專利名稱：采樣電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于采樣的集成電路，以及對應的裝置、方法和計算機程序。具體地， 本發(fā)明涉及用于檢測電容變化的采樣技術。
背景技術：
這樣的集成電路可被稱為采樣電路，可被實現(xiàn)為微控制器，并且可被采用來形成在電容式觸摸感測應用中使用的裝置。微控制器可被認為是一類集成電路，并被描述為在單個集成電路(或一組互連集成電路一這樣的一組集成電路可被稱為集成電路器件)上實現(xiàn)的小型計算機。這樣的小型計算機可以包含處理器核心、存儲器和可編程1/0(輸入/輸出)外圍設備。程序存儲器以及一定量的RAM(隨機存取存儲器)可被包括在“芯片上”。與用在個人計算機或其它通用應用中的微處理器(也稱為集成電路器件)相比而言，微控制器可被用于嵌入式應用。例如包含模數(shù)轉換器(ADC)和/或數(shù)模轉換器(DAC)的混合信號微控制器可被提供，該數(shù)模轉換器(DAC)被集成到需要與非數(shù)字電子系統(tǒng)接口連接的微控制器模擬組件中。電容式觸摸感測技術領域在此僅作為示例被考慮。將明白，本發(fā)明可以在具有類似效果的情況下被應用于其它技術領域(例如，其中通過電容式感測直接測量諸如距離、 壓力或濕度之類的性質的技術領域，并且尤其是其中電容的變化由將被測量的性質來表示的技術領域)。作為一般性背景，觸摸傳感器可包含被涂覆有諸如銦錫氧化物之類的透明導體的絕緣體(如玻璃)。由于人體也是導體，因此“觸摸”傳感器表面會使傳感器的靜電場變形， 其可被測量為電容的改變。將明白，傳感器表面無需直接被觸摸；身體的接近也可被檢測到。通常，在諸如手指之類的人體與電極或觸摸傳感器的其它傳導表面之間不存在電流接觸。不同技術可被用來檢測觸摸的發(fā)生，并且在一些實例中還確定觸摸位置。檢測到的信息隨后通常被發(fā)送給控制器用于處理。用于電容式觸摸感測的各種實現(xiàn)方式已經(jīng)被考慮到。它們通常在原始數(shù)據(jù)獲取、 電容測量和數(shù)據(jù)處理的方法方面以及在硬件需求方面彼此不同。感測方法和數(shù)據(jù)評估方法可以以不同方式被組合。一般地，電容式觸摸感測與純電容測量的不同之處在于通常真正感興趣的不是絕對電容。而是，對因諸如手指之類的傳導對象的靠近引起的電容的改變感興趣。由感測電路在其空閑狀態(tài)(無觸摸)中測得的基線電容可被稱為偏移電容(offset capacitance) 0 通常，偏移電容的大小比由于觸摸而預期的電容改變高得多，觸摸可以要求觸摸感測具有高的SNR(信噪比)和高分辨率?，F(xiàn)在簡要考慮不同感測技術。自電容(self-capacitance)技術獨立地測量一個或多個輸入通道的電容。就此而言，參考圖1。
下面的基本電容等式是本領域中很好理解的。
Jl
_2] Ο = ξΓξ0-
α其中，C是電容；ξ r是兩個電容板之間的材料的相對靜態(tài)介電常數(shù)；ξ。是自由空間的介電常數(shù)；A是兩個板的重疊面積；以及d是兩個板之間的距離。這類觸摸傳感器的一個重要特性是寄生電容Cp的存在，如圖1所示。所進行的測量自然是傳感器的總電容Ctot，其中Ctot = CP+CF,，因此Cp的大小相對于因觸摸手指(或其它觸摸體)引起的電容Cf越強，就越難看到由于觸摸引起的電容Cf的改變。因此，諸如手指之類的靠近的傳導對象增加了可被測量的電極的電容CTOT。當然， 寄生電容Cp可能會被考慮為電極的電容(不存在觸摸手指時)，包括由對電容進行測量的儀器引入的任何電容(例如，輸入電容)(除非該儀器已被校準為將這樣的引入電容計入在內)。自電容技術可以帶來按鈕、滑塊和/或滾輪應用的簡單布局，其中通常單層可被用于觸摸電極布局。然而，這樣的技術由于對于單次以上的觸摸具有模糊的觸摸識別(稱為“重影”)，因此在矩陣布局觸摸板/觸摸屏應用中具有有限的多觸摸能力。與自電容技術相比，互電容(mutual-capacitance)技術測量兩個或更多個電極之間的電容耦合。通常，電極被布置為形成驅動和感測電極矩陣。在一些實例中，例如在觸摸板或觸摸屏的情況中，感測和驅動電極正交地被布置為形成行和列。在這樣的技術中，信號可被施加于驅動或信號傳輸電極之一，并且該信號可在感測電極之一處被感測到(或被尋找到)。這樣的技術一般通過順序掃描驅動和感測電極而提供識別多次觸摸的良好能力。 然而，為了許多應用而付出的額外布局精力以及對封蓋重疊和PCB材料電特性的更強依賴有時證明是麻煩的?，F(xiàn)在簡要考慮不同測量技術。電容式觸摸傳感器的許多實現(xiàn)方式依賴于對RC (電阻器-電容器)電路充電或放電到某一電壓電平所需的時間的測量。對于該時間測量，未知電容首先被放電(或預充電)，并且然后在時間t0時經(jīng)由上拉(或下拉)電阻器被連接到已知電壓或電流源/阱。上拉情形在圖2中示出，下拉情形在圖3中示出。直到達到某一電壓電平(Vth)所需的時間由評估電路測量并且然后被進一步處理。由于電容與RC元件的RC時間常數(shù)(t R*C)之間的比例關系，電容與所測得的上升或下降時間成比例。如前面提到的，對于觸摸應用而言，真正感興趣的通常不是電容的絕對量而是電容的改變，從而使得電阻器R通常不必具有高精度。在未被觸摸的狀態(tài)中，在時間tl之后達到閾值電壓，而在被觸摸狀態(tài)中，通常需要(更長)時間t2。在未被觸摸狀態(tài)和被觸摸狀態(tài)中取得的讀數(shù)之間的時間差(△)對應于例如因手指觸摸引入的電容改變量。
該測量方法的缺點是由于如下原因引起的短測量時間(為了高速)和測量分辨率之間的平衡有限的測量定時器速度和準確度、以及對可被連接到要測量的每個傳感器輸入(例如，微控制器的引腳/端子)的電流源或外部電阻器的需要。依賴電壓測量的方法一般以與以上時間測量方法類似的方式操作，不過不是測量直到某一電壓被達到為止的時間，它們測量固定時間之后達到的電壓。通常，未知電容首先被放電(或預充電到已知電壓)，并且然后在時間t0時經(jīng)由上拉(或下拉)電阻器被連接到已知電壓或電流源/阱。上拉情形在圖4中示出，下拉情形在圖5中示出。在所定義時間tl之后，電容上的電壓被測量。越大的電容將在某個時間之后產生越小的電壓改變，因為它在相同電壓時可存儲更多電荷(C = Q/V)。未被觸摸狀態(tài)與被觸摸狀態(tài)之間的電壓差(△)對應于例如因手指觸摸引入的電容改變量。其它技術也已被考慮。在一種這樣的技術中，微控制器根據(jù)圖5的方法被使用，并且利用與ADC功能共享的GPIO(通用輸入/輸出)引腳或端子來執(zhí)行測量，在放電時段期間獲取單個樣本。已發(fā)現(xiàn)這樣的技術具有有限的動態(tài)范圍和低SNR，從而導致相當?shù)偷撵`敏度。另一所考慮技術利用設置在微控制器中的ADC的采樣電容器與要被測量的電容之間的電荷重分布。在該實現(xiàn)方式中，采樣電容器在內部被充電到所定義電壓，并且然后被連接到要測量的(先前被放電的)電容。得到的連接點上的電壓(其取決于兩個電容的值)隨后被測量。另一所考慮技術使用“過采樣”方法來降低噪聲在測量中的影響。然而，這些方法將數(shù)個完整測量周期(包括要測量的電容的充放電等)的結果相組合來生成一個讀數(shù)，從而使得一個讀數(shù)所需的時間大幅增加。電荷轉移技術也已經(jīng)被考慮，例如如在US6466036中所公開的。一些實現(xiàn)方式通過重復將電極的電容預充電至某一電壓并且然后將其連接到(通常大得多的)采樣或積分電容器，使得電荷重分布發(fā)生，來測量該電極的電容。直到積分電容器上某一電壓電平被達到為止的電荷轉移周期數(shù)目被計數(shù)。該技術的缺點是需要額外組件(采樣電容器)以及其引入系統(tǒng)的公差。此外，該方法需要額外的連接(開關)來控制電荷轉移和對采樣/積分電容器的放電，并且積分電容器的大小對檢測速度和靈敏度具有較強的影響。如上所述，電容式觸摸感測通?；跍y量因諸如手指之類的對象的靠近引起的電容改變，并且不需要精確測量絕對電容值。因此，為了減少噪聲和寄生電容的影響，電容式觸摸感測方法可以使用低通濾波和偏移校準。濾波可被應用于原始電容數(shù)據(jù)和/或觸摸檢測之后的有源/無源信息。偏移校準可以通過跟蹤所測值的低速改變并在電容改變測量中減去它們以使得它們不影響觸摸閾值來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)此，所謂的基線值可通過校準算法計算出，并被用作所有改變監(jiān)視和測量的基準。在先前考慮的系統(tǒng)中應用的一種常見的總體技術是將電容的短時改變與可變閾值相比較并且如果閾值被超過則觸摸通過信號被通知。

發(fā)明內容
本發(fā)明被設計來解決至少在以上討論的先前已考慮到的方法中提到的問題。希望提供具有提高的SNR性能、改進的動態(tài)范圍以及改進的靈敏度的集成電路、設備、計算機程序和方法。還希望提供被配置為在需要最少的外部組件的情況下進行操作的這樣的集成電路。根據(jù)本發(fā)明第一方面的實施例，提供了一種集成電路，包括采樣端子，用于將所述集成電路連接到外部電容；采樣裝置，可操作地被連接到該端子以獲取樣本，每個樣本具有樣本值；以及控制裝置，在所述外部電容被連接到所述采樣端子時，所述控制裝置被配置為在內部將所述采樣端子或者所述集成電路中也與所述外部電容相連的另一端子連接到給定電壓電位源以實現(xiàn)存儲在所述外部電容上的電荷的改變，所述給定電壓電位源在所述集成電路被使用時可在所述集成電路中被獲得；使得所述采樣裝置在所述外部電容跟隨所述電荷的改變而充電或放電和/或在所述電荷的改變期間充電或放電的時段中獲取多個樣本；以及依據(jù)所述多個樣本來判斷事件是否發(fā)生。外部電容的這樣的充電或放電可以響應于所述電荷的改變。外部電容的這樣的充電或放電可以(至少部分地，或者基本上)是通過采樣裝置獲取樣本，或者作為采樣裝置獲取樣本的結果，或者由于采樣裝置對樣本的獲取而導致的。例如，在外部電容放電的情況中，樣本的獲取可能從外部電容向集成電路拉取電流或者從外部電容向集成電路接收電流。在外部電容充電的情況中，樣本的獲取可能使得電流從集成電路向外部電容外流。通過依據(jù)每個充電或放電過程的多個樣本來判斷事件是否發(fā)生，對應充電或放電曲線下面的區(qū)域的指示而非單個樣本可被考慮在內。這樣的技術可以提供諸如提高的SNR 性能、提高的動態(tài)范圍和提高的靈敏度之類的優(yōu)點。電路可以在不連接外部電容的情況下被提供，以使得外部電容可在以后被連接到它。替代地，電路可以在已將外部電容連接到它的情況下被提供。每個所述樣本可以指示存在于該端子或該端子處經(jīng)歷的電屬性。例如，樣本可以是電壓樣本，這些電壓樣本可以分別地或總體地指示外部電容的電容值。采樣裝置可操作來例如通過重復地進行和斷開到該端子的連接來重復地獲取樣本。采樣裝置可操作來在逐個獲取樣本的一定的自動化程度下，在突發(fā)形式中重復獲取樣本。每個充電或放電時段中多個樣本的獲取可以有利地利用存在于采樣裝置中的寄生元件或者尤其是在采樣期間外部電容放電的情況中已經(jīng)存在于采樣裝置(該采樣裝置可以是ADC電路)中的其它元件。采樣裝置可操作來規(guī)則地或者基本上規(guī)則地獲取樣本。采樣裝置可操作來基本上在整個充電或放電時段中獲取樣本。這樣的充電或放電時段可被認為是存在于該端子處的外部電容的單次充電或放電。外部電容在被連接到采樣端子時可被認為是采樣端子對地的有效電容，或者采樣端子與信號傳輸端子之間的有效電容。外部電容可經(jīng)由采樣端子來充電或放電。 在一些實施例中，控制裝置可被配置為當外部電容被連接到采樣端子時在第一階段中將采樣端子連接到給定電壓電位源，并且在第一階段之后的第二階段中，將采樣端子從給定電壓電位源斷開連接并且使得樣本被獲取。 在外部電容在采樣期間放電的情況中，給定電壓電位源可以是“電壓為高”的源，例如VDD。在外部電容在采樣期間充電的情況中，給定電壓電位源可以是“電壓為低”的源， 例如GND。在一些實施例中，集成電路可被配置為使得集成電路的另一端子是信號傳輸端子；控制裝置被配置為當外部電容被連接在采樣端子與信號傳輸端子之間時執(zhí)行信號傳輸處理和采樣處理；以及控制裝置被配置為在信號傳輸處理中將信號傳輸端子連接到作為信號的給定電壓電位源，并且在采樣處理中使得樣本被獲取以檢測信號。再次地，在外部電容在采樣期間放電的情況中，給定電壓電位源可以是“電壓為高”的源，例如VDD。在外部電容在采樣期間充電的情況中，給定電壓電位源可以是“電壓為低”的源，例如GND。在一些實施例中，控制裝置可被配置為在信號傳輸處理中將信號傳輸端子連接到 “電壓為高”的源，例如VDD，并且然后連接到“電壓為低”的源，例如GND，反之亦然。在一些實施例中，控制裝置可被配置為在信號傳輸處理中將信號傳輸端子連接到 “電壓為高”的源并且將采樣端子連接到“電壓為低”的源，并且在采樣處理中，將信號傳輸端子連接到“電壓為低”的源并且使得樣本經(jīng)由采樣端子被獲取。采樣裝置可以包括采樣器電阻和采樣器電容，所述采樣器電阻和采樣器電容被布置為使得當采樣裝置正獲取樣本并且外部電容存在于采樣端子處時，外部電容上存儲的電荷被準許經(jīng)由采樣器電阻轉移到采樣器電容(在外部電容在采樣期間放電的情況中)。在外部電容在采樣期間充電的情況中，采樣器電阻和采樣器電容可被布置為使得當采樣裝置正獲取樣本并且外部電容存在于采樣端子處時，存儲(例如，主動地存儲)在采樣器電容上的電荷(在樣本被獲取之前)被準許經(jīng)由采樣器電阻轉移到外部電容。集成電路可被配置為使得在獲取所述多個樣本中的連續(xù)樣本之間，采樣器電容通過采樣電路內的寄生電流和/或漏電流而被動地至少部分地被放電(在外部電容在采樣期間放電的情況中)。集成電路可被配置為使得在獲取所述多個樣本中的連續(xù)樣本之間，采樣器電容通過將其連接到諸如“電壓為低”的源(其可以是GND源)之類的給定電壓電位源而主動地至少部分地被放電(在外部電容在采樣期間放電的情況中)。集成電路可被配置為使得在獲取所述多個樣本中的連續(xù)樣本之間，采樣器電容通過將其連接到諸如“電壓為高”的源(其可以是VDD源)之類的給定電壓電位源而主動地至少部分地(或全部)被充電(在外部電容在采樣期間充電的情況中)。集成電路可被配置為在獲取所述多個樣本中的一樣本之后，自動地獲取多個樣本中的下一樣本，以使得所述樣本在突發(fā)處理中被獲取。采樣裝置可以包括緩沖器并且可操作來將多個樣本的樣本值存儲在緩沖器中。采樣裝置可以包括存儲器并且被配置為通過直接存儲器訪問轉移來將多個樣本的樣本值轉移到該存儲器。控制裝置可被配置為將所述多個樣本的樣本值相組合來生成采樣結果，并且依據(jù)所述采樣結果判斷所述事件是否發(fā)生?？刂蒲b置可被配置為累積樣本值或將樣本值相加來生成采樣結果。集成電路可被配置為隨著時間獲取一系列的采樣結果，每個采樣結果來自在外部電容充電或放電的對應時段中獲得的對應的多個樣本值。所述控制裝置可被配置為依據(jù)所述一系列的采樣結果來判斷事件是否發(fā)生。集成電路可包括濾波器，該濾波器被配置為對從所述采樣結果形成的信號進行濾波以獲得經(jīng)濾波信號。集成電路可以包括第一和第二濾波器，其中的每個濾波器可操作來對從采樣結果形成的信號進行濾波，第二濾波器具有比第一濾波器慢的響應，并且控制裝置可被配置為依據(jù)從第一和第二濾波器輸出的信號來判斷事件是否發(fā)生?？刂蒲b置可操作來基于采樣值和/或采樣結果以及指示錯誤狀況的對應信息來檢測采樣電路中的錯誤。例如，常規(guī)操作期間的預期采樣值和/或采樣結果可能與經(jīng)受錯誤狀況時的預期采樣值和/或采樣結果不同。該集成電路可以包括多個采樣端子，其中所述控制裝置可操作來使得對于每個采樣端子多個樣本被獲取。在一些實施例中，具有這樣的多個端子，控制裝置可被配置為與這些端子中的特定端子的第一階段同步地將其它端子連接到給定電壓電位源，并且與該特定端子的第二階段同步地將其它端子從給定電壓電位源斷開連接并且將它們連接到另一電壓電位源，所述另一電壓電位源被配置為對那些其它端子的外部電容具有與在特定端子的第一階段期間對那些其它端子的外部電容具有的影響相反的影響。給定電壓電位源可以是“電壓為高”的源，例如VDD，并且其它電壓電位源可以是 “電壓為低”的源，例如GND，或者反之亦然。通過將這些端子控制為使得它們彼此同步，可以在觸摸與錯誤狀況(例如可能由位于一些端子(而未在其它端子)附近的水引起的局部錯誤狀況)之間進行區(qū)分(在觸摸感測應用的情況中)。這樣的集成電路可以是微控制器或者作為微控制器的一部分。根據(jù)本發(fā)明第二方面的實施例，提供了一種微控制器，該微控制器包含根據(jù)前述本發(fā)明第一方面的集成電路。根據(jù)本發(fā)明第三方面的實施例，提供了一種用于電容式觸摸感測的設備，包括根據(jù)前述本發(fā)明第一或第二方面的集成電路或微控制器；以及電容，所述電容連接到采樣端子作為所述外部電容并且被配置為可由所述裝置的用戶觸摸。根據(jù)本發(fā)明第四方面的實施例，提供了一種在集成電路上運行的計算機程序，所述集成電路包括用于將集成電路連接到外部電容的采樣端子以及可操作地連接到端子以獲取各自具有樣本值的樣本的采樣裝置，當外部電容被連接到采樣端子時，所述計算機程序使得集成電路在內部將采樣端子或者集成電路中也與外部電容相連的另一端子連接到給定電壓電位源以實現(xiàn)存儲在外部電容上的電荷的改變，所述給定電壓電位源在集成電路被使用時可在集成電路中被獲得；使得采樣裝置在外部電容跟隨電荷的改變而充電或放電的時段中和/或在外部電容在電荷的改變期間充電或放電的時段中獲取多個樣本；以及依據(jù)所述多個樣本來判斷事件是否發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明第五方面的實施例，提供了一種在集成電路上執(zhí)行的采樣方法，該集成電路包括用于將集成電路連接到外部電容的采樣端子以及可操作地連接到所述端子以獲取各自具有樣本值的樣本的采樣裝置，當外部電容被連接到采樣端子時，該采樣方法使得集成電路在內部將采樣端子或者集成電路中也與外部電容相連的另一端子連接到給定電壓電位源以實現(xiàn)存儲在外部電容上的電荷的改變，所述給定電壓電位源在集成電路被使用時在集成電路中是可用的；使得采樣裝置在外部電容跟隨電荷的改變而充電或放電的時段中和/或在電荷的改變期間充電或放電的時段中獲取多個樣本；以及依據(jù)所述多個樣本來判斷事件是否發(fā)生?？上氲竭@里使用的短語“集成電路”對于一些實施方式來說可用短語“采樣電路” 替換，使得并不要求電路是集成電路。例如，在外部電容在采樣期間放電的“自電容”實施方式的情況中，可認為這里公開了采樣電路，其可以是集成電路，包括采樣端子，用于將電路連接到外部電容；采樣裝置，可操作地被連接到所述端子以獲取樣本，每個樣本具有樣本值；以及控制裝置，在外部電容被連接到采樣端子時，控制裝置被配置為在內部將采樣端子連接到給定電壓電位源以實現(xiàn)存儲在外部電容上的電荷的改變，給定電壓電位源在集成電路被使用時在所述集成電路中是可用的；使得所述采樣裝置在所述外部電容跟隨所述電荷的改變而放電的時段中獲取多個樣本；以及依據(jù)所述多個樣本來判斷事件是否發(fā)生。


現(xiàn)在將僅以示例的方式來參考附圖。在附圖中圖1如上所述呈現(xiàn)了有關電容式觸摸感測的一般背景信息；圖2和圖3也如上所述呈現(xiàn)了示出就獲取時間測量而言在觸摸和非觸摸狀態(tài)中的放電/充電過程的電壓-時間曲線圖；圖4和圖5也如上所述呈現(xiàn)了示出就獲取電壓測量而言在觸摸和非觸摸狀態(tài)中的放電/充電過程的電壓-時間曲線圖；圖6是體現(xiàn)本發(fā)明的設備的示意圖；圖7是體現(xiàn)本發(fā)明的設備的示意圖；圖8是可由圖7的設備執(zhí)行的方法的流程圖；圖9是用于理解圖7的設備的操作的電壓-時間曲線圖；圖10是與濾波器的使用有關的示意圖；圖11是體現(xiàn)本發(fā)明的設備的示意圖；以及圖12是用于尤其是在關注觸摸感測應用時考慮串擾和水效應(water-effect)抑制/識別的效果的示意圖和信號軌跡。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例在這里被呈現(xiàn)為涉及采樣電路或者更具體地涉及集成電路。將理解，在一些實施例中，這樣的電路可被實現(xiàn)為微控制器。本發(fā)明的實施例可以采用嵌入式軟件和/或(在特定實施例中)嵌入在MCU(微控制器單元)內部的專用硬件來實現(xiàn)電容式觸摸應用，來作為本發(fā)明的一個示例應用。然而，將理解，本發(fā)明的一些實施例可以通過除了存在內部ADC電路和外部電極之外在外部或內部都沒有專用硬件的微控制器來實現(xiàn)。本發(fā)明例如可以有利地被實施為在其中存儲有用于控制微控制器的操作的合適代碼(計算機程序)的微控制器。 本發(fā)明的實施例被認為與先前考慮過的布置相比，可以提供大幅增加的信噪比(已經(jīng)在獲取原始數(shù)據(jù)的階段，即，采樣結果)、更高的感測分辨率以及更高的動態(tài)范圍。在電容式觸摸感測的上下文中，與先前考慮過的布置相比，本發(fā)明的“最小”實施例無需外部組件(除了與外部電極相對應的外部電容之外)，如果有對高精度時間測量的任何依賴則具有少量外部組件，并且具有低的CPU(中央處理單元)資源要求(在微控制器實施例的情況中)。當然，一些實施例可能采用額外的外部組件來滿足一些具體的額外要求。與先前考慮過的布置相比，本發(fā)明的一些實施例被認為提供了先進得多的濾波和校準算法，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、多功能性、可用性和可配置性。這里公開的例如涉及電容式觸摸感測的一些實施例幾乎可應用于與標準1/0(輸入-輸出)功能共享A/D (模數(shù))轉換器引腳的任何微控制器，并且對于不同I/O和模擬單元實施方式之間的變化以及變更具有高度的穩(wěn)健性。這些實施例不需要外部組件(除了外部電容之外，該外部電容可能是簡單的電極或者在一些實例中甚至可以由實際特別適配的微控制器引腳本身來實現(xiàn))，并且每個電容式感測通道僅使用單個引腳(端子)。在這樣的實施例中，僅需要例如由定時器給予的低頻周期性中斷來確保用于數(shù)據(jù)獲取和濾波的穩(wěn)定采樣頻率。在微控制器或其它類似集成電路的上下文中，可考慮將I/O端子連接到用于訪問外面世界的引腳，或者可考慮I/O端子與這樣的引腳相同。術語“端子”和“引腳”在這里可互換使用，然而，將理解，它們可以被認為是連接在一起的分開元件。要重申的是，盡管這里公開的一些實施例被呈現(xiàn)為涉及例如用在HMI (人機接口 ) 設備中的電容式觸摸感測，然而本發(fā)明的其它實施例可被用于其它技術領域。例如，可能對其它技術領域中的電容值或電容改變的測量感興趣。作為介紹，本發(fā)明的實施例關注的是正放電或充電的電容(將被測量的電容)的電壓-時間曲線之下(或之上)的區(qū)域，而非依賴于單個樣本或單次測量。S卩，本發(fā)明的實施例依據(jù)在放電或充電過程期間(即，在電容充電或放電的時段中)獲得的多個樣本來判斷事件(在電容式觸摸感測的情況中例如為觸摸)是否發(fā)生。如果例如在整個特定的放電/充電過程(即，充完電狀態(tài)與未充電狀態(tài)之間，或者未充電狀態(tài)與充完電狀態(tài)之間)中重復獲取電壓樣本并且然后相組合(例如，相加)，則將理解，組合結果可以指示電壓-時間曲線之下的區(qū)域或者與之成比例。本發(fā)明的另一關注點在于提供可以通過執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的代碼(諸如計算機程序之類的程序)的現(xiàn)有微控制器實現(xiàn)而無需除了電極以外的外部組件的電路。圖6是采用本發(fā)明的采樣設備1的示意圖。采樣設備1包含采樣(集成)電路2 (其本身也體現(xiàn)本發(fā)明)和連接到(存在于) 采樣電路2的端子4的外部電容3。如圖6所示，外部電容3可被認為等效于分立組件，該分立組件的一端連接到端子 4并且其另一端接地。在實際實施例中，外部電容3可以是與以地為參考的電極相關聯(lián)的電容，即不是這樣的分立組件。采樣電路2包含端子4、可連接到(在此實施例中借助于切換裝置6)端子4的采樣裝置5以及控制裝置7。如圖6中的虛線所指示的，切換裝置6可被認為是采樣裝置5的一部分。在圖6中，端子4(采樣端子)用于將采樣電路連接到其他電路。采樣裝置5可操作地連接(在一些方面，鑒于切換裝置6，為“可連接”)到端子4以獲取樣本，每個樣本具有樣本值?？刂蒲b置7被配置為重復地將采樣裝置5連接到該端子(借助于切換裝置6)， 以使得采樣裝置在存在于端子4處的外部電容3充電或放電時采到多個樣本，并且依據(jù)這多個樣本判斷事件是否發(fā)生?？刂蒲b置7與采樣裝置5和切換裝置6之間的連接可以用于數(shù)據(jù)和/或控制信號。該事件例如可以是外部電容3的電容值例如在預定或給定時間段中和/或以預定或給定量的穩(wěn)定性，改變了例如至少預定或給定量。在電容式觸摸感測的上下文中，外部電容3可以形成傳感器電極或觸摸傳感器的一部分，并且電容值的這樣的改變可能是由于手指或其它身體部分觸摸觸摸傳感器或傳感器電極引起的。采樣電路2是集成電路，例如微控制器。端子4例如可以是或連接到這樣的微控制器的GPIO引腳。圖7是體現(xiàn)本發(fā)明的采樣設備10的示意圖。采樣設備10包含采樣(集成)電路20 (其本身也體現(xiàn)本發(fā)明)以及連接到(存在于)采樣電路20的端子40的外部電容30。如圖7所示，外部電容30等效于一端連接至端子40并且其另一端接地的分立組件，但是也可以是與以地作為參考的相連電極相關聯(lián)的電容。采樣電路20包含端子40、可連接到(在此實施例中借助于切換裝置60)端子40 的采樣裝置50以及控制裝置70。采樣電路20、外部電容30、端子40、采樣裝置50、切換裝置60和控制裝置70分別對應于如圖6所示的采樣電路2、外部電容3、端子4、采樣裝置5、 切換裝置6和控制裝置7。因此，如圖7中的虛線所指示的，切換裝置60可被認為是采樣裝置50的一部分。在圖7中，采樣電路可被認為是微控制器(例如，MCU或微控制器單元)。端子40 可被認為是這樣的微控制器的GPIO引腳，并且具有被建模為Cin 42的有效輸入電容。輸入電容Cin 42等效于在內部被連接在端子40與地供應源(GND，或Vee或Vss)之間的分立組件。外部電容30表示端子40 (經(jīng)由電極3 與地之間的電容。電極32被連接到端子 40并且在電容式觸摸感測的上下文中可被認為是傳感器電極。當手指或其它身體部分觸摸該傳感器電極時，外部電容30的電容值可能改變。采樣裝置50包含比較器52、采樣器電容M和采樣器電阻56。在一個實施例中， 采樣裝置50可以是模數(shù)轉換器(ADC)。采樣器電容M和采樣器電阻56可被認為是將切換裝置60的電阻考慮在內的、比較器52在采樣過程(當切換裝置60閉合時)期間的有效輸入阻抗的表示。為了方便理解，采樣器電容M和采樣器電阻56被建模為圖7中的分立組件。采樣器電阻56被連接在比較器52的輸入與切換裝置60之間，采樣裝置經(jīng)由切換裝置 60可被連接到端子40。采樣器電容M被連接在比較器52的輸入與地供應源(GND，或Vee 或Vss)之間。采樣器電容M和采樣器電阻56可被認為是或者至少部分地是“寄生的”，這通常是不希望的。例如，采樣器電阻56可以有效地作為切換裝置60的電阻(其可被實現(xiàn)為非理想FET)。將理解，本發(fā)明的實施例以有利的方式來利用這些寄生效應來測量外部電容30。圖7的設備根據(jù)圖8的流程圖所示的方法來操作。
在第一步驟S2中，通過將外部電容30連接到微控制器20的電壓供應源(Vcc或 Vdd)來對其預充電。即，端子40(GPI0引腳)被設為輸出高(Output High)，即是說，端子 40在內部被連接到當微控制器20被使用時在其內可用的給定高電壓電位(在FET技術的情況中，為Vdd)。在步驟S4中，端子40被從電壓源斷開連接。步驟S4例如可以在步驟S2之后給定量的時間時發(fā)生，以使得外部電容30能夠被預充電。在步驟S6中，由采樣裝置50通過借助于切換裝置60重復地將采樣裝置連接到端子40來獲取多個樣本。例如可在預定量的時間中獲取樣本，或者可以獲取樣本直到預定數(shù)目的樣本被獲取為止。樣本可以在突發(fā)過程中被獲取?？梢灾貜偷?、快速地、頻繁地以及規(guī)則地獲取樣本。優(yōu)選地步驟S6在步驟S4之后立即開始，盡管在其它實施例中在步驟S4與步驟S6之間可能存在給定延遲。步驟S6本身可被認為構成了測量過程。外部電容30在測量過程期間的放電至少部分地可能是因采樣裝置以及微控制器20的其余電路(未在圖7中示出)內的寄生漏電流而發(fā)生的。對放電過程的主要影響來自于采樣裝置50的每個采樣過程期間(S卩，當每個樣本被獲取時)的電荷重分布。在每個采樣過程期間，采樣器電容器M通過具有采樣器電阻56 的切換裝置60 (采樣開關)被連接到端子40 (模擬輸入)。因此，電荷重分布的發(fā)生是由于每次測量(獲取樣本)都對外部電容30放電某一(少)量，該某一量取決于所涉及的電容 30、42、M的比率、它們的瞬時電壓電平、電阻56、以及采樣開關閉合的時間。在從該端子斷開連接之后，S卩，在樣本的獲取之間，采樣器電容M通過主動地被連接到內部地供應源(GND)或者簡單地通過內部電流(例如，在比較器52的比較時段期間，或者通過其它寄生電流)而被放電。可選切換裝置55在圖7中被示為連接在采樣器電容M與內部地供應源(GND)之間，并且可被用來在樣本的獲取之間主動地對該電容放電?；趫D7，將理解，由比較器52獲取的樣本可以是當樣本被獲取時存在于比較器 52的輸入處的電壓的電壓樣本。比較器52可以輸出指示這樣的電壓樣本的樣本值(例如， 數(shù)字值)。當然，將明白，比較器52可以是更大電路部分(例如ADC)的一部分。通常，比較器本身將作為例如具有SAR(逐次近似寄存器)的ADC中的逐次近似塊的一部分。逐次近似塊作為整體可被用來生成實際樣本值，并且比較器52在圖7中被示為沒有這樣的其它電路僅僅是為了簡化的目的。在步驟S8中，判斷預定事件是否已發(fā)生，在電容式觸摸感測的上下文中，該預定事件對應于手指或其它身體部分對傳感器電極32的觸摸?，F(xiàn)在將進一步描述步驟S6。如上所述，本發(fā)明的實施例依據(jù)在放電或充電過程期間獲得的多個樣本來判斷事件(例如在電容式觸摸感測的情況中為觸摸)是否發(fā)生。因此，在本實施例中，單個原始數(shù)據(jù)值(采樣結果)是從多個單樣本(樣本值)獲得的或者是由多個單樣本(樣本值)組成的。每個采樣事件(當外部電容30放電時，多個樣本中的單個樣本的獲取)導致將被測量的電容(外部電容30)的進一步放電，因此，多個樣本的獲取可以有利地用來加速測量過程。
將進一步考慮該“加速”。當使用ADC(參考采樣裝置50)時，通常希望測量電路對信號源(以及由此對測量結果)的影響保持盡可能小。即，通常諸如采樣電容器的大小、輸入漏電流等之類的寄生影響被最小化。作為示例，利用大采樣電容器時，由于需要更高的電荷量來將(大)采樣電容器充電至輸入電壓，因此從高阻抗源測量電壓將比利用較小電容器花更長的時間。由于高阻抗源的電阻限制電流的流入，因此電流流動量以及因此充電速度受到限制。此外，進入 ADC的輸入漏電流將引起高阻抗電壓源上的(通常不希望的)電壓降。相比之下，在圖7的設備中，通過對輸入采樣數(shù)次而不重新初始化外部電容30來有意增加(采樣裝置50)ADC寄生效應的影響，以使外部電容30有意被由于電荷重分布而流入ADC的電流以及ADC內部的寄生電流影響(被放電)。一方面，該影響可以利用示波器被觀察到；如果數(shù)個微控制器輸入通道同時從 Vdd被切換為“ADC輸入模式”，則這些通道中“被突發(fā)采樣”的一個通道可被視為比其它通道放電更快，從而縮短圖7的上下文中的一次測量獲取的時間(假設對于每個輸入通道具有相同的放電結束電壓)。如果使樣本的總數(shù)保持相等(通過例如利用突發(fā)/連續(xù)模式足夠快地采樣)，則通過突發(fā)采樣獲得了速度而不會損失分辨率。對于“理想的”ADC，放電速度將獨立于ADC活動(并且甚至為零，如果絕對沒有任何寄生損失存在的話)。另一方面，在慢速放電的情況中(例如，在放電周期結束時獲取單個樣本)，“空閑”狀態(tài)中的放電量可能非常小(即，在某個可接受時間之后的電壓可能沒有下降到Vdd之下很遠)，從而限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍/凈空(由于觸摸而產生的甚至更大的電容將會更多的減少放電量)。如果偏移電容較大(比采樣電容大得多)(通常是這樣的)，則尤其是這種情況。該問題可以通過利用外部電阻器或電流阱來更快地對電容放電來解決，但是要以外部組件為代價。將理解，在圖7的設備中，內部寄生效應和突發(fā)采樣有意被用來針對每多個樣本獲得高的放電量。作為又一方面，本發(fā)明的實施例在考慮到對來自外部源的諸如RF噪聲之類的噪聲的易感性時也可以具有優(yōu)點。作為背景，具有極高輸入阻抗的測量電路往往易受來自不同源的噪聲(例如來自蜂窩電話和其它源的RF噪聲)的影響。特別是在電容式觸摸感測的情況中，許多實現(xiàn)方式可能由于高輸入阻抗而遭受著噪聲易感性。在本發(fā)明的實施例的上下文中(例如參見圖6和圖7)，由于獲取過程期間的每個樣本導致電流流入采樣裝置50 (采樣電路)，因此與基本上可被認為“空閑”(例如，當每個充電或放電周期僅獲取單個樣本時)的電路相比，流入該采樣電路的平均輸入電流更高。實際上，該更高的平均電流可被視為是由比采樣裝置50(采樣電路)的輸入阻抗 (例如，在空閑時，在端子40處看到的輸入阻抗)低得多的“虛擬阻抗”引起的。作為示例， 當在采樣開始時采樣器電容M完全被放電，在閉合采樣開關(切換裝置60)之后的第一時刻中可看到，初始啟動電流(in-rush current)-并且因此，有效輸入阻抗-主要是由采樣器電阻56定義的。因此，通過這里描述的方法，即使在第一眼看時正被測量的電極32處于浮動狀態(tài)(僅被連接到采樣電路的高阻抗輸入)，放電周期中的較低虛擬“平均”輸入阻抗也可通過重復的采樣過程被生成，除了上面描述的平均/積分行為之外，該重復的采樣過程也極大地增強了對抗由蜂窩電話或其它噪聲源引起的例如EMI (電磁干擾)之類的噪聲的穩(wěn)健性。因此，將明白，本發(fā)明的實施例中采用的多次測量/突發(fā)采樣技術具有若干優(yōu)點， 例如，(a)以合理時間對外部電容放電而無需任何外部組件；(b)通過增加系統(tǒng)的動態(tài)范圍 /凈空來提高SNR ； (c)由于平均/積分行為而提高了 SNR和靈敏度；以及(d)在放電周期中由于較低的虛擬“平均”輸入阻抗，而增加了對抗噪聲的穩(wěn)健性。返回圖8的步驟S6，關于上面提到的平均/積分行為，對于一個原始數(shù)據(jù)值(采樣結果)的獲取來說，特定測量過程(步驟S6)中的每個樣本的值在此實施例中被累積，以使得原始數(shù)據(jù)值(以及由這樣的連續(xù)的值組成的信號)從放電曲線下面的面積被得出，而不是對于每個測量過程從單個樣本被得出。圖9是類似于圖5的曲線圖，但是指示出本發(fā)明的實施例與由圖5表示的先前被考慮的方法有何不同。如由一系列垂直虛線所表示的(在圖9中并未示出全部虛線，但是如圖所示，垂直虛線的圖案被理解為從時間、到時間tn是一致的且規(guī)則的)，在放電過程期間多個樣本((^至??！巧被獲取，使得樣本值的相加組合(采樣結果)表示放電(或者在其它實施例中，充電)曲線下面的面積。將理解，雖然電容的每次充電或充電中的大量樣本(η較大，例如，約20至40，或者高至100)將給出對曲線下面的面積的良好指示，然而較少數(shù)目的樣本(例如，5和10之間) 也可被用來給出對該面積的滿意指示，其中對電路的負擔相應較低但是具有較低的SNR和較低的靈敏度。如果圖8的方法定期地或者不時地被執(zhí)行，則取決于外部電容30的電容值，隨著時間的采樣結果可能不同。如已經(jīng)提到的，在電容式觸摸感測的情況中，這樣的改變可能是由于手指或其它身體部分接觸電極32引起的。通過如從圖9可明白的相加或積分行為，與先前被考慮過的測量方法(包括圖4 和圖5的標準電壓測量方法)相比，系統(tǒng)的SNR和動態(tài)范圍被大幅增加。較高SNR的原因可被表達為如下 希望信號(Δ)通過隨著時間的相加(Aeff=Z An)被放大，從而帶來更高的動態(tài)范圍和對小信號改變的更好響應。即，外部電容值的改變將其自己表現(xiàn)為放電曲線下面的面積的改變，其導致可被相加以提供更大的組合改變(表示面積改變)的多個樣本中的個體樣本的值的改變。因此，多個樣本中的樣本的數(shù)目越大，對于給定的電容改變來說被記錄下來的改變就越大。·測量信號的AC噪聲基本上通過積分行為被抵消。多個樣本中的樣本的數(shù)目越大，對抗測量中的隨機噪聲的電阻越高(因為這些值的基線可被視為帶有隨機AC分量[噪聲]的常數(shù)[偏移])；·測量信號中的單個尖峰僅具有很小影響； 單個樣本的時間抖動(例如，由于中斷負荷)僅具有小的影響并且可以通過自動重啟動諸如ADC之類的采樣裝置而被最小化。這樣的自動重啟動可被稱為“連續(xù)模式”?！ぴ黾拥南到y(tǒng)動態(tài)范圍/凈空；以及·由于放電周期中的較低虛擬“平均”輸入阻抗而增加了對抗噪聲的穩(wěn)健性。與上面討論的先前考慮過的過采樣方法相比，圖7的設備(以及本發(fā)明的其它實施例)的方法對于每個讀數(shù)僅測量要被測量的電容一次，并且通過多個采樣事件連續(xù)地對其放電(以使得每個讀數(shù)由多個樣本組成)，每個采樣事件引起從要被測量的電容(外部電容30)到ADC(采樣裝置50)的采樣電容器(采樣器電容的電荷重分布。由于省略了專門充放電階段，因此在相同時間期間可以獲得更高數(shù)目的樣本，從而得到比單個樣本更高的SNR以及比其它過采樣方法更短的總體獲取時間。如上所述，在圖7的設備中，采樣電路20可被認為是微控制器(該微控制器的其它部分未在圖7中示出)。在該實例中，可以通過將采樣裝置50 (ADC)布置為在每次采樣之后自動重啟動采樣過程(以獲取另外的樣本)來使系統(tǒng)負荷(控制裝置70上的負擔，該控制裝置70可以是微控制器的處理器)保持較低。每次采樣的結果(樣本值)例如可被保存在采樣裝置50內部的緩沖器中(未在圖7中示出)或者可利用DMA(直接存儲器訪問)轉移被轉移到(例如，微控制器的，也未在圖7中示出)存儲器中的緩沖器。除了低系統(tǒng)/處理器負荷以外，由于每個采樣過程而流入采樣裝置50 (ADC)的電流增加了將被測量的電容的放電速度，從而使得無需硬件改變也可以處理非常高的偏移電容。檢測要被測量的電容的極小改變的能力(面積的改變比兩個單獨樣本之間的改變更加明顯)對于電容式觸摸感測系統(tǒng)是有用的，因為隨著觸摸傳感器的介電前面板厚度的增長，因靠近的手指引起的電容改變相對于系統(tǒng)的基本偏移電容(通常> IOOpF)來說可能非常小(<< IpF)。通過上述方法，可以在原始數(shù)據(jù)值(采樣結果)本身中，即在經(jīng)任何后處理之前獲得高SNR，并且可以獲得對干擾的免疫性，以使得可以在進一步的信號處理期間施加不那么強的濾波。現(xiàn)在參考圖10，圖10是在概念上表示濾波可如何被采用來利用包含一系列原始數(shù)據(jù)值(采樣結果)的信號的示意圖。在圖7的設備中，每個原始數(shù)據(jù)獲取過程(如圖8所示)由如上所述的突發(fā)采樣組成，以生成采樣結果。隨著時間的過去重復圖8的過程，一系列這樣的原始數(shù)據(jù)獲取過程可以生成基于一系列這樣的采樣結果的信號或者從一系列這樣的采樣結果得出的信號。這樣的信號(原始數(shù)據(jù)信號)可被進行信號處理。為了對觸摸進行檢測，希望執(zhí)行偏移和漂移校準。因此，原始數(shù)據(jù)信號可被饋送到可被級聯(lián)連接的兩個不同低通濾波器中(濾波器1和幻。圖10的(a)示出了被級聯(lián)連接的濾波器1和2的示例，圖10的(b)示出了彼此并聯(lián)布置的濾波器1和2的示例，這兩種情況中的輸入信號都是原始數(shù)據(jù)信號。在本實施例中，第一濾波器(濾波器1)具有短到中等的時間常數(shù)并且主要對原始數(shù)據(jù)信號進行平均。第二濾波器(濾波器幻具有比第一濾波器慢的響應，以使得其不跟隨因靠近的手指引起的快的改變(在電容式觸摸感測的情況中)。第二濾波器的輸出表示包括寄生偏移電容等的底線(或基線)。高于某閾值的平均濾波器(濾波器1)的改變(在電容式觸摸感測的情況中，主動觸摸被檢測到)一旦被檢測到，只要該情況發(fā)生，底線濾波器(濾波器2)更新就可被暫停，以避免將系統(tǒng)校準為例如靠近的手指。對于觸摸檢測(在電容式觸摸感測的情況中)，第一和第二濾波器的輸出之差可被評估并與閾值相比較。一旦閾值被超過，就可認為觸摸被檢測到。
兩個濾波器的濾波器參數(shù)可以在運行時間期間動態(tài)地被改變，和/或可以是非對稱的，例如，對下降值的響應比對上升值更快，以在釋放按鈕(即，對觸摸傳感器“解除觸摸”)之后加速重新校準。順便提及，雖然以上實施例是在考慮單個端子和當前外部電容的情況下提出的， 然而將理解，在其它實施例中，可以存在帶有當前外部電容的多個這樣的端子。在電容式觸摸感測的情況中，這樣的多個外部電容可以對應于復雜觸摸傳感器的多個感測電極。以上方法可以應用于每對端子與外部電容。來自每個端子的采樣結果可被認為是逐個端子的， 或者可被認為是一起的。返回參考圖7，將理解，采樣電路20可被認為是微控制器，并且這樣的微控制器可以具有類似端子40的數(shù)個端子(例如，一組GPIO引腳)。鑒于此，將明白，本發(fā)明的實施例可適于檢測錯誤，例如，傳感器引腳(端子)之間或傳感器引腳(端子)與地(GND)或電壓源(Vdd)之間的短路。例如，在兩個或更多個輸入引腳(端子)之間短路的情況中，取決于未被采樣的輸入引腳(端子)的引腳狀態(tài)(0或1，即，連接到GND或Vdd)，它們的采樣結果將接近理論最大值(例如，對于10比特ADC，樣本數(shù)*1023)或最小值(O)0例如，在所有引腳在非采樣狀態(tài)期間被保持為高的配置中，因錯誤狀況而連接到另一觸摸輸入引腳(采樣端子)的觸摸輸入引腳(采樣端子)的效果與將其連接到電源電壓的效果相同，即，在采樣時段期間將看不到任何放電，并且因此將看到接近最大值的值。 類似地，因錯誤狀況而連接到GND的引腳(端子)在采樣一開始就示出瞬時放電，并且因此將示出接近零的輸出值。在這兩種狀況下，常規(guī)操作與指示錯誤狀況的信息之間的差別可在原始數(shù)據(jù)信號中被檢測到，并且使得諸如安全停止之類的對策被采取(例如，通過在微控制器中被運行的軟件)。還可設想本發(fā)明的其它實施例，具體地，其中，采樣電路20是微控制器。例如，可向這樣的微控制器提供范圍比較器，該范圍比較器將樣本(ADC樣本)的值與上下限閾值相比較，并且判斷所關注的樣本是在由這些閾值所限定的范圍之內還是之外。此外，可向這樣的微控制器提供脈沖檢測單元，該脈沖檢測單元被配置為評估范圍比較器的輸出，并且因此可被用來檢測某些脈沖屬性。與未使用范圍比較器和脈沖檢測單元的系統(tǒng)相比，例如被用作電容式觸摸感測系統(tǒng)一部分的這樣的微控制器可以具有減少的sw(軟件)開銷。例如，范圍比較器的閾值可以按如下方式來設置在非觸摸狀態(tài)期間，僅有少量樣本在范圍檢測器的檢測范圍中。一旦因觸摸事件使得電容上升，則信號幅度上升，從而使得更多樣本落在檢測范圍內?？捎擅}沖檢測單元來對落在所定義范圍內的每個樣本計數(shù)，并且一旦達到某個數(shù)目(的事件)，則信號就被生成。范圍比較器和脈沖檢測單元可通過運行在微控制器中的軟件來配置，但是也可以以其他方式自治地操作而不會給處理器帶來負擔。這樣的配置可以使得可變觸摸閾值被實現(xiàn)。范圍比較器閾值可被用來實現(xiàn)受主機軟件控制的校準。將理解，圖6和圖7的設備是在電容式觸摸感測的情況中考慮“自電容”技術的情況下呈現(xiàn)的。然而，本發(fā)明還可應用于對兩個或更多個電極之間的電容式耦合進行測量的互電容技術。圖11是體現(xiàn)本發(fā)明的采樣設備100的示意圖。采樣設備100包含采樣(集成)電路120(其本身也體現(xiàn)本發(fā)明)以及連接到(存在于)采樣電路120的端子4的外部電容3。將理解，圖11的采樣電路120非常類似于圖6的采樣電路20，并且相似的元件用相似的標號來表示以使得可省略重復描述。采樣電路120包含連接到(信號傳輸)端子140的信號傳輸(signalling)裝置 160。外部電容3有效地是在端子4和140之間(例如，在分別連接到這兩個端子的兩個電極之間)測得的電容。在操作時，控制裝置7可以使信號傳輸裝置向端子140輸出信號，并且相應地使采樣裝置5按與上面結合圖6至圖9描述過的方式類似的方式在端子4處獲取樣本。將理解， 外部電容3的電容值例如可以由于觸摸感測應用中的觸摸而變化，并且因此在端子4處拾取的信號可能取決于電容值而變化。因此，將理解，關于圖6至圖9所呈現(xiàn)的教導也類似地適用于圖11，從而本發(fā)明的實施例也可以涉及互電容技術。例如，容易理解，與圖7所示的電路類似的電路可與圖11 一致地被提供。在一些實施例中，端子4和140可以是例如可在使用期間被重新配置的多用途端子。即，采樣裝置5和信號傳輸裝置160到這些端子的分配是可配置的，以使得在一些實例中端子4是連接到信號傳輸裝置160的信號傳輸端子，并且在一些實例中端子140是連接到采樣裝置5的采樣端子。在觸摸感測裝置的上下文中，本發(fā)明的實施例可以使得到觸敏區(qū)域的外部電極的每個連接被配置(動態(tài)地、在使用期間或者在設置時)為對于自電容測量作為雙向電極(采樣端子)操作，對于互電容測量作為發(fā)送電極(信號傳輸端子)操作， 和/或對于互電容測量在操作期間作為感測電極(采樣端子)操作。即，電極的功能可以隨著時間被改變。將理解，不依賴于外部組件使得本發(fā)明的實施例能夠具有這樣的多功能性?；貞浧鸨景l(fā)明的實施例可以具有多個端子，每個端子具有當前外部電容，例如根據(jù)圖7(自電容)或圖11(互電容)。這可能將在串擾/交叉耦合以及水效應抑制/識別 (特別是就觸摸感測應用而言)的上下文中，結合圖12進一步被考慮。圖12的(a)對應于與圖7相符的本發(fā)明的實施例(在該圖右側示出)，其具有被標為A、B和C的與三個輸入或感測通道相對應的三個采樣端子40。因此，圖12的(a)的實施例具有擁有三個采樣端子40的采樣(集成)電路20，每個采樣端子具有對應的電極32。三個電極32位于可由玻璃制成的傳感器表面200下面。圖12的(a)所示的電容Cab和Cbc分別表示通道A與B、通道B與C之間的引起的耦合電容。電容Cf表示可能在通道B上由于觸摸的手指或其他身體部分引起的電容。圖12的(a)的左側上的曲線圖對應于當沒有觸摸手指存在時，即，當電容Cf = 0 時在通道A、B和C處接收的信號(利用這里公開的采樣技術)。圖12的(b)與圖12的(a)相同，但是表示觸摸手指存在，即，當電容Cf大于0時的情形。圖12的(c)與圖12的(a)相同，即，電容Cf = 0，但是表示水201 (或某種其他物質)存在于通道A與B之間和之上的傳感器表面200上的情形。在此情形中，電容Cab可能比電容Cbc大得多。例如，在“常規(guī)”情況(空氣)中，電極/通道之間的絕大部分電場經(jīng)過具有低介電常數(shù)( 1)的空氣，因此總體容量(電容)較低。例如當水在表面上時，絕大部分電場呆在具有高得多的介電常數(shù)( 80)的、增加了容量(電容)的水中。另外，未去離子的水是傳導性的，這再次增加了耦合性。為了簡化，圖12的(a)所示的電容以及該圖中的標號從圖12的(b)和圖12的(c) 中被省去。然而，可通過與圖12的(a)相比較來容易地理解圖12的(b)和圖12的(c)。觸摸感測應用不僅受可能被耦合到感測電極(并且因此耦合到采樣端子)中的高頻噪聲和寄生偏移電容的影響。特別是在具有彼此非常靠近的多個傳感器電極的應用中， 電極之間的串擾可以影響感測性能。這樣的串擾的機制在圖12的(a)、(b)和(c)中通過耦合電容Cab和CBe被表示出。用于確定輸入通道的電容的測量可以通過借助于某種多路復用順序地訪問一個一個端子來進行(例如，通道A，然后B，然后C，等等)。在這樣的情形中，在具體測量周期期間未被連接到測量電路(采樣裝置)的其余輸入端子可被連接到GND以減少可能的干擾。盡管一方面“非活動”通道(例如，通道A和C)的電極32可以充當被測量通道的電極32的屏蔽，并且可以幫助減少EMI對所進行測量(例如，對通道B)的影響，但是它們會增加傳感器上的寄生電容(參見電容Cab和Cbc)。另外，在許多這樣的實施方式中，由于被測量電極與被接地的其余電極之間的對地電容增加，因此存在覆蓋多個電極的傳導對象 (例如，水201)的存在可能錯誤地被檢測為觸摸事件的風險。例如，在僅僅活動電極被充電并且其余電極被接地的情況中，電極間耦合可被視為對地電極耦合。在本發(fā)明的實施例中，可以使在特定通道(單個通道)的測量期間對“非活動”通道(其余通道)的測量廣泛地、自由地適應于不同需求。其余端子如上所述可被接地(GND)， 被連接到預定義或給定電壓(如Vcc (VDD))，被保持漂浮狀態(tài)，或者經(jīng)歷這些狀態(tài)的組合/ 循序。在優(yōu)選實施例中，使多個傳感器通道的每個根據(jù)上面例如結合圖7和圖8描述的方法進行操作，使得可以按如下方式來控制傳感器通道的狀態(tài)，該方式使得電路能夠在例如由接近多個電極的傳導對象(例如，諸如水膜之類的液體膜)引起的串擾效應與由人手指或其它點選身體部分進行的有益觸摸之間進行區(qū)分。如上面結合圖7描述的，每個通道的測量過程從將傳感器電極(端子40)連接到已知電壓源(通常為Vcc)開始，并且從而將外部電容30預充電至該電壓。在下一狀態(tài)中， 傳感器電極(端子40)被從電壓源斷開連接，并且獲取處理(獲取樣本)開始。在所產生放電周期的所有樣本都被獲取之后，該處理立即或者在某一間隔之后重新開始。在所述方法的優(yōu)選多通道實施方式中，通道組(例如，通道A、B和C)或者所有傳感器通道同時被預充電，而與哪個通道將被測量無關。由于預充電周期同時被施加給所有電極，因此相鄰電極對之間的耦合電容的兩側(例如，電容Cab和Cbc)處于同一電位(電壓)，以使得耦合電容實際上未被充電。與此相比，每個單電極例如對地(GND)的電容被充電至已知電壓，并且因此該電容的改變(例如，由手指觸摸引入的，即，電容Cf的改變)可如上所述這樣被測量。在給予預充電的時間之后，要被測量的通道如上所述被從電壓源斷開連接，同時除了要被測量的通道之外的所有通道同時地(或幾乎同時地)被主動驅動為低(在MCU實施方式的情況中，通過將GPIO切換為輸出低)。該行為在圖12的(a)、(b)和(c)的每幅圖中被示出。電極之間的電容耦合(例如，電容Cab和Cbc)在將被耦合到正被測量的電極的其余電極上產生負斜率(其余電極上的電壓在短時間中幾乎變?yōu)榱?，類似于方波，而被測量電極上的電壓遵循幾乎指數(shù)的放電曲線)，從而也在該電極的電壓中引入(更小的)負斜率。因此，在圖12的(a)的上下文中，通道A和C的負斜率202和204經(jīng)由電容Cab和 Cbc相耦合以影響斜率206，從而使得針對斜率206采樣到的值比耦合電容Cab和Crc不存在時它們應具有的值要小。因此，串擾的增加導致獲取的原始值減小，而如圖12的(b)中那樣靠近對象/手指觸摸基本上觸摸一個電極使得所關注通道的原始值增加，因為該所關注通道不受，或者僅受周圍電極的負斜率的影響。這在圖12的(b)中由斜率208表示出，斜率208將帶來比針對斜率206獲得的那些值大的采樣值。由于電極對之間的交叉耦合的影響是對稱的(不存在局部性影響)，因此不同通道間的串擾的增大將導致所有受影響通道的原始值減小，以使得可以通過信號處理和校準方法來確定哪些通道被影響，并且采取正確措施。由于希望避免誤動作或錯誤觸摸觸發(fā)，因此這在一些對象或液體201 (例如水)被放置于傳感器電極之上的表面上的情況(如圖12的(c)中)中是有趣的。在圖12的(c) 中，液體201的存在增加了通道A與B之間的耦合(電容Cab)，但是未增加通道B與C之間的耦合。因此，上面就圖12的(a)討論的耦合的值減小效應在圖12的(c)中由于液體201 的存在而是不均勻的。因此，根據(jù)本優(yōu)選實施例的支持數(shù)個感測通道的感測表面可以以當傳導對象或液體被置于其上時不生成觸摸輸出的方式來配置(通過采樣電路)，這給予了針對對由觸摸傳感器電路控制的任何裝置的無意操作的高度額外安全性。將理解，上面討論并在附圖中示出的實施例主要關注了外部電容首先被預充電 (例如，通過將其連接到諸如VDD之類的內部可用電壓源)并且然后通過采樣裝置被放電的 “放電”布置。雖然出于實踐原因這樣的“放電”布置可以優(yōu)先被考慮，然而將明白，其它實施例可以關注“充電”布置，其中外部電容首先被放電(例如，通過將其連接到諸如GND之類的內部可用電壓源)并且然后通過采樣裝置被充電。所公開的“放電”布置的優(yōu)點之一是利用了使漏電流(通常，對地)對外部電容放電的寄生元件，因此例如，存在于先前考慮過的或標準MCU中的采樣元件可得到使用。在 “充電”布置的情況中，采樣裝置可能需要被修改(與存在于先前考慮過的或標準MCU中的采樣元件相比，或者與圖7所示的采樣元件相比)。具體地，采樣裝置可能需要被修改為使得采樣電容器(參見圖7的采樣器電容54)在兩個采樣之間(在采樣開關-參見圖7的切換裝置60-斷開時)例如在內部被充電到Vcc (VDD)，以使得在“突發(fā)”采樣期間每個樣本將 (最初被放電的)外部電容上的電壓增加一小的量。因此，本發(fā)明的實施例擴展至這樣的“充電”布置，但是在一些實例中出于實踐原因(例如，利用在先前考慮過的MCU中提供的部件，例如其ADC)可以優(yōu)先考慮“放電”布置。在這樣的“充電”布置的一個示例實施方式中，可以從連接到Vcc(VDD)的、被測量端子之外的一端子(即，不是從樣本被獲取的端子)獲取“偽樣本”，并且然后可以進行到要被測量的電極的切換而不對其間的采樣電容器(參見圖7的采樣器電容54)放電。然而， 由于漏電等原因，在切換期間可能預期具有少量放電。因此，雖然在這里所公開的“放電”布置中“寄生效應”可被視為有利的，然而在“充電”布置中可能需要在兩個采樣之間主動對采樣電容器再充電。因此，這樣的“充電”布置可能需要被配置為使得采樣裝置能夠執(zhí)行這樣的主動再充電，或者例如在采樣之間可能需要額外步驟，在該額外步驟中，由于沒有在“放電”布置中被利用的采樣電容器的“寄生放電”的等效物，因此要從Vcc (VDD)獲取“偽”樣本。出于至少以下原因，認為本發(fā)明的實施例是有益的·在觸摸輸入引腳(端子)外面，對于電容式觸摸感測而言不需要外部組件；ο存在于這樣的引腳處的外部電容僅僅以連接到該引腳的感測電極的存在的方式而存在；ο這樣的實施例可以提供相對低的Β0Μ(材料清單)費用，并且需要相對低量的 PCB空間； 在圖7實施例中，每個電極32僅需要單個端子40 ；ο在考慮微控制器時，任何ADC引腳在與GPIO功能共享時都可被用作觸摸輸入；·由于突發(fā)采樣和對采樣值的積分(相加)增加了抗噪性和SNR ；ο將放電過程的多個樣本(采樣值)相加來平均噪聲尖峰/突發(fā)；ο原始樣本值之和對應于放電曲線下的面積，從而產生對放電曲線的小改變的更好響應；ο增加了系統(tǒng)的動態(tài)范圍/凈空；ο增加了針對放電周期中因較低虛擬“平均”輸入阻抗引起的噪聲的穩(wěn)健性； 在突發(fā)采樣的情況中(“連續(xù)模式”)，可以針對每個放電過程獲取多個樣本而不用重新初始化(放電、預充電或類似的)；ο更快的過采樣(在“連續(xù)模式”中，可以采用全ADC采樣速率，而不用在采樣之間進行重新初始化)，為觸摸獲取/識別帶來更短的時間；ο在原始數(shù)據(jù)水平上已經(jīng)增加了噪聲濾波和靈敏度·無需特殊外圍設備(例如，電流源或高分辨率定時器)；ο無需精確的時間測量-該方法不太受抖動影響；ο ADC連續(xù)模式可被使用-無需對每次單個樣本進行觸發(fā)-因此系統(tǒng)對因CPU (處理器)負荷引起的時序變化不那么敏感；ο當DMA被使用時，可以減少IRQ(中斷請求)負荷，但是代價是采樣之后的一次稍微更長時間的計算；·低EMI (電磁干擾)、高EMI穩(wěn)健性/容忍性；ο無需高頻信號，從而帶來來自感測線(端子和感測電極)的低EMI發(fā)射；·容易適應于不同測量拓撲；ο例如將圖6和圖11的教導相組合，在一些實施例中在無需改變硬件的情況下混合自電容/互電容感測是可能的。一些實施例可被配置為在使用期間在自電容感測與互電容感測之間切換，并且將從二者獲取的輸入相組合。以這種方式，兩種類型的感測的優(yōu)點可被一起享受到；·電源電壓對靈敏度無影響；ο采樣裝置(ADC)所采用的參考電壓可以與施加給端子的預充電電壓，即，采樣電路的內部電源電壓(Vdd或Vcc)相同；·非常低的處理器(例如，CPU)負荷；ο可以通過諸如范圍比較器和脈沖檢測單元之類的外圍設備和/或使用DMA轉移來進一步減小處理器負荷。提供了下面的表述Al. 一種用于評估要被測量的電容的放電期間的電壓的電容式感測方法。A2.根據(jù)表述Al的電容式感測方法，其中，ADC的漏電流和內部電容被用來對要被測量的電容放電。A3.根據(jù)表述A2的電容式感測方法，其中，輸入電壓被采樣多次而不對輸入電容進行重新初始化(預充電、放電或類似的)，即，在多個時間點測量單個放電事件。A4.根據(jù)表述A3的電容式感測方法，其中，通過對單次放電事件的多次采樣獲得的數(shù)據(jù)被相加以形成與放電曲線(放電過程的時間-電壓曲線)下面的區(qū)域相對應的值。A5.根據(jù)表述A4的電容式感測方法，其中，諸如電阻器或電流阱之類的另外組件被用來(作為用于另外的能力的另外的組件)對要被測量的電容放電。A6.根據(jù)表述Al至A5中任一項的電容式感測方法，其中，要被測量的電容被預充電到與采樣之前的ADC參考電壓相同的電壓。A7.根據(jù)表述Al至A6中任一項的電容式感測方法，其中，對要被測量的電容的放電曲線的評估通過將原始樣本值與上下限閾值相比較并且評估比較結果來執(zhí)行。A8.根據(jù)表述A7的電容式感測方法，其中，比較結果的評估是通過依據(jù)比較結果來遞增、遞減或重置計數(shù)器來進行的。例如，如上面討論的脈沖檢測單元可采用多個計數(shù)器來對范圍比較器的事件(在范圍內、在范圍外，等等)進行計數(shù)。這些計數(shù)器可彼此交互， 以使得例如某一事件的發(fā)生可以重置一個計數(shù)器或者遞增另一計數(shù)器，等等。A9. 一種利用具有第一和第二組參數(shù)的第一和第二濾波器的電容式感測方法，其中第一濾波器被饋入原始測量數(shù)據(jù)，而第二濾波器被饋入第一濾波器的輸出或原始測量數(shù)據(jù)，并且其中這兩個濾波器的輸出之差被測量以生成觸摸強度信息。A10.根據(jù)表述A9的電容式感測方法，其中，一個或這兩個濾波器的濾波器參數(shù)依據(jù)諸如被觸摸/未被觸摸狀況或者原始值的改變方向或速度之類的其它參數(shù)而動態(tài)地被適配。All. 一種電容式感測方法，其中，到觸敏區(qū)域的外部電極的每個連接可被配置為對于自電容測量來說作為雙向電極操作，對于互電容測量來說作為發(fā)送電極操作，并且對于操作期間的互電容測量來說作為感測電極操作。A12.根據(jù)表述All的電容式感測方法，其中，電極可被重新配置以使得該系統(tǒng)可在操作期間在自電容測量與互電容測量之間動態(tài)地被重新配置。A13. 一種電容式感測系統(tǒng)，其中，定期地檢查傳感器電極到GND、其它感測電極或電源電壓的短路，以及從傳感器焊盤斷開連接以檢測錯誤連接。A14. 一種由于增加的動態(tài)范圍/凈空、由于放電周期中的較低虛擬“平均”輸入阻抗而具有提高的SNR性能的電容式感測系統(tǒng)。A15. 一種電容式感測系統(tǒng)，具有多個感測通道并且被配置為與將其它通道(電極)連接到高系統(tǒng)電壓(例如，VDD)然后連接到低系統(tǒng)電壓(例如，GND)同步地對要被測量的通道(電極)預充電然后放電，以利用通道之間的交叉耦合來在觸摸與諸如覆蓋在一些通道(電極)上的水之類的物質之間進行區(qū)分。在以上方面中的任一方面中，各個特征可以用硬件或者運行在一個或多個處理器上的軟件模塊來實現(xiàn)。一個方面的特征可應用于其它方面中的任何方面。本發(fā)明還提供了用于執(zhí)行這里描述的任何方法的計算機程序以及計算機程序產品，以及在其上存儲有用于執(zhí)行這里描述的任何方法的程序的計算機可讀介質。體現(xiàn)本發(fā)明的計算機程序可被存儲在計算機可讀介質上，或者例如其可以為信號(例如從因特網(wǎng)網(wǎng)站提供的可下載數(shù)據(jù)信號)的形式，或者其可以為任何其它形式。
權利要求
1.一種集成電路，包括采樣端子，用于將所述集成電路連接到外部電容；采樣裝置，可操作地被連接到所述端子以獲取樣本，每個樣本具有樣本值；以及控制裝置，在所述外部電容被連接到所述采樣端子時，所述控制裝置被配置為在內部將所述采樣端子或者所述集成電路中也與所述外部電容相連的另一端子連接到給定電壓電位源以實現(xiàn)存儲在所述外部電容上的電荷的改變，所述給定電壓電位源在所述集成電路被使用時在所述集成電路中可用；使得所述采樣裝置在所述外部電容跟隨所述電荷的改變和/或在所述電荷的改變期間充電或放電的時段中獲取多個樣本；以及依據(jù)所述多個樣本來判斷事件是否發(fā)生。
2.如權利要求1所述的集成電路，其中，當所述外部電容被連接到所述采樣端子時，所述控制裝置被配置為在第一階段中將所述采樣端子連接到所述給定電壓電位源，并且在所述第一階段之后的第二階段中將所述采樣端子從所述給定電壓電位源斷開連接并且使得所述樣本被獲取。
3.如權利要求1或2所述的集成電路，其中所述集成電路的所述另一端子是信號傳輸端子；所述控制裝置被配置為當所述外部電容被連接在所述采樣端子與所述信號傳輸端子之間時執(zhí)行信號傳輸處理和采樣處理；以及所述控制裝置被配置為在所述信號傳輸處理中將所述信號傳輸端子連接到作為信號的所述給定電壓電位源，并且在所述采樣處理中使得所述樣本被獲取以檢測所述信號。
4.如前面任一項權利要求所述的集成電路，其中，所述采樣裝置包括采樣器電阻和采樣器電容，所述采樣器電阻和采樣器電容被布置為使得當所述采樣裝置正獲取樣本并且所述外部電容存在于所述采樣端子處時，所述外部電容上存儲的電荷被準許經(jīng)由所述采樣器電阻轉移到所述采樣器電容。
5.如權利要求4所述的集成電路，被配置為使得在獲取所述多個樣本中的連續(xù)樣本之間，所述采樣器電容通過所述采樣電路內的寄生電流和/或漏電流而被動地至少部分地被放電，和/或通過將其連接到諸如地供應源之類的給定電壓電位源而主動地至少部分地被放電。
6.如前面任一項權利要求所述的集成電路，被配置為在獲取所述多個樣本中的一樣本之后，自動地獲取所述多個樣本中的下一樣本，以使得所述樣本在突發(fā)處理中被獲取。
7.如前面任一項權利要求所述的集成電路，其中，所述控制裝置被配置為將所述多個樣本的樣本值相組合來生成采樣結果，并且依據(jù)所述采樣結果判斷所述事件是否發(fā)生。
8.如權利要求7所述的集成電路，被配置為隨著時間獲取一系列的所述采樣結果，每個采樣結果來自在所述外部電容充電或放電的對應時段中獲得的對應的所述多個樣本值， 其中，所述控制裝置被配置為依據(jù)所述一系列的采樣結果來判斷所述事件是否發(fā)生。
9.如權利要8所述的集成電路，包括濾波器，該濾波器被配置為對從所述采樣結果形成的信號進行濾波以獲得經(jīng)濾波信號。
10.如前面任一項權利要求所述的集成電路，其中，所述控制裝置可操作來基于所述采樣值和/或采樣結果以及指示錯誤狀況的對應信息來檢測所述采樣電路中的錯誤。
11.如前面任一項權利要求所述的集成電路，包括多個所述采樣端子，其中所述控制裝置可操作來使得對于每個所述采樣端子多個樣本被獲取。
12.如權利要求11所述的集成電路，其中，所述控制裝置被配置為與這些端子中的特定端子的所述第一階段同步地將其它端子連接到所述給定電壓電位源，并且與該特定端子的所述第二階段同步地將所述其它端子從所述給定電壓電位源斷開連接并且將它們連接到另一電壓電位源，所述另一電壓電位源被配置為對那些其它端子的外部電容具有與在所述特定端子的所述第一階段期間對那些其它端子的外部電容具有的影響相反的影響。
13.—種微控制器，包含如前面任一項權利要求所述的集成電路。
14.一種用于電容式觸摸感測的設備，包括如前面任一項權利要求所述的集成電路或微控制器；以及電容，所述電容連接到所述采樣端子作為所述外部電容并且被配置為可由所述裝置的用戶觸摸。
15.一種在集成電路上運行的計算機程序，所述集成電路包括用于將所述集成電路連接到外部電容的采樣端子以及可操作地連接到所述端子以獲取各自具有樣本值的樣本的采樣裝置，當所述外部電容被連接到所述采樣端子時，所述計算機程序使得所述集成電路在內部將所述采樣端子或者所述集成電路中也與所述外部電容相連的另一端子連接到給定電壓電位源以實現(xiàn)存儲在所述外部電容上的電荷的改變，所述給定電壓電位源在所述集成電路被使用時在所述集成電路中可用；使得所述采樣裝置在所述外部電容跟隨所述電荷的改變和/或在所述電荷的改變期間充電或放電的時段中獲取多個樣本；以及依據(jù)所述多個樣本來判斷事件是否發(fā)生。
全文摘要
本發(fā)明公開了采樣電路。一種集成電路包括采樣端子，用于將集成電路連接到外部電容；采樣裝置，可操作地被連接到該端子以獲取樣本，每個樣本具有樣本值；以及控制裝置，在外部電容被連接到采樣端子時，控制裝置被配置為在內部將采樣端子或者集成電路中也與外部電容相連的另一端子連接到給定電壓電位源以實現(xiàn)存儲在外部電容上的電荷的改變，給定電壓電位源在集成電路被使用時在集成電路中可用；使得采樣裝置在外部電容跟隨電荷的改變和/或在電荷的改變期間充電或放電的時段中獲取多個樣本；以及依據(jù)多個樣本來判斷事件是否發(fā)生。
文檔編號G01D5/24GK102564474SQ20111042414
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權日2010年12月8日
發(fā)明者克里斯坦·哈德斯, 少云·程, 德里克·費希爾, 沃爾夫·弗洛納爾, 馬卡斯·沃格特 申請人:富士通半導體股份有限公司