf die Zeit, in der das Sensor-Empfangssignal in die Sensorschnittstelle der Sensorschaltung eingegeben wird, was im Folgenden erläutert wird. In einigen Ausführungsformen bezieht sich die Aperturzeit auf den Zeitpunkt, zu dem das Sensorempfangssignal in den A/D-Wandler der Sensorschaltung eingegeben wird, was im Folgenden erläutert wird.
Wenn die Zeit der Rauschabtastung mit der Zeit der SN-Scan identisch ist, kann eine relativ gute Trägerfrequenzentscheidung getroffen werden. Wenn die Rauschabtastungs-Aperturzeit ein ganzzahliger Bruchteil der SN-Scan-Aperturzeit ist und das Rauschen schmalbandig ist, ist es immer noch möglich, die beste Trägerfrequenz zu ermitteln, obwohl keine absolute Schätzung der effektiven Rauschleistung bereitgestellt werden kann.
Wie der Erfinder festgestellt hat, ist es möglich, für bestimmte Verhältnisse zwischen SN Scan- und Rauschabtastungs-Aperturzeiten eine relativ beste Trägerfrequenzentscheidung zu gewährleisten. Dies ist der Fall, wenn die Rauschabtastungs-Aperturzeit entweder a) identisch mit der SN-Scan-Aperturzeit ist, oder b) wenn die Rauschabtastungs-Aperturzeit ein ganzzahliger Bruchteil der SN-Scan-Aperturzeit ist, oder entsprechend, wenn die SN-Scan-Aperturzeit ein ganzzahliges Vielfaches der Rauschabtastungs-Aperturzeit ist.
In einigen Ausführungsformen ist (für eine gegebene Basisfrequenz f⁽ⁱ⁾ mit dem Basisfrequenzindex i) die Dauer L_p ^(i,j) * R^(i,j) / f⁽ⁱ⁾ für alle Indexpaare (i,j) ungefähr gleich.
In einigen Ausführungsformen werden die Verfahrensschritte zumindest teilweise von einer Sensorschaltung für ein Sensorsystem durchgeführt. In einigen Ausführungsformen wird ein (z. B. nichttransitorisches) computerlesbares Medium mit Inhalten bereitgestellt, die so ausgebildet sind, dass sie die Sensorschaltung veranlassen, die hier beschriebenen Verfahrensschritte durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Sensorschaltung zur Bestimmung einer Erfassungsanordnung für den Betrieb eines Sensorsystems bereitgestellt. Die Sensorschaltung umfasst, ist aber nicht beschränkt auf:

eine Sensorschnittstelle oder einen Sensoreingang zum Beziehen eines Sensorempfangssignals vom Sensorsystem;
einen A/D-Wandler zum Bestimmen eines digitalen Empfangssignals aus dem Sensorempfangssignal durch A/D-Wandlung des Sensorempfangssignals bei einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz;
eine Dezimierungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, bestimmt, wobei jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten einer jeweiligen Kandidaten-Erfassungsanordnung zugeordnet ist;
eine Rauschbewertungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie ein oder mehrere Rauschmaße für mehrere der Kandidaten-Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale bestimmt; und
eine Konfigurationsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße die Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen bestimmt.

In einigen Ausführungsformen ist die Sensorschaltung gemäß dem vorliegenden Aspekt gemäß einer oder mehreren der Ausführungsformen ausgebildet, die im Vorangehenden in Bezug auf den/die vorangehenden Aspekt(e) erörtert wurden. Hinsichtlich der verwendeten Begriffe und ihrer Definitionen wird auf die vorangehenden Aspekte verwiesen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein kapazitives Berührungserfassungssystem (kapazitiver Sensor) bereitgestellt. Das kapazitive Berührungserfassungssystem dieses Aspekts weist auf:

eine oder mehrere Elektroden, die zur kapazitiven Erfassung ausgebildet sind; und
eine Sensorschaltung, die mit zumindest einer der Elektroden verbunden ist; wobei die Sensorschaltung aufweist:
- eine Sensorschnittstelle oder einen Eingang zum Beziehen eines Sensorempfangssignals von der einen oder den mehreren Elektroden;
- einen A/D-Wandler zur Bestimmung eines digitalen Empfangssignals aus dem Sensorempfangssignal durch A/D-Wandlung des Sensorempfangssignals bei einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz;
- eine Dezimierungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, bestimmt, wobei jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten einer jeweiligen Kandidaten-Erfassungsanordnung zugeordnet ist;
- eine Rauschbewertungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie ein oder mehrere Rauschmaße für mehrere der Kandidaten-Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale bestimmt; und
- eine Konfigurationsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße die Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen bestimmt.

In einigen Ausführungsformen ist eine Sensorschaltung gemäß dem vorliegenden Aspekt gemäß einer oder mehreren der Ausführungsformen ausgebildet, die im Vorangehenden in Bezug auf den/die vorangehenden Aspekt(e) erörtert wurden. In Bezug auf die verwendeten Begriffe und ihre Definitionen wird auf die vorangehenden Aspekte verwiesen. Der hier verwendete Begriff „kapazitives Berührungssensorsystem“ umfasst berührungslose Sensorsysteme, z. B. auf der Grundlage einer Näherungserkennung.
Es wird nun auf die Zeichnungen verwiesen, in denen die verschiedenen Elemente der Ausführungsformen mit numerischen Bezeichnungen versehen sind und in denen weitere Ausführungsformen erläutert werden.
In den beispielhaften Ausführungsformen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne Merkmale dar, die unabhängig voneinander, in der gezeigten oder beschriebenen Kombination und in anderen als den gezeigten oder beschriebenen Kombinationen zu betrachten sind. Darüber hinaus können die beschriebenen Ausführungsformen auch durch andere als die beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzt werden.
1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Sensorschaltung 1 in einem schematischen Blockdiagramm. Die Sensorschaltung 1 ist für den Betrieb eines Sensorsystems oder eines Kommunikationssystems geeignet (beide nicht in 1 dargestellt). Beispielsweise kann ein Sensor 20 eines kapazitiven Berührungssensorsystems 21, das in 2 schematisch dargestellt ist, an die Sensorschaltung 1 angeschlossen werden. Im Rahmen der vorliegenden Erörterung wird auf das kapazitive Berührungserfassungssystem 21 Bezug genommen, auch wenn betont wird, dass die Erfindung nicht auf kapazitive Berührungserfassungssysteme beschränkt ist.
Die beispielhafte Sensorschaltung 1 der Ausführungsform nach 1 kann durch einen Mikrocontroller mit Hardware/Software verkörpert werden, der die folgenden Funktionen und Komponenten bereitstellt. Zur besseren Übersichtlichkeit ist der Mikrocontroller selbst im schematischen Blockdiagramm von 1 nicht dargestellt.
Die Sensorschaltung 1 weist eine Sensorschnittstelle 2 auf, die über Sensoranschlüsse 3 mit dem Sensor 20 des kapazitiven Berührungssensorsystems 21 verbunden werden kann. Die kapazitive Berührungsabtastung ist beispielsweise für die Verwendung in kapazitiven Touchscreen-Panels von elektronischen Geräten wie Computern, Tablets, Smartphones, Wearables und Smart-Home-Geräten sowie elektronischen Komponenten für Fahrzeuge, Züge, Schiffe, Luft-/Raumfahrzeuge und industrielle oder wissenschaftliche Geräte bekannt, ohne Einschränkung. In einem Beispiel ist das kapazitive Berührungserfassungssystem 21 ein „berührungsloses“ Sensorsystem.
Die Sensorschnittstelle 2 und die Sensoranschlüsse 3 ermöglichen es der Sensorschaltung 1, den Sensor 20 des kapazitiven Berührungssensorsystems 21 während des Erfassungsvorgangs zu betreiben/anzusteuern, der hier als „Signal- und Rauschabtastung“ oder SN-Scan bezeichnet wird. Während eines SN-Scans erzeugt und sendet die Sensorschaltung 1 oder genauer gesagt eine Ansteuerungsschaltung 4 der Sensorschaltung 1 ein Stimulussignal, um ein elektrisches Wechselfeld in der Nähe des Sensors 20 des kapazitiven Berührungssensorsystems 21 anzuregen, das dann auf der Empfangsseite den Informationsteil bereitstellt, nämlich in Bezug auf die kapazitive Berührungserfassung, ob ein oder mehrere Finger eines Benutzers oder ein anderes Objekt in der Nähe der Oberfläche des Sensors 20 erfasst werden. Sowohl die Übertragung des Stimulussignals als auch der Empfang eines zurückkommenden Sensor-Empfangssignals erfolgt über die Sensorschnittstelle 2. Für die Zwecke der vorliegenden Diskussion und als Beispiel ist das Stimulussignal ein aperiodisches Signal, nämlich eine rechteckige Impulsfolge. Die Frequenz dieses periodischen Signals, d. h. die Pulsfrequenz, wird als Betriebsfrequenz oder Trägerfrequenz des SN-Scans bezeichnet.
Zusätzlich zum Erfassungsvorgang führt der Sensorschaltkreis 1 Rauschabtastungen in einem entsprechenden Rauschabtastmodus durch. Während einer Rauschabtastung wird vorzugsweise kein Stimulussignal von der Sensorschaltung 1 an den Sensor angelegt.
Die oben beschriebenen Rauschabtastungen dienen als Testmessungen und ermöglichen die Berechnung von Rauschmaßen aus den während der Rauschabtastungen erhaltenen Messdaten, die repräsentativ für die während eines SN-Scan zu erwartende Rauschmenge sind. Die Robustheit gegenüber Rauschen ist eine zentrale Herausforderung für jedes Kommunikationssystem oder Sensorsystem, einschließlich des kapazitiven225101520Berührungssensorsystems 21. Insbesondere geht es um das Bestehen von IEC-Standardtests für leitungsgebundenes Rauschen, z. B. mit amplitudenmoduliertem Rauschen wie in IEC 61000-4-6, um Großstromeinspeisungstests (BCI), z. B. gemäß der Automobilnorm ISO 11452-4, oder um Robustheit gegenüber quadratischem Rauschen. Darüber hinaus ist es für verschiedene Anwendungen des kapazitiven Berührungserfassungssystems 21 wichtig, eine hohe Berührungsmelderate mit zuverlässigen und genauen Ausgabeschätzungen zu erzielen.
Ein Ziel der Durchführung der Rauschabtastungen ist es, eine Erfassungsanordnung für den Betrieb des kapazitiven Berührungssensorsystems 21 während eines SN-Scan zu bestimmen. Die Erfassungsanordnung weist einen oder mehrere Parameter für den Betrieb des kapazitiven Berührungssensorsystems 21 während eines SN-Scans auf und kann einen oder mehrere der folgenden Parameter aufweisen: eine Abtastfrequenz für die A/D Wandlung, eine Betriebsfrequenz (Trägerfrequenz) des Stimulussignals für den (Erfassungs- )Betrieb des Sensorsystems, die Scan-Dauer, eine Anzahl von zu erfassenden Abtastwerten und Tiefpassfilterkoeffizienten.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Abtastfrequenz für die A/D-Wandlung während eines SN-Scan als mit der Betriebsfrequenz/Trägerfrequenz des Stimulussignals in Beziehung stehend angesehen wird. Ein Grund für diese Beziehung ist, dass das Empfangssignal des Sensors in der vorliegenden Ausführungsform ein quasistatisches Signal ist, d. h. ein Signal, das sich in bestimmten Zeitintervallen nicht oder nur wenig ändert, da das Stimulussignal die Form einer rechteckigen Impulsfolge aufweist. Auf der Empfangs- oder Abtastseite werden, wie im Folgenden erläutert, die Flanken des Signals nach der Tiefpassfilterung abgerundet, und nach jeder Flanke weist es eine Übergangsdauer auf, bis es sich auf einen konstanten Pegel einpendelt. Dabei wird das empfangene Signal nach jeder Flanke einmal abgetastet, wenn sich das Signal ausreichend eingependelt hat, d.h. es gibt zwei Abtastungen pro Periode der rechteckigen Impulsfolge während des SN-Scans, was einer Abtastfrequenz entspricht, die doppelt so hoch ist wie die Trägerfrequenz.
Die Sensorschaltung 1 weist weiterhin einen A/D-Wandler 5 auf, eine digitale Signalverarbeitungsschaltung 15, eine Rauschbewertungsschaltung 8, eine Konfigurationsschaltung 9, einen Speicher 10, einen Berührungsdetektor 11 und einen Ausgang 12. Die digitale Signalverarbeitungsschaltung 15 weist insbesondere eine Dezimierungsschaltung (in 1 nicht dargestellt) auf, die so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl dezimierter digitaler Empfangssignale bestimmt, wie im Folgenden näher erläutert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass in 1 nicht alle Steuerverbindungen zwischen den vorgenannten Komponenten dargestellt sind, z. B. zur Steuerung der Abtastrate des A/D-Wandlers 5 oder des Zugriffs auf den Speicher 10 durch die Signalverarbeitungsschaltung 15.
Während einer Rauschabtastung ist die Signalverarbeitungskette aus A/D-Wandler 5, digitaler Signalverarbeitungsschaltung 15, Rauschbewertungsschaltung 8 und Konfigurationsschaltung 9 aktiv.
Während des SN-Scans sind die Rauschauswertungsschaltung 8 und die Konfigurationsschaltung 9 deaktiviert bzw. inaktiv. In diesem Fall wird das vom Sensor empfangene Signal nach der A/D-Wandlung und Signalverarbeitung an den Berührungsdetektor 11 weitergeleitet, um eine Berührung des Sensors 20 durch den Benutzer zu erkennen. Das Ergebnis wird über den Ausgang 12 an eine angeschlossene externe Komponente weitergeleitet.
Die Funktionsweise der Sensorschaltung 1 und seiner Komponenten wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 und das Flussdiagramm nach 3 erläutert.
Der Einfachheit halber wird davon ausgegangen, dass das beispielhafte kapazitive berührungsempfindliche oder berührungslose Abtastsystem 21 eine Vielzahl von Erfassungsanordnungen aufweist, deren analoge Front-End-Parameter bis auf die Betriebsfrequenzen und die jeweiligen Abtastfrequenzen gleich sind, wobei letztere, wie oben erläutert, in dieser beispielhaften Ausführungsform das Doppelte der Trägerfrequenzen betragen. Die verschiedenen Abtastfrequenzen haben ein gemeinsames Vielfaches, nämlich die vordefinierte Rauschabtastfrequenz. Andere digitale Signalverarbeitungsparameter, wie die Anzahl der zu filternden Abtastwerte und die Wahl der Tiefpassfilterkoeffizienten, können sich zwischen diesen ACs unterscheiden, müssen es aber nicht.
Eine Rauschabtastung beginnt in Schritt 30 mit der Initialisierung/Einschaltung der Sensorschaltung 1. In Schritt 31 wird das Sensor-Empfangssignal vom Sensor 20 über die Sensorschnittstelle 2, wie oben beschrieben, gewonnen, ohne dass ein Stimulussignal angelegt wird. Das Signal besteht also nur aus Rauschen.
Das Sensorempfangssignal wird anschließend in Schritt 32 mit dem A/D-Wandler 5 A/D gewandelt, um ein digitales Sensorempfangssignal zu erhalten. Während der Rauschabtastung werden Daten mit einer Frequenz f_b erfasst, die wir als Basisfrequenz oder vordefinierte Rauschabtastfrequenz bezeichnen. Während eines Konfigurationsschritts (nicht gezeigt) wird f_b, als gemeinsames Vielfaches der SN-Scan-Abtastfrequenzen einer Vielzahl von ACs gewählt. Einer dieser ACs weist z. B. die Trägerfrequenz f_c auf. Während eines SN-Scans mit diesem AC wäre die Abtastfrequenz f_s = 2 * f_c. Die vordefinierte Rauschabtastfrequenz ist jedoch R-mal höher, nämlich f_b = R * 2 * f_c, wobei R eine Dezimierungsrate ist. Der A/D-Wandler 5 tastet also das analoge Sensor-Empfangssignal während der Rauschabtastung mit der Abtastfrequenz f_b = R * 2 * f_c ab, d. h. die Abtastfrequenz ist R-mal höher als beim SN-Scan.
In Schritt 33 werden dezimierte digitale Empfangssignale von der Dezimierungsschaltung der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 15 aus dem digitalen Sensorempfangssignal erzeugt.
Durch die Dezimierung des digitalen Sensorempfangssignals wird die Anzahl der Abtastwerte im jeweiligen dezimierten digitalen Empfangssignal reduziert. 4 zeigt schematisch den Betrieb der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 15 für beispielhafte Dezimierungsraten R=2, 3, 4 und 6.
Bei der Dezimierung werden mehrere verschiedene Dezimierungsraten verwendet, und zwar, wie in 4 gezeigt, die Dezimierungsraten R=2, 3, 4 und 6. Für jede Dezimierungsrate werden mehrere dezimierte digitale Empfangssignale bereitgestellt, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.
Die Anwendung der Dezimierung mit mehreren Dezimierungsraten ermöglicht es, dass mehrere mögliche Erfassungsanordnungen aus denselben Messdaten, d. h. dem digitalen Sensorempfangssignal, bewertet werden können. Wie bereits erwähnt, weisen die (Kandidaten-)Erfassungsanordnungen in dieser Ausführungsform Abtastfrequenzen auf, deren gemeinsames Vielfaches die Abtastfrequenz der Rauschabtastung ist. Auch die Länge der Tiefpassfilter und die Koeffizientenwerte können in einigen Beispielen unterschiedlich sein. Die Dezimierung des digitalen Rauschabtastungs-Sensorempfangssignals mit mehreren Dezimierungsraten liefert dezimierte digitale Empfangssignale mit diesen unterschiedlichen Abtastfrequenzen und ermöglicht so die Auswertung der verschiedenen Erfassungsanordnungen mit demselben Sensorempfangssignal. Wie aus dem Beispiel in 4 ersichtlich, ist die Abtastdauer zwar konstant (nämlich L⁽ⁱ⁾ = 24 Abtastwerte), die Anzahl der Abtastwerte in den dezimierten digitalen Empfangssignalen, die der Paketlänge L der jeweiligen AC entspricht, variiert jedoch in Abhängigkeit von der Dezimierungsrate. In einigen Ausführungsformen kann die Abtastdauer für verschiedene ACs unterschiedlich sein. Wenn beispielsweise die Rauschabtastung insgesamt 20 Abtastwerte ergeben würde, würde R=4 zu 4*5=20 Abtastwerten führen, aber mit R=3 gäbe es nur 3*6=18 Abtastwerte, da 3*7=21 nicht in die ursprüngliche Abtastlänge von 20 „passt“.
Sobald dezimierte digitale Empfangssignale erzeugt sind, demoduliert die digitale Signalverarbeitungsschaltung 15 in Schritt 34 die dezimierten digitalen Empfangssignale. Dies geschieht hier ohne Einschränkung durch Multiplikation der Abtastwerte abwechselnd mit plus eins und minus eins, wie es auch bei einem SN-Scan der Fall wäre. Nach der Demodulation werden unerwünschte hochfrequente Signalanteile durch digitale Tiefpassfilterung, z. B. mit einem oder mehreren Finite Impulse Response (FIR-) Filtern, entfernt. Es wird darauf hingewiesen, dass unterschiedliche Dezimierungsraten R Unterschiede in der weiteren Verarbeitung erfordern können, insbesondere kann die Anzahl der Filterkoeffizienten der FIR-Filter gleich der Anzahl L_p ^(i,j) der Abtastwerte nach der Dezimierung sein, d. h. gleich der Paketlänge L der jeweiligen Kandidaten-AC, und die Werte der Filterkoeffizienten können sich für unterschiedliche Dezimierungsraten R entsprechend unterscheiden. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Filterung unter Verwendung eines Hanning-Windows der Länge L als Vektor der Tiefpassfilterkoeffizienten durchgeführt. Das n-te Element des Hanning-Windows, wie von Mathworks definiert, ist $w_{n} = sin (\frac{π (n + 1)}{L + 1}), 0 \leq n \leq (L - 1)$
Nach der Filterung wird eine weitere Dezimierung L_p ^(i,j) vorgenommen, um einen einzigen Ausgangswert für einen Block erfasster ADC-Abtastwerte zu erhalten. Die sich daraus ergebende digitale Verarbeitungskette der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 15 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 5 näher erläutert, wobei L_p ^(i,j) der Einfachheit halber mit L abgekürzt wird.
Die Auswertung erfolgt in Schritt 35 durch die Rauschbewertungsschaltung 8, die aus den dezimierten digitalen Empfangssignalen Rauschmaße für die Kandidaten-Erfassungsanordnungen ermittelt.
Wie bereits erwähnt, wird für jede Dezimierungsrate eine Gruppe von dezimierten digitalen Empfangssignalen bestimmt. In 4 ist beispielsweise oben das ursprüngliche ADC 5 Ausgangssignal mit L⁽ⁱ⁾ = 24 Abtastwerten x_k, k = 0,1,...,23 dargestellt. Unten ist für die Dezimierungsraten R = 2, 3, 4, 6 dargestellt, wie das einzelne ursprüngliche ADC-Signal in R Signale mit unterschiedlichen Startabtastwerten x_v, v = 0,1,...,R - 1 demultiplexiert wird. Dabei werden die Abtastwerte der dezimierten Signale in x_n ^(R,v) = x_v+n*R umbenannt. Das heißt, für die Beispielwerte von L⁽ⁱ⁾ = 24 Abtastwerte und R = 2, 3, 4, 6 in 4 ergeben sich dezimierte Signale der Länge 12, 8, 6 bzw. 4 Abtastwerte.
Wie aus 4 ersichtlich, werden für die Dezimierungsrate R=3 insgesamt drei dezimierte digitale Empfangssignale ermittelt, die unterschiedliche Startphasen, d.h. unterschiedliche Startsamples aufweisen. Dies geschieht, um in Schritt 35 ein besonders vorteilhaftes Rauschmaß zu berechnen, nämlich eine „effektive Rauschleistungsschätzung“, auch „ENPE“ genannt.
Dementsprechend sieht das Verfahren von 3 vor, dass das digitale Empfangssignal im digitalen Bereich unter Verwendung verschiedener Signalphasen v ∈ {0,1,..., R - 1} dezimiert wird, wobei jedes der resultierenden R-Signale eine Abtastrate f_s = f_b/R aufweist. Es wird darauf hingewiesen, dass in einigen Ausführungsformen die Menge der verwendeten Signalphasen auch eine Teilmenge der vollständigen Menge der Phasen {0, 1,..., R - 1} sein kann, zum Beispiel {0,2,4,..., R - 1}. Mit anderen Worten, jede Gruppe von dezimierten digitalen Empfangssignalen weist nicht unbedingt alle möglichen Signalphasen auf.
Mathematisch gesehen wird jeder Dezimierungsrate Rein Koeffizientenvektor mit der gleichen Länge wie die dezimierten Signale zugeordnet, der beispielsweise die Koeffizienten eines FIR-Tiefpassfilters (LPF) enthält. Zur Berechnung eines ENPE für eine Dezimierungsrate R wird in Schritt 35 von der Rauschbewertungsschaltung 8 für jeden der bis zu R dezimierten Signalvektoren das Punktprodukt mit dem zugeordneten Koeffizientenvektor berechnet. Optional und in einigen Ausführungsformen können diese Punktprodukte normalisiert werden, indem sie durch die Summe aller Koeffizienten dividiert werden. Dann wird der Durchschnitt der quadrierten normalisierten Punktprodukte berechnet, um den ENPE zu erhalten.
In mathematischer Hinsicht zeigt 4, wie für jedes R ∈ {2,3,4,6} der ursprüngliche Signalvektor x = [x₀ x₁ x₂ ... x₂₃] in bis zu R Signalvektoren $x^{(R, v)} = [x_{v} x_{v + R} x_{v + 2 R} \dots x_{v + (\frac{L}{R} - 1) \cdot R}] = [x_{0}^{(R, v)} x_{1}^{(R, v)} x_{2}^{(R, v)} \dots x_{\frac{L}{R} - 1}^{(R, v)}]$
aufgeteilt wird, wobei wir x_n ^(R,v) = X_v+n*R und v ∈ {0,1,..., R - 1} bezeichnen. Mit w = [w₀ w₁ w₂ ... w_N] bezeichnen wir den Koeffizientenvektor der Länge (N + 1) = L⁽ⁱ⁾ /R, der jeder Dezimierungsrate R zugeordnet ist. Der ENPE η(x, R, w) für ein Empfangssignal mit der Trägerfrequenz f_c, das mit f_s = 2 * f_c abgetastet, demoduliert und mit den Koeffizienten gefiltert wird, wird dann aus dem Rauschabtastdatenvektor x errechnet, der mit der Basisfrequenz f_b = R* 2 * f_c, der Dezimierungsrate R und dem Koeffizientenvektor w abgetastet wird als $η (x, R, w) : = \frac{1}{R} \cdot {\sum_{v = 0}^{R - 1} (\frac{1}{\sum_{n = 0}^{N} w_{n}} x_{n \cdot R + v} \cdot {(- 1)}^{n} \cdot w_{n})}^{2} .$
Hierbei wird der Term ${(\frac{1}{\sum_{n = 0}^{N} w_{n}} \cdot \sum_{n = 0}^{N} x_{n \cdot R + v} \cdot {(- 1)}^{n} \cdot w_{n})}^{2}$
als phaseninstantes Rauschmaß bezeichnet. Der Normierungsterm $\frac{1}{\sum_{n = 0}^{N} w_{n}}$
sichert eine Filter-Gleichstromverstärkung von 1 und kann aus der Summe über die Phasen v - dann quadriert - herausgelöst werden, oder kann in einem späteren Verarbeitungsschritt berücksichtigt werden, zurücklassend $η' (x, R, w) : = \frac{1}{R} \cdot {\sum_{v = 0}^{R - 1} (\sum_{n = 0}^{N} x_{n \cdot R + v} \cdot {(- 1)}^{n} \cdot w_{n})}^{2} .$
Um die verschiedenen Dezimierungsraten R zu unterscheiden, vergeben wir einen hochgestellten Index j=0,1,2, ... für die j-te Dezimierungsrate R^(0,j). Gleiches gilt für den Koeffizientenvektor, der der Dezimierungsrate R^(0,j) zugeordnet ist, so dass sich w^(0,j) ergibt.
Da dieselben Messdaten zur Berechnung der Rauschmaße für verschiedene AC-Kandidaten verwendet werden, wirken sich zeitliche Änderungen, z. B. bei amplitudenmoduliertem Rauschen, zwar auf die Rauschmaße aus, aber die aus denselben Daten berechneten Rauschmaße bleiben dennoch vergleichbar, so dass die AC mit dem relativ niedrigsten Rauschmaß zuverlässig ermittelt werden kann.
Für Dezimierungsraten, die ein Vielfaches von zwei sind, kann die Rechenkomplexität reduziert werden, indem die Summe über die Phasen v = 0,1, ..., R - 1 in die Summe über die Phasen v = v₀, v₀+R/2 geändert wird, wobei v₀ ∈ {0,1, ..., R/2 - 1} ist. Zum Beispiel kann man für R = 6 $η''^{(x,6, w)} : = \frac{1}{6} \cdot {\sum_{v = v_{0}, v_{0} + 3} (\frac{1}{\sum_{n = 0}^{N} w_{n}} \cdot \sum_{n = 0}^{N} x_{n \cdot 6 + v} \cdot {(- 1)}^{n} \cdot w_{n})}^{2}$
einsetzen, um eine komplexitätsreduzierte ENPE zu berechnen.
Sobald die Rauschmaße, d.h. die ENPES hier, für jeden Erfassungsanordnungskandidaten bestimmt sind, werden die ENPEs an die Konfigurationsschaltung 9 weitergeleitet, die die Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems aus den Erfassungsanordnungskandidaten unter Verwendung der in Schritt 36 bestimmten ENPES auswählt.
In dieser Ausführungsform bestimmt die Konfigurationsschaltung 9 in Schritt 36, welche der Kandidaten-Erfassungsanordnungen das geringste Rauschen ergibt, indem die zugehörigen ENPEs ausgewertet werden.
Wenn eine Erfassungsanordnung als Erfassungsanordnung ausgewählt ist, ist die Rauschabtastung abgeschlossen. Die Erfassungsanordnung wird von der Konfigurationsschaltung 9 an die Treiberschaltung 4 geliefert. Darüber hinaus wird die ausgewählte Erfassungsanordnung im Speicher 10 für spätere Verwendung gespeichert. Das kapazitive Berührungserfassungssystem 21 wird dann entsprechend den Ergebnissen der Rauschabtastung in zumindest einem SN-Scan (Schritt 37) betrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass ein SN-Scan für mehrere Sensor-(Sende-)Leitungen 3 durchgeführt werden kann, insbesondere im Falle von Sensoren mit gegenseitiger Kapazität. Nach dem/den SN-Scan(s) wird ein neuer Rauschscan durchgeführt, beginnend mit Schritt 30.
Die beiden sich daraus ergebenden Signalverarbeitungsketten für die Rauschabtastung und den SN-Scan sind in 5 in einem vereinfachten und schematischen Diagramm dargestellt.
5 (oben) zeigt die digitale Verarbeitung von Daten, die während eines SN-Scans erfasst wurden. Das Sensorempfangssignal wird mit der doppelten Trägerfrequenz f_c, d. h. f_s = 2 * f_c, unter Verwendung des ADC 5 vom analogen in den digitalen Bereich umgewandelt, um das digitale Sensorempfangssignal zu erhalten. Das digitale ADC-Ausgangssignal, d. h. das digitale Sensor-Empfangssignal, wird dann der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 15 zugeführt, die einen Demodulator 13, ein FIR-Tiefpassfilter 6 und eine Dezimierungsschaltung 7 aufweist. Das digitale ADC-Ausgangssignal, d. h. das digitale Sensorempfangssignal, wird vom Demodulator 13 demoduliert, indem seine Abtastwerte abwechselnd mit plus und minus eins multipliziert werden, und das demodulierte Signal wird in das digitale Tiefpass-LPF-Filter 6 mit L Filterkoeffizienten eingegeben und schließlich mit dem Faktor L dezimiert, d. h., nach Eingabe von L Abtastwerten wird nur ein Abtastwert vom Dezimator 7 ausgegeben.
Im unteren Teil von 5 ist die Verarbeitung der digitalen Verarbeitungsschaltung 15 und der Rauschauswertungsschaltung 8 während der Rauschabtastung detaillierter dargestellt. Der ADC 5 tastet das analoge Sensorempfangssignal mit der vordefinierten Rauschabtastfrequenz ab. In 5 ist die Verarbeitung eines beispielhaften AC dargestellt. Der Vorgang würde für jede zu betrachtende AC durchgeführt werden.
Die beispielhafte AC weist eine Trägerfrequenz f_c = f_b/(2*R) auf. Das abgetastete Signal wird nach der Umwandlung, um das digitale Sensorempfangssignal durch ADC 5 zu erhalten, auf R Signale demultiplexiert, die mit v ∈ {0, 1,..., R - 1} indiziert sind, wobei jedes der R Signale eine Abtastrate f_s = 2 * f_c aufweist. Vergleichbar mit der Verarbeitung während des SN-Scans und zur Schaffung ähnlicher Bedingungen wie bei einem SN-Scan wird jedes der demultiplexierten Signale von einem entsprechenden Demodulator 13 demoduliert, indem seine Abtastwerte abwechselnd mit plus und minus eins multipliziert werden, und jedes demodulierte Signal wird in einem FIR-Tiefpassfilter LPF 6 gefiltert und von einer Dezimierungsschaltung 7 dezimiert. Nach der Analog-Digital-Wandlung und der Verarbeitung von R * L Abtastwerten x_k haben wir für jedes dezimierte Signal einen dezimierten Abtastwert erhalten. Jeder dezimierte Abtastwert wird von der Rauschauswertungsschaltung 8 quadriert, und dann wird der Durchschnitt dieser R quadrierten Abtastwerte von der Rauschauswertungsschaltung 8 berechnet, was ein ENPE ergibt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die oben unter Bezugnahme auf 3 und 5 beschriebene Verarbeitung nicht unbedingt „online“ abgeschlossen werden muss. Stattdessen können, wie oben unter Bezugnahme auf 3 bis 5 erläutert, bei einer Ausführungsform, bei der jeder ADC-Abtastwert x_k verworfen werden kann, sobald er mit (±1) multipliziert wurde, was den demodulierten Wert als Zwischenprodukt ergibt, die Abtastwerte x_k im Speicher 10 zur Offline-Verarbeitung gespeichert werden. In dieser Ausführungsform wird die Verarbeitung, die unter Bezugnahme auf 3 und 5 erläutert wird, nach der A/D-Wandlung eingeleitet.
6 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm des Betriebs der Sensorschaltung 1 in einer anderen Ausführungsform. Der Betrieb entspricht der vorangegangenen Diskussion, insbesondere unter Bezugnahme auf 3. Dementsprechend entspricht der Betrieb in den Schritten 60 - 67 dem Betrieb in den entsprechenden Schritten 30-37, mit Ausnahme von Schritt 66a, in dem die Konfigurationsschaltung 9 die Aperturzeit der Erfassungsanordnung, die von der Treiberschaltung 4 für die SN-Scan verwendet wird, auf ein ganzzahliges Vielfaches der Aperturzeit (einschließlich identischer Aperturzeiten, d. h., wenn die Ganzzahl = 1 ist) einstellt, die vom A/D-Wandler 5 während der aktuellen Rauschabtastung verwendet wird. Zu diesem Zweck wird die Konfigurationsschaltung 9 an den A/D-Wandler 5 angeschlossen (in 1 nicht dargestellt). Die Aperturzeit wird beim nächsten Rauschabtastzyklus in Schritt 60 auf die ursprüngliche Aperturzeit zurückgesetzt.
Die vorliegende Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis des Erfinders, dass bei der Erfassung analoger Daten zur Erzeugung eines zeitdiskreten Abtastwerts die Zeitdauer, während der das analoge Signal in das Messsystem eingespeist wird, d. h. die Zeit, in der das Messsystem der Außenwelt ausgesetzt ist und somit sein interner analoger Zustand durch das analoge Eingangssignal verändert wird, den Wert des Ausgangsabtastwerts beeinflussen kann. Beim ADC 5 ist diese Zeitdauer die sogenannte „Aperturzeit“. Das schematische Diagramm in 7 zeigt die Größe der Übertragungsfunktion eines idealen ADC, auch als Empfindlichkeit gegenüber Eintonsignalen mit der Frequenz f_n bezeichnet, für die Aperturzeiten 0,833us und 2,5us. Spektrale Nullstellen können bei Vielfachen der inversen Aperturzeiten zu beobachten sein, d.h. bei 1/0,833us=1,2MHz bzw. 1/2,5us=400kHz.
Bei einigen berührungsempfindlichen Geräten fließt bei der Berührung einer Elektrode für eine bestimmte Zeitspanne ein elektrischer Strom zu oder von einer Sensorelektrode. Diese Integrationszeit wird auch als Aperturzeit betrachtet.
Die Aperturzeit kann nicht länger sein als die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Abtastwerten, das Abtastintervall, da sich die Aperturzeitfenster zweier aufeinander folgender Abtastwerte nicht überschneiden können. Je höher die Abtastfrequenz ist, desto kürzer ist das Abtastintervall und desto kürzer ist die maximale Aperturzeit. Daher ist bei einer Abtastung mit der vordefinierten Rauschabtastfrequenz f_b =2 * R * f_c, wobei f_c die Trägerfrequenz einer beispielhaften AC ist, die maximale Aperturzeit1/(2 * R * f_c) kürzer als bei einem SN-Scan, bei dem die Abtastfrequenz 1/(2 * f_c) ist.
Eine gewünschte Aperturzeit kann auch vom jeweiligen Sensortyp abhängen. Beispielsweise sind die Signaleinschwingzeiten bei ITO-Sensoren in der Regel höher als bei PCB-Sensoren, was auf die geringere Leitfähigkeit von ITO im Vergleich zu Kupfer zurückzuführen ist. Daher kann für einen ITO-Sensor im Vergleich zu einem ähnlich geformten PCB-Sensor eine längere Aperturzeit erwünscht sein. Es wird darauf hingewiesen, dass es auch Fälle gibt, in denen die Aperturzeit einen praktisch vernachlässigbaren Einfluss auf die Messwerte aufweist. Dazu gehören beispielsweise Spannungsmessungen am Ausgang einer Spannungsfolgerschaltung (Pufferverstärker).
In bestimmten Fällen ist es jedoch möglich, dass die gewünschte Aperturzeit kürzer ist als das Abtastintervall des SN-Scans, aber länger als das Abtastintervall der Rauschabtastung. In diesem Fall ist die gewünschte Aperturzeit natürlich nicht auf die Rauschabtastung anwendbar. Für die Rauschabtastung kann eine andere, kürzere Aperturzeit gewählt werden. Die Wahl unterschiedlicher Aperturzeiten für den SN-Scan und die Rauschabtastung kann jedoch möglicherweise die Möglichkeit beeinträchtigen, aus den Daten der Rauschabtastung einen zuverlässigen ENPE für einen SN-Scan zu ermitteln. Insbesondere wenn das Suszeptibilitätsspektrum der Rauschabtastung Nullen bei Frequenzen aufweist, bei denen das Suszeptibilitätsspektrum des SN-Scans keine Nullen aufweist, ist es möglich, dass schädliches Rauschen in den Daten der Rauschabtastung nicht erkannt wird und ein Algorithmus für die Rauschrobustheit unsinnige Entscheidungen trifft.
Für bestimmte Verhältnisse zwischen SN-Scan- und Rauschabtastungs-Aperturzeiten ist es jedoch möglich, eine relativ beste Trägerfrequenzentscheidung zu treffen, d. h. eine Entscheidung über eine relativ beste Erfassungsanordnung für einige Rauschszenarien. Dies ist der Fall, wenn die Rauschabtastungs-Aperturzeit ein ganzzahliger Bruchteil der SN-Scan-Aperturzeit ist oder entsprechend, wenn die SN-Scan-Aperturzeit ein ganzzahliges Vielfaches der Rauschabtastungs-Aperturzeit ist. Dies ist in 7 beispielhaft für den Bruchteil 1/3 dargestellt, wenn alle „Noise-Scan-Nullen“ (Integrationszeit 0,833us) auf „SN-Scan-Nullen“ (Integrationszeit 2,5us) fallen.
Der ENPE stellt einen absoluten Schätzwert für die Rauschleistung eines empfangenen Signals nach Demodulation und Tiefpassfilterung bereit. Für einige Sensorsysteme oder Anwendungen kann es einen oberen Schwellenwert für diese Rauschleistung geben, oberhalb dessen ein Betrieb nicht wünschenswert ist.
Ein beispielhafter Ansatz, um eine geringere Rauschleistung zu erzielen, besteht darin, die Anzahl L der erfassten und verarbeiteten Abtastwerte, hier als „Paketlänge“ bezeichnet, und damit die Filterlänge gleich L zu erhöhen. Eine Erhöhung der Paketlänge allein führt jedoch im Allgemeinen nicht zu einer besseren Rauschunterdrückung. Die Rauschunterdrückung hängt in erster Linie von der gewählten Tiefpassfilterung ab, bei der die Paket- und Filterlänge nur ein Aspekt ist. 17 zeigt ein Beispiel für die spektrale Rauschunterdrückung, wenn die Paketgröße von 5 auf 7 Abtastwerte für Boxcar-Window und Hanning-Window erhöht wird. Im oberen Diagramm mit dem Boxcar-Window beispielsweise wird die Rauschempfindlichkeit für die normierte Frequenz Ω := 2πf/f_s = 0,4 π Radiant/Abtastwert erhöht und nicht verringert.
9 zeigt für Tiefpassfilter mit Boxcar- oder Rechteckfenster (oben) und für Tiefpassfilter mit „Hanning“-Window (unten), wie die Paketlänge erhöht werden muss, damit die Rauschunterdrückung für alle Rauschfrequenzen f = f_n oder alle normierten Frequenzen Ω = 2πf/f_s in 9 verbessert wird. Insbesondere sollten die spektralen Nullstellen für kürzere Paketlängen auf Nullstellen für längere Paketlängen fallen. In 9 wird gezeigt, dass dies erreicht wird, wenn bei einer Boxcar-Window-LPF die längere Paketlänge ein Vielfaches der kürzeren Paketlänge ist, und bei einer Hanning-Window-LPF die längere Paketlänge ein Vielfaches der kürzeren Paketlänge plus eins ist. Für Boxcar-, Hann-Window und MATLAB-Hanning-Window-Tiefpassfilter (ein Hanning-Window entspricht hier einem Hann-Window, bei dem der erste und der letzte Abtastwert entfernt wurden) lautet die Regel, wie eine Paketlänge L auf L' zu erhöhen ist, um eine verbesserte Rauschunterdrückung für alle Rauschfrequenzen zu gewährleisten $L' = {\begin{matrix} k \cdot L & : boxcar window \\ k \cdot L - (k - 1) & : Hann window & , k = 1,2,3,... \\ k \cdot L + (k - 1) & :' hanning' window \end{matrix}$
Eine weitere Anforderung an Sensorsysteme kann eine Mindestmelderate sein, d. h. das kapazitive berührungsempfindliche oder berührungslose Erfassungssystem 21 muss geschätzte Daten mit einer Melderate ausgeben, die gleich oder höher als eine minimale Melderate ist. Bei diesen geschätzten Daten kann es sich beispielsweise um tiefpassgefilterte und dezimierte Daten handeln, wie sie in 5 (oben) als „zum Berührungsdetektor 11“ dargestellt sind, oder um daraus berechnete Daten. Eine solche minimale Melderate ist in der Regel unabhängig davon, wie die gemeldeten Daten erfasst und verarbeitet werden, d. h. sie ist z. B. unabhängig von der Trägerfrequenz. Die minimale Melderate setzt jedoch die Obergrenze für die Messzeit auf den Kehrwert der minimalen Melderate. Eine weitere Anforderung an das kapazitive Berührungserfassungssystem 21 kann ein Mindest-SNR sein, d. h. die erwartete Rauschleistung eines Ausgangswertes muss unter einem Grenzwert liegen. In einigen Ausführungsformen kann dies sogar die Hauptanforderung sein, und wenn sie mit einer gewünschten Melderate nicht erfüllt werden kann, wird die Melderate reduziert (d. h. die Abtastzeit erhöht), während die Rauschleistungsbegrenzung beibehalten und versucht wird, sie zu erfüllen, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 8A und 8B erörtert wird.
8A und 8B zeigen ein Flussdiagramm des Betriebs der Sensorschaltung 1 in einer anderen beispielhaften Ausführungsform. Der Betrieb entspricht der vorangegangenen Diskussion, insbesondere unter Bezugnahme auf 6. Dementsprechend entspricht der Betrieb in den Schritten 80 bis 87 dem jeweiligen Betrieb in den Schritten 60 bis 67, mit Ausnahme der Schritte 82a und 86a bis 86g, wie im Folgenden erläutert.
In Schritt 82 wird das vom kapazitiven Berührungssensor 21 erhaltene Sensor-Empfangssignal A/D-gewandelt, um das digitale Empfangssignal zu erhalten, das der oben unter Bezugnahme auf die Schritte 32 und 62 beschriebenen Verarbeitung entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform weist das in Schritt 81 erhaltene Sensorempfangssignal eine maximale vordefinierte Abtastzeit, d. h. eine vordefinierte maximale Dauer auf. Beispielsweise kann die vordefinierte Höchstdauer 200 Mikrosekunden betragen.
In Schritt 82a wird eine Kopie des digitalen Empfangssignals mit der maximalen Abtastzeit im Speicher 10 abgelegt. Dann wird ein Teil des digitalen Empfangssignals, nämlich mit einer vordefinierten minimalen Abtastzeit, ausgewählt. Die weitere Verarbeitung der Schritte 83 - 85 erfolgt auf der Grundlage dieses Teils des digitalen Empfangssignals.
In Schritt 86 wird die Erfassungsanordnung aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen ausgewählt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Verarbeitung in Schritt 86 in 8B in die Schritte 86a - 86g unterteilt dargestellt.
In Schritt 86a wählt die Konfigurationsschaltung 9 die Erfassungsanordnung aus, die das geringste Rauschen ergibt, indem sie die in Schritt 85 ermittelten zugehörigen ENPES auswertet. In Schritt 86b bestimmt die Konfigurationsschaltung 9, ob die ausgewählte ENPE einen vordefinierten Rauschschwellenwert erfüllt oder unterschreitet, der als Rauschleistung oder SNR definiert sein kann. Beispielsweise kann die vordefinierte Rauschschwelle in Bezug auf SNR 20 dB betragen. Wenn die ausgewählte ENPE den vordefinierten Rauschschwellenwert erreicht oder unterschreitet, wird die ausgewählte Erfassungsanordnung entsprechend der vorangegangenen Erklärung als Erfassungsanordnung für den SN-Scan in Schritt 87 festgelegt. Die Aperturzeit für den SN-Scan wird in Schritt 86c eingestellt, wie unter Bezugnahme auf 6 erläutert.
Falls das Rauschmaß für die ausgewählte Erfassungsanordnung den vordefinierten Rauschschwellenwert überschreitet, wird die Verarbeitung mit Schritt 86d fortgesetzt. Unter der Annahme, dass in Schritt 86d die maximale vordefinierte Abtastzeit nicht erreicht wurde, erhöht die Konfigurationsschaltung 9 die Abtastzeit um etwa ein ganzzahliges Vielfaches und wertet diese erhöhte Abtastzeit aus. Dazu holt die Konfigurationsschaltung 9 in Schritt 86e die Kopie des ursprünglichen digitalen Empfangssignals mit der maximalen Abtastzeit aus dem Speicher 10, in den es in Schritt 82a gespeichert wurde. Dann wird in Schritt 86f ein größerer Teil des ursprünglichen digitalen Empfangssignals ausgewählt, dessen Abtastzeit ein ganzzahliges Vielfaches der vorherigen Abtastzeit ist, z.B. das Doppelte der Abtastzeit des vorhergehenden Teils, der ausgewertet wurde. Die Verarbeitung wird dann in Schritt 83 fortgesetzt und die vergrößerte Abtastzeit wird gemäß den Schritten 83 bis 86 ausgewertet, wie zuvor beschrieben.
Mathematisch gesehen wird der Noise Robustness Level (NRL) hier als Index für eine vordefinierte maximale Abtast- oder Messzeit verwendet. NRL ρ = 0 bezeichnet zum Beispiel den niedrigsten NRL-Wert, der der kürzesten maximalen Abtastzeit T₀ = 0 entspricht. Für jede mögliche Erfassungsanordnung wird die Paketlänge auf die maximale Anzahl [T₀ * f_s] von Abtastwerten festgelegt, die während dieser Zeit mit der Abtastfrequenz f_s = 2 * f_c erfasst werden können, wobei f_c die Trägerfrequenz der AC ist. Wenn z. B. T₀ = 125µs und f_c = 100kHz ist, beträgt die resultierende Paketlänge [125µs * 100kHz] = 12 ADC Abtastwerte.
Für die nächsthöhere NRL ρ = 1 wird für jede AC die Paketlänge nach Gleichung (1) in Abhängigkeit von der Tiefpassfilterauslegung bestimmt, z. B. mit dem Parameter k = 2, d. h. etwa eine Verdoppelung der Abtastzeit.
Die besprochenen Schritte werden iterativ wiederholt, bis entweder eine Erfassungsanordnung gefunden wird, die den Rauschschwellenwert erfüllt, oder die maximale vordefinierte Abtastzeit erreicht ist und keine Erfassungsanordnung den Rauschschwellenwert erfüllt. Im letzteren Fall führt die Abfrage von Schritt 86d zur Erzeugung eines Warnsignals am Ausgang 12 in Schritt 86g, das anzeigt, dass keine geeignete Erfassungsanordnung gefunden wurde. Der Vorgang wird dann mit Schritt 86c fortgesetzt, wobei die AC verwendet wird, die das beste Rauschmaß für den Betrieb im SN-Scan ergibt.
Wie aus dem Vorangegangenen ersichtlich, kann ein Scan-Zyklus aus einer Rauschabtastung, gefolgt von einem SN-Scan unter Verwendung der AC, die die beste Rauschmessung ergab, bestehen. Dann folgt der nächste Scan-Zyklus mit der nächsten Rauschabtastung und SN-Scan. Der Scan-Zyklus wird dann so lange wiederholt, bis das Gerät abgeschaltet wird.
Wie bereits erwähnt, besteht das Ziel darin, die niedrigste NRL zu finden, d. h. die kürzeste erforderliche Abtastzeit und damit die höchste Melderate, für die es eine Erfassungsanordnung gibt, die einen ENPE von höchstens der Rauschschwelle ergibt. Wenn es mehr als eine Erfassungsanordnung mit der gleichen Abtastzeit gibt, die einen ENPE unter dem Grenzwert ergibt, wählt das Verfahren der 8A und 8B die AC aus, die den niedrigsten ENPE ergibt.
Wenn es AC-Kandidaten gibt, deren Abtastfrequenzen kein gemeinsames Vielfaches aufweisen, kann ein leicht modifiziertes Verfahren eingesetzt werden, das mehrere vordefinierte Rauschabtastfrequenzen verwendet. Eine entsprechende beispielhafte Ausführungsform ist im Flussdiagramm von 10 dargestellt.
Bei einem Rauschabtastsignal, das mit der vordefinierten Rauschabtastfrequenz f_b abgetastet wird, ist es möglich, eine Vielzahl verschiedener Werte für die ganzzahlige Dezimierungsrate R zu wählen.
Die Anzahl der Trägerfrequenzen f_c =f_b/2R, für die ein ENPE berechnet werden kann, wenn ein Signal mit der Rauschabtastfrequenz f_b abgetastet wird, ist jedoch praktisch begrenzt.
Um die Menge der möglichen Trägerfrequenzen zu erhöhen, können in einer entsprechenden Ausführungsform zusätzliche Rauschabtastfrequenzen ausgewertet werden. Um diese Rauschabtastfrequenzen zu unterscheiden, weisen wir der i-ten Kandidatenbasisfrequenz f⁽ⁱ⁾ einen hochgestellten Index i = 0, 1, 2, ... zu. Die j-te Dezimierungsrate für die i-te Kandidaten-Basisfrequenz wird als R^(i,j) bezeichnet, und die entsprechende Kandidaten-Trägerfrequenz und der Koeffizientenvektor werden als f^(i,j) bzw. w^(i,j) bezeichnet.
Wir bezeichnen L_ρ ^(i,j) als die Paketlänge für die AC mit dem Grundfrequenzindex i, dem Unterfrequenzindex j und der NRL ρ.
Das Verfahren beginnt in Schritt 100 mit der Initialisierung der Sensorschaltung 1. Für jede vordefinierte Rauschabtastfrequenz wird in den Schritten 101, 102 und103 eine einzelne Rauschabtastung durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Ausführungsform nicht auf die Durchführung von drei aufeinander folgenden Rauschabtastungen beschränkt ist. Der Vorgang während jeder der Rauschabtastungen entspricht einer der Ausführungsformen, die zuvor unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 erörtert wurden. In jedem Schritt 101, 102 und 103 wird ein Rauschmaß für zumindest einen AC-Kandidaten ermittelt. In einigen Ausführungsformen können Rauschmessungen für denselben AC-Kandidaten in einer Vielzahl von Schritten 101, 102 und 103 durchgeführt werden.
In Schritt 104 wird aus den in den Schritten 101, 102 und 103 bewerteten Erfassungsanordnungskandidaten eine Gesamterfassungsanordnung bestimmt. Die Gesamterfassungsanordnung wird bestimmt, indem diejenige Erfassungskandidatenkonfiguration der Schritte 101, 102 und 103 ausgewählt wird, für die insgesamt der niedrigste ENPE-Wert ermittelt wird. Mit anderen Worten, die Gesamterfassungsanordnung entspricht der bestmöglichen Kandidaten-Erfassungsanordnung der Rauschabtastungen 101, 102, 103. Die Idee der NRLs kann auch für diesen Fall mehrerer Rauschabtastfrequenzen angewendet werden. In Schritt 105 wird das Sensorsystem in einem SN-Scan unter Verwendung der Gesamterfassungsanordnung betrieben. Anschließend wird zu Schritt 100 zurückgekehrt, bis die Verarbeitung der Sensorschaltung 1 beendet ist.
Im Gegensatz zu anderen bekannten Ansätzen bietet der gemäß den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Ansatz nicht nur eine Lösung für die Ermittlung einer relativ besten Trägerfrequenz, sondern eine vollständige Lösung für die Rauschrobustheit. Er bietet sogar Robustheit gegenüber z. B. AM-Rauschen und quadratischem Rauschen. Dies ist möglich aufgrund der hochpräzisen, quantitativen SNR- oder Rauschleistungsschätzungen, die aus denselben Messdaten, aber für unterschiedliche ACs, berechnet werden können. Dies ermöglicht es außerdem, einen Kompromiss zwischen Berührungsmelderate und Ausgangs-SNR zu finden.
Für ein ausgewähltes Tiefpassfilterentwurfsverfahren, z. B. eine Boxcar-Window-Filterfunktion, und mit der Anforderung, eine verbesserte Rauschrobustheit zu gewährleisten, wenn die Abtastzeit erhöht wird, während andere AC-Parameter unverändert bleiben, können viele der Parameter der Kandidaten (wie z. B. die Filterlänge und die Filterkoeffizientenwerte) von einigen wenigen hochrangigen Anforderungen (wie z. B. einer Abtastzeit von 200us) abgeleitet werden, was eine einfache Konfiguration der Rauschrobustheit ohne die Notwendigkeit eines intensiven Trainings ermöglicht.
Ein weiterer beispielhafter Aspekt dieser Offenbarung betrifft die Gewinnung entkoppelter Kopien elektrischer Ströme sowie die digitale Verarbeitung zur Signalerfassung mit überlappenden Aperturfenstern.
Bei der Erfassung analoger Daten zur Erstellung eines zeitdiskreten oder digitalen Ausgangssamples wird die Zeitdauer, während der das analoge Signal in das Messsystem eingespeist wird, d. h. die Zeit, in der das Messsystem der Außenwelt ausgesetzt ist, und daher sein interner analoger Zustand durch das analoge Eingangssignal verändert wird und den Wert des Ausgangsabtastwertes beeinflussen kann.
Bei einem Analog-Digital-Wandler (ADC) wird diese Zeitdauer als Aperturzeit bezeichnet, wie bereits weiter oben erläutert. Zur Erinnerung: 7 zeigt die Größe der Übertragungsfunktion eines idealen ADC, die auch als Empfindlichkeit gegenüber Eintonsignalen mit der Frequenz f_n bezeichnet wird, für die Aperturzeiten 0,833us und 2,5us. Wir beobachten spektrale Nullstellen bei Vielfachen der inversen Aperturzeiten, z. B. 1/0,833us=1,2MHz bzw. 1/2,5us=400kHz.
Bei einigen erhältlichen Touchscreen-Controllern wird beim Messen einer Elektrode ein elektrischer Strom, der zu oder von einer Sensorelektrode fließt, für eine bestimmte Zeit integriert, um die Menge der während dieser Zeit bewegten elektrischen Ladung zu messen. Diese Integrationszeit ist eine Aperturzeit. Ein grundlegendes Beispieldiagramm für die Ladungsmessung mittels Stromintegration ist in 11 dargestellt. Es zeigt eine unbekannte Stromquelle, die einen Strom erzeugt, der über den Kondensator C_int integriert wird, während der mit dem Signal S_ap(t) gesteuerte Aperturschalter (rechts in der Abbildung) eingeschaltet und der mit dem Signal S_res(t) gesteuerte Rückstellschalter ausgeschaltet ist. Der Widerstand R der Stromquelle ist vernachlässigbar, wenn der Aperturschalter eingeschaltet ist.
Bei der standardmäßigen seriellen Verarbeitung des Analogsignals kann die Aperturzeit in der Regel nicht länger sein als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen, das Abtastintervall, da sich die Aperturzeitfenster zweier aufeinanderfolgender Abtastungen nicht überschneiden können. Je höher die Abtastfrequenz ist, desto kürzer ist das Abtastintervall und desto kürzer ist die maximale Aperturzeit.
Es gibt Anwendungen, bei denen es vorteilhaft sein kann, benachbarte oder sich überlappende Aperturzeitfenster für aufeinanderfolgende Abtastungen zu haben. Im Vorangegangenen wurden beispielsweise zwei verschiedene Arten von Messungen beschrieben, bei denen die Abtastfrequenz der ersten Art ein Vielfaches der Abtastfrequenz der zweiten Art ist, nämlich die „Rauschabtastung“ und der „SN-Scan“, wobei für beide die gleiche Aperturzeit gewünscht wird. Während die Aperturzeit für den SN-Scan gewählt wird, kann die Abtastfrequenz für die Rauschabtastung zu hoch sein, um ein Aperturfenster der gewählten Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgende Abtastungen zu legen - die Aperturfenster würden sich überlappen.
Um überlappende Aperturzeitfenster zu erhalten, könnte eine parallele Verarbeitung von Vorteil sein. Bei Systemen wie den erwähnten Touchscreen-Steuerungen wären beispielsweise zwei oder mehr Integratoren von Vorteil. Ein Problem könnte darin bestehen, dass diese zwei oder mehr Integratoren, wenn sie auf dieselbe Fläche oder denselben Messknoten zugreifen, ihre Messungen möglicherweise gegenseitig stören könnten. Dies wird in 12 veranschaulicht, wo auf der rechten Seite die Zustände s_ap ⁽⁰⁾(t) und s_ap ⁽¹⁾(t) der Aperturschalter über die Zeit aufgetragen sind. Während der Zeit, in der beide Aperturschalter s_ap ⁽⁰⁾(t) = s_ap ⁽¹⁾(t) = 1 eingeschaltet sind, wird der unbekannte Eingangsstrom unkontrolliert auf die beiden Integratoren aufgeteilt. Daher ist eine deterministische Messung mit sich überschneidenden Aperturzeitfenstern möglicherweise nicht möglich. Derselbe analoge Eingangsstrom kann auf diese Weise nicht mehrfach gemessen werden, ohne dass sich die Messungen gegenseitig stören.
Bei der kapazitiven Erfassung kann die gewünschte Einschwingzeit z. B. vom jeweiligen Sensortyp abhängen. So sind beispielsweise die Signaleinschwingzeiten bei ITO-Sensoren in der Regel höher als bei PCB-Sensoren, was auf die geringere Leitfähigkeit von ITO im Vergleich zu Kupfer zurückzuführen ist. Daher kann für einen ITO-Sensor im Vergleich zu einem ähnlich geformten PCB-Sensor eine längere Aperturzeit erwünscht sein.
Basierend auf dem Vorangegangenen kann eine Lösung darin bestehen, einen Stromverstärker mit einem Eingang und mehreren Ausgängen einzusetzen, um eine Vielzahl von entkoppelten Kopien des Eingangsstroms zu erhalten. Jede Kopie kann dann mit einem Integrator abgegriffen werden, und die Eingangsströme der Integratoren sind entkoppelt, d. h. voneinander unabhängig. In einem digitalen Nachbearbeitungsschritt können die aus der Vielzahl der analogen Kopien gewonnenen Daten z. B. umgeordnet werden, um ein einziges digitales Ausgangssignal zu erhalten.
Der grundsätzliche Ansatz der vorliegenden Diskussion besteht darin, mehrere entkoppelte Kopien eines analogen Eingangssignals zu erstellen. Dann können die analoge Verarbeitung und die A/D-Wandlung für jede der Signalkopien einzeln durchgeführt werden. Der letzte Schritt besteht darin, die digitalen Abtastwerte aus den verschiedenen Verarbeitungszweigen zu einem einzigen Ausgangssignal zu verschachteln oder zu multiplexen.
Ein elektronisches Standardbauteil, bei dem der Eingangsstrom unabhängig vom Ausgangsstrom ist, ist ein Transistor. Für komplexere Bauteile wie Verstärker, die solche Transistoren enthalten können, gilt diese Unabhängigkeit ebenfalls. Wenn ein Eingangsstrom zwei Ausgangsströme steuert und der Eingangsstrom von einem der beiden Ausgangsströme unabhängig ist, bedeutet dies, dass auch die Ausgangsströme voneinander unabhängig sind.
Bei einigen Touchscreen-Steuergeräten und klassischen Touchscreen-Steuerungsmessungen ist das analoge Eingangssignal ein elektrischer Strom. Das analoge Frontend (AFE) einiger bestehender Touchscreen-Steuergeräte stellt mehrere, im Wesentlichen identische parallele Einheiten für die analoge Verarbeitung bereit, die als Slices bezeichnet werden. Jeder Slice besteht aus einem Integrator.
Während es wünschenswert wäre, völlig unabhängige Zeitfenster für verschiedene Integratoren zu haben, sind einige Touchscreen-Steuergeräte möglicherweise auf ein gemeinsames Abtastintervall oder eine gemeinsame Abtastfrequenz für alle Slices beschränkt. Abgesehen von einer geringfügigen digitalen Änderung würden die vorhandenen Geräte jedoch unabhängige Messungen von zwei Kopien eines Eingangsstroms ermöglichen, wobei sich die Aperturzeitfenster der beiden Messungen überschneiden. 13 zeigt schematisch zwei der so genannten Slices eines beispielhaften AFE eines Touchscreen-Controllers. Das Pad des Haupt-Slice oben links in 13 ist mit dem Eingang X eines Stromverstärkers verbunden. Ein nicht-invertierender Ausgang Z0 dieses Stromverstärkers ist mit einem Integrator verbunden, dessen Ausgang mit einem ADC verbunden ist. Ein invertierender Ausgang Z1 des Stromverstärkers des Haupt-Slice ist mit dem Eingang eines Integrators auf einer Sekundär-Slice verbunden, dem wiederum ein ADC folgt. Der Stromverstärker des zweiten Slice wird abgeschaltet, so dass nur der invertierte Strom des Verstärkers des Haupt-Slice in den Integrator eingegeben wird. Während die Aperturschalter INTMOE für Haupt- und Sekundär-Slice unabhängig voneinander gesteuert werden können, sind die Integrator-Rücksetzschalter RST1 und RST 2 möglicherweise nicht unabhängig voneinander steuerbar.
In den vorangegangenen Abschnitten wurde der Bedarf an überlappenden Aperturzeitfenstern oder Stromintegrationsfenstern für die Rauschabtastung diskutiert. Bei einer solchen Rauschabtastung kann man in erster Linie an den Messdaten eines einzelnen Slice interessiert sein, z. B. eines Slice, der mit einer Sensorelektrode verbunden ist, bei der der höchste Rauschpegel zu erwarten ist. Unter der Annahme, dass eine Haupt-Slice mit dieser am stärksten verrauschten Elektrode verbunden ist, z. B. ist diese am stärksten verrauschte Elektrode mit dem Pad des Haupt-Slice in 13 verbunden, erhält man theoretisch zwei entkoppelte Kopien des Eingangsstroms des Haupt-Slice, und sowohl auf dem Haupt- als auch auf dem Sekundär-Slice ist es möglich, die Apertur- oder Reset-Schalter zu öffnen oder zu schließen, ohne den Strom auf dem jeweils anderen Slice zu beeinflussen.
14 zeigt ein beispielhaftes Zeitdiagramm für die Stromintegration und das Zurücksetzen des Integrators, wenn von einer vom Slice unabhängigen Steuerung der Apertur- und Reset-Schalter ausgegangen wird. Jedem Integrationsfenster geht ein Reset des Integrationskondensators voraus. Die Integrationsfenster der Haupt- und der Sekundär-Slices sind ineinander verschachtelt und überlappen sich zeitlich. Nach der Analog-Digital-Wandlung (A/D-Wandlung) werden die Abtastwerte der beiden Slices verschachtelt, um ein einziges digitales Signal zu erhalten. Das neue digitale Einzelsignal wird z. B. durch Verkettung des ersten Ausgangssignals aus dem Haupt-Slice, des ersten Ausgangssignals aus dem Sekundär-Slice, des zweiten Ausgangssignals aus dem Haupt-Slice, des zweiten Ausgangssignals aus dem Sekundär-Slice und so weiter erzeugt. Es ist zu beachten, dass im Zusammenhang mit einer Rauschabtastung das erhaltene Signal vor der weiteren Verarbeitung dezimiert wird und dass sich nach der Dezimierung die aktuellen Integrationsfenster, die aufeinanderfolgenden Abtastwerten in diesen dezimierten Signalen entsprechen, nicht mehr überschneiden.
Während jedoch die Integration für Haupt- und Sekundär-Slices getrennt gesteuert werden kann, ist das Timing von 14 bei einigen Touchscreen-Controllern aufgrund einer Integrator-Reset-Steuerung, die für Haupt- und Sekundär-Slices gemeinsam ist, möglicherweise nicht realisierbar.
Bei einigen Touchscreen-Controllern ist ein ähnliches Timing möglich wie in 14, jedoch mit sich nicht überschneidenden Integrationsfenstern, wie in 15 zu sehen ist. Die A/D-Wandlung erfolgt auch auf den Haupt- und Sekundär-Slices synchron, wie durch vertikale gestrichelte Linien angedeutet, so dass jede zweite digitale Abtastung von jedem Slice unerwünscht ist - weil sie nicht am Ende der Integrationsphase der aktuellen Integratoren, sondern während eines möglicherweise zufälligen Integratorzustands erfasst wird - und daher verworfen werden kann.
Die mit einer Testimplementierung unter Verwendung der Timing-Konfiguration von 15 erhaltenen Daten sind in 16 dargestellt. Ein Einzeltonsignal mit 20 kHz wird in eine Sensorelektrode eingekoppelt, die mit einem Slice Y34 verbunden ist, und die Abtastfrequenz beträgt 200 kHz. Die Abtastwerte des Haupt-Slice Y34 und einer Sekundär-Slice Y35 sind ineinander verschachtelt dargestellt, wobei die durchgezogenen und gestrichelten Linien die Abtastwerte der einzelnen Slices miteinander verbinden. Es ist zu erkennen, dass das Signal von Slice Y35 (gestrichelte Linie) noch rückinvertiert und verschoben werden muss, da das Signal für Y35 ungefähr ein Spiegelbild des Signals für Y34 ist, das am ADC-Wert -15 gespiegelt wurde. Der erforderliche Offset müsste vor der eigentlichen Signalerfassung bestimmt werden (z. B. bei abgeklemmtem Pad/Elektrode, d. h. ohne Eingangssignal), jedoch ist eine Signalrekonstruktion im digitalen Bereich möglich.
Wenn hier von einer „Kopie“ eines analogen Signals die Rede ist, ist nicht unbedingt eine exakte 1:1-Kopie erforderlich. Für einige Anwendungen kann eine streng monotone Kopierfunktion ausreichend sein, und etwaige Verzerrungen können im digitalen Bereich kompensiert werden.
Für Systeme mit einer Verarbeitung wie in Touchscreen-Steuergeräten, bei denen ein Strom vor der A/D-Wandlung integriert wird, kann jedoch in einigen Ausführungsformen nur eine lineare Verzerrung des Eingangssignals, d. h. des Eingangsstroms, akzeptabel sein, um eine digitale Entzerrung (d. h. eine Kompensation der Verzerrung) zu ermöglichen. Im Allgemeinen kann auch eine mehr oder weniger lineare Kopierfunktion vorteilhaft sein, z. B., wenn die Signalentzerrung zusammen mit dem ADC-Quantisierungsrauschen betrachtet wird.
Die vorangegangene, auf den Touchscreen-Controller zugeschnittene Lösung ermöglicht überlappende Apertur-Zeitfenster, wenn die Erfassungsfrequenz auf dem Haupt- und dem Sekundär-Slice gleich ist, aber nur die Erfassungsphase unterschiedlich ist. Wenn jedoch die Hardwaresteuerung bei mehreren Kopien desselben analogen Signals ein völlig unabhängiges Timing für verschiedene Slices ermöglichen würde, wäre es möglich, eine generische Lösung für das Problem der Signalerfassung für die Bewertung des Rauschpegels mit verschiedenen AFE-Konfigurationen zu finden, die willkürlich unterschiedliche Abtastfrequenzen und Aperturzeitfenster aufweist.
Einige Ausführungsformen eines Sensorsystems mit einem analogen Eingangssignal x(t) sehen vor, dass das Sensorsystem zwei oder mehr analoge Kopien y_i(t), i=0, 1, ... von x(t) erstellt.
In einigen Ausführungsformen ist die Kopie y_i(t) eine streng monotone Funktion von x(t).
In einigen Ausführungsformen ist die Kopie y_i(t) eine lineare Funktion y_i(t)=b_i*x(t)+a_i von x(t).
In einigen Ausführungsformen ist das Sensorsystem ein kapazitives Sensorsystem.
In einigen Ausführungsformen ist das Signal x(t) ein elektrischer Strom.
In einigen Ausführungsformen ist das Signal y(t) ein elektrischer Strom.
In einigen Ausführungsformen werden zwei oder mehr analoge Signalkopien y_i(t) in eine analoge Schaltung H_i eingegeben, um digitale Abtastwerte zu erzeugen, und die Öffnungsfenster von zumindest zwei Schaltungen H_i überlappen sich zeitlich.
In einigen Ausführungsformen umfassen die analogen Schaltungen H_i einen Integrator.
In einigen Ausführungsformen ist die Abtastfrequenz bei zwei oder mehr Schaltungen H_i dieselbe.
In einigen Ausführungsformen weist das Sensorsystem einen Stromverstärker auf, dessen Eingang mit x(t) gespeist wird, wobei der Stromverstärker zwei oder mehr Ausgangsstufen aufweist, die sich eine Eingangsstufe teilen.
In einigen Ausführungsformen werden Abtastwerte von Signalen auf verschiedenen Zweigen gemultiplext, um ein einziges Ausgangssignal zu erhalten.
Die hier vorgestellte generische Lösung zur Erstellung von Kopien eines analogen Eingangssignals, um entkoppelte Signale für eine unabhängige Verarbeitung zu erhalten, löst das Problem, beliebige AFE-Konfigurationen miteinander zu vergleichen, und ist von Vorteil, um eine geeignete Erfassungsanordnung zu finden.
In einigen Ausführungsformen wird die Aperturzeit über die Abtastperiode hinaus verlängert, was eine hochgenaue Schätzung der Rauschleistung ermöglicht.
Im Vergleich zu einem alternativen Ansatz, bei dem Signale von verschiedenen Sensorelektroden ausgewertet werden, besteht bei dem diskutierten Ansatz nicht die Gefahr, dass Rauschen mit unterschiedlicher Kopplungsintensität in die verschiedenen Sensorelektroden eingekoppelt wird, was zu einer falschen Verzerrung der Schätzungen führen könnte - einfach deshalb, weil bei dem diskutierten Ansatz alle ausgewerteten Daten von einer einzigen Sensorelektrode stammen.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, sind diese Ausführungsformen lediglich illustrativ und nicht einschränkend für die Erfindung. Die hierin enthaltene Beschreibung illustrierter Ausführungsformen der Erfindung, einschließlich der Beschreibung in der Kurzfassung und der Zusammenfassung, soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die hierin offengelegten genauen Formen beschränken (und insbesondere soll die Aufnahme einer bestimmten Ausführungsform, eines bestimmten Merkmals oder einer bestimmten Funktion in die Kurzfassung oder die Zusammenfassung nicht den Umfang der Erfindung auf diese Ausführungsform, dieses Merkmal oder diese Funktion beschränken). Vielmehr sollen in der Beschreibung anschauliche Ausführungsformen, Merkmale und Funktionen beschrieben werden, um dem Fachmann ein Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, ohne die Erfindung auf eine bestimmte beschriebene Ausführungsform, ein bestimmtes Merkmal oder eine bestimmte Funktion zu beschränken, einschließlich der in der Zusammenfassung beschriebenen Ausführungsmerkmale oder Funktionen. Während spezifische Ausführungsformen und Beispiele für die Erfindung hier nur zur Veranschaulichung beschrieben werden, sind verschiedene gleichwertige Modifikationen im Rahmen des Geistes und des Anwendungsbereichs der Erfindung möglich, wie die Fachleute auf dem entsprechenden Gebiet erkennen und schätzen werden. Wie angedeutet, können diese Modifikationen an der Erfindung im Lichte der vorangehenden Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen werden und sind in den Geist und den Umfang der Erfindung einzubeziehen. Während die Erfindung hier unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, sind in den vorstehenden Offenbarungen ein Spielraum für Modifikationen, verschiedene Änderungen und Substitutionen vorgesehen, und es wird anerkannt, dass in einigen Fällen einige Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung ohne eine entsprechende Verwendung anderer Merkmale verwendet werden, ohne dass vom Umfang und Geist der Erfindung, wie dargelegt, abgewichen wird. Daher können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an den wesentlichen Umfang und Geist der Erfindung anzupassen.
Wenn in dieser Beschreibung von „eine Ausführungsform“, „einer Ausführungsform“ oder „einer bestimmten Ausführungsform“ oder ähnlichen Begriffen die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in zumindest einer Ausführungsform enthalten ist und nicht unbedingt in allen Ausführungsformen vorhanden sein muss. Daher beziehen sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“ oder „in einer bestimmten Ausführungsform“ oder ähnliche Ausdrücke an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform. Darüber hinaus können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften einer bestimmten Ausführungsform in jeder geeigneten Weise mit einer oder mehreren anderen Ausführungsformen kombiniert werden. Es versteht sich, dass andere Variationen und Modifikationen der hierin beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen im Lichte der hierin enthaltenen Lehren möglich sind und als Teil des Geistes und Umfangs der Erfindung zu betrachten sind.
In der vorliegenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details beschrieben, wie z. B. Beispiele für Komponenten und/oder Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass eine Ausführungsform auch ohne eines oder mehrere der spezifischen Details oder mit anderen Geräten, Systemen, Baugruppen, Verfahren, Komponenten, Materialien, Teilen und/oder dergleichen ausgeführt werden kann. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen, Komponenten, Systeme, Materialien oder Vorgänge nicht speziell gezeigt oder im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass Aspekte von Ausführungsformen der Erfindung verdeckt werden. Auch wenn die Erfindung anhand einer bestimmten Ausführungsform veranschaulicht wird, bedeutet dies keine Beschränkung der Erfindung auf eine bestimmte Ausführungsform, und ein Fachmann wird erkennen, dass weitere Ausführungsformen ohne weiteres verständlich und Teil der Erfindung sind.
Jede geeignete Programmiersprache kann verwendet werden, um die Routinen, Verfahren oder Programme der hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zu implementieren, einschließlich C, C++, Java, Assembler, ohne Einschränkung. Es können verschiedene Programmiertechniken verwendet werden, wie z. B. prozedurale oder objektorientierte. Jede bestimmte Routine kann auf einem einzigen Computer oder mehreren Computergeräten, einem einzigen Computerprozessor oder mehreren Computerprozessoren ausgeführt werden. Die Daten können in einem einzigen Speichermedium oder verteilt auf mehrere Speichermedien gespeichert werden und sich in einer einzigen Datenbank oder in mehreren Datenbanken (oder anderen Datenspeichertechniken) befinden. Obwohl die Schritte, Operationen oder Berechnungen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt werden können, kann diese Reihenfolge in verschiedenen Ausführungsformen geändert werden. In einigen Ausführungsformen können mehrere Schritte, die in dieser Beschreibung als aufeinanderfolgend dargestellt sind, in alternativen Ausführungsformen auch gleichzeitig ausgeführt werden. Die hier beschriebene Abfolge von Vorgängen kann von einem anderen Prozess, z. B. einem Betriebssystem, Kernel usw., unterbrochen, angehalten oder anderweitig gesteuert werden. Die Routinen können in einer Betriebssystemumgebung oder als eigenständige Routinen arbeiten. Die hier beschriebenen Funktionen, Routinen, Methoden, Schritte und Vorgänge können in Hardware, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon ausgeführt werden.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen können in Form von Steuerlogik in Software oder Hardware oder einer Kombination aus beidem implementiert werden. Die Steuerlogik kann in einem Informationsspeichermedium, z. B. einem computerlesbaren Medium, als eine Vielzahl von Anweisungen gespeichert werden, die geeignet sind, eine Informationsverarbeitungsvorrichtung anzuweisen, eine Reihe von Schritten durchzuführen, die in den verschiedenen Ausführungsformen offenbart sind. Auf der Grundlage der hierin enthaltenen Offenbarung und Lehren wird eine Person mit gewöhnlichen Kenntnissen auf dem Gebiet der Technik andere Wege und/oder Methoden zur Umsetzung der Erfindung schätzen.
Es liegt auch im Geist und Anwendungsbereich der Erfindung, die hierin beschriebenen Schritte, Operationen, Verfahren, Routinen oder Teile davon durch Softwareprogrammierung oder Code zu implementieren, wobei eine solche Softwareprogrammierung oder ein solcher Code in einem computerlesbaren Medium gespeichert und von einem Prozessor verarbeitet werden kann, damit ein Computer die hierin beschriebenen Schritte, Operationen, Methoden, Routinen oder Teile davon ausführen kann. Die Erfindung kann durch Softwareprogrammierung oder Code in einem oder mehreren Mehrzweck-Digitalcomputern, durch anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, programmierbare Logikbausteine, feldprogrammierbare Gate-Arrays usw. umgesetzt werden. Es können optische, chemische, biologische, quanten- oder nanotechnologische Systeme, Komponenten und Mechanismen verwendet werden. Im Allgemeinen können die erfindungsgemäßen Funktionen mit allen auf dem Gebiet der Technik bekannten Mitteln erreicht werden. So können beispielsweise verteilte oder vernetzte Systeme, Komponenten und Schaltungen verwendet werden. In einem anderen Beispiel kann die Kommunikation oder Übertragung (oder anderweitige Bewegung von einem Ort zum anderen) von Daten drahtgebunden, drahtlos oder auf jede andere Weise erfolgen.
Ein „computerlesbares Medium“ kann jedes Medium sein, das das Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausführungssystem, -vorrichtung, - system oder -gerät enthalten, speichern, übermitteln, verbreiten oder transportieren kann. Bei dem computerlesbaren Medium kann es sich beispielsweise, aber nicht ausschließlich, um ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, eine Vorrichtung, ein System, eine Vorrichtung, ein Übertragungsmedium oder einen Computerspeicher handeln. Ein solches computerlesbares Medium ist im Allgemeinen maschinenlesbar und enthält Softwareprogrammierung oder -code, der menschenlesbar (z. B. Quellcode) oder maschinenlesbar (z. B. Objektcode) sein kann. Beispiele für nicht transitorische computerlesbare Medien können Direktzugriffsspeicher, Festwertspeicher, Festplatten, Datenkassetten, Magnetbänder, Disketten, Flash Speicherlaufwerke, optische Datenspeicher, Compact-Disc-Festwertspeicher und andere geeignete Computerspeicher und Datenspeichergeräte sein. In einer beispielhaften Ausführungsform können sich einige oder alle Softwarekomponenten auf einem einzigen Servercomputer oder auf einer beliebigen Kombination von separaten Servercomputern befinden. Wie ein Fachmann erkennen kann, kann ein Computerprogrammprodukt, das eine hier offengelegte Ausführungsform implementiert, ein oder mehrere nichttransitorische computerlesbare Medien aufweisen, die Computerbefehle speichern, die von einem oder mehreren Prozessoren in einer Computerumgebung übersetzt werden können.
Ein „Prozessor“ umfasst jedes Hardwaresystem, jeden Mechanismus oder jede Komponente, die Daten, Signale oder andere Informationen verarbeitet. Ein Prozessor kann ein System mit einer Mehrzweck-Zentraleinheit, mehreren Verarbeitungseinheiten, speziellen Schaltkreisen zur Erreichung einer bestimmten Funktionalität oder anderen Systemen aufweisen. Die Verarbeitung muss nicht auf einen geografischen Ort beschränkt sein oder zeitliche Beschränkungen haben. Beispielsweise kann ein Prozessor seine Funktionen in „Echtzeit“, „offline“, in einem „Stapelmodus“ usw. ausführen. Teile der Verarbeitung können zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten von verschiedenen (oder denselben) Verarbeitungssystemen durchgeführt werden.
Begriffe wie „Komponente“, „Modul“, „Schaltkreis“, „Schaltung“, „Gerät“, „Einheit“ und „System“ sollen Hardware, Software, Firmware oder eine beliebige Kombination davon umfassen. Ein System oder eine Komponente kann beispielsweise ein Prozess, ein Prozess, der auf einem Prozessor ausgeführt wird, oder ein Prozessor sein. Außerdem kann eine Funktionalität, eine Komponente oder ein System auf einem einzigen Gerät lokalisiert oder über mehrere Geräte verteilt sein. Der beschriebene Gegenstand kann als Vorrichtung, Verfahren oder Herstellungsgegenstand unter Verwendung von Standardprogrammier- oder - techniken implementiert werden, um Software, Firmware, Hardware oder eine beliebige Kombination davon zur Steuerung eines oder mehrerer Computergeräte herzustellen.
Die hier verwendeten Ausdrücke „aufweisen“, „aufweisend“, „schließt ein“, „beinhaltet“, „weist auf“ oder jede andere Abwandlung davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. Ein Verfahren, ein Produkt, ein Artikel oder ein Gerät, das eine Liste von Elementen aufweist, ist beispielsweise nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann auch andere Elemente aufweisen, die nicht ausdrücklich aufgelistet sind oder zu einem solchen Verfahren, Prozess, Artikel oder Gerät gehören. Der in der gesamten Beschreibung verwendete Begriff „beispielhaft“ bedeutet „als Beispiel, Instanz oder Exemplar dienend“ und bedeutet nicht „bevorzugt“ oder „mit Vorteilen“ gegenüber anderen Ausführungsformen.
Außerdem bedeutet der hier verwendete Begriff „oder“ im Allgemeinen „und/oder“, sofern nicht anders angegeben. Zum Beispiel ist eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden). Wie hierin verwendet, einschließlich der folgenden Ansprüche, schließt ein Begriff, dem ein „ein“ oder „eine“ vorangestellt ist (und „der/die/das“, wenn die vorangestellte Basis „ein“ oder „eine“ ist), sowohl den Singular als auch den Plural eines solchen Begriffs ein, es sei denn, im Anspruch ist eindeutig etwas anderes angegeben (d. h., dass der Verweis „ein“ oder „eine“ eindeutig nur den Singular oder nur den Plural bezeichnet). Wie in der vorliegenden Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen verwendet, schließt die Bedeutung von „in“ auch „in“ und „an“ ein, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor.
Es versteht sich von selbst, dass eines oder mehrere der in den Zeichnungen/Figuren dargestellten Elemente auch in einer separateren oder integrierten Weise implementiert oder in bestimmten Fällen sogar entfernt oder funktionsunfähig gemacht werden können, wie es für eine bestimmte Anwendung sinnvoll ist. Darüber hinaus sollten alle Signalpfeile in den Zeichnungen/Figuren nur als beispielhaft und nicht als einschränkend angesehen werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
Daher soll der Umfang der Erfindung nur durch die folgenden, gegebenenfalls geänderten Ansprüche definiert werden, wobei jeder Anspruch ausdrücklich in diese Beschreibung als Ausführungsform der Erfindung aufgenommen wird.
Andere Variationen der offengelegten Ausführungsformen können von den Fachleuten bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung anhand der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor, ein einzelnes Modul oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen genannter Elemente erfüllen.
Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen genannt werden, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft sein kann. Ein Computerprogramm kann auf einem geeigneten Medium gespeichert/verteilt werden, z. B. auf einem optischen Speichermedium oder einem Festkörpermedium, das zusammen mit oder als Teil anderer Hardware geliefert wird, es kann aber auch in anderer Form verteilt werden, z. B. über das Internet oder andere drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme. Alle Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63/126137 [0001]
US 10151608 B2 [0046, 0051]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer rauschrobusten Erfassungsanordnung für den Betrieb eines Systems, das die folgenden Schritte bei einer Rauschabtastung aufweist: Erhalten eines Systemempfangssignals vom System; Bestimmung eines digitalen Empfangssignals aus dem Systemempfangssignal durch A/D-Wandlung des Systemempfangssignals bei einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz; Bestimmen einer Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, wobei jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten einer jeweiligen Kandidaten-Erfassungsanordnung zugeordnet ist; Bestimmen eines oder mehrerer Rauschmaße für mehrere der Kandidaten-Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignale; und unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße Bestimmen der Erfassungsanordnung für den Betrieb des Systems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens der Erfassungsanordnung das Auswählen eines bevorzugten Rauschmaßes aus dem einen oder den mehreren Rauschmaßen aufweist, wobei die Erfassungsanordnung so eingestellt wird, dass sie der Kandidaten-Erfassungsanordnung des bevorzugten Rauschmaßes entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das bevorzugte Rauschmaß den niedrigsten Rauschpegel von einem oder mehreren Rauschmaßen ergibt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten entsprechende Gruppen von dezimierten digitalen Empfangssignalen bestimmt werden, wobei sich in jeder Gruppe die dezimierten digitalen Empfangssignale durch eine unterschiedliche Startphase voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eines oder mehrere der Rauschmaße durch eine Schätzung der effektiven Rauschleistung bestimmt werden, die eine Bestimmung einer Summe von phaseninstanten Rauschmaßen über jedes der dezimierten digitalen Empfangssignale einer der Gruppen dezimierter digitaler Empfangssignale aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei jedes der phaseninstanten Rauschmaße eine Summe von Abtastwerten eines jeweiligen dezimierten digitalen Empfangssignals ist, das mit Koeffizienten aus einem Koeffizientenvektor gewichtet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassungsanordnung zumindest eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweist: eine Abtastfrequenz für die A/D-Wandlung, eine Betriebsfrequenz eines Stimulussignals für den Betrieb des Systems, eine Abtastdauer, eine Anzahl von zu erfassenden Abtastwerten und Tiefpassfilterkoeffizienten.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vordefinierte Rauschabtastfrequenz deutlich höher ist als eine Betriebsfrequenz eines Stimulussignals während des Betriebs des Systems.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei oder mehr Dezimierungsraten Vielfache von 2 sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Systemempfangssignal während der Rauschabtastung erfasst wird, ohne dass ein Stimulussignal an das System angelegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens der Erfassungsanordnung für den Betrieb des Systems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen das Vergleichen des einen oder der mehreren Rauschmaße mit einem Rauschschwellenwert aufweist, und wenn der Rauschschwellenwert von keinem der Rauschmaße erreicht wird: Erhöhen der Abtastzeit von zumindest einer der Erfassungskandidatenkonfigurationen, um zumindest eine aktualisierte Erfassungskandidatenkonfiguration zu erhalten; Bestimmen eines oder mehrerer aktualisierter Rauschmaße für die zumindest eine aktualisierte mögliche Erfassungsanordnung; und Vergleichen des einen oder der mehreren aktualisierten Rauschmaße mit dem Rauschschwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Abtastzeit um ein ganzzahliges Vielfaches der Abtastzeit einer vorangegangenen Rauschabtastung erhöht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach der Rauschabtastung das System während eines SN-Scan unter Verwendung der während der Rauschabtastung bestimmten Erfassungsanordnung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 13, das die anschließende Durchführung mehrerer Rauschabtastungen zwischen zwei SN-Scans aufweist, wobei die mehreren Rauschabtastungen vordefinierte Rauschabtastfrequenzen verwenden, wobei sich die vordefinierten Rauschabtastfrequenzen von zumindest einigen der mehreren Rauschabtastungen voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 14, das weiterhin die Bestimmung einer Gesamterfassungsanordnung für den Betrieb des Systems während eines SN-Scan aus Erfassungsanordnungen aufweist, die während der nachfolgend durchgeführten mehrfachen Rauschabtastungen erhalten wurden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Aperturzeit einer A/D-Wandlung während der Rauschabtastung identisch mit oder im Wesentlichen ein ganzzahliger Bruchteil einer für den SN-Scan festgelegten Aperturzeit ist.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ein kapazitives Sensorsystem oder ein Touchscreen-Sensorsystem ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ein Sensorsystem ist und das Systemempfangssignal ein Sensorempfangssignal ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ein Kommunikationssystem ist und das Systemempfangssignal ein Kommunikationsempfangssignal ist.
Verfahren zum rauschrobusten Erfassungsbetrieb eines Sensorsystems, das aufweist: Durchführen zumindest einer Rauschabtastung auf dem Sensorsystem; und Durchführen zumindest eines SN-Scans auf dem Sensorsystem; wobei eine Aperturzeit einer A/D-Wandlung während der zumindest einen Rauschabtastung identisch mit oder im Wesentlichen ein ganzzahliger Bruchteil einer A/D-Wandlungszeit des zumindest einen SN-Scans ist.
Computerlesbares Medium, das Inhalte aufweist, die so ausgebildet sind, dass sie eine Sensorschaltung veranlassen, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Schaltung zum Bestimmen einer Erfassungsanordnung für den Betrieb eines Systems, die aufweist: eine Schnittstelle zum Erhalten eines Systemempfangssignals vom System; einen A/D-Wandler zur Bestimmung eines digitalen Empfangssignals aus dem Systemempfangssignal durch A/D-Wandlung des Systemempfangssignals bei einer vordefinierten Rauschabtastfrequenz; eine Dezimierungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen durch ganzzahlige Dezimierung des digitalen Empfangssignals unter Verwendung von zwei oder mehr Dezimierungsraten, die sich voneinander unterscheiden, bestimmt, wobei jede der zwei oder mehr Dezimierungsraten einer jeweiligen Kandidaten-Erfassungsanordnung zugeordnet ist; eine Rauschbewertungsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie ein oder mehrere Rauschmaße für mehrere der Kandidaten-Erfassungsanordnungen unter Verwendung eines oder mehrerer der Vielzahl von dezimierten digitalen Empfangssignalen bestimmt; und eine Konfigurationsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie unter Verwendung des einen oder der mehreren Rauschmaße die Erfassungsanordnung für den Betrieb des Systems aus den Kandidaten-Erfassungsanordnungen bestimmt.
Schaltung nach Anspruch 22, wobei: das System ein Sensorsystem ist; die Schaltung eine Sensorschaltung zur Bestimmung einer Erfassungsanordnung für den Betrieb des Sensorsystems ist; die Schnittstelle eine Sensorschnittstelle ist; und das Systemempfangssignal ein Sensorempfangssignal ist.
Kapazitives Berührungserfassungssystem, das aufweist: eine oder mehrere Elektroden, die zur kapazitiven Erfassung ausgebildet sind; und die Sensorschaltung nach Anspruch 23, wobei die Sensorschaltung mit zumindest einer der einen oder mehreren Elektroden verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 22, wobei: das System ein Kommunikationssystem ist; die Schaltung eine Kommunikationsschaltung zur Bestimmung einer Erfassungsanordnung für den Betrieb des Kommunikationssystems ist; die Schnittstelle eine Kommunikationssystemschnittstelle ist; und das Systemempfangssignal ein Sensorempfangssignal ist.