專利名稱：造價降低了的指點棒電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利申請與Joseph D.Rutledge和Edwin J.Selker于1994年11月17日申請的題為“綜合選擇式的圖形指示器”的美國專利申請08/340,935有關，這里也把該專利申請包括進來以供參考。
本發(fā)明總的說來涉及那種控制光標在顯示屏上的位置的計算機用戶接口，更具體地說，涉及造價降低了的一種用以根據(jù)供控制光標在顯示屏上的位置和選擇顯示屏上顯示內(nèi)容的指點棒的模擬應變儀信號產(chǎn)生數(shù)字信號的電路。
指點棒用來例如完成美國國際商業(yè)機器公司出品的ThinkPadTM型膝上計算機中TrackPointTM型光標控制器的任務。這種指點棒的懸臂梁上裝有四個應變儀供檢測懸臂梁在三軸線上各自的彎度。來自各應變儀的模擬信號由模/數(shù)(A/D)轉換器轉換成數(shù)字X和Y的信號。這些信號經(jīng)進一步處理后產(chǎn)生最終控制信號，用以控制光標在顯示屏上的位置。
指點棒的這種顯示光標位置的方式有一些缺點。首先，電壓值的低位是由硬件模/數(shù)(A/D)轉換器讀取的，這種轉換器貴。其次，電阻和運算放大器使三軸線發(fā)揮作用所要求的結構相互影響以致要求起碼其中一個運算放大器為“儀器”級的，這在價線方面大致增加兩倍或三倍。此外，運算放大器還要求是線性的，輸出范圍(干線間)大的，從而使價格提高。
讓我們看看由兩個大致平衡的應變儀在懸臂梁兩端串聯(lián)跨接電壓源兩端而構成的應變儀傳感器的結構。兩應變儀接合處的電壓表示兩應變儀(相對于電源電壓)的相對電阻，因而表示懸臂梁在應變儀連接方向的彎度。若給兩應變儀串聯(lián)一個附加的固定電阻，則該電阻兩端的電壓表示兩應變儀的總電阻，因而表示懸臂梁的伸縮程度。在電源電壓變化率不大的情況下，上述變化測定值的精確度為105級的一小部分。這里要求250倍精確度的動態(tài)范圍，而這個范圍的位置只能在制造時預測到若干百分率的程度。成本是我們考慮的主要問題，即使一美元的差價也可決定競爭的勝負。
因此本發(fā)明的目的是提供用以處理供控制計算機顯示屏上光標的指點棒的輸出信號經(jīng)改進且造價降低了的一種指點棒電路。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用以處理產(chǎn)生的信號可用以選擇顯示在顯示屏的顯示內(nèi)容的指點棒的輸出信號的指點棒電路。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種采取了在危急期間使自身與電壓源隔離的措施從而使測量過程在快速時標下不受電源電壓影響的指點棒電路。
本發(fā)明是將高精確度中等范圍模/數(shù)轉換的兩步法與周知的模/數(shù)轉換法結合起來的，具體作法是按已知頻率在待測電壓的范圍掃描基準電壓，并記錄下重合的時間。在開環(huán)狀態(tài)下采用中等質量的運算放大器，使運算放大器的各輸入端阻抗高，避免與現(xiàn)行三軸線的作用相互影響和與該三軸線作用有關的造價問題。為充分隔絕電源的噪聲和變化，在測量過程中將模擬線路與電源電壓隔離開來。為避免微處理機數(shù)字交換過渡過程影響模擬比較器轉換時間，令微處理機處于空閑狀態(tài)，從而從所有微處理機除正在用以進行測量的計時器外的內(nèi)部線路消除了內(nèi)部時鐘驅動信號(和有關的過渡過程)。得出的線路能檢測出噪聲尖峰大多倍的極小信號。
下面參看附圖詳細說明本發(fā)明的最佳實施例，從這個說明可以更好地理解本發(fā)明的上述和其它目的、狀態(tài)和優(yōu)點。附圖中

圖1是本發(fā)明最佳實施例的原理圖；圖2是說明圖1電路工作情況的時序圖。
現(xiàn)在參看附圖，特別是圖1，圖中示出了本發(fā)明電路的最佳實施例。此實施例采用菲利浦新公司制造的83C754集成電路(IC)芯片，其有關線路示于濃的豎線10的右側。控制信號ACn表示微處理機的一個寄存器中相應的二進制位，因而控制信號ACn對IC芯片來說是內(nèi)部信號。83C754芯片有一個數(shù)/模轉換器(DAC)，在原理圖上用抽頭電阻(例如電位計)來表示，其作用是提供正比于其取決于抽頭位置的輸入電壓VREG的輸出電壓。抽頭的位置由微處理機的一個專利寄存器的值確定。
先看看本發(fā)明電路芯片外的各元件。應變儀11，12，13，14裝在指點棒的懸臂梁(圖中未示出)上，按雙并聯(lián)半橋電路連接。X和Y輸入信號由分別由應變儀11和12和應變儀13和14組成的分配器產(chǎn)生。在產(chǎn)生這些信號時，場效應晶體管(FET)15接通(導通)，從而使應變儀11和13與VREG連接。因此，電壓X和Y接近VREG/2，其實際值首先取決于應變儀11和12的“靜止”電阻與應變儀13和14相應的“靜止”電阻之間的配套情況，其次取決于應變儀11和12分別與應變儀13和14之間由于傳感器懸臂梁的彎曲而產(chǎn)生的局部變化。有用的信號僅僅是這最后一種組成部分，其在所要求的分辨力約為30微伏下的變化約為±3毫伏。懸臂梁簡單的伸縮過程分別影響著應變儀11和12以及應變儀13和14，影響程度相同，因而X信號和Y信號都沒有變化。
Z信號是在FET15斷開的情況下產(chǎn)生的，因而傳感器通過電阻器16與VREG連接。信號由一個以電阻器16作為頂部元件和四個應變儀串并聯(lián)連接作為底部元件組成的分壓器產(chǎn)生。懸臂梁簡單的壓縮使所有四個應變儀等幅度壓縮，從而使這些應變儀串并聯(lián)結構的電阻表示壓縮的程度。當然，電阻器16在匹配上沒有什么變化，所以這是個“單端”分壓器。Z信號與X和Y信號在大小上的關系取決于傳感器懸臂梁的幾何條件和材質。
三個輸入信號X，Y和Z輸入到相應的運算放大器17，18和19，這些放大器的輸出依次經(jīng)過測定。在測定X和Y的同時，F(xiàn)ET15接通，因而XYDACBIAS＝VREG，從而使電阻器16短路。此外，由AC6控制的開關20打開(ZDAC斷開)，于是FET21接通，從而使XYSOURCE接VREG，控制著XYRAMP的斜率。
X和Y信號分別都有相應的比較電壓通過下列三個電壓的結合產(chǎn)生基極電壓，83C754芯片上數(shù)/模轉換器(DAC)的輸出電壓和XYZRAMP?；鶚O電壓大致為VREG/2，是指點棒的額定電壓，是由電阻器22和23組成的分壓器產(chǎn)生的。電壓XYDAC為芯片上DAC的輸出，其設定值在接通電源校準時確定的。DAC的輸出在0～VREG的范圍內(nèi)變化，經(jīng)電阻器24按比例縮小，以便可以將比較電壓設定在X和Y傳感器輸出電壓預期范圍內(nèi)的某值。該范圍按不同元件的容差確定，可能為±3％或±60毫伏。DAC是用迭代搜索算法設定的，因而信號電壓大致處在抽樣掃描的中央。電壓XYZRAMP在FET25斷開時從零往上掃描。FET25接通時，XYZRAMP保持在地電位，但斷開時，電容器26開始有電荷積累，使電壓趨近VRAG升高。該電壓經(jīng)電阻器27按比例減小以便在大約60微秒的抽樣時間內(nèi)在大約6毫伏有用信號范圍內(nèi)掃描比較電壓。
83C754芯片上的模擬多路轉換器(MUX)28設定得可以將運算放大器對應于測定中的信號(例如X)的輸出傳送給芯片上的比較器29。于是FET25斷開，計時器也起動起來。比較電壓在遍及指點棒輸出的有效范圍內(nèi)變化，而在通過指點棒電壓時，X運算放大器17導通，產(chǎn)生急劇上升的電壓。此電壓經(jīng)過MUX28加到比較器29上，比較器29在放大器的輸出經(jīng)過BANDGAP REF時截止時間，并使計時器停下來。從計時器的讀數(shù)可以求出所需要的指點棒電壓測定值。
Z的測定過程類似，只是FET15斷開，因而電阻器16和整個傳感器橋作為一個電阻以形成分壓器，開關20閉合，因而電阻器35與電阻器24并聯(lián)以將DAC的輸出傳送給比較電壓，同時FET21斷開，從而使接線端鈕通過電阻器30得電，以便適應Z信號的不同特性。
為充分隔絕電源噪聲和變化，模擬線路在測量進行過程中與VCC隔離。這時FET31斷開，F(xiàn)ET32接通，于是電容器33供電。在每次測量之前，F(xiàn)ET32斷開，F(xiàn)ET31由比較器34控制，根據(jù)BANK GAPREF且與VCC無關地將電容器33充電到略低于容許的最低電壓VCC(額定電壓為5伏的線路為4.5伏)。在測量過程中，F(xiàn)ET31的電壓(VREG)因電路中的功率損耗而衰減。在各抽樣時間之間，F(xiàn)ET31和32都斷開，因而電容器33只因其內(nèi)部漏泄而丟失電荷。丟失量一般極小。為避免微處理機的數(shù)字交換過渡過程影響模擬比較器的轉接時間，使微處理機處于空閑狀態(tài)，從而從微處理機的內(nèi)部線路(用以進行測量的計時器例外)除去其內(nèi)部時鐘驅動信號(及其有關的過渡過程)。這個隔離措施使電路可以在5伏處理器電源高達1伏的噪聲和任何頻率下穩(wěn)定而精確地測定30微伏的輸入信號。
較便宜的電阻器，其容限是相當接近任何要求的測量精確度的。容限要求嚴的電容器較貴。具體地說，電容器33尤其是電容器26的電容值影響測量的精確度。這里可以利用DAC的線性化來進行校正，這樣就可以采用便宜的電容器。在接通電源進行校正時，可以求出使信號測定值大致在量程中間部分的DAC設定值。各DAC設定的步驟數(shù)應與測量時裝置的一定數(shù)量相當，例如在200的范圍內(nèi)為10，且與各電容器的電容值無關。若DAC的設定步驟數(shù)改了，則測定值也應按相應量改變。任何偏差可用作應用到以后的測量過程的校正系數(shù)。
這種電路完全不受電源在整個±10％范圍內(nèi)變化的影響。各輸入端和比較電壓傳送30微伏電平的信號，因而易受噪聲的影響，但兩者的阻抗都較低，對鄰近電路引起的干擾的抵抗力也較低。其它網(wǎng)絡的靈敏度要低大約30倍或以上。當然應避免AVss中到處產(chǎn)生偏差的外來接地電流。特別是從傳感器返回的接地應靠近電阻器23的接地端。
圖2的時序圖舉例說明了圖1電路的工作情況。下表中說明了圖2底部用帶圈的編號表示的各時序點。時序點 工作內(nèi)容1 轉換周期開始2 因工作電流的穩(wěn)定化和電容的再充電而延時3 選擇XMUX，使DAC的輸出為零4 因調(diào)整MUX和DAC而延時5 將電源與VCC隔離開來6 設定XDAC值7 解除斜波電容器，起動計時器，使微處理機閑置8 比較器斷開，停用計時器，開動微處理機9 短接斜波電容器，使去耦電容器再充電10 選擇YMUX，使DAC輸出為零11 因調(diào)整MUX和DAC而延時12 將電源與VCC隔離開來13 設定YDAC的值14 解除斜坡電容器，起動計時器，使微處理機閑置15 比較器斷開，停用計時器，開動微處理機16 短接斜波電容器，使去耦電容再充電17 改變斜波偏壓，改變傳感器偏壓18 選擇ZMUX，使DAC輸出為零19 因調(diào)整MUX和DAC而延時20 將電源與VCC隔離開來21 設定ZDAC值22 解除斜波電容器，起動計時器，閑置微處理機23 比較器斷開，停用計時器，開動微處理機24 短接斜波電容器，使去耦電容再充電25 使去耦電容浮動26 轉換周期結束上面已就本發(fā)明的一個最佳實施例說明本發(fā)明的內(nèi)容，但本技術領域的行家們都知道，在不脫離本發(fā)明在本發(fā)明書所附權利要求書中所述的精神實質和范圍的前提下，是可以對上述實施例進行修改的。
權利要求
1.一種兩電阻比精確測定電路，其特征在于，它包括基準電壓發(fā)生裝置，用以產(chǎn)生接近連接成分壓器的兩電阻根據(jù)同一基準源所產(chǎn)生的電壓的基準電壓；電壓斜波加入裝置，用以將斜率已知也基于同一基準源產(chǎn)生的電壓斜波加到基準電壓上；比較裝置，用以高度精確地辨認基準電壓與電壓斜波之間的一致性；和計時裝置，用以對所述一致性的出現(xiàn)進行計時，從而測定電壓的變化，進而測出電阻比。
2.如權利要求1所述的兩電阻比精確測定電路，其特征在于，對若干對互連的在所述比較裝置前還配置有多路轉換裝置的電阻進行測定，從而可以在預定的時間內(nèi)測定多對互連的電阻。
3.如權利要求1所述的兩電阻比精確測定電路，其特征在于，它還包括電路隔離裝置，用以將電路在測量期間與電源電壓隔離開來，從而使測量過程不受電源電壓變化的影響。
4.如權利要求3所述的兩電阻比精確測定電路，其特征在于，所述隔離裝置有一個按電路中元件的實際性能調(diào)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)裝置，從而使電路在長時標下不受電源電壓變化的影響。
5.一種兩電阻比的精確測定方法，其特征在于，它包括下列步驟產(chǎn)生接近連接成分壓器的兩電阻根據(jù)同一基準源所產(chǎn)生的電壓的基準電壓。將斜率已知也基于同一基準源產(chǎn)生的電壓斜波加到基準電壓上；高度精確地檢測基準電壓與電壓斜波之間的一致性；對所述一致性的出現(xiàn)進行計時，從而測定電壓的變化，進而測出電阻比，這樣就可以同時測定多對互連的電阻。
6.如權利要求5所述的兩電阻比的精確測定方法，其特征在于，測定是對多個互連的電阻對進行的，它還包括這樣的步驟對各對電阻都分別檢測基準電壓與電壓斜波之間的一致性，從而可以在預定的時間內(nèi)測定多對互連的電阻。
7.如權利要求5所述的兩電阻比的精確測定方法，其特征在于，它還包括在測量過程中將電路與電源電壓隔離起來的步驟，使測量過程不受電源電壓變化的影響。
8.一種用以產(chǎn)生供控制圖形顯示器上光標的光標控制信號的電路，其特征在于，它包括一個傳感器，具有第一、第二、第三和第四應變儀裝設在一個懸臂梁上，在電氣上連接成兩并聯(lián)的半橋電路，連接在電壓源與電路接地點之間；一個分壓器，連接在所述基準電壓源與電路接地點之間；第一和第二運算放大器，分別接所述半橋電路相應的中點，且共同接于所述分壓器的一個抽頭；一個阻容斜波電路，連接在所述電壓源與電路接地點之間，給所述分壓器的所述抽頭提供斜率已知的斜波電壓，使所述第一和第二運算放大器導通，并產(chǎn)生對應于所述傳感器輸出的各上升的X和Y的輸出信號；一個開關，連接于所述阻容斜波電路，先是使所述斜波電路放電，再使充電周期開始，以產(chǎn)生所述斜波電壓；一個多路轉換器，用以接收和有選擇地讓來自第一和第二運算放大器的上升X和Y輸出信號通過；一個比較器，連接于多路轉換器，在多路轉換器讓通過的電壓等于預定的臨界值時產(chǎn)生輸出；一個計時器，控制得使其在開始有斜波電壓時啟動，在所述比較器產(chǎn)生輸出時停下來，計時器給光標控制線路提供其中一個所述X和Y的電壓輸出相應的讀數(shù)。
9.如權利要求8所述的用以產(chǎn)生供控制圖形顯示器上光標的光標控制信號的電路，其特征在于，它還包括第三運算放大器電路，連接于所述并聯(lián)半橋電路和所述分壓器的一個抽頭，所述阻容斜波電路給所述分壓器的的所述抽頭提供斜波電壓，所述第三運算放大器接通并產(chǎn)生所述傳感器的第三輸出相應的Z輸出信號；和偏壓裝置，連接于所述阻容斜波電路和所述傳感器供在測定所述Z輸出信號的過程中改變斜波偏壓和傳感器偏壓，所述多路轉換器連接得使其接收和有選擇地將第三運算放大器來的Z輸出信號傳到所述比較器，計時器則提供所述Z電壓輸出的讀數(shù)。
10.如權利要求8所述的用以產(chǎn)生供控制圖形顯示器上光標的光標控制信號的電路，其特征在于，它還包括一個存儲電容器交替地與電壓源和所述電路連接，在所述電路與電源電壓隔絕時給所述電路供電。
11.如權利要求10所述的用以產(chǎn)生供控制圖形顯示器上光標的光標控制信號的電路，其特征在于，它還包括根據(jù)各元件的帶隙性能調(diào)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)裝置，使測量過程不受電源電壓變動的影響。
全文摘要
用一種成本低的電路高度精確地處理供控制計算機顯示屏用的指點棒的輸出信號。本發(fā)明是將高精確度中等范圍模/數(shù)轉換的兩步法與周知的模/數(shù)轉換法結合起來的，具體作法是按已知頻率在待測電壓的范圍掃功基準電壓，并記錄下重合的時間。在開環(huán)狀態(tài)下采用中等質量的運算放大器，使運算放大器的各輸入端阻抗高。為充分隔絕電源的噪聲和變化，在測量過程中將模擬線路與電源電壓隔離開來。
文檔編號G06F3/033GK1167940SQ97104548
公開日1997年12月17日 申請日期1997年3月17日 優(yōu)先權日1996年3月28日
發(fā)明者小·R·S·奧利哈, J·D·拉特利奇 申請人:國際商業(yè)機器公司