TWI727766B - 電容感測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種電容感測裝置。控制電路依據類比數位轉換器轉換感測信號所得到的數位感測信號調整可調電容單元的電容值，而使可調電容單元的電容值趨近背景寄生電容。

Description

電容感測裝置
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種電容感測裝置。
隨著光電科技的發展，近接切換裝置已被大量運用在不同的機器上，例如：智慧性手機、運輸工具之購票系統、數位照像機、遙控器與液晶螢幕等。常見可達近接切換的感測裝置包括近接感測器(Proximity sensor)與電容式觸控開關(Capacitive touch switch)。其中電容式觸控開關為通過感測其電極的寄生電容來確定開關的狀態，然電極具有天線的特性，會反應環境中的電場變化(例如環境濕度變化或射頻信號的影響)而影響到電容式觸控開關的感測結果，進而出現感測錯誤的情形。
本發明提供一種電容感測裝置，可提高電容感測裝置的感測品質，避免電容感測裝置的感測結果受到環境中的電場變化的影響而出現感測錯誤的情形。
本發明的電容感測裝置包括感測電極、感測電路、類比數位轉換器以及控制電路。感測電極接受觸控工具的觸控操作。感測電路的輸入端透過感測信號線耦接感測電極，感測觸控工具與感測電極間的感應電容變化量而產生感測信號。感測電路包括第一開關、第二開關、第三開關以及可調電容單元。第一開關耦接於電源電壓與輸入端之間。第二開關的一端耦接於輸入端，第二開關的另一端耦接感測電路的輸出端。第三開關耦接於第二開關的另一端與接地之間，第一開關、第二開關以及第三開關分別週期性地切換其導通狀態，其中當第一開關與第三開關處於導通狀態時，第二開關處於斷開狀態，當第二開關處於導通狀態時，第一開關與第三開關處於斷開狀態。可調電容單元耦接於第二開關的另一端與接地之間。類比數位轉換器耦接感測電路，將感測信號轉換為數位感測信號。控制電路耦接感測電路與類比數位轉換器，依據數位感測信號調整可調電容單元的電容值，而使可調電容單元的電容值趨近背景寄生電容。
基於上述，本發明實施例的控制電路可依據類比數位轉換器轉換感測信號所得到的數位感測信號調整可調電容單元的電容值，而使可調電容單元的電容值趨近背景寄生電容，如此可避免電容感測裝置的感測結果受到環境中的電場變化的影響而出現感測錯誤的情形，進而提高電容感測裝置的感測品質。
102:感測電路
104:類比數位轉換器
106:控制電路
402:數位低通濾波電路
502:交換電容低通濾波電路
E1:感測電極
L1:感測信號線
T1:觸控工具
Cf:感應電容
S1:數位感測信號
SW1~SW3、SW5~SW6、201~20N:開關
Cs:可調電容單元
Vdd:電源電壓
CH、SH:控制信號
Cp:背景寄生電容
Vx:感測電壓
C1~CN、CA、CB:電容
SC1、SC2:控制信號
fa、fl、fs:工作頻率
圖1是依照本發明的實施例的一種電容感測裝置的示意圖。
圖2是依照本發明圖1實施例的一種電容感測裝置控制信號的波形圖。
圖3是依照本發明的實施例的一種可調電容單元的示意圖。
圖4是依照本發明另一實施例的一種電容感測裝置的示意圖。
圖5是依照本發明另一實施例的一種電容感測裝置的示意圖。
圖6是依照本發明圖5實施例的一種電容感測裝置控制信號的波形圖。
圖1是依照本發明的實施例的一種電容感測裝置的示意圖，請參照圖1。電容感測裝置包括感測電極E1、感測電路102、類比數位轉換器104以及控制電路106，其中感測電極E1可透過感測信號線L1耦接感測電路102的輸入端，類比數位轉換器104耦接感測電路102的輸出端與控制電路106。
感測電極E1可用以接收觸控工具T1的觸控操作，例如在本實施例中可接收手指的觸控操作，然不以此為限。感測電路102可感測觸控工具T1與感測電極E1間的感應電容Cf的電容值變化量而產生感測信號給類比數位轉換器104。類比數位轉換器 104可將感測電路102提供的感測信號轉換為數位感測信號S1而提供給後級電路進行分析處理。
進一步來說，感測電路102可包括開關SW1~SW3以及可調電容單元Cs，其中開關SW1耦接於電源電壓Vdd與感測電路102的輸入端之間，開關SW1耦接於感測電路102的輸入端與輸出端之間，開關SW3耦接於感測電路102的輸出端與接地之間，可調電容單元Cs耦接於感測電路102的輸出端與接地之間。開關SW1與SW3可受控於控制信號CH而週期性地於導通狀態與斷開狀態間切換，開關SW2則可受控於控制信號SH而週期性地於導通狀態與斷開狀態間切換，控制信號CH與SH的波形可如圖2所示。其中當開關SW1與SW3處於導通狀態時(控制信號CH為高電壓準位時)，開關SW2處於斷開狀態(控制信號SH為低電壓準位)，當開關SW2處於導通狀態時(控制信號SH為高電壓準位時)，開關SW1與SW3處於斷開狀態(控制信號CH為低電壓準位)。
當開關SW1與SW3處於導通狀態而開關SW2處於斷開狀態時，電源電壓Vdd可重置背景寄生電容Cp的電壓，此外可調電容單元Cs可經由開關SW3進行放電，而重置可調電容單元Cs的電壓，其中背景寄生電容Cp可例如包括感測電極E1對地的寄生電容、感測信號線L1對地的寄生電容以及電容感測裝置的觸控面板對地的寄生電容，然不以此為限。之後，當開關SW1與SW3處於斷開態而開關SW2處於導通狀態時，背景寄生電容Cp將經 由開關SW2與可調電容單元Cs進行電荷分享，而將背景寄生電容Cp所儲存的感測資訊傳送給可調電容單元Cs，而於可調電容單元Cs上產生感測電壓Vx(亦即感測信號)。進一步來說，感測電壓Vx可如下式(1)所示：
Figure 109113764-A0305-02-0007-1
其中在背景寄生電容Cp遠大於感應電容Cf的電容值的情形下，在Vx等於1/2Vdd，亦即可調電容單元Cs的電容值等於背景寄生電容Cp的電容值時，電容感測裝置將具有最佳的感測靈敏度。控制電路106可依據數位感測信號S1調整可調電容單元Cs的電容值，而使可調電容單元Cs的電容值趨近背景寄生電容Cp，而確保電容感測裝置具有最佳的感測靈敏度，不會因受到環境條件變化或射頻信號的影響使電容感測裝置出現感測錯誤的情形。舉例來說，當感測電壓Vx因受到環境條件變化而變大時，控制電路106可依據數位感測信號S1提高可調電容單元Cs的電容值，以抵抗環境條件變化所造成的影響。
其中，可調電容單元Cs可例如以圖3實施例的方式實施，可調電容單元Cs可包括多個開關201~20N以及電容C1~CN，各個開關分別與對應的電容串接於感測電路102的輸出端與接地之間，開關301~30N的導通狀態可受控於控制電路106，以調整可調電容單元Cs的電容值。在部份實施例中，控制電路106可例如以數位積分電路來實施，其可對數位感測信號S1進行積分，並 依據積分值產生位元信號來控制開關301~30N的導通狀態，進而調整電容單元Cs的電容值。舉例來說，數位積分電路可依據數位感測信號S1產生積分值，並依據積分值與目標值調整可調電容單元Cs的電容值，例如當積分值高於目標值時，代表感測電壓Vx過大，控制電路106可提高可調電容單元Cs的電容值，當積分值低於目標值時，代表感測電壓Vx過小，控制電路106可降低可調電容單元Cs的電容值。
圖4是依照本發明另一實施例的一種電容感測裝置的示意圖，請參照圖4。本實施例的電容感測裝置與圖2實施例的電容感測裝置的不同之處在於，本實施例的電容感測裝置還包括數位低通濾波電路402，數位低通濾波電路402耦接於類比數位轉換器104與控制電路106之間，數位低通濾波電路402可執行低通濾波，以去除數位感測信號S1的高頻雜訊，進一步避免感測結果受到射頻信號的干擾。
圖5是依照本發明另一實施例的一種電容感測裝置的示意圖，請參照圖5。本實施例的電容感測裝置與圖2實施例的電容感測裝置的不同之處在於，本實施例的電容感測裝置還包括交換電容低通濾波電路502，交換電容低通濾波電路502耦接於感測電路102與類比數位轉換器104之間，以對感測電路102提供的感測信號進行低通濾波。詳細來說，交換電容低通濾波電路502可包括開關SW5、SW6以及電容CA、CB，開關SW5、SW6串接於感測電路102的輸出端與類比數位轉換器104之間，電容CA耦接 於開關SW5、SW6的共同接點與接地之間，電容CB耦接於開關SW6與類比數位轉換器104的共同接點與接地之間。其中電容CB的電容值大於電容CA的電容值，舉例來說，當背景寄生電容Cp的電容值為1~64皮法(pF)時，電容CB的電容值可例如為1~4皮法，電容CA的電容值可例如為50飛法(fF)，然不以此為限。
開關SW5、SW6受控於控制信號SC1、SC2而改變其導通狀態，控制信號CH、SH、SC1與SC2的波形可如圖6所示。其中有關感測電路102的實施方式與圖1實施例相同，因此在此不再贅述，在交換電容低通濾波電路502中，當開關SW5導通時，開關SW6為斷開狀態。在開關SW5導通的期間，當開關SW3導通時，電容CA可經由開關SW3對地放電而被重置，並在開關SW2導通時，接收來自背景寄生電容Cp所儲存的感測資訊，亦即接收感測電路102提供的感測信號。之後，當開關SW6導通而開關SW5斷開時，電容CA將其儲存的感測資訊傳送給電容CB，以完成感測信號的低通濾波。
類比數位轉換器104可對電容CB上的電壓進行類比數位轉換，而產生數位感測信號。控制電路106可如圖2實施例所述，依據數位感測信號S1調整可調電容單元Cs的電容值，以使可調電容單元Cs的電容值趨近背景寄生電容Cp，而確保電容感測裝置具有最佳的感測靈敏度，不會因受到環境條件變化或射頻信號的影響使電容感測裝置出現感測錯誤的情形。
值得注意的是，本實施例的類比數位轉換器104的工作 頻率fa可低於感測電路102與交換電容低通濾波電路502的工作頻率fl，而控制電路106的工作頻率fs可低於類比數位轉換器104的工作頻率fa。舉例來說，感測電路102與交換電容低通濾波電路502的工作頻率fl可例如為1MHz，類比數位轉換器104的工作頻率fa為500Hz，控制電路106的工作頻率fs為50Hz。也就是說，每當交換電容低通濾波電路502累計接收20次感測電路102提供的感測信號後，類比數位轉換器104才對電容CB上的電壓取樣一次，類似地，每當類比數位轉換器104執行10次類比數位轉換後，控制電路106才取樣類比數位轉換器104所累計的數位感測信號S1。由於交換電容低通濾波電路502的操作所消耗的功率很低，因此對於電容感測裝置的功率消耗影響並不大，且也可有效去除高頻雜訊。而使類比數位轉換器104與控制電路106的工作頻率低於感測電路102的工作頻率可大幅地減低電容感測裝置的功率消耗。此外，本實施例的電容感測裝置可如圖4實施例，包括數位低通濾波電路402，以對數位感測信號S1進行低通濾波。
綜上所述，本發明實施例的控制電路可依據類比數位轉換器轉換感測信號所得到的數位感測信號調整可調電容單元的電容值，而使可調電容單元的電容值趨近背景寄生電容，如此可避免電容感測裝置的感測結果受到環境中的電場變化的影響而出現感測錯誤的情形，進而提高電容感測裝置的感測品質。在部份實施例中，電容感測裝置還可包括交換電容低通濾波電路，藉由使類比數位轉換器的工作頻率低於感測電路與交換電容低通濾波電 路的工作頻率，並使控制電路的工作頻率可低於類比數位轉換器的工作頻率，可有效降低電容感測裝置的功率消耗。
102:感測電路
104:類比數位轉換器
106:控制電路
E1:感測電極
L1:感測信號線
T1:觸控工具
Cf:感應電容
S1:數位感測信號
SW1~SW3:開關
Cs:可調電容單元
Vdd:電源電壓
CH、SH:控制信號
Cp:背景寄生電容
Vx:感測電壓

Claims (10)

  1. 一種電容感測裝置，包括： 感測電極，接受觸控工具的觸控操作；以及 感測電路，其輸入端透過感測信號線耦接所述感測電極，感測所述觸控工具與所述感測電極間的感應電容變化量而產生感測信號，所述感測電路包括： 第一開關，耦接於電源電壓與所述輸入端之間； 第二開關，其一端耦接於所述輸入端，所述第二開關的另一端耦接所述感測電路的輸出端； 第三開關，耦接於所述第二開關的另一端與接地之間，所述第一開關、所述第二開關以及所述第三開關分別週期性地切換其導通狀態，其中當所述第一開關與所述第三開關處於導通狀態時，所述第二開關處於斷開狀態，當所述第二開關處於導通狀態時，所述第一開關與所述第三開關處於斷開狀態；以及 可調電容單元，耦接於所述第二開關的另一端與所述接地之間； 類比數位轉換器，耦接所述感測電路，將所述感測信號轉換為數位感測信號；以及 控制電路，耦接所述感測電路與所述類比數位轉換器，依據所述數位感測信號調整所述可調電容單元的電容值，而使所述可調電容單元的電容值趨近背景寄生電容。
  2. 如請求項1所述的電容感測裝置，還包括： 交換電容低通濾波電路，耦接所述感測電路與所述類比數位轉換器，對所述感測信號進行低通濾波。
  3. 如請求項2所述的電容感測裝置，其中所述交換電容低通濾波電路的工作頻率大於所述類比數位轉換器的工作頻率，所述類比數位轉換器的工作頻率大於所述控制電路的工作頻率。
  4. 如請求項3所述的電容感測裝置，其中所述交換電容低通濾波電路的工作頻率為1MHz，所述類比數位轉換器的工作頻率為500Hz，所述控制電路的工作頻率為50Hz。
  5. 如請求項2所述的電容感測裝置，其中所述交換電容低通濾波電路包括： 第四開關，其一端耦接所述感測電路的輸出端； 第一電容，耦接於所述第四開關的另一端； 第五開關，其一端耦接所述第四開關的另一端，所述第五開關的另一端耦接所述類比數位轉換器；以及 第二電容，耦接所述第五開關的另一端與所述接地之間，所述第四開關與所述第五開關分別週期性地切換其導通狀態，而使所述交換電容低通濾波電路對所述感測信號進行低通濾波，其中當所述第四開關處於導通狀態時，所述第五開關處於斷開狀態，當所述第五開關處於導通狀態時，所述第四開關處於斷開狀態。
  6. 如請求項5所述的電容感測裝置，其中所述第二電容的電容值大於所述的第一電容的電容值。
  7. 如請求項1所述的電容感測裝置，其中所述控制電路包括數位積分電路，依據所述數位感測信號產生積分值，依據所述積分值與目標值調整所述可調電容單元的電容值。
  8. 如請求項7所述的電容感測裝置，其中當所述積分值高於所述目標值時，所述控制電路提高所述可調電容單元的電容值，當所述積分值低於所述目標值時，所述控制電路降低所述可調電容單元的電容值。
  9. 如請求項1所述的電容感測裝置，還包括： 數位低通率濾波電路，耦接於所述類比數位轉換器與所述控制電路之間，對所述數位感測信號進行低通濾波。
  10. 如請求項1所述的電容感測裝置，其中所述可調電容單元包括： 多個第四開關，各第四開關的一端耦接所述第二開關的另一端；以及 多個電容，分別耦接對應的第四開關的另一端與接地之間，所述控制電路控制所述多個第四開關的導通狀態而調整所述可調電容單元的電容值。
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