KR101430402B1 - Measuring method for measuring capacitance and capacitive touch switch using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소정의 듀레이션을 갖는 신호의 펄스폭을 측정하는 방법 및 이를 응용하는 전자 기기에 관한 것으로서, 본 발명에서는 링오실레이터를 이용하여 시스템 클럭을 일정한 시간만큼 지연시킨 복수 개 세부 클럭을 생성하고, 복수 개 세부 클럭의 상승 에지를 이용하여 펄스폭을 정밀하게 측정하는 방법 및 이를 응용하는 정전 용량 센서가 제시된다.The present invention relates to a method of measuring a pulse width of a signal having a predetermined duration and an electronic apparatus to which the method is applied. In the present invention, a plurality of detailed clocks are generated by delaying a system clock by a predetermined time using a ring oscillator, A method of precisely measuring the pulse width by using rising edges of a plurality of detailed clocks and a capacitance sensor using the method are disclosed.
Description
본 발명은 정전 용량 측정방법 및 이를 이용한 정전 터치 스위치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 링오실레이터를 이용하여 측정 정확도를 향상시키는 정전 용량 측정 방법 및 이를 이용한 정전 터치 스위치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
종래 전자기기에 널리 사용되던 기계식 버튼 스위치(mechanical button switch)는 정전용량 방식의 정전 터치 스위치(capacitive touch switch)로 대체되고 있다. 정전 터치 스위치는 기계식 버튼 스위치에 비하여 부피를 적게 차지하고 우수한 터치감을 제공하기 때문에 MP3 플레이어, 모바일 폰, TV, 컴퓨터 램프, 벽 스위치 등의 전자제품 또는 건축 부재로서 광범위하게 사용되고 있다. BACKGROUND ART A mechanical button switch widely used in electronic devices has been replaced by a capacitive touch switch. Since the electrostatic touch switch occupies less volume than the mechanical button switch and provides an excellent touch feeling, it is widely used as an electronic product or building member such as an MP3 player, a mobile phone, a TV, a computer lamp, a wall switch, and the like.
정전 터치 스위치는 내부에 전극(electrode)을 구비하고, 사용자가 손가락으로 정전 터치 스위치를 터치하면 손가락과 전극 사이의 정전 용량을 측정하여 정전 터치 스위치가 눌러졌는지 여부를 판단한다. 정전 터치 스위치에서 정전 용량을 측정하는 효율적이면서 단순한 방법은 캐패시터가 충전되는 동안 양 전극 사이의 전압이 어느 정해진 값 이상으로 되는데 까지 소요되는 상승 시간을 측정하는 방식이다. 정전 용량의 상승 시간은 정전 용량이 크기에 비례하므로 이를 정확하게 측정하는 것은 정전 터치 스위치의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.The electrostatic touch switch has an electrode therein. When the user touches the electrostatic touch switch with his or her finger, the electrostatic capacity between the finger and the electrode is measured to determine whether or not the electrostatic touch switch is pressed. An efficient and simple method of measuring the capacitance of an electrostatic touch switch is to measure the rise time required until the voltage between the electrodes becomes equal to or greater than a predetermined value while the capacitor is being charged. Since the rise time of the capacitance is proportional to the magnitude of the capacitance, accurate measurement of the capacitance can improve the performance of the touch switch.
이러한 상승 시간을 측정하는 방법으로 칩에서 사용하는 시스템 클럭을 사용하여 디지털 카운터로 상승 시간을 측정하는 방식이 있다. 그러나 정전 터치 스위치는 MCU(MicroController Unit)를 기반으로 만들게 되는데 저전력 특성을 유지하기 위해 MCU의 시스템 클럭을 높이기는 어렵다. 따라서 시스템 클럭을 향상시켜 상승 시간을 디지털 카운터로 측정하는 데에는 많은 어려움이 있다.As a method of measuring the rise time, there is a method of measuring the rise time with a digital counter using the system clock used in the chip. However, since the electrostatic touch switch is based on a microcontroller unit (MCU), it is difficult to increase the system clock of the MCU in order to maintain low power characteristics. Therefore, there are many difficulties in improving the system clock and measuring rise time as a digital counter.
상승 시간 또는 충방전 시간을 측정하는 것은 임의의 펄스(pulse)의 폭(width)의 듀레이션을 측정하는 것이다. 펄스폭(pulse width)을 측정하는 방법에 대해서는 많은 연구가 이루어졌다. 일반적인 방법은 해당 펄스를 적분한 후 그 전압을 ADC(아날로그/디지털 변환기)를 이용해 디지털 값으로 구하는 것이다. 그러나 MCU에 장착된 정전 터치 스위치에 적용하기 위해서는 적분기, ADC와 같은 아날로그 회로를 포함하는 것은 저가의 MCU에 적용되기에는 무리가 있었다.Measuring the rise time or charge / discharge time measures the duration of the width of any pulse. Much research has been done on how to measure the pulse width. A common method is to integrate the pulse and then obtain its digital value using an ADC (analog-to-digital converter). However, in order to apply to an electrostatic touch switch mounted on an MCU, it is difficult to apply an analog circuit such as an integrator and an ADC to a low-cost MCU.
한편으로 중성자에 의해 야기되는 노이즈 펄스 측정, 반도체 집적 회로에서 알파 입자의 측정, 및 듀티 사이클 교정 회로에서 펄스폭 감지기 등의 여러 분야에서도 펄스폭을 측정하기 위한 여러 가지 방식이 제시되어 있다. 하지만 이러한 분야에서 측정하는 펄스폭은 피코 초(picosecond) 또는 나노 초(nanosecond)를 대상으로 하는 정밀한 측정을 위한 것이므로 마이크로 초 단위의 측정을 요구하는 정전 스위치 분야에 적용하기에는 해당 방식이 너무 복잡하고 고가이어서 적용할 수 없는 문제점이 있었다.
On the one hand, there are various methods for measuring pulse width in various fields such as measuring noise pulses caused by neutrons, measuring alpha particles in semiconductor integrated circuits, and pulse width detectors in duty cycle calibration circuits. However, since pulse widths measured in these fields are for precise measurement of picosecond or nanosecond, the method is too complicated to apply to electrostatic switch applications requiring microsecond measurement, There is a problem in that it can not be applied subsequently.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 수 마이크로 초 영역의 범위를 갖는 클럭을 사용하는 정전 터치 스위치를 포함하는 전자기기에서 하드웨어 오버헤드를 최소화하면서 측정 정밀도를 높일 수 있는 정전 용량 측정 방법 및 이를 이용한 정전 터치 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems and it is an object of the present invention to provide a capacitance measurement method capable of increasing measurement accuracy while minimizing hardware overhead in an electronic device including an electrostatic touch switch using a clock having a range of several microseconds And an electrostatic touch switch using the same.
본 발명의 상기 목적은 소정의 듀레이션을 갖는 신호의 펄스폭을 측정하는 방법으로서, 시스템 클럭을 사용하여 상기 펄스폭을 카운터하는 제 1단계와, 시스템 클럭을 입력으로 하고, 복수 개 인버터로 구성되는 링오실레이터를 이용하여 상기 시스템 클럭을 일정한 시간만큼 지연시킨 복수 개 세부 클럭을 생성하고, 복수 개 세부 클럭의 상승 에지로 구성되는 멀티 위상 클럭 에지를 생성하는 제 2단계와, 멀티 위상 클럭 에지를 이용하여 상기 펄스폭의 종료 지점을 카운터하는 제 3단계 및, 제 1단계와 상기 제 3단계에 의해 구해진 카운터 결과를 이용하여 상기 신호의 펄스폭을 측정하는 펄스폭 측정 방법에 의해 달성 가능하다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of measuring a pulse width of a signal having a predetermined duration, the method comprising: a first step of counting the pulse width using a system clock; A second step of generating a plurality of detailed clocks by delaying the system clock by a predetermined time using a ring oscillator and generating a multi-phase clock edge composed of rising edges of a plurality of detailed clocks, A third step of counting an end point of the pulse width, and a pulse width measuring method of measuring a pulse width of the signal using the counter result obtained by the first step and the third step.
본 발명의 또 다른 목적은 정전 용량을 저장하는 캐패시터와, 상기 캐패시터에 저장된 정전용량을 소정의 비교값(VTH)과 비교하는 비교기를 구비하는 정전 용량 센서에 있어서, 복수 개 인버터로 구성되며, 입력되는 시스템 클럭을 일정한 시간만큼 지연시켜 복수 개 세부 클럭을 생성하고, 상기 복수 개 세부 클럭의 상승 에지로 구성되는 멀티 위상 클럭 에지를 생성하는 링오실레이터와, 시스템 클럭을 이용하여 상기 비교기의 출력값이 변화되는 시점을 카운터하고, 상기 멀티 위상 클럭 에지를 이용하여 상기 비교기의 출력값이 변화되는 시점을 카운터하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서에 의해 달성 가능하다.
It is still another object of the present invention to provide a capacitance sensor comprising a capacitor for storing a capacitance and a comparator for comparing a capacitance stored in the capacitor with a predetermined comparison value V TH , A ring oscillator for generating a plurality of detailed clocks by delaying an input system clock by a predetermined time and generating a multi-phase clock edge composed of rising edges of the plurality of detailed clocks; And a counter for counting a point in time at which the output of the comparator is changed using the multi-phase clock edge.
본 발명에서는 링카운터에서 생성할 수 있는 멀티 위상 클럭 에지를 이용하여 펄스폭을 측정할 수 있는 방법을 제안하였으며 정전 터치 스위치를 MCU의 메인 시스템 클럭을 높이지 않고도 본 발명에 제시된 방법을 사용할 경우 기존 클럭의 10배에 해당되는 펄스폭(pulse width)을 정밀하게 측정할 수 있게 되었다. 본 발명의 측정 원리를 정전 터치 스위치에 적용하면 종래 방법에 비해 3배 좋은 해상도를 보여 0.3[pF]의 해상도를 구할 수 있었다.
In the present invention, a method of measuring a pulse width using a multi-phase clock edge that can be generated by a ring counter is proposed. When the electrostatic touch switch is used without increasing the main system clock of the MCU, The pulse width corresponding to 10 times of the clock can be precisely measured. When the measurement principle of the present invention is applied to the electrostatic touch switch, a resolution of 0.3 [pF] can be obtained with a resolution three times better than that of the conventional method.
도 1은 홀수개 인버터로 이루어진 링카운터 및 해당 타이밍도.
도 2는 도 1에 도시된 링카운터를 변형한 회로로서, 링카운터를 구성하는 각 인버터의 출력단에 인버터와 버퍼를 하나씩 부가한 회로도 및 해당 회로의 타이밍도.
도 3은 시스템 내부 클럭을 이용하여 신호 A의 펄스폭을 측정하는 종래 기술과 링카운터를 이용한 본 발명에 따른 신호 A의 펄스폭을 측정을 설명하는 타이밍도.
도 4는 시스템 클럭을 이용하여 RC 측정 회로의 펄스폭을 측정하는 종래 방법을 설명하기 위한 회로도 및 타이밍도.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 RC 회로 펄스폭을 측정하는 방법을 설명하기 위한 회로도 및 타이밍도.
도 6은 도 5에 제시된 회로도에 대한 타이밍도.
도 7은 본 발명에 따른 펄스폭 측정 방법을 적용한 정전 터치 스위치의 회로도.1 is a ring counter comprising an odd number of inverters and corresponding timing diagram.
Fig. 2 is a circuit diagram of the ring counter shown in Fig. 1, in which one inverter and one buffer are added to the output terminals of the inverters constituting the ring counter, and the timing diagram of the corresponding circuit.
3 is a timing chart for explaining a conventional technique for measuring the pulse width of the signal A using the system internal clock and a pulse width measurement of the signal A according to the present invention using the ring counter.
4 is a circuit diagram and timing diagram for explaining a conventional method of measuring the pulse width of an RC measurement circuit using a system clock;
5 is a circuit diagram and a timing chart for explaining a method of measuring an RC circuit pulse width in an embodiment according to the present invention.
Figure 6 is a timing diagram for the circuit diagram shown in Figure 5;
7 is a circuit diagram of an electrostatic touch switch to which a pulse width measuring method according to the present invention is applied.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
In the following, preferred embodiments, advantages and features of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1. 기본 원리1. Basic principles
본 발명에서 적용하는 기본 원리는 내부 클럭을 링카운터(ring oscillator)로부터 생성되는 다중 위상 클럭 신호(multiphase clock signal)를 사용하여 펄스폭을 정밀하게 측정하는 것이다. 도 1은 홀수개 인버터로 이루어진 링카운터 및 해당 타이밍도를 도시한 것이다. 도 1(a)은 5개의 인버터를 이용하여 링카운터를 형성한 회로도이며, 도 1(b)는 링카운터를 구성하는 각각의 인버터 출력단(Node A, B, C, D, E)의 타이밍도이다. 도 1(b)에 도시된 바와 같이 각각의 인버터 출력단(Node A, B, C, D, E)에서는 일정한 간격(delay)을 유지하면서 상승 에지 및 하강 에지를 갖는 복수 개 세부 클럭이 형성됨을 알 수 있다.The basic principle used in the present invention is to precisely measure the pulse width using a multiphase clock signal generated from a ring oscillator. 1 shows a ring counter made up of an odd number of inverters and corresponding timing diagrams. 1B is a timing chart of each of the inverter output terminals (Node A, B, C, D, E) constituting the ring counter. Fig. to be. As shown in FIG. 1 (b), each of the inverter output nodes Node A, B, C, D, and E has a plurality of detailed clocks having rising and falling edges while maintaining a predetermined delay. .
도 2는 도 1에 도시된 링카운터를 변형한 회로로서, 링카운터를 구성하는 각 인버터의 출력단에 인버터와 버퍼를 하나씩 부가한 회로도 및 해당 회로의 타이밍도이다. 도 2에 제시된 링카운터를 이용하면 하나의 클럭 사이클 안에 동일한 주파수를 가지면서 서로 상이한 위상을 갖는 10개의 상승 에지를 생성할 수 있다. 이러한 10개의 상승 신호를 이용하여 펄스폭을 보다 정확하게 측정할 수 있다. 도 2(b)의 맨 마지막 화살표는 링카운터를 구성하는 각각의 인버터 출력단에 구비된 인버터와 버퍼에서 나타나는 해당 클럭의 상승 에지를 도시한 것이다. 본 발명에서 제안된 방법은 링카운터에서 생성되는 열 개의 세부 클럭을 이용하여 상승 시간(펄스폭)을 측정하는 것이다. 도 1 및 도 2에서는 5개의 인버터로 구성되는 링카운터를 제안하였으나, 링카운터를 구성하는 인버터의 개수는 세 개 이상의 임의의 홀수 개로 형성할 수 있다.
Fig. 2 is a circuit diagram of a ring counter shown in Fig. 1, in which one inverter and one buffer are added to the output terminals of the inverters constituting the ring counter, and a timing chart of the corresponding circuit. Using the ring counter shown in FIG. 2, it is possible to generate 10 rising edges having the same frequency and different phases in one clock cycle. These 10 rising signals can be used to more accurately measure the pulse width. The last arrow in FIG. 2 (b) shows the rising edge of the corresponding clock in the inverter and buffer provided in each inverter output stage constituting the ring counter. The method proposed in the present invention measures rise time (pulse width) using ten detailed clocks generated in the ring counter. 1 and 2, a ring counter composed of five inverters has been proposed. However, the number of inverters constituting the ring counter can be set to three or more arbitrary odd number.
2. 다중 위상 클럭 신호를 이용한 상승 시간(펄스폭) 측정2. Rise time (pulse width) measurement using a multiphase clock signal
2-1. 기본 개념2-1. Basic concept
도 3은 시스템 내부 클럭을 이용하여 신호 A(signal A)의 펄스폭을 측정하는 종래 기술과 링카운터를 이용한 본 발명에 따른 신호 A의 펄스폭을 측정을 설명하는 타이밍도이다. 도 3(a)는 측정하고자 하는 신호 A의 실질적인 펄스폭(3.505 사이클)을 나타낸 것이고, (b) 및 (c)는 종래 펄스폭 측정 방법을 도시한 것으로서 (b)는 클럭(CLK)을 도시한 것이고, (c)는 클럭(CLK)을 이용한 종래 측정값을 도시한 것이다. 도 3(b)에 도시된 클럭(CLK)을 이용하여 신호 A의 펄스폭을 측정하면 3 사이클로 측정됨을 알 수 있다. 도 3(d) 및 (e)는 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 점선으로 구성된 사각형 내부를 확대 도시한 것으로서 본 발명에 따른 다중 위상 클럭 신호를 적용한 경우 펄스폭 측정값을 도시한 것이다. 본 발명에서는 하나의 클럭(CLK) 사이클을 링카운터를 이용하여 10개의 상승 에지(rising edge)로 형성할 수 있으므로 도 3(f)에 도시된 바와 같이 3.5 사이클로 측정되므로 종래 기술에 비해 정밀한 측정이 가능함을 알 수 있다.
3 is a timing chart for explaining measurement of the pulse width of the signal A according to the present invention using a ring counter and a conventional technique for measuring the pulse width of the signal A (signal A) using the system internal clock. 3 (a) shows a practical pulse width (3.505 cycles) of a signal A to be measured, (b) and (c) show a conventional pulse width measuring method, (C) shows a conventional measured value using the clock (CLK). It can be seen that when the pulse width of the signal A is measured using the clock CLK shown in FIG. 3 (b), it is measured in three cycles. FIGS. 3 (d) and 3 (e) are enlarged views of the inside of a quadrangle formed by the dotted lines shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). In the case of applying the multiphase clock signal according to the present invention, Respectively. In the present invention, since one clock (CLK) cycle can be formed by 10 rising edges using a ring counter, it is measured in 3.5 cycles as shown in FIG. 3 (f) It is possible to know.
2-2. 종래 RC 딜레이(delay) 측정 회로2-2. Conventional RC delay measurement circuit
RC 측정회로의 상승 시간을 측정하는 종래 방법은 여러 가지가 있으나 그 중 가장 널리 사용하는 방법이 시스템 클럭을 이용하여 해당 펄스폭을 측정하는 것이다. 도 4는 시스템 클럭을 이용하여 RC 측정 회로의 펄스폭을 측정하는 종래 방법을 설명하기 위한 회로도 및 타이밍도이다. RC 상승 시간을 측정하기 위해 먼저 스위치(SW2)를 닫아 캐패시터(C)를 초기화한다. 다음으로 스위치(SW2)를 오픈시킨 상태에서 스위치(SW1)를 닫아 캐패시터를 충전하며 노드 A의 전압이 문턱 전압(VTH)에 비해 높아질 때까지 디지털 카운터를 이용하여 카운트한다. 이때 비교기(CMP)의 출력(Vout)을 플립플롭을 이용하여 샘플링하는 이유는 Vout의 값이 클럭과 같은 시점에 변경될 경우 디지털 카운터(n bit counter)가 셋업(setup) 혹은 홀드(hold) 위반(violation)을 발생시킬 수 있기 때문이다. 도 4에서 D 플립플롭의 출력의 값(Sampled Vout)이 1이 되면 디지털 카운터(n-bit counter)에는 측정하고자 하는 k 값보다 1 큰 값이 저장되고, 저장된 값에서 1을 빼면 최종 측정하고자 하는 값을 얻을 수 있다.
There are various conventional methods for measuring the rise time of the RC measurement circuit, but the most widely used method is to measure the pulse width using the system clock. 4 is a circuit diagram and a timing diagram for explaining a conventional method of measuring the pulse width of the RC measurement circuit using the system clock. To measure the RC rise time, the switch (SW2) is first closed to initialize the capacitor (C). Next, in a state in which the switch SW2 is open, the switch SW1 is closed to charge the capacitor, and the voltage is counted by using the digital counter until the voltage of the node A becomes higher than the threshold voltage VTH . The reason why the output (Vout) of the comparator (CMP) is sampled using the flip-flop is that when the value of Vout is changed at the same time as the clock, the digital counter (n bit counter) it is possible to cause violation. In FIG. 4, when the value of the output (Sampled Vout) of the D flip-flop is 1, the digital counter (n-bit counter) stores a
2-2. 본 발명에 따른 RC 딜레이(delay) 측정 회로2-2. The RC delay measurement circuit
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 RC 회로 펄스폭을 측정하는 방법을 설명하기 위한 회로도 및 타이밍도이다. RC 회로와 비교기(CMP)를 이용해 딜레이를 만드는 부분 및 디지털 카운터(n bit counter)를 이용해 클럭 단위로 측정하는 것은 종래 기술의 도 4와 동일하다. 측정 후 디지털 카운터에는 도 4에 도시된 바와 같이 1 큰 값이 들어가며 추후 보정해 주어야 한다. 본 발명에 따른 일 실시예에서는 한 개의 시스템 클럭으로부터 생성되는 10개의 상승 에지로 구성되는 멀티 위상 클럭을 이용하여 펄스폭을 카운터하는 멀티위상카운터회로(100)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 회로에서는 도 4에 제시된 종래 회로에 부가적으로 달리 9개의 플립플롭 S[9:1]과 하나의 레지스터 P[9:1]를 포함하는 멀티위상카운터회로(100)가 구비됨을 알 수 있다.5 is a circuit diagram and a timing chart for explaining a method of measuring the RC circuit pulse width in one embodiment according to the present invention. It is the same as in FIG. 4 of the prior art to measure in clock units using the RC circuit and comparator (CMP) to make the delay and the digital counter (n bit counter). After the measurement, the digital counter has one large value as shown in FIG. 4, and it has to be corrected later. In an embodiment of the present invention, a
디지털 카운터는 한 사이클 내의 상승 시간(rise time)을 측정하고, 9개의 플립플롭 S[9:1]은 멀티 위상 클럭의 상승 에지에 비교기의 출력을 샘플링하여 싱글 클럭 사이클(single clock cycle) 내에서 비교기 출력이 천이되는 지점(transition position)을 감지한다. 매 사이클마다 플립플롭 값(S[9:1])이 업데이트 되므로, 플립플롭 내의 정보가 사라지기 전에 플립플롭 값은 레지스터 P에 복사되도록 하였다.The digital counter measures the rise time in one cycle and the nine flip-flops S [9: 1] sample the output of the comparator on the rising edge of the multi-phase clock to produce a single clock cycle It senses the transition position where the comparator output transitions. Since the flip-flop value S [9: 1] is updated every cycle, the flip-flop value is copied to the register P before the information in the flip-flop disappears.
도 5에 제시된 회로도에 대한 타이밍도를 도 6에 도시하였다. 도 5의 회로도에서 STOP 신호는 디지털 카운터(n bit counter) N 및 레지스터 P[9:1]을 제어하는데 사용한다. STOP 신호가 1이 될 때까지 카운터를 증가시키고 S[9:1] 값을 레지스터 P에 저장한다. STOP 신호가 1이 된 후에는 레지스터 P[9:1] 및 카운터(N)은 값을 유지한다. 그러나, 카운터의 최종값은 실제값보다 1 만큼 큰 값이 저장되므로 1을 감소시켜 보정한다(미도시됨).A timing diagram for the circuit diagram shown in Fig. 5 is shown in Fig. In the circuit diagram of Fig. 5, the STOP signal is used to control the digital counter (n bit counter) N and the register P [9: 1]. Increment the counter until the STOP signal is 1 and store the value of S [9: 1] in register P. After the STOP signal becomes 1, the registers P [9: 1] and the counter (N) hold the value. However, since the final value of the counter is stored as a value larger by one than the actual value, it is corrected by decreasing 1 (not shown).
레지스터 P[9:1]에 저장된 최종값은 비교기의 출력값이 '0' 에서 '1'로 변할 때의 타이밍으로 결정된다. 예를 들어, 만약 도 3(f)에 도시된 바와 같이 상승 에지 Φ5과 Φ6 사이에서 비교기의 출력값이 1로 변화되면, 레지스터 P[9:1]은 바이너리 (1_1110_0000)2 값을 갖는다. 반대로, 레지스터 P[9:1]를 이용하여 비교기의 출력값이 상승하는 지점을 추정할 수도 있다. 즉, (1_1110_0000)2 값으로부터 비교기 출력값은 Φ5과 Φ6 사이에서 상승값으로 변환됨을 알 수 있고, 이는 대략 하나의 클럭 사이클의 50% 정도의 값으로 계산된다.The final value stored in register P [9: 1] is determined at the timing when the output value of the comparator changes from '0' to '1'. For example, if the output value of the comparator is changed to 1 between the rising edges? 5 and? 6 as shown in FIG. 3 (f), the register P [9: 1] has a binary (1_1110_0000) 2 value. Conversely, by using the register P [9: 1], a point at which the output value of the comparator rises can be estimated. That is, it can be seen that the comparator output value is converted to a rising value between? 5 and? 6 from the (1_1110_0000) 2 value, which is calculated to be about 50% of one clock cycle.
표 1은 레지스터 P[9:1]에 저장된 값의 의미를 보여준다. 표 1의 첫 번째 열(column)은 비교기 출력값의 상승 에지 타이밍을 표시하고, 두 번째 열은 레지스터 P[9:1]에 저장된 값을 나타낸다. 세번째 열은 한 사이클을 기준 단위로 할 경우 레지스터 P[9:1]가 의미하는 값을 %로 표시한 것이다.Table 1 shows the meaning of the values stored in register P [9: 1]. The first column of Table 1 shows the rising edge timing of the comparator output value, and the second column shows the value stored in the register P [9: 1]. The third column shows the value of the register P [9: 1] in% when it is a unit of one cycle.
3. 본 발명에 따른 펄스폭 측정 방법을 이용한 정전 터치 스위치3. The electrostatic touch switch using the pulse width measuring method according to the present invention
도 7은 본 발명에 따른 펄스폭 측정 방법을 적용한 정전 터치 스위치의 회로도이다. 도 7에 제시된 정전 터치 스위치는 측정하고자 하는 두 개의 정전용량과 두 정전용량 사이의 저항을 이용하여, 두 정전용량과 저항에 따른 지연비를 측정하는 방식을 이용하여 저항과 클럭 주파수 변동에 따른 문제를 해결할 수 있는 정전용량 터치 스위치 회로에 관한 것이다. 도 7에 제시된 정전 터치 스위치는 이론적으로 클럭 주파수와 저항값에 영향을 받지 않는다. 또한 대칭적인 구조를 가짐으로 인해 온도 변화에 따른 영향을 줄일 수 있다. 금속판과 손가락 사이에 유기된 캐패시턴스는 Cs0 및 Cs1으로 표시하였다. 여기서 기생 캐패시턴스 C0 및 C1은 각각 Cs0 및 Cs1에 평행한 것으로 간주하였다(도 7에는 미도시함).7 is a circuit diagram of an electrostatic touch switch to which the pulse width measuring method according to the present invention is applied. The electrostatic touch switch shown in FIG. 7 uses a resistance between two electrostatic capacitances and two electrostatic capacitors to be measured and measures a delay ratio according to two electrostatic capacitances and resistances, And more particularly, to a capacitive touch switch circuit capable of solving the above problems. The electrostatic touch switch shown in Fig. 7 is theoretically unaffected by the clock frequency and the resistance value. In addition, the symmetrical structure can reduce the influence of the temperature change. The induced capacitances between the metal plate and the fingers are denoted as C s0 and C s1 . Herein, the parasitic capacitances C 0 and C 1 are regarded as parallel to C s0 and C s1 , respectively (not shown in FIG. 7).
도 7에 제시된 정전용량 터치 스위치는 터치시 정전용량이 변하는 제1커패시터(Cs0) 및 제2커패시터(Cs1)와, 제1커패시터(Cs0)와 제2커패시터(Cs1) 사이에 직렬 연결되는 저항(R)과, 제1커패시터(Cs0)와 저항(R) 사이의 노드에 연결되어 제1커패시터(Cs0)의 방전과 제2커패시터(Cs1)의 충전을 수행하는 제1충방전부와, 제2커패시터(Cs1)와 저항(R) 사이의 노드에 연결되어 제2커패시터(Cs1)의 방전과 제1커패시터(Cs0)의 충전을 수행하는 제2충방전부와, 제1커패시터(Cs0)에 충전되는 전압(제1충전전압, VTHL)이 제1기준전압(VTHL)에 도달하는 경우 High 신호를 출력하는 제1비교기(CMPL)와, 제2커패시터(Cs1)에 충전되는 전압(제2충전전압, VTHR)이 제2기준전압(VTHR)에 도달하는 경우 High 신호를 출력하는 제2비교기(CMPR)와, 제1비교기(CMPL)의 출력단과 연결되어 충전 시간을 카운터하는 제1멀티위상카운터회로(100L)와, 제2비교기(CMPR)의 출력단과 연결되어 충전 시간을 카운터하는 제2멀티위상카운터 회로(100R)로 구성된다. 제1멀티위상카운터회로(100L)와 제2멀티위상카운터회로(100R)은 도 5의 점선 사각형 내에 도시된 멀티위상카운터회로와 동일한 구성을 갖는다. 즉, 제1멀티위상카운터회로(100L)에는 각각 멀티 위상 클럭에 의해 동작하는 9개의 제1플립플롭 S[9:1]과 동일한 시스템 클럭에 의해 동작하는 하나의 제1레지스터 P[9:1]와, 제1카운터가 구비되며, 제2멀티위상카운터회로(100R)에는 각각 멀티 위상 클럭에 의해 동작하는 9개의 제2플립플롭 S[9:1]과 동일한 시스템 클럭에 의해 동작하는 하나의 제2레지스터 P[9:1]와, 제2카운터가 구비된다. 도 7에서 제1충방전회로는 제2전원( V DDR )과 스위치( SW1 , SW2 ) 및 저항(R)으로 구성되며, 제2충방전회로는 제1전원( V DDL )과 스위치( SW0 , SW3 ) 및 저항(R)으로 구성되는 회로를 의미하며, 저항(R)은 제1충방전회로 및 제2충방전회로의 소자로도 이용됨을 알 수 있다.The capacitive touch switch shown in FIG. 7 includes a first capacitor C s0 and a second capacitor C s1 whose capacitance is changed at the time of touch, and a second capacitor C s2 connected in series between the first capacitor C s0 and the second capacitor C s1 . And a second capacitor C s2 connected to a node between the first capacitor C s0 and the resistor R to perform charging of the first capacitor C s0 and charging of the second capacitor C s1 , and a second chungbang all performing the charging of the chungbang all, the second capacitor (C s1) and a resistor (R) discharging the first capacitor (C s0) of the second capacitor (C s1) is connected to a node between, a first and a capacitor voltage charged to the (C s0) (the first charging voltage, V THL) is a first comparator for outputting a High signal when reaching a first reference voltage (VTHL) (CMPL), a second capacitor (C an output terminal of the second comparator (CMPR), a first comparator (CMPL) of the voltage (the second charging voltage, V THR) to be filled in the s1) outputs a High signal when reaching a second reference voltage (V THR) and Connect and charge
캐패시터 Cs0 및 저항 R에 의한 상승 시간 tro를 측정하기 위해, 스위치 SW1 및 SW2가 각각 캐패시터 Cs0를 방전 및 충전시키기 위해 사용하였고, 도 5에 설명한 바와 같이 상승 시간은 디지털 카운터 NL과 레지스터 PL을 이용하여 측정되었다. 디지털 카운터 NL과 레지스터 PL은 도 7의 왼쪽 편에 도시된 제1멀티위상카운터회로(100L)에 구비되는 디지털 카운터와 레지스터를 나타내며, 디지털 카운터 NR과 레지스터 PR은 도 7의 오른쪽 편에 도시된 제2멀티위상카운터회로(100R)에 구비되는 디지털 카운터와 레지스터를 나타낸다. 동일한 방식으로 캐패시터 Cs1 및 저항 R에 의한 상승 시간 tr1를 측정하기 위해, 스위치 SW3 및 SW0가 각각 캐패시터 Cs1를 방전 및 충전시키기 위해 사용하였고, 도 5에 설명한 바와 같이 상승 시간은 디지털 카운터 NR과 레지스터 PR을 이용하여 측정되었다. tr0 및 tr1의 상승 시간은 각각 수학식 1 및 수학식 2로 나타난다. 수학식 1 및 수학식 2에서 근사값은 도 7 회로를 이용한 측정값을 나타낸다.In order to measure the rise time t ro by the capacitor C s0 and the resistance R, the
수학식 1 및 수학식 2에서 NZ(F) 함수는 F에 포함된 0의 개수를 카운터하는 함수이다. FuncH를 수학식 3과 같이 상승 시간 tr1 및 tr0의 비로 정의한다.In Equations (1) and (2), the NZ (F) function is a function for counting the number of zeros included in F. FuncH is defined as a ratio of rise times t r1 and t r0 as shown in Equation (3).
FuncH 값을 알면, 어느 손가락에 의해 금속판이 터치되었는지 결정할 수 있다. 여기서 수학식 1 및 2의 측정값을 이용하면 수학식 3은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.Knowing the FuncH value, it is possible to determine which finger the metal plate has been touched. Here, using the measured values of Equations (1) and (2), Equation (3) can be expressed as Equation (4).
정전 터치 스위치는 본 발명에서 제안한 방법을 이용하여 상승 시간을 측정하고, 수학식 4를 이용하여 상승 시간비를 계산한다. 그런 후, 계산값을 수학식 3에 적용하여 어느 금속판이 터치 되었는지 결정할 수 있게 된다.
The electrostatic touch switch measures the rise time using the method proposed by the present invention and calculates the rise time ratio using Equation (4). Then, the calculation value can be applied to Equation (3) to determine which metal plate has been touched.
본 발명에서 제안하는 멀티 위상 신호를 이용한 펄스폭 측정 방법은 다양한 정전 용량 센서에 응용될 수 있다. 정전 용량 센서를 사용하는 전자기기의 예로는 정전 터치 스위치, 근접 감지기, 온도계, 터치 스크린, 유량 게이지, 및 가속도계를 들 수 있다.
The pulse width measurement method using the multi-phase signal proposed in the present invention can be applied to various capacitance sensors. Examples of electronic devices using capacitive sensors include electrostatic touch switches, proximity detectors, thermometers, touch screens, flow gauges, and accelerometers.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.While the preferred embodiments of the present invention have been described and illustrated above using specific terms, such terms are used only for the purpose of clarifying the invention, and it is to be understood that the embodiment It will be obvious that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Such modified embodiments should not be understood individually from the spirit and scope of the present invention, but should be regarded as being within the scope of the claims of the present invention.
100: 멀티위상카운터회로100: Multi-phase counter circuit
Claims (11)
시스템 클럭을 사용하여 상기 펄스폭을 카운터하는 제 1단계와,
상기 시스템 클럭을 입력으로 하고, 복수 개 인버터로 구성되는 링오실레이터를 이용하여 상기 시스템 클럭을 일정한 시간만큼 지연시킨 복수 개 세부 클럭을 생성하고, 상기 복수 개 세부 클럭의 상승 에지로 구성되는 멀티 위상 클럭 에지를 생성하는 제 2단계와,
상기 멀티 위상 클럭 에지를 이용하여 상기 펄스폭의 종료 지점을 카운터하는 제 3단계 및,
상기 제 1단계와 상기 제 3단계에 의해 구해진 카운터 결과를 이용하여 상기 신호의 펄스폭을 측정하는 펄스폭 측정 방법.
A method for measuring a pulse width of a signal having a predetermined duration,
A first step of counting the pulse width using a system clock,
A clock generator for generating a plurality of detailed clocks in which the system clock is delayed by a predetermined time using a ring oscillator composed of a plurality of inverters, A second step of generating an edge,
A third step of counting an end point of the pulse width using the multi-phase clock edge,
And the pulse width of the signal is measured using the counter result obtained by the first step and the third step.
상기 링오실레이터는 2n+1{여기서 n은 자연수}개의 복수 개 인버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스폭 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the ring oscillator comprises a plurality of inverters of 2n + 1, where n is a natural number.
상기 멀티 위상 클럭 에지는 상기 링오실레이터를 구성하는 인버터의 총 개수의 두 배인 것을 특징으로 하는 펄스폭 측정 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the multi-phase clock edge is twice the total number of inverters constituting the ring oscillator.
복수 개 인버터로 구성되며, 입력되는 시스템 클럭을 일정한 시간만큼 지연시켜 복수 개 세부 클럭을 생성하고, 상기 복수 개 세부 클럭의 상승 에지로 구성되는 멀티 위상 클럭 에지를 생성하는 링오실레이터와,
상기 시스템 클럭을 이용하여 상기 비교기의 출력값이 변화되는 시점을 카운터하고, 상기 멀티 위상 클럭 에지를 이용하여 상기 비교기의 출력값이 변화되는 시점을 카운터하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
A capacitive sensor comprising: a capacitor for storing a capacitance; and a comparator for comparing a capacitance stored in the capacitor with a predetermined comparison value (V TH )
A ring oscillator composed of a plurality of inverters, generating a plurality of detailed clocks by delaying an input system clock by a predetermined time, and generating a multi-phase clock edge composed of rising edges of the plurality of detailed clocks,
And a counter for counting a point of time when the output value of the comparator is changed using the system clock and for counting a point of time when the output value of the comparator is changed using the multi-phase clock edge.
상기 비교기와 상기 카운터 사이에는
상기 비교기의 출력값을 상기 멀티 위상 클럭 에지에 동기화되면서 상태 변환시키는 복수 개 플립플롭과,
상기 복수 개 플립플롭의 출력값을 저장하는 레지스터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
5. The method of claim 4,
Between the comparator and the counter
A plurality of flip-flops for converting the output value of the comparator into a state of being synchronized with the multi-phase clock edge,
And a register for storing output values of the plurality of flip-flops.
상기 레지스터는 상기 시스템 클럭에 의해 동작되는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
6. The method of claim 5,
And the register is operated by the system clock.
상기 복수 개 플립플롭 중에서 상기 시스템 클럭의 상승 에지와 동일한 위상에서 동작하는 상기 멀티 위상 클럭 에지에 의해 변화되는 플립플롭의 출력값(STOP)을 상기 레지스터의 인에이블 신호로 사용하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
6. The method of claim 5,
Wherein an output value (STOP) of a flip-flop, which is changed by the multi-phase clock edge operating in the same phase as the rising edge of the system clock among the plurality of flip-flops, is used as an enable signal of the register sensor.
상기 링오실레이터는 2n+1{여기서 n은 자연수}개의 복수 개 인버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
5. The method of claim 4,
Wherein the ring oscillator comprises a plurality of inverters of 2n + 1, where n is a natural number.
상기 링오실레이터를 구성하는 각각의 인버터의 출력단에는 하나의 인버터와 하나의 버퍼가 구비되는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
9. The method of claim 8,
Wherein one inverter and one buffer are provided at output ends of the respective inverters constituting the ring oscillator.
터치시 정전용량이 변하는 제1커패시터(Cs0) 및 제2커패시터(Cs1)와,
제1커패시터(Cs0)와 제2커패시터(Cs1) 사이에 직렬 연결되는 저항(R)과,
제1커패시터(Cs0)와 저항(R) 사이의 노드에 연결되어 제1커패시터(Cs0)의 방전과 제2커패시터(Cs1)의 충전을 수행하는 제1충방전부와,
제2커패시터(Cs1)와 저항(R) 사이의 노드에 연결되어 제2커패시터(Cs1)의 방전과 제1커패시터(Cs0)의 충전을 수행하는 제2충방전부와,
제1커패시터(Cs0)에 충전되는 전압(제1충전전압)이 제1기준전압(VTHL)에 도달하는 경우 High 신호를 출력하는 제1비교기(CMPL)와,
제2커패시터(Cs1)에 충전되는 전압(제2충전전압)이 제2기준전압(VTHR)에 도달하는 경우 High 신호를 출력하는 제2비교기(CMPR)와,
복수 개 인버터로 구성되며, 입력되는 시스템 클럭을 일정한 시간만큼 지연시켜 복수 개 세부 클럭을 생성하고, 상기 복수 개 세부 클럭의 상승 에지로 구성되는 멀티 위상 클럭 에지를 생성하는 링오실레이터와,
상기 시스템 클럭과 상기 멀티 위상 클럭 에지를 이용하여 상기 제1비교기(CMPL)의 출력값이 High로 변하는 시점을 카운팅하는 제1카운터와,
상기 시스템 클러과 상기 멀티 위상 클럭 에지를 이용하여 상기 제2비교기(CMPR)의 출력값이 High로 변하는 시점을 카운팅하는 제2카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 터치 스위치.
1. A capacitive touch switch for sensing whether a touch is made using a capacitance,
A first capacitor (C s0 ) and a second capacitor (C s1 ) whose electrostatic capacities change during a touch,
A resistor R connected in series between the first capacitor C s0 and the second capacitor C s1 ,
A first charging unit connected to a node between the first capacitor C s0 and the resistor R to perform discharging of the first capacitor C s0 and charge of the second capacitor C s1 ,
A second charging unit connected to a node between the second capacitor C s1 and the resistor R for charging the second capacitor C s1 and charging the first capacitor C s0 ,
A first comparator (CMPL) for outputting a High signal when the voltage charged in the first capacitor (C s0 ) (first charge voltage) reaches the first reference voltage (V THL )
A second comparator (CMPR) for outputting a High signal when the voltage (second charging voltage) charged in the second capacitor (C s1 ) reaches the second reference voltage (V THR )
A ring oscillator composed of a plurality of inverters, generating a plurality of detailed clocks by delaying an input system clock by a predetermined time, and generating a multi-phase clock edge composed of rising edges of the plurality of detailed clocks,
A first counter for counting a time point at which the output value of the first comparator (CMPL) changes to High using the system clock and the multi-phase clock edge,
And a second counter for counting a time point at which the output value of the second comparator (CMPR) changes to High using the system clock and the multi-phase clock edge.
상기 제1비교기(CMPL)와 상기 제1카운터 사이에는
상기 제1비교기(CMPL)의 출력값을 상기 멀티 위상 클럭 에지에 동기화되면서 상태를 변환시키는 복수 개 제1플립플롭과,
상기 복수 개 제1플립플롭의 출력값을 저장하는 제1레지스터와,
상기 제2비교기(CMPR)와 상기 제2카운터 사이에는
상기 제2비교기(CMPR)의 출력값을 상기 멀티 위상 클럭 에지에 동기화되면서 상태를 변환시키는 복수 개 제2플립플롭과,
상기 복수 개 제2플립플롭의 출력값을 저장하는 제2레지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 터치 스위치.11. The method of claim 10,
Between the first comparator (CMPL) and the first counter
A plurality of first flip-flops for converting an output value of the first comparator (CMPL) into a state synchronized with the multi-phase clock edge,
A first register for storing output values of the plurality of first flip-flops,
Between the second comparator (CMPR) and the second counter
A plurality of second flip-flops for converting an output value of the second comparator (CMPR) into a state synchronized with the multi-phase clock edge,
And a second register for storing output values of the plurality of second flip-flops.
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