TWI651930B - 使用三角積分轉換之電容近接偵測 - Google Patents

使用三角積分轉換之電容近接偵測 Download PDF

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Abstract

藉由組合一個三角積分調變器與一電容分壓器電路以形成一高解析度電容轉數位轉換器來提供電容近接偵測。週期計數器及工作循環計數器自該三角積分調變器提供工作循環比，以用於在一物件近接於一電容感測器時，比較該電容感測器之電容值之改變。

Description

使用三角積分轉換之電容近接偵測 相關專利申請案
本申請案主張2013年6月12日申請且出於所有目的而特此以引用的方式併入本文中之共同擁有之美國臨時專利申請案第61/834,236號之優先權。
本發明係關於近接偵測，且特定而言係關於使用三角積分轉換之電容近接偵測。
電容近接偵測需要電容值之極高解析度轉換(>10至12個位元)。使用現有電容觸控解決方案之基於近接之偵測系統需要重複之量測、平均結果及因此一高處理時間額外負荷，這些不適於低電力應用。
因此，需要一種低電力、高解析度電容改變偵測系統、方法及設備。電容改變可係一物件近接於一電容感測器之結果。
根據一實施例，一種近接偵測系統可包括：一比較器，其具有第一輸入及第二輸入以及一輸出，其中該第二輸入可與一參考電壓耦合，且該第一輸入可與一保持電容器耦合；一電容感測器；一切換器，其用於將該電容感測器交替地耦合至一電壓及該保持電容器；一時鐘，其具有一輸出；一正反器，其具有與該比較器之該輸出耦合之 一輸入、耦合至該時鐘之該輸出之一時脈輸入，及一輸出；一回饋電阻器，其耦合於該正反器之該輸出與該比較器之該第一輸入之間；一工作循環計數器，其具有耦合至該時鐘之該輸出之一時脈輸入、一重設輸入、耦合至該正反器之該輸出之一啟用輸入，及用於提供所計數之時脈輸出之一數目之一輸出，其中該工作循環計數器僅在其該啟用輸入處於一第一邏輯位準時計數該等時脈輸出；及一電路，其用於每當該正反器之該輸出自一第二邏輯位準變為該第一邏輯位準時控制該切換器；其中使用所計數之時脈輸出之該數目來判定一物件至該電容感測器之近接。
根據又一實施例，可提供具有耦合至該時鐘之該輸出之一時脈輸入、一重設/啟用輸入及一進位輸出之一週期計數器，其中該週期計數器判定一量測時間週期。根據又一實施例，可使用該工作循環計數器及該週期計數器中之計數值來判定取決於該電容感測器之一電容值之一工作循環。根據又一實施例，該工作循環可係該工作循環計數器中之該計數值除以該週期計數器中之該計數值。根據又一實施例，一數位處理器與記憶體可耦合至該時鐘以及該工作循環計數器及該週期計數器，其中該數位處理器自該工作循環計數器及該週期計數器讀取該等計數值，且自其判定與該電容感測器之電容值有關之工作循環。根據又一實施例，與該電容感測器之電容值有關之該等工作循環可儲存於該數位處理器記憶體中且經比較以判定一工作循環改變是否指示近接於該電容感測器之一物件之一偵測。
根據又一實施例，該週期計數器之該進位輸出產生至該數位處理器之一中斷信號。根據又一實施例，耦合至該電容感測器之該電壓可處於一邏輯高。根據又一實施例，耦合至該電容感測器之該電壓可處於一邏輯低。根據又一實施例，一輸出驅動器可具有耦合至該數位處理器之一輸入及耦合至該切換器之一輸出，其中針對循序工作循環 週期，耦合至該電容感測器之該電壓在一邏輯高與一邏輯低之間交替。根據又一實施例，一微控制器包括該數位處理器與記憶體、該比較器、該時鐘、該正反器、該回饋電阻器、該工作循環計數器、該週期計數器、該切換器及用於控制該切換器之該電路。根據又一實施例，可用一電流源及一電流槽來替換該回饋電阻器。根據又一實施例，該回饋電阻器之一電阻值可以可程式化方式調整。根據又一實施例，該保持電容器之一電容值可以可程式化方式調整。
根據另一實施例，一種用於偵測近接於一電容感測器之一物件之方法可包括以下步驟：將一電容感測器充電至一第一電壓；將該經充電電容感測器與一保持電容器並聯耦合；用一電壓比較器比較該等經並聯連接之電容感測器及保持電容器上之一所得電壓與一參考電壓，其中：若該所得電壓可大於該參考電壓，則將該保持電容器部分地放電至一較低電壓，且若該所得電壓可小於該參考電壓，則將該保持電容器部分地充電至一較高電壓並將一個計數加至一工作循環計數器；將一個計數加至一週期計數器；返回至將該電容感測器充電至該第一電壓之該步驟。
根據該方法之又一實施例，可包括以下步驟：儲存複數個工作循環週期計數；及自該複數個工作循環計數除以該複數個週期計數中之各別者來計算工作循環。根據該方法之又一實施例，可包括自該等工作循環判定該電容感測器之電容值之改變之步驟。根據該方法之又一實施例，可包括自該等工作循環判定一物件至該電容感測器之近接之步驟。
根據再一實施例，一種用於偵測近接於一電容感測器之一物件之方法可包括以下步驟：將一電容感測器放電；將該經放電電容感測器與一保持電容器並聯耦合；用一電壓比較器比較該等經並聯連接之電容感測器及保持電容器上之一所得電壓與一參考電壓，其中：若該所得電 壓可小於該參考電壓，則將該保持電容器部分地充電至一較高電壓，且若該所得電壓可大於該參考電壓，則將該保持電容器部分地放電至一較低電壓並將一個計數加至一工作循環計數器；將一個計數加至一週期計數器；返回至將該電容感測器充電至該第一電壓之該步驟。
根據該方法之又一實施例，可包括以下步驟：儲存複數個工作循環週期計數；及自該複數個工作循環計數除以該複數個週期計數中之各別者來計算工作循環。根據該方法之又一實施例，可包括自該等工作循環判定該電容感測器之電容值之改變之步驟。根據該方法之又一實施例，可包括自該等工作循環判定一物件至該電容感測器之近接之步驟。
根據又一實施例，一種用於近接偵測之設備可包括：一比較器，其具有第一輸入及第二輸入以及一輸出，其中該第二輸入可與一參考電壓耦合且該第一輸入可與一保持電容器耦合；一切換器，其經調適以將一電容感測器交替地耦合至一電壓及該保持電容器；一時鐘，其具有一輸出；一正反器，其具有與該比較器之該輸出耦合之一輸入、耦合至該時鐘之該輸出之一時脈輸入，及一輸出；一回饋電阻器，其耦合於該正反器之該輸出與該比較器之該第一輸入之間；一工作循環計數器，其具有耦合至該時鐘之該輸出之一時脈輸入、一重設輸入、耦合至該正反器之該輸出之一啟用輸入，及用於提供所計數之時脈輸出之一數目之一輸出，其中該工作循環計數器僅在其該啟用輸入可處於一第一邏輯位準時計數該等時脈輸出；及一電路，其用於每當該正反器之該輸出自一第二邏輯位準變為該第一邏輯位準時控制該切換器。
根據又一實施例，可使用所計數之時脈輸出之該數目來判定一物件至該電容感測器之近接。根據又一實施例，可使用所計數之時脈輸出之該數目來判定該電容感測器之電容值之改變。根據又一實施 例，可用一電流源及一電流槽來替換該回饋電阻器。根據又一實施例，該回饋電阻器之一電阻值可以可程式化方式調整。根據又一實施例，該保持電容器之一電容值可以可程式化方式調整。
根據另一實施例，一種用於近接偵測之設備可包括：一電壓求和器，其具有第一輸入及第二輸入以及一輸出；一切換器，其經調適以將一電容感測器交替地耦合至一電壓及該電壓求和器之該第一輸入；一時鐘，其具有一輸出，其中在每一時脈脈衝處，該切換器將該電容感測器短暫地耦合至該電壓，然後耦合回至該電壓求和器之該第一輸入；一電壓參考，其具有一參考電壓輸出；一運算放大器，其具有耦合至該電壓求和器之一輸出之一第一輸入及耦合至該電壓參考之該輸出之一第二輸入；一積分電容器，其耦合於該運算放大器之該第一輸入與其一輸出之間；一類比轉數位轉換器(ADC)，其具有耦合至該運算放大器之該輸出之一輸入，其中該ADC將該運算放大器輸出轉換為其一多位元數位表示；一數位轉類比轉換器(DAC)，其具有耦合至該ADC之輸入且將來自該ADC之該多位元數位表示轉換成耦合至該電壓求和器之該第二輸入之一類比回饋電壓；一整數倍降低濾波器，其具有耦合至來自該ADC之該多位元數位表示之輸入；及一數位信號處理器(DSP)，其耦合至該整數倍降低濾波器，其中該DSP判定一物件可何時近接於該電容感測器。根據又一實施例，可用來自該時鐘之時脈脈衝使該ADC、該DAC及該整數倍降低濾波器一起同步。
100‧‧‧電容近接偵測系統
102‧‧‧電容感測器/感測器
114‧‧‧數位處理器與記憶體/數位處理器
116‧‧‧通信介面
118‧‧‧通信埠
126‧‧‧時鐘
128‧‧‧第一計數器/計時器/週期計數器
132‧‧‧第二計時器/計數器/工作循環計數器
134‧‧‧D正反器
136‧‧‧電壓比較器
138‧‧‧回饋電阻器
140‧‧‧保持電容器
142‧‧‧電壓參考
150‧‧‧切換器/單極雙投切換器
152‧‧‧單發單穩態產生器/單穩態產生器
238‧‧‧恆定電流槽
239‧‧‧恆定電流源
254‧‧‧電壓驅動器
360‧‧‧增量
362‧‧‧較大正電壓增量
600‧‧‧電容近接偵測系統
614‧‧‧數位信號處理器與記憶體
626‧‧‧時鐘
630‧‧‧混合信號(具有類比電路及數位電路兩者)積體電路裝置
636‧‧‧運算放大器
642‧‧‧電壓參考
650‧‧‧切換器
652‧‧‧單發單穩態產生器/單穩態產生器
654‧‧‧多位元數位轉類比轉換器(DAC)
656‧‧‧多位元類比轉數位轉換器(ADC)
658‧‧‧積分回饋電容器
660‧‧‧類比求和器/求和器
662‧‧‧整數倍降低濾波器
VDD‧‧‧電壓
Vref‧‧‧參考電壓
VSS‧‧‧電壓
結合附圖參照以下說明可更完全地理解本發明，附圖中：圖1圖解說明根據本發明之一特定實例性實施例包括一電容感測器及一個三角積分類比轉數位轉換器之一電容近接偵測系統之一示意性方塊圖；圖2圖解說明根據本發明之另一特定實例性實施例包括一電容感 測器及一個三角積分類比轉數位轉換器之一電容近接偵測系統之一示意性方塊圖；圖2A圖解說明根據本發明之再一特定實例性實施例包括一電容感測器及一個三角積分類比轉數位轉換器之一電容近接偵測系統之一示意性方塊圖；圖3圖解說明根據本發明之特定實例性實施例之一電容近接偵測系統之操作之一示意性時序圖；圖4及圖5圖解說明根據本發明之特定實例性實施例之電容近接偵測系統之操作之示意性程序流程圖；及圖6圖解說明根據本發明之又一特定實例性實施例包括一電容感測器及一個三角積分類比轉數位轉換器之一電容近接偵測系統之一示意性方塊圖。
儘管本發明易於作出各種修改及替代形式，但在圖式中展示並在本文中詳細闡述其特定實例性實施例。然而，應理解，本文對特定實例性實施例之說明並非意欲將本發明限制於本文中所揭示之特定形式，而是相反，本發明意欲涵蓋隨附申請專利範圍所界定之所有修改及等效形式。
根據各項實施例，可藉由組合一個三角積分調變器與一電容分壓器電路以形成可用於偵測由一物件近接於一電容感測器而導致的該電容感測器之電容值之小改變之一高解析度電容轉數位轉換器來提供一種電容近接偵測系統、方法及設備。
組合三角積分轉換與電容量測具有數個優點。一個三角積分轉換器具有可調整解析度且可在無數位處理器額外負荷之情形下進行操作。其可在電容量測期間當數位處理器處於一低電力睡眠模式中時在一低電力模式中操作。
現在參考圖式，示意性地圖解說明實例性實施例之細節。圖式中，將由相同編號表示相同元件，且將由帶有一不同小寫字母後綴之相同編號表示相似元件。
參考圖1，繪示根據本發明之一特定實例性實施例包括一電容感測器及一個三角積分類比轉數位轉換器之一電容近接偵測系統之一示意性方塊圖。通常由編號100表示之一電容近接偵測系統可包括一電容感測器102、一數位處理器與記憶體114、一第一計時器/計數器128、一第二計時器/計數器132、一D正反器134、一電壓比較器136、一電壓參考142、一保持電容器140、一回饋電阻器138、一單極雙投切換器150、一單發單穩態產生器152、一時鐘126、一通信介面116及一通信埠118。除電容感測器102之外的前述元件皆可由一混合信號(具有類比電路及數位電路兩者)積體電路裝置130(例如，特殊應用積體電路(ASIC)、一可程式化邏輯陣列、一簡單數位狀態機(例如，用作一獨立周邊裝置)或微控制器)提供。通信介面116可係一串列通信介面(例如，RS-232、USB、SPI、I2C、Microwire或UNI/O及類似介面)，且可透過通信埠118、一並列匯流排(未展示)及/或當一人或物件近接於電容感測器102時設定/清除之個別指示器(例如，LED)(未展示)提供資料(例如，近接偵測)及警報。
藉由一電路在一短時間中將電容感測器102充電至一電壓，例如，VDD，該電路將電容感測器102連接至該電壓。此電路可包括(但不限於)由一單發單穩態產生器152控制之一切換器150，單發單穩態產生器152致使切換器150將電容感測器102短暫地耦合至VDD且然後返回至與保持電容器140之一並聯連接。單穩態產生器152及切換器150係出於闡釋性目的而展示的，但熟習數位電路設計且受益於本發明之技術者可容易地想出用於快速將電容感測器102充電且然後將電容感測器102與保持電容器140重新連接之替代且等效電路。保持電容 器140之電容值大於電容感測器102之電容值，以使得當與保持電容器140並聯連接時電容感測器102上之一電荷VDD將不顯著改變保持電容器140之電壓電荷。保持電容器140之典型值可係(但不限於)自約20微微法拉至約500微微法拉。電容感測器102之典型值可係(但不限於)自約5微微法拉至約50微微法拉。自無物件緊近接至有一物件緊近接的一電容值改變可係(但不限於)自近接感測器102之電容值之約0.1%至0.5%，例如，自約一(1)毫微微法拉至約250毫微微法拉。
在一長時間週期內，保持電容器140上之一電壓將穩定至大約為來自電壓參考142之正或負電壓(參考電壓)的一電壓。此係三角積分調變器電壓平衡點。該參考電壓可係小於VDD或大於VSS之任何值，例如，VDD×3/4、VDD/2、VDD/4等，較佳地，該參考電壓可係VDD/2，此乃因其可給出最大量測範圍。帶VDD電荷之電容感測器102上之電壓基於兩個電容器之個別電容值及其上之電壓而在該兩個電容器之間劃分。最初，電容感測器102上之電壓大於保持電容器140上之電壓，以使得當兩個電容器並聯連接時，所得電壓將大於保持電容器140初始電壓，例如，VDD/2。若電容感測器102之電容改變，則跨越兩個電容器之電壓劃分將改變，導致保持電容器140上之電壓之一改變。
比較器136與D正反器134構成一個三角積分調變器。當保持電容器140上之電壓大於參考電壓Vref時，在下一時脈脈衝之後，比較器136之輸出變低且來自D正反器134之Q-輸出變低(例如，VSS)。由於來自D正反器134之低輸出將小於保持電容器140上之電壓，因此保持電容器140將透過回饋電阻器138放電至一較低電壓。當保持電容器140上之電壓小於參考電壓Vref時，在下一時脈脈衝之後，比較器136之輸出變高且來自D正反器134之Q-輸出變高(例如，VSS)。由於來自D正反器134之高輸出將大於保持電容器140上之電壓，因此保持電容器140將透過回饋電阻器138充電至一高電壓。回饋電阻器138之典型值 可係(但不限於)自約100歐姆至約10,000歐姆。較佳地，回饋電阻器138可相加/減去來自保持電容器140之一電荷量，該電荷量在大小上類似於由電容感測器102在其連接至保持電容器140時相加之電荷量。可自V=q/C及dV=dq/C判定保持電容器140上之電荷Q，其中保持電容器140上之電壓改變除以其電容值給出其上之電荷改變。電阻器供應之電荷量可由q=t×(Vdd-Vcap)/R判定，t=時脈週期。
第一計時器/計數器128及第二計時器/計數器132形成一工作循環量測系統。當保持電容器上之電壓小於參考電壓時，第二計時器/計數器132判定一電容轉數位值轉換發生之時間長度，第一計時器/計數器132計數在此轉換時間期間出現之時脈脈衝之數目。第二計時器/計數器132將僅在其啟用輸入係高(來自D正反器134之輸出)時計數時脈脈衝。三角積分轉換週期可運行直至存在來自第一計時器/計數器128之一進位輸出(溢位)。此進位輸出可用於警示數位處理器114：轉換週期結束。其中數位處理器114可(例如)經由一n位元匯流排自第二計時器/計數器132讀取計數值，並計算由來自第二計時器/計數器132之計數值除以第一計時器/計數器128之最大計數值(轉換週期)表示之工作循環比。此後，數位處理器114可重設第一計時器/計數器128及第二計時器/計數器132。
一個二進制十(10)位元計數值210將具有一1024計數細微度；一個二進制二十(20)位元計數值220將具有一1,048,576計數細微度等等。明顯地，第一計時器/計數器128及第二計時器/計數器132具有的位元之數目越大，解析度就越大且可判定之電容值之改變就越精細。然而，具有較大數目個位元之一計時器/計數器需要一較長電容轉二進制轉換時間。依據自第二計時器/計數器132讀取之計數值，數位處理器可判定電容感測器102何時具有電容值之一改變。
參考圖3，繪示根據本發明之特定實例性實施例之一電容近接偵 測系統之操作之一示意性時序圖。在一長時間週期內且在無外部電壓影響之情形下，保持電容器140上之電壓將係參考電壓加上或減去一極小誤差電壓。此導致大約50%之一工作循環。該工作循環可定義為由第一計時器/計數器128在第二計時器/計數器132自零計數至其產生一進位輸出之最大位元(或自一經預載入數位值計數至其最大位元計數)所花費之時間期間計數之時脈脈衝之數目除以該最大位元計數(例如，在三角積分調變器之一電容轉數位值轉換期間計數之時脈脈衝之數目)。
當將一外部電壓自電容感測器102引入至保持電容器140時，若來自電容感測器102之電壓比保持電容器140上之初始電壓更為正數，則其上之所得電壓將比參考電壓更為正數。更為正數之程度取決於已經充電至(舉例而言)VDD之電容感測器102之電容值。由於電容感測器102之電容值小於保持電容器之電容值，因此保持電容器上之所得電壓之正增加將係其上之初始電壓之一百分比，且若電容感測器102具有比保持電容器140小得多的一電容值，則所得正電壓增加將係一小增加。當電容感測器102經放電至比保持電容器140上之電壓低之一值之電壓(例如，VSS)時，且至電容感測器102之連接將同樣較小。
圖1中所展示之三角積分電路在所得電壓大於參考電壓時將減小D正反器134之工作循環且在所得電壓小於參考電壓時將增加D正反器134之工作循環，例如，分別將電容感測器102充電至VDD或VSS。此係如何判定電容感測器102之電容值何時改變之基礎。
舉例而言，在圖3中，當處於一第一電容值之電容感測器102經充電至一第一電壓(例如，VDD)且然後與保持電容器140並聯連接時，此時刻之電壓將上升由編號360表示之一增量。三角積分調變器將開始藉由將工作循環減小至低於50%之一值而補償電壓之此增加。在其中無物件近接於電容感測器102之情形中，工作循環係約45%。 現在，當一物件近接電容感測器102時，電容器之所得組合將產生由編號362表示之一較大正電壓增量(電容感測器102由於其與近接於其之一物件之較大電容值而在其上具有較多電壓電荷)。在此情況中，工作循環係約37%。當無物件近接於電容感測器102時，顯著小於該工作循環。
電容感測器102將僅在保持電容器上之電壓已透過回饋電阻器138放電至小於參考電壓之一電壓值時充電至一較正值。由於D正反器134充當一單位元記憶體元件，因此將在一個時脈後判定是否將電容感測電容器充電。藉助三角積分轉換器，可容易地判定轉移電壓電荷值之一極小差。第一計數器/計時器128具有的位元越多(取樣時間越長)，當無物件或有一物件近接於電容感測器102時的電壓電荷差之解析度就越好。
數位處理器與記憶體114可儲存與電容感測器之電容值相關之工作循環且當存在一工作循環之一改變時，數位處理器可產生一物件近接偵測，且可透過通信介面且經由進一步傳達此物件近接偵測。
參考圖2，繪示根據本發明之另一特定實例性實施例包括一電容感測器及一個三角積分類比轉數位轉換器之一電容近接偵測系統之一示意性方塊圖。圖2中所展示之電路與圖1中所展示之電路實質上相同地操作，但其中已增加耦合至數位處理器114之一數位輸出及切換器150之一電壓驅動器254，其中一第一電壓輸出(例如，VDD)或一第二電壓輸出(例如，VSS)可係來自電壓驅動器254之輸出且用於分別將電容感測器102充電或放電。當使用比參考電壓更為正數之一電壓將電容感測器102充電時，由三角積分轉換器量測之工作循環將在一物件近接於電容感測器102時減小。當不及參考電壓正之一電壓用於將電容感測器102放電時，由三角積分轉換器量測之工作循環將在一物件近接於電容感測器102時增加。
數位處理器114可交替地將電容感測器102充電及放電且針對每一充電及放電量測週期進行工作循環量測。舉例而言，每次將電容感測器102充電時進行1024個樣本之一個完整轉換，每次將電容感測器102放電時進行1024個樣本之另一完整轉換，且然後將兩個值相減以得出一差動電容改變量測。取得1024個以上樣本將增加電容改變量測之解析度，其中2048個樣本給出11位元解析度，4096個樣本給出12位元解析度等等。回饋電阻器138之大小亦可經調整以給出約VDD/2之一較精細解析度，較高值電阻為較小改變給出較大解析度，且有助於量測電容感測器102中之較大改變。預期且在本發明之範疇內，可提供一以可程式化方式可變之保持電容器140以使得可針對最佳電容改變解析度「調諧」三角積分轉換器。可提供一以可程式化方式可變之回饋電阻器138且使用其來「調諧」電容改變。
參考圖2A，可用一恆定電流源239及一恆定電流槽238來替換圖1及圖2中所展示之回饋電阻器138以達成對保持電容器140之一更線性充電/放電。當D正反器134之Q-輸出處於一邏輯高時，恆定電流源239可經啟用以將一恆定電流自VDD供應至保持電容器140。且當D正反器之Q-輸出處於一邏輯低時，恆定電流槽238可經啟用以將一恆定電流自保持電容器140吸收至VSS。
可用一混合信號(具有類比電路及數位電路兩者)積體電路裝置130(例如，特殊應用積體電路(ASIC)、一可程式化邏輯陣列、一簡單數位狀態機(例如，用作一獨立周邊裝置)或包括大多數標準晶片上外圍裝置之微控制器)來方便地實施圖1、圖2及圖2A中所展示之近接偵測系統。其將提供高解析度及低CPU額外負荷。其可在具有低電力消耗(其中包含數位處理器與記憶體114之睡眠操作模式)之一小接腳計數裝置中實施。
參考圖4及圖5，繪示根據本發明之特定實例性實施例之電容近 接偵測系統之操作之示意性程序流程圖。圖4圖解說明其中將電容感測器102充電至一第一電壓(例如，VDD)之情形，且圖5圖解說明其中將電容感測器102放電至一第二電壓(例如，VSS)之情形。兩種情形以實質上相同方式發揮作用。
在步驟402中，將電容感測器102充電至一第一電壓。在步驟404中，將經充電電容感測器102與保持電容器140並聯耦合。在步驟406中，比較保持電容器140上之所得電壓與一參考電壓，其中在步驟408中：若所得電壓大於參考電壓，則在步驟410中，將保持電容器上之電壓部分地放電，且在步驟412中，將一個計數加至週期計數器(計時器/計數器)128；若所得電壓小於參考電壓，則在步驟414中，將保持電容器上之電壓部分地充電，在步驟416中，將一個計數加至工作循環計數器(計時器/計數器)132，且在步驟412中，將一個計數加至週期計數器(計時器/計數器)128。然後，返回至步驟402。
在步驟502中，將電容感測器102放電。在步驟504中，將經放電電容感測器102與保持電容器140並聯耦合。在步驟506中，比較保持電容器140上之所得電壓與一參考電壓，其中在步驟508中：若所得電壓小於參考電壓，則在步驟510中，將保持電容器上之電壓部分地充電，且在步驟512中，將一個計數加至週期計數器(計時器/計數器)128；若所得電壓大於參考電壓，則在步驟514中，將保持電容器上之電壓部分地放電，在步驟516中，將一個計數加至工作循環計數器(計時器/計數器)132，且在步驟512中，將一個計數加至週期計數器(計 時器/計數器)128。然後返回至步驟502。
每次週期計數器128逾時時即可將複數個工作循環計數儲存於數位處理器與記憶體114中，且可使用此等工作循環計數來判定由指示一物件至電容感測器102之近接的電容感測器102之電容值改變產生之工作循環，如上文中更全面地闡述。
參考圖6，繪示根據本發明之又一特定實例性實施例包括一電容感測器及一個三角積分類比轉數位轉換器之一電容近接偵測系統之一示意性方塊圖。通常由編號600表示之一電容近接偵測系統可包括一電容感測器102、一數位信號處理器與記憶體614、一整數倍降低濾波器662、一多位元數位轉類比轉換器(DAC)654、一多位元類比轉數位轉換器(ADC)656、一運算放大器636、一積分回饋電容器658、一類比求和器660、一電壓參考642、一單極雙投切換器150、一單發單穩態產生器652、一時鐘626、一通信介面116及一通信埠118。除電容感測器102之外的前述元件可由一混合信號(具有類比電路及數位電路兩者)積體電路裝置630(例如，特殊應用積體電路(ASIC)、一可程式化邏輯陣列、一簡單數位狀態機(例如，用作一獨立周邊裝置)或微控制器)提供。通信介面116可係一串列通信介面(例如，RS-232、USB、SPI、I2C、Microwire或UNI/O及類似介面)，且可透過通信埠118、一並列匯流排(未展示)及/或當一人或物件近接於電容感測器102時設定/清除之個別指示器(例如，LED)(未展示)提供資料(例如，近接偵測)及警報。
藉由一電路在一短時間中將電容感測器102充電至一電壓，例如，VDD，該電路將電容感測器102連接至該電壓。此電路可包括(但不限於)由一單發單穩態產生器652控制之一切換器650，單發單穩態產生器652致使切換器650將電容感測器102短暫地耦合至VDD且然後耦合回至求和器660之一輸入。單穩態產生器652及切換器650係出於 闡釋性目的而展示的，但熟習數位電路設計且受益於本發明之技術者可容易地想出用於快速將電容感測器102充電且然後將電容感測器102重新連接至求和器660之替代且等效電路。
來自DAC 654之一輸出耦合至求和器660之一第二輸入。DAC 654可係一多位元DAC，例如，具有四個電壓輸入位準之兩個位元。求和器660將來自電容感測器102之電壓與來自DAC 654之電壓輸出相加在一起。運算放大器636結合積分電容器658一起對來自求和器660之輸出電壓與來自電壓參考642之一參考電壓之間的一差進行積分。參考電壓可係(但不限於)VDD/2。在來自時鐘626之每個時脈脈衝時，來自運算放大器636之經積分電壓輸出由ADC 656取樣，且在下一時脈脈衝上，在ADC 656之輸出處可獲得該電壓輸出之一數位表示。ADC 656可具有一多位準輸出，例如，具有四個輸出位準之兩個位元。來自ADC 656之多位準輸出耦合至DAC 654及一整數倍降低濾波器662。在來自時鐘626之每一時脈脈衝處使ADC 656、DAC 654及整數倍降低濾波器662之操作同步。來自整數倍降低濾波器662之一多位元輸出可耦合至數位信號處理器614。關於獲得一物件之近接偵測之進一步處理如上文中更全面地闡述。
圖6中所展示之電路提供與圖1、圖2及圖2A中所展示之電路實質上相同之結果，例如，近接偵測，其中第一計數器/計時器128及第二計數器/計時器132由整數倍降低濾波器662及數位信號處理器614替換。保持電容器140、回饋電阻器138、電壓比較器136及D正反器134由求和器660、運算放大器636、積分電容器658、ADC 656及DAC 654替換。圖6中所展示之實施例之一優點係其由於其多位元能力而能夠較快地進行三角積分轉換，藉此較快速地偵測指示一物件至電容感測器之近接的電容感測器之一電容改變。
儘管已參考本發明之實例性實施例來繪示、闡述及界定本發明 之各實施例，但此等參考並不暗示對本發明之一限制，且不應推斷出存在此限制。所揭示之標的物能夠在形式及功能上具有大量修改、變更及等效形式，熟習相關技術且受益於本發明之技術者將會聯想到此等修改、變更及等效形式。所繪示及所闡述之本發明實施例僅作為實例，而並非是對本發明範疇之窮盡性說明。

Claims (26)

  1. 一種用於近接偵測之設備，其包括：一比較器，其具有第一輸入及第二輸入以及一輸出，其中該第二輸入與一參考電壓耦合，且該第一輸入與一保持電容器耦合；一切換器，其經調適以將一電容感測器交替地耦合至一電壓及該保持電容器；一時鐘，其具有一輸出；一正反器，其具有與該比較器之該輸出耦合之一輸入、耦合至該時鐘之該輸出之一時脈輸入，及一輸出；一工作循環計數器，其具有耦合至該時鐘之該輸出之一時脈輸入、一重設輸入、耦合至該正反器之該輸出之一啟用輸入，及用於提供所計數之時脈輸出之一數目之一輸出，其中該工作循環計數器僅在其該啟用輸入處於一第一邏輯位準時計數該等時脈輸出；一充電電路，其由該正反器之該輸出控制且經組態以依據在該正反器之該輸出處之一輸出信號而對該保持電容器充電；及一電路，其用於每當該正反器之該輸出自一第二邏輯位準變為該第一邏輯位準時控制該切換器。
  2. 如請求項1之設備，其中使用所計數之時脈輸出之該數目來判定該電容感測器之電容值之改變。
  3. 如請求項1之設備，其中該充電電路係一回饋電阻器。
  4. 如請求項1之設備，其中該充電電路係藉由一電流源及一電流槽而形成。
  5. 如請求項3之設備，其中該回饋電阻器之一電阻值可以可程式化 方式調整。
  6. 如請求項1之設備，其中該保持電容器之一電容值可以可程式化方式調整。
  7. 如請求項1之設備，其中該電壓為一邏輯高或低電壓。
  8. 一種近接偵測系統，其包括如請求項1至7中任一項之設備，其進一步包括：該電容感測器；其中使用所計數之時脈輸出之該數目來判定一物件至該電容感測器之近接。
  9. 如請求項8之近接偵測系統，其進一步包括之一週期計數器，該週期計數器具有耦合至該時鐘之該輸出之一時脈輸入、一重設/啟用輸入及一進位輸出，其中該週期計數器判定一量測時間週期。
  10. 如請求項9之近接偵測系統，其中使用該工作循環計數器及該週期計數器中之計數值來判定取決於該電容感測器之一電容值之一工作循環。
  11. 如請求項10之近接偵測系統，其中該工作循環係該工作循環計數器中之該計數值除以該週期計數器中之該計數值。
  12. 如請求項10或11之近接偵測系統，其進一步包括耦合至該時鐘以及該工作循環計數器及該週期計數器之一數位處理器與記憶體，其中該數位處理器自該工作循環計數器及該週期計數器讀取該等計數值，且自其判定與該電容感測器之電容值有關之工作循環。
  13. 如請求項12之近接偵測系統，其中與該電容感測器之電容值有關之該等工作循環儲存於該數位處理器記憶體中且經比較以判定一工作循環改變是否指示近接於該電容感測器之一物件之一 偵測。
  14. 如請求項12之近接偵測系統，其中該週期計數器之該進位輸出產生至該數位處理器之一中斷信號。
  15. 如請求項11之近接偵測系統，其進一步包括具有耦合至該數位處理器之一輸入及耦合至該切換器之一輸出之一輸出驅動器，其中針對循序工作循環週期，耦合至該電容感測器之該電壓在一邏輯高與一邏輯低之間交替。
  16. 如請求項11之近接偵測系統，其中一微控制器包括該數位處理器與記憶體、該比較器、該時鐘、該正反器、該回饋電阻器、該工作循環計數器、該週期計數器、該切換器及用於控制該切換器之該電路。
  17. 一種用於偵測近接於一電容感測器之一物件之方法，該方法包括以下步驟：將一電容感測器充電至一第一電壓；將該經充電電容感測器與一保持電容器並聯耦合；用一電壓比較器比較該等經並聯連接之電容感測器及保持電容器上之一所得電壓與一參考電壓，其中：若該所得電壓大於該參考電壓，則將該保持電容器部分地放電至一較低電壓，且若該所得電壓小於該參考電壓，則將該保持電容器部分地充電至一較高電壓並將一個計數加至一工作循環計數器；將一個計數加至一週期計數器；返回至將該電容感測器充電至該第一電壓之該步驟。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包括以下步驟：儲存複數個工作循環週期計數；及自該複數個工作循環計數除以該複數個週期計數中之各別者 來計算工作循環。
  19. 如請求項18之方法，其進一步包括自該等工作循環判定該電容感測器之電容值之改變之步驟。
  20. 如請求項18之方法，其進一步包括自該等工作循環判定一物件至該電容感測器之近接之步驟。
  21. 一種用於偵測近接於一電容感測器之一物件之方法，該方法包括以下步驟：將一電容感測器放電；將該經放電電容感測器與一保持電容器並聯耦合；用一電壓比較器比較該等經並聯連接之電容感測器及保持電容器上之一所得電壓與一參考電壓，其中：若該所得電壓小於該參考電壓，則將該保持電容器部分地充電至一較高電壓，且若該所得電壓大於該參考電壓，則將該保持電容器部分地放電至一較低電壓並將一個計數加至一工作循環計數器；將一個計數加至一週期計數器；返回至將該電容感測器充電至第一電壓之該步驟。
  22. 如請求項21之方法，其進一步包括以下步驟：儲存複數個工作循環週期計數；及自該複數個工作循環計數除以該複數個週期計數中之各別者來計算工作循環。
  23. 如請求項22之方法，其進一步包括自該等工作循環判定該電容感測器之電容值之改變之步驟。
  24. 如請求項22之方法，其進一步包括自該等工作循環判定一物件至該電容感測器之近接之步驟。
  25. 一種用於近接偵測之設備，其包括： 一電壓求和器，其具有第一輸入及第二輸入以及一輸出；一切換器，其經調適以將一電容感測器交替地耦合至一電壓及該電壓求和器之該第一輸入；一時鐘，其具有一輸出，其中在每一時脈脈衝處，該切換器將該電容感測器短暫地耦合至該電壓，然後耦合回至該電壓求和器之該第一輸入；一電壓參考，其具有一參考電壓輸出；一運算放大器，其具有耦合至該電壓求和器之一輸出之一第一輸入及耦合至該電壓參考之該輸出之一第二輸入；一積分電容器，其耦合於該運算放大器之該第一輸入與其一輸出之間；一類比轉數位轉換器，其具有耦合至該運算放大器之該輸出之一輸入，其中該類比轉數位轉換器將該運算放大器輸出轉換為其一多位元數位表示；一數位轉類比轉換器，其具有耦合至該類比轉數位轉換器之輸入且將來自該類比轉數位轉換器之該多位元數位表示轉換成耦合至該電壓求和器之該第二輸入之一類比回饋電壓；一整數倍降低濾波器，其具有耦合至來自該類比轉數位轉換器之該多位元數位表示之輸入；及一數位信號處理器，其耦合至該整數倍降低濾波器，其中該數位信號處理器判定一物件何時近接於該電容感測器。
  26. 如請求項25之設備，其中用來自該時鐘之時脈脈衝使該類比轉數位轉換器、該數位轉類比轉換器及該整數倍降低濾波器一起同步。
TW103120370A 2013-06-12 2014-06-12 使用三角積分轉換之電容近接偵測 TWI651930B (zh)

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