TWI400456B - Used in capacitive touch buttons and proximity sensing sensing circuits and methods - Google Patents

Description

應用於電容式觸控按鍵及近距離感應的感測電路及方法

本發明係有關一種感測器，特別是關於一種觸控感測電路及方法。

觸控功能已廣泛應用在智慧型手機、筆記型電腦、多媒體播放器及資訊家電等範疇，而電容式的觸控感應由於能達到高感度及低成本，使得市場相繼採用。在資訊家電的產品使用電容式的觸控按鍵可將產品外觀塑造的更有現代感與設計感，也可讓操作方式更貼近使用者的習性，但需要考慮資訊家電的使用環境，因此對雜訊抑制須特別注意。另一方面，近距離感應(proximity detection)的功能可讓產品設計得更低耗電，讓使用者在靠近時即提早喚醒電器產品，不需等待喚醒時間，響應節能低碳的環保政策。

本發明的目的之一，在於提出一種感測電路及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種可應用於電容式觸控按鍵的感測電路及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種可應用於近距離感應的感測電路及方法。

根據本發明，一種感測電路包含偵測端點供連接電容式觸控按鍵或天線，初始化開關連接在該偵測端點與初始化電壓端之間，主充電開關控制主充電電流源對該偵測端點充電，取樣開關控制取樣電容對該偵測端點的取樣，電壓緩衝器緩衝該取樣電壓，以及量測電路根據該取樣電壓產生量測數值。

根據本發明，一種感測電路包含偵測端點供連接電容式觸控按鍵或天線，初始化開關連接在該偵測端點與初始化電壓端之間，主放電開關控制主放電電流源讓該偵測端點放電，取樣開關控制取樣電容對該偵測端點的取樣，電壓緩衝器緩衝該取樣電壓，以及量測電路根據該取樣電壓產生量測數值。

根據本發明，一種感測電路包含偵測端點供連接電容式觸控按鍵或天線，第一初始化開關在第一時相控制該偵測端點的初始化，主充電開關在該第一時相控制主充電電流源對該偵測端點充電，第一取樣開關在該第一時相控制第一取樣電容對該偵測端點的取樣，第一電壓緩衝器緩衝該第一取樣電壓，第二初始化開關在第二時相控制該偵測端點的初始化，主放電開關在該第二時相控制主放電電流源讓該偵測端點放電，第二取樣開關在該第二時相控制第二取樣電容對該偵測端點的取樣，第二電壓緩衝器緩衝該第二取樣電壓，以及量測電路根據該第一及第二取樣電壓產生量測數值。

根據本發明，一種感測方法包含提供偵測端點俾連接電容式觸控按鍵或天線，設定該偵測端點的電壓，對該偵測端點充電並取樣得到取樣電壓，儲存該取樣電壓到量測電容，以及讓該量測電容放電到低於參考電壓，因而從其放電時間得到量測數值。

根據本發明，一種感測方法包含提供偵測端點俾連接電容式觸控按鍵或天線，設定該偵測端點的電壓，讓該偵測端點放電並取樣得到取樣電壓，儲存該取樣電壓到量測電容，以及讓該量測電容充電到高於參考電壓，因而從其充電時間得到量測數值。

根據本發明，一種感測方法包含提供偵測端點俾連接電容式觸控按鍵或天線，在第一時相中，設定該偵測端點的電壓，對該偵測端點充電並取樣得到第一取樣電壓儲存到第一量測電容，在第二時相中，設定該偵測端點的電壓，讓該偵測端點放電並取樣得到第二取樣電壓儲存到第二量測電容，以及根據該第一及第二取樣電壓取得量測數值。

圖1係電容式的觸控感應的示意圖。電容式觸控按鍵10係由兩彼此絕緣的電極板構成，通常是在印刷電路板上的跡線(trace)，可為任何形狀，此構造形成一個感應電容，若有物件接近或觸碰，則該感應電容的電容值會改變。感測電路12感測該感應電容的結果經數位處理器14運算，可供判斷是否有物件接近或觸碰，或作其他用途。

圖2係本發明之感測電路12的第一實施例，感測電路12有偵測端點Vx供連接電容式觸控按鍵10，Cx表示電容式觸控按鍵10的感應電容。感測電路12在感測時，先連通初始化開關SUPINT，將偵測端點Vx拉到接地端GND的電壓準位，因而對感應電容Cx進行電荷初始化。接下來切斷初始化開關SUPINT，連通主充電開關SUP、取樣開關SWUPDN1及量測開關SWUPDN2，因此主充電電流源20對偵測端點Vx充電，其電壓Vx被取樣電容Csm1取樣得到取樣電壓VSM1並加以儲存。由於Vx的值與Cx的值有關，因此取樣電壓VSM1實質上包含Cx的值，亦即包含Cx的變量資訊。然後切斷主充電開關SUP，開關SWUPDN1、SWUPDN2保持連通一段時間，讓取樣電壓VSM1經過電壓緩衝器22緩衝，以及經過低通濾波器30的延遲時間，儲存到量測電容CT1。依序切斷開關SWUPDN2、SWUPDN1，讓量測電路24量測量測電容CT1儲存的取樣電壓VSM1。首先連通從屬放電開關SUPDN，同時觸發一個開始計數信號(圖中未示)通知圖1中的數位處理器14或外部的微處理單元開始計數。量測電容CT1被從屬放電電流源26以小電流慢慢的放電，直到其電壓低於參考電壓Vref時，比較器28觸發高準位信號通知圖1中的數位處理器14或外部的微處理單元停止計數。由開始計數到停止計數之間的計數時間差，即係對感應電容Cx的量測數值。若量測電容CT1具較大電容值，則可得到精準度較高的量測數值。電壓隨耦器32從電壓Vx產生電壓VFOUT施加到電容式觸控按鍵10的另一電極板，此等電位操作將使電容式觸控按鍵10的兩電極板看到的共模效應電容消失，因而消除該兩電極板之間的水膜或其他附著物(如果有的話)所形成的共模效應電容。

圖3係本發明之感測電路12的第二實施例，其原理與圖2的實施例相似，但是將先充電再放電的方式改為先放電再充電。連通初始化開關SDNINT時，偵測端點Vx被拉到電源端VLDO的電壓準位，進行感應電容Cx的電荷初始化。接下來切斷初始化開關SDNINT，連通主放電開關SDN、取樣開關SWDNUP1及量測開關SWDNUP2，因此主放電電流源34讓感應電容Cx放電，取樣電容Csm2取樣得到取樣電壓VSM2並加以儲存。然後切斷主放電開關SDN，開關SWDNUP1、SWDNUP2保持連通一段時間，讓取樣電壓VSM2經過電壓緩衝器22緩衝，以及低通濾波器30的延遲時間，儲存到量測電容CT2。依序切斷開關SWDNUP2、SWDNUP1，讓量測電路36量測量測電容CT2儲存的取樣電壓VSM2。連通從屬充電開關SDNUP時觸發一個開始計數信號(圖中未示)通知圖1中的數位處理器14或外部的微處理單元開始計數。從屬充電電流源38以小電流對量測電容CT2慢慢的充電，直到其電壓高於參考電壓Vref時，比較器40觸發高準位信號通知圖1中的數位處理器14或外部的微處理單元停止計數。由開始計數到停止計數之間的計數時間差，即係對感應電容Cx的量測數值。

合併圖2及圖3的電路成為圖4的擬差動(pseudo differential)架構，可改善感測電路12對抗低頻共模雜訊及比較器偏移電壓的能力。圖5係此實施例的時序圖，其一次感測操作包含兩個時相，時相Phase1為快充慢放週期，依循圖2的模式得到第一計數值，時相Phase2為快放慢充週期，依循圖3的模式得到第二計數值。th係相關開關的保持時間，td係低通濾波器30的延遲時間。量測電路44會將時相Phase1、Phase2分別測得的第一及第二計數值相加(圖中未示)作為量測數值。若取樣電容Csm1、Csm2具有相等的電容值，量測電容CT1、CT2具有相等的電容值，主充電電流源20和主放電電流源34的電流量相同，從屬放電電流源26和從屬充電電流源38的電流量相同，比較器28、40相同，則將兩時相Phase1、Phase2分別測得的第一及第二計數值相加，便可抑制低頻共模雜訊以及減低比較器的偏移電壓帶來的誤差，得到較準確的量測數值。

圖6係上述消除低頻共模雜訊與比較器偏移電壓的示意圖。在量測電容充電或放電至參考電壓Vref時，比較器會發生高低準位轉換。若比較器有偏移電壓Vos存在，則會造成時相Phase1的計數值變為t1-Δtos，時相Phase2的計數值變為t2+Δtos，但二者相加結果為t1+t2，因而消除了偏移電壓Vos造成的誤差Δtos。由於低頻雜訊無法被低通濾波器濾除，因此在取樣時會提供雜訊電壓ΔVnoise到量測電容，造成時相Phase1的計數值變為t1+Δtn，時相Phase2的計數值變為t2-Δtn，但二者相加結果為t1+t2，因而消除了低頻雜訊造成的誤差Δtn。所以圖4的實施例能消除低頻共模雜訊及比較器偏移電壓所產生的誤差。

除了數位方式的相加運算以外，亦可透過類比方式的相加運算來消除雜訊。只要將兩時相得到的取樣電壓VSM1、VSM2相加，再由後端的計數器得到計數值，即能達到相同的功能。圖7係本發明之感測電路12的第四實施例，圖8係其時序圖。除了量測電路50以外，此實施例的電路和圖4的實施例是相同的，產生及儲存取樣電壓VSM1、VSM2到量測電容CT1、CT2的過程也是相同的，但是量測電路50的量測過程不同。量測電路50利用開關電路52讓量測電容CT1、CT2電荷平衡，達到類比式的相加運算。在經過兩時相Phase1、Phase2後，先連通開關S2一段時間，再連通開關S3一段時間，在切斷開關S3以前連通開關S1，如此，將量測電容CT2倒置和量測電容CT1並聯，因而將量測電容CT1得到的電壓變化量和量測電容CT2得到的電壓變化量相加。連通從屬放電開關SUPDN，讓從屬放電電流源26使量測電容CT1、CT2放電到低於參考電壓Vref，由後端的電路計數得到量測數值。在另一實施例中，開關電路52改為將量測電容CT1倒置和量測電容CT2並聯，再經從屬充電電流源充電到高於參考電壓Vref，亦可得到相同的結果。這種類比式的運算一樣可以抑制低頻共模雜訊與比較器偏移電壓的誤差。

在上述所有實施例中，濾波器30係主動式或被動式的濾波器，其目的在於濾除取樣電壓的高頻雜訊。若不在意高頻雜訊的影響，則可省略低通濾波器30，而將電壓緩衝器22提供的取樣電壓直接送入量測電容。

除了應用在電容式觸控按鍵，本發明之感測電路12也可以應用在天線實現近距離感應。如圖9所示，當圖2、圖4或圖7的感測電路12對偵測端點Vx充電，會產生瞬間電流。而手60在空間中的移動會造成天線62或66的電感值變化ΔL，因此感應電壓

造成取樣電容Csm1得到的取樣電壓VSM1產生變化，從其得到的量測數值也跟著變化。同理，當圖3、圖4或圖7的感測電路12讓偵測端點Vx放電，會產生瞬間電流。而手60在空間中的移動造成的電感值變化ΔL使取樣電容Csm2得到的取樣電壓VSM2產生變化，從其得到的量測數值也跟著變化。不同結構的天線有不同的磁場分布，例如圖9上方的單導線條天線62得到以其為中心的同心圓磁力線64，圖9下方的螺旋線圈天線66得到集中於上下方向的磁力線68。當手60接近天線62，或經過天線66的上方或下方，將破壞其磁力線分布，導致電感值變化ΔL，因此感測電路12便能由ΔVmut得到變化的量測數值，因而實現近距離感應。若是將電容式觸控按鍵10的電極板經過特別的設計，使其具有天線的效果，則感測電路12能同時執行近距離感應的功能。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．電容式觸控按鍵

12．．．感測電路

14．．．數位處理器

20．．．主充電電流源

22．．．電壓緩衝器

24．．．量測電路

26．．．從屬放電電流源

28．．．比較器

30．．．低通濾波器

32．．．電壓隨耦器

34．．．主放電電流源

36．．．量測電路

38．．．從屬充電電流源

40．．．比較器

44．．．量測電路

50．．．量測電路

52．．．開關電路

60．．．手

62．．．單導線條天線

64．．．磁力線

66．．．螺旋線圈天線

68．．．磁力線

圖1係電容式的觸控感應的示意圖；

圖2係本發明之感測電路的第一實施例；

圖3係本發明之感測電路的第二實施例；

圖4係本發明之感測電路的第三實施例

圖5係圖4的時序圖；

圖6係消除低頻共模雜訊與比較器偏移電壓的示意圖；

圖7係本發明之感測電路的第四實施例；

圖8係圖7的時序圖；以及

圖9係本發明之感測電路應用於近距離感應的示意圖。

10．．．電容式觸控按鍵

20．．．主充電電流源

22．．．電壓緩衝器

24．．．量測電路

26．．．從屬放電電流源

28．．．比較器

30．．．低通濾波器

32．．．電壓隨耦器

Claims (25)

1. 一種應用於電容式觸控按鍵及近距離感應的感測電路，包含：偵測端點，供連接電容式觸控按鍵或天線；初始化開關連接在該偵測端點與初始化電壓端之間；主充電電流源；主充電開關連接在該主充電電流源與該偵測端點之間，控制該主充電電流源對該偵測端點的充電；取樣電容，對該偵測端點取樣並轉換成取樣電壓加以儲存；取樣開關連接在該偵測端點與該取樣電容之間，控制該取樣電容對該偵測端點的取樣；電壓緩衝器連接該取樣電容，緩衝該取樣電壓；量測電路，根據該取樣電壓產生量測數值；以及量測開關連接在該電壓緩衝器與該量測電路之間，控制該取樣電壓進入該量測電路。
2. 如請求項1之感測電路，更包含低通濾波器介於該電壓緩衝器與該量測電路之間，濾除該取樣電壓的高頻雜訊。
3. 如請求項1之感測電路，其中該量測電路包括：量測電容，儲存該取樣電壓；從屬放電電流源；從屬放電開關連接在該量測電容與該從屬放電電流源之間，控制該從屬放電電流源讓該量測電容放電；以及比較器連接該量測電容；其中，該量測電容被放電到低於參考電壓之計數值等於該量測數值。
4. 如請求項1之感測電路，更包含電壓隨耦器連接該偵測端點，以產生等化操作用途的電壓。
5. 一種應用於電容式觸控按鍵及近距離感應的感測電路，包含：偵測端點，供連接電容式觸控按鍵或天線；初始化開關連接在該偵測端點與初始化電壓端之間；主放電電流源；主放電開關連接在該主放電電流源與該偵測端點之間，控制該主放電電流源讓該偵測端點的放電；取樣電容，對該偵測端點取樣並轉換成取樣電壓加以儲存；取樣開關連接在該偵測端點與該取樣電容之間，控制該取樣電容對該偵測端點的取樣；電壓緩衝器連接該取樣電容，緩衝該取樣電壓；量測電路，根據該取樣電壓產生量測數值；以及量測開關連接在該電壓緩衝器與該量測電路之間，控制該取樣電壓進入該量測電路。
6. 如請求項5之感測電路，更包含低通濾波器介於該電壓緩衝器與該量測電路之間，濾除該取樣電壓的高頻雜訊。
7. 如請求項5之感測電路，其中該量測電路包括：量測電容，儲存該取樣電壓；從屬充電電流源；從屬充電開關連接在該量測電容與該從屬充電電流源之間，控制該從屬充電電流源對該量測電容的充電；以及比較器連接該量測電容；其中，該量測電容被充電到高於參考電壓之計數值等於該量測數 值。
8. 如請求項5之感測電路，更包含電壓隨耦器連接該偵測端點，以產生等化操作用途的電壓。
9. 一種應用於電容式觸控按鍵及近距離感應的感測電路，包含：偵測端點，供連接電容式觸控按鍵或天線；第一初始化開關連接在該偵測端點與第一初始化電壓端之間，在第一時相控制該偵測端點的初始化；主充電電流源；主充電開關連接在該主充電電流源與該偵測端點之間，在該第一時相控制該主充電電流源對該偵測端點的充電；第一取樣電容，在該第一時相對該偵測端點取樣轉換成第一取樣電壓加以儲存；第一取樣開關連接在該偵測端點與該第一取樣電容之間，在該第一時相控制該第一取樣電容對該偵測端點的取樣；第一電壓緩衝器連接該第一取樣電容，緩衝該第一取樣電壓；第二初始化開關連接在該偵測端點與第二初始化電壓端之間，在第二時相控制該偵測端點的初始化；主放電電流源；主放電開關連接在該主放電電流源與該偵測端點之間，在該第二時相控制該主放電電流源讓該偵測端點的放電；第二取樣電容，在該第二時相對該偵測端點取樣轉換成第二取樣電壓加以儲存；第二取樣開關連接在該偵測端點與該第二取樣電容之間，在該第二時相控制該第二取樣電容對該偵測端點的取樣； 第二電壓緩衝器連接該第二取樣電容，緩衝該第二取樣電壓；量測電路，根據該第一及第二取樣電壓產生量測數值；第一量測開關連接在該第一電壓緩衝器與該量測電路之間，控制該第一取樣電壓進入該量測電路；以及第二量測開關連接在該第二電壓緩衝器與該量測電路之間，控制該第二取樣電壓進入該量測電路。
10. 如請求項9之感測電路，更包含低通濾波器介於該第一電壓緩衝器與該量測電路之間，濾除該第一取樣電壓的高頻雜訊。
11. 如請求項9之感測電路，更包含低通濾波器介於該第二電壓緩衝器與該量測電路之間，濾除該第二取樣電壓的高頻雜訊。
12. 如請求項9之感測電路，其中該量測電路包括：第一量測電容，儲存該第一取樣電壓；從屬放電電流源；從屬放電開關連接在該第一量測電容與該從屬放電電流源之間，控制該從屬放電電流源讓該第一量測電容放電；第一比較器連接該第一量測電容；第二量測電容，儲存該第二取樣電壓；從屬充電電流源；從屬充電開關連接在該第二量測電容及該從屬充電電流源之間，控制該從屬充電電流源對該第二量測電容的充電；以及第二比較器連接該第二量測電容；其中，該第一量測電容被放電到低於參考電壓之第一計數值，加上該第二量測電容被充電到高於該參考電壓之第二計數值，等於該量測數值。
13. 如請求項9之感測電路，其中該量測電路包括：第一量測電容，儲存該第一取樣電壓；第二量測電容，儲存該第二取樣電壓；開關電路連接該第一及第二量測電容，在該第一及第二時相後將該第二量測電容倒置和該第一量測電容並聯；從屬放電電流源；從屬放電開關連接在該第一量測電容與該從屬放電電流源之間，控制該從屬放電電流源讓該第一及第二量測電容放電；以及比較器連接該第一量測電容；其中，該第一及第二量測電容被放電到低於參考電壓之計數值等於該量測數值。
14. 如請求項9之感測電路，其中該量測電路包括：第一量測電容，儲存該第一取樣電壓；第二量測電容，儲存該第二取樣電壓；開關電路連接該第一及第二量測電容，在該第一及第二時相後將該第一量測電容倒置和該第二量測電容並聯；從屬充電電流源；從屬充電開關連接在該第二量測電容與該從屬充電電流源之間，控制該從屬充電電流源對該第一及第二量測電容充電；以及比較器連接該第二量測電容；其中，該第一及第二量測電容被充電到高於參考電壓之計數值等於該量測數值。
15. 如請求項9之感測電路，更包含電壓隨耦器連接該偵測端點，以產生等化操作用途的電壓。
16. 一種應用於電容式觸控按鍵及近距離感應的感測方法，包含：提供偵測端點，俾連接電容式觸控按鍵或天線；設定該偵測端點的電壓；對該偵測端點充電並取樣得到取樣電壓；儲存該取樣電壓到量測電容；以及讓該量測電容放電到低於參考電壓，因而從其放電時間得到量測數值。
17. 如請求項16之感測方法，更包含濾除該取樣電壓的高頻雜訊。
18. 一種應用於電容式觸控按鍵及近距離感應的感測方法，包含：提供偵測端點，俾連接電容式觸控按鍵或天線；設定該偵測端點的電壓；讓該偵測端點放電並取樣得到取樣電壓；儲存該取樣電壓到量測電容；以及讓該量測電容充電到高於參考電壓，因而從其充電時間得到量測數值。
19. 如請求項18之感測方法，更包含濾除該取樣電壓的高頻雜訊。
20. 一種應用於電容式觸控按鍵及近距離感應的感測方法，包含：提供偵測端點，俾連接電容式觸控按鍵或天線；在第一時相中，設定該偵測端點的電壓，對該偵測端點充電並取樣得到第一取樣電壓儲存到第一量測電容；在第二時相中，設定該偵測端點的電壓，讓該偵測端點放電並取樣得到第二取樣電壓儲存到第二量測電容；以及 根據該第一及第二取樣電壓取得量測數值。
21. 如請求項20之感測方法，更包含濾除該第一取樣電壓的高頻雜訊。
22. 如請求項20之感測方法，更包含濾除該第二取樣電壓的高頻雜訊。
23. 如請求項20之感測方法，其中該根據該第一及第二取樣電壓取得量測數值的步驟包含將該第一量測電容放電到低於參考電壓的時間加上該第二量測電容充電到高於該參考電壓的時間決定該量測數值。
24. 如請求項20之感測方法，其中該根據該第一及第二取樣電壓取得量測數值的步驟包含：將第二量測電容倒置和該第一量測電容並聯；以及讓該第一及第二量測電容放電到低於參考電壓，因而從其放電時間得到該量測數值。
25. 如請求項20之感測方法，其中該根據該第一及第二取樣電壓取得量測數值的步驟包含：將第一量測電容倒置和該第二量測電容並聯；以及讓該第一及第二量測電容充電到高於參考電壓，因而從其充電時間得到該量測數值。