TWI585369B - 用於量測電容性感測器之電容的微控制器及電容性感測器系統以及用於操作微控制器及電容性感測器系統的方法 - Google Patents

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Description

用於量測電容性感測器之電容的微控制器及電容性感測器系統以及用於操作微控制器及電容性感測器系統的方法
本發明係關於尤其用於微控制器中之類比數位轉換器，且更特定言之，係關於用於由具有電容性觸碰偵測能力的微控制器使用之類比數位轉換器。
本申請案主張由Zeke Lundstrum、Keith Curtis、Burke Davison、Sean Steedman及Yann LeFaou於2011年10月6日申請之題為「Microcontroller ADC with Guard Ring Drive Outputs」之共同擁有的美國臨時專利申請案第61/544,150號之優先權；該案特此為了所有目的以引用之方式併入本文中。
物件(例如，一片金屬、手指、手、腳、腿等)觸碰電容性感測器或靠近電容性近接感測器會改變其某些參數，尤其是建置於用於(例如)人機介面器件(例如，小鍵盤或鍵盤)中之觸控式感測器中的電容器之電容值。微控制器現包括增強對此等電容性感測器之偵測及評估的周邊器件。一個此應用利用電容分壓(CVD)來評估是否已觸碰電容性觸控式元件。然而，當此等感測器在高雜訊環境中操作時，習知系統中之解析度或偵測可能不足夠。
詳言之，寄生電容可在許多電容性感測器應用中造成問題。無論何時鄰近於感測器(或其至微控制器之連接)之導體處在不同於感測器之電壓電位處，皆會產生寄生電容。因此，假定寄生電容可降低電容性感測器之敏感性且藉此 降低所得電容轉換程序(例如，CVD(電容性分壓))之解析度，較佳地減小與電容性感測器相關聯之寄生電容。
因此，需要一種用以減小與電容性感測器相關聯之寄生電容，藉此在該電容性感測器之操作期間增加該電容性感測器之電容量測改變敏感性的有效方式。
根據一實施例，一微控制器可包含：一數位處理器，其具有記憶體；複數個外部輸入/輸出節點，其可經程式化以充當類比節點；一多工器，其由該數位處理器控制以用於選擇該等類比節點中之一者且將該類比節點耦接至一類比匯流排；一類比數位轉換器(ADC)，其與該類比匯流排耦接以用於將該類比匯流排上之一類比電壓轉換成其一數位表示，且具有耦接至該數位處理器之一數位輸出以用於傳遞該數位表示；及一外部節點，其耦接至該類比匯流排。
根據另一實施例，一開關可耦接於該外部節點與該類比匯流排之間，其中該開關可由該數位處理器可程式化地控制。根據另一實施例，該微控制器之至少兩個數位輸出節點可耦接至複數個數位輸出驅動器中之各別者。
根據另一實施例，一微控制器可包含：一數位處理器，其具有記憶體；複數個數位輸出驅動器，其由該數位處理器控制；一取樣與保持電容器；一類比數位轉換器(ADC)，其具有耦接至該數位處理器之一數位輸出；該微控制器之至少兩個數位輸出節點，該至少兩個數位輸出節 點耦接至該複數個數位輸出驅動器中之各別者；一第一類比節點，其耦接至該微控制器中之一第一類比匯流排；該第一類比匯流排可切換地耦接至一電源供應器共同電位、一電源供應電壓、該取樣與保持電容器或一第二類比匯流排；該第二類比匯流排可切換地耦接至該電源供應器共同電位、該電源供應電壓、該取樣與保持電容器或該第一類比匯流排；及該取樣與保持電容器可切換地耦接至該第一類比匯流排抑或該ADC之一輸入。根據另一實施例，該第一類比節點可耦接至該第二類比匯流排且可經調適以耦接至一電容性感測器。根據另一實施例，該至少兩個數位輸出節點可經調適以耦接至一電阻器分壓器網路，該電阻器分壓器網路將一電壓驅動至與該電容性感測器相關聯之一防護環上。根據另一實施例，一第二類比節點可耦接至該第二類比匯流排且經調適以耦接至一外部電容器。根據另一實施例，至少一內部電容器可切換地耦接至該第二類比匯流排。
根據另一實施例，該微控制器可包含複數個開關，其中：該複數個開關中之一第一者在閉合時將該第一類比匯流排及該第二類比匯流排耦接在一起，該複數個開關中之一第二者在閉合時將該第一類比匯流排耦接至一電源供應器共同電位，該複數個開關中之一第三者在閉合時將該第二類比匯流排耦接至一電源供應電壓，該複數個開關中之一第四者在閉合時將該第一類比匯流排耦接至該電源供應電壓，及該複數個開關中之一第五者在閉合時將該第二類 比匯流排耦接至該電源供應器共同電位。
根據另一實施例，該數位處理器控制該複數個開關。根據另一實施例，該複數個開關可為複數個場效電晶體(FET)開關。根據另一實施例，該複數個數位輸出驅動器可具有在實質上該電源供應電壓處之邏輯高輸出，及在實質上該電源供應器共同電位處之邏輯低輸出。
根據另一實施例，一電容性感測器系統可包含：一電容性感測器；一防護環，其與該電容性感測器相關聯；一第一電阻器，其耦接至該防護環；一第二電阻器，其耦接至該防護環；及一微控制器，其可包含：一數位處理器，其具有記憶體；複數個數位輸出驅動器，其由該數位處理器控制；一取樣與保持電容器；一類比數位轉換器(ADC)，其具有耦接至該數位處理器之一數位輸出；該微控制器之至少兩個數位輸出節點，該至少兩個數位輸出節點耦接至該複數個數位輸出驅動器中之各別者，其中該至少兩個數位輸出節點中之一者可耦接至該第一電阻器且該至少兩個數位輸出節點中之另一者可耦接至該第二電阻器；一第一類比節點，其可耦接至該微控制器中之一第一類比匯流排及該電容性感測器；該第一類比匯流排可切換地耦接至一電源供應器共同電位、一電源供應電壓、該取樣與保持電容器或一第二類比匯流排；該第二類比匯流排可切換地耦接至該電源供應器共同電位、該電源供應電壓、該取樣與保持電容器或該第一類比匯流排；及該取樣與保持電容器可切換地耦接至該第一類比匯流排抑或該ADC之一輸入。
根據另一實施例，一第二類比節點可耦接至該第二類比匯流排且經調適以耦接至一外部電容器。根據另一實施例，至少一內部電容器可切換地耦接至該第二類比匯流排。
根據另一實施例，該電容性感測器系統可包含複數個開關，其中：該複數個開關中之一第一者在閉合時將該第一類比匯流排及該第二類比匯流排耦接在一起，該複數個開關中之一第二者在閉合時將該第一類比匯流排耦接至一電源供應器共同電位，該複數個開關中之一第三者在閉合時將該第二類比匯流排耦接至一電源供應電壓，該複數個開關中之一第四者在閉合時將該第一類比匯流排耦接至該電源供應電壓，及該複數個開關中之一第五者在閉合時將該第二類比匯流排耦接至該電源供應器共同電位。根據另一實施例，該第一電阻器之電阻可兩倍於該第二電阻器。根據另一實施例，該外部電容器及該取樣與保持電容器之一組合電容值可為該電容性感測器之電容值的大約一半。根據另一實施例，該防護環上之一電壓可實質上與該電容性感測器上之一電壓相同。根據另一實施例，該數位處理器可控制該複數個開關。
根據另一實施例，一種用於量測一電容性感測器之電容且控制與該電容性感測器相關聯的一防護環上之一電壓之方法可包含以下步驟：提供一電容性感測器；提供一防護環，其與該電容性感測器相關聯；提供一第一電阻器，其耦接至該防護環；提供一第二電阻器，其耦接至該防護 環；及提供一微控制器，其包含：一數位處理器，其具有記憶體；複數個數位輸出驅動器，其由該數位處理器控制；一取樣與保持電容器；一類比數位轉換器(ADC)，其具有耦接至該數位處理器之一數位輸出；該微控制器之至少兩個數位輸出節點，該至少兩個數位輸出節點耦接至該複數個數位輸出驅動器中之各別者，其中該至少兩個數位輸出節點中之一者可耦接至該第一電阻器且該至少兩個數位輸出節點中之另一者可耦接至該第二電阻器；一第一類比節點，其可耦接至該微控制器中之一第一類比匯流排及該電容性感測器；該第一類比匯流排可切換地耦接至一電源供應器共同電位、一電源供應電壓、該取樣與保持電容器或一第二類比匯流排；該第二類比匯流排可切換地耦接至該電源供應器共同電位、該電源供應電壓、該取樣與保持電容器或該第一類比匯流排；及該取樣與保持電容器可切換地耦接至該第一類比匯流排抑或該ADC之一輸入；及執行以下步驟：將該取樣與保持電容器耦接至該第一類比匯流排；將該第一類比匯流排耦接至一電源供應電壓；將該第二類比匯流排耦接至一電源供應器共同電位；藉由來自該第一輸出驅動器及該第二輸出驅動器之輸出將該至少兩個數位輸出節點中之各別者驅動至實質上該電源供應器共同電位；將該至少兩個數位輸出節點中之一者驅動至實質上該電源供應電壓；將該至少兩個數位輸出節點中之另一者驅動至實質上該電源供應器共同電位；將該第一類比匯流排與該第二類比匯流排耦接在一起的時間足夠長以用 於使一第一電荷在該第一類比匯流排與該第二類比匯流排之間安定；將該取樣與保持電容器與該第一類比匯流排解耦；將該第二類比匯流排耦接至該電源供應器共同電位；將該第二類比匯流排耦接至該電源供應電壓；將該第三類比匯流排及該第四類比匯流排驅動至實質上該電源供應電壓；藉由該ADC將該取樣與保持電容器上之該所安定之第一電荷轉換成其一第一數位表示；藉由該數位處理器自該ADC讀取該第一數位表示；將該第一類比匯流排耦接至該電源供應器共同電位；將該至少兩個數位輸出節點中之該一者驅動至實質上該電源供應器共同電位；將該至少兩個數位輸出節點中之該另一者驅動至實質上該電源供應電壓；將該第一類比匯流排與該第二類比匯流排耦接在一起的時間足夠長以用於使一第二電荷在該第一類比匯流排與該第二類比匯流排之間安定；將該取樣與保持電容器與該第一類比匯流排解耦；將該第二類比匯流排耦接至該電源供應電壓；將該第二類比匯流排耦接至該電源供應器共同電位；將該第三類比匯流排及該第四類比匯流排驅動至實質上該電源供應器共同電位；藉由該ADC將該取樣與保持電容器上之該所安定之第二電荷轉換成其一第二數位表示；及藉由該數位處理器自該ADC讀取該第二數位表示。
根據本方法之另一實施例，藉由該數位處理器進行處理該第一數位表示及該第二數位表示之步驟以實質上減小共同模式雜訊。根據本方法之另一實施例，本方法可包含以下步驟：將該第一數位表示及該第二數位表示儲存於與該數位 處理器相關聯之一記憶體中；將所儲存之該第一數位表示及該第二數位表示與隨後的第一數位表示及第二數位表示相比較，其中若所儲存之該第一數位表示及該第二數位表示與隨後的該第一數位表示及該第二數位表示實質上相同，則可不致動該電容性感測器，且若所儲存之該第一數位表示及該第二數位表示與隨後的該第一數位表示及該第二數位表示實質上不相同，則可致動該電容性感測器。
根據另一實施例，一種用於量測一電容性感測器之電容且控制與該電容性感測器相關聯的一防護環上之一電壓之方法可包含以下步驟：a)將一取樣與保持電容器充電至一第一電壓；b)將一電容性感測器充電至一第二電壓；c)將與該電容性感測器相關聯之一防護環充電至該第二電壓；d)將該防護環充電至一第三電壓；e)將該取樣與保持電容器及該電容性感測器耦接在一起的時間足夠長以用於使一第一電荷在該取樣與保持電容器與該電容性感測器之間安定；f)將該取樣與保持電容器與該電容性感測器解耦；g)藉由一類比數位轉換器(ADC)將該取樣與保持電容器上之該所安定之第一電荷轉換成其一第一數位表示；h)將該電容性感測器充電至該第二電壓；i)將該電容性感測器充電至該第一電壓；j)將該防護環充電至該第一電壓；k)藉由一數位處理器自該ADC讀取該第一電荷之該第一數位表示；l)將該防護環充電至一第四電壓；m)將該取樣與保持電容器及該電容性感測器耦接在一起的時間足夠長以用於使一第二電荷在該取樣與保持電容器與該電容性感測器之 間安定；n)將該取樣與保持電容器與該電容性感測器解耦；o)藉由該類比數位轉換器(ADC)將該取樣與保持電容器上之該所安定之第二電荷轉換成其一第二數位表示；p)將該電容性感測器充電至該第一電壓；q)將該電容性感測器充電至該第二電壓；r)將該防護環充電至該第二電壓；s)藉由該數位處理器自該ADC讀取該第二電荷之該第二數位表示；及t)返回至步驟d)。
根據本方法之另一實施例，該第一電壓可大約為一電源供應電壓且該第二電壓可大約為一電源供應器共同電位。根據本方法之另一實施例，該第一電壓可大約為一電源供應器共同電位且該第二電壓可大約為一電源供應電壓。根據本方法之另一實施例，該防護環上之一電壓可實質上與該電容性感測器上之一電壓相同。
可藉由參考結合隨附圖式進行之以下描述來獲得對本發明之更全面理解。
雖然本發明易具有各種修改及替代形式，但其特定實例實施例已在圖式中展示且在本文中詳細描述。然而，應理解，本文中對特定實例實施例之描述不意欲將本發明限於本文中所揭示之特定形式，而是相反，本發明意欲涵蓋由附加申請專利範圍所界定之所有修改及等效物。
微控制器現包括增強對電容性感測器之偵測及評估的周邊器件。根據一實施例，電容性分壓(CVD)可用以評估是否已觸碰電容性觸控式元件。然而，在與此相關聯之此等 感測器在高雜訊環境中操作時，此電容量測系統中之解析度或電容改變偵測可能不足夠。
詳言之，寄生電容可在許多電容性感測器應用中造成問題。無論何時鄰近於感測器(或其至微控制器之連接)之導體處在不同於感測器之電壓電位處，皆會產生寄生電容。因此，需要減小電容性感測器之寄生電容，以便增加所得CVD(電容性分壓)轉換程序之解析度。根據本文中所揭示之各種實施例，可產生接近感測器電容且驅動置於感測器(及其連接)與極接近於該感測器之其他導體及/或接地平面之間的導電跡線之電壓。
現參看圖式，其示意性地說明特定實例實施例之細節。圖式中之相同元件將由相同數字表示，且類似元件將由具有不同小寫字母字尾之相同數字表示。
參看圖1，描繪根據本發明之教示之電子系統的示意性方塊圖，該電子系統具有電容性觸控式小鍵盤、電容性觸控式類比前端及數位處理器。微控制器積體電路器件101可包含數位處理器106、記憶體、輸入輸出(I/O)埠(節點)中之一或多者、類比數位轉換器(ADC)、精確計時器、多功能輸入及輸出節點、充電時間量測單元(CTMU)、多工器、數位類比轉換器(DAC)或其組合。電容性觸控式類比前端(AFE)104可藉由微控制器積體電路器件101之前述功能中之一些來實施。電容性觸控式AFE 104可經由類比多工器(未圖示)耦接至電容性感測器鍵102(例如，按鈕、控制桿、捺跳開關、目標、把手、旋鈕等)之矩陣。
電容性觸控式AFE 104藉由單一低成本積體電路微控制器來促進在判定何時存在藉由(例如，但不限於)按壓且偏轉目標鍵(此改變相關聯之電容性感測器之電容值)對電容性感測器之致動的過程中所使用的所有作用中功能。電容性觸控式AFE 104量測電容性感測器鍵102之矩陣的每一感測器之電容值，且將電容值轉換成各別類比直流(DC)電壓，其由類比數位轉換器(ADC)(未圖示)讀取且轉換成數位值並發送至數位處理器106。
數位處理器106將時脈及控制功能供應至電容性觸控式AFE 104，讀取電容性觸控式AFE 104之類比電壓偵測器輸出，且選擇電容性感測器鍵102之矩陣的每一鍵。在判定對電容性感測器鍵102之矩陣中的鍵之致動時，數位處理器106將採取適當動作。各種電容性觸控式系統之更詳細描述在Microchip Technology Incorporated之應用註解AN1298、AN1325及AN1334中更全面地揭示，該等應用註解可在www.microchip.com處獲得且特此為了所有目的以引用之方式併入本文中。
參看圖2，描繪圖1中所展示之電容性感測器鍵之示意性立面圖。基板204(例如，印刷電路板(PCB))可具有可用於電磁干擾(EMI)屏蔽之接地平面206(可選)。電容性感測器板208可轉置於基板204之面上且接近於接地平面206(可選)。其他電路導體210(例如，PCB跡線)亦可極接近於電容性感測器板208。觸碰目標212可位於電容性感測器板208中之各別者之上且可在觸碰目標212與電容性感測器板 208中之該等各別者之間具有氣隙214。預期(且在本發明之範疇內)如圖2中所展示之觸碰目標212可由改變電容性感測器板208之電容的任何物件(例如，一片金屬、手指、手、腳、腿等)替代。覆蓋層216可置於電容性感測器板208之上及/或為觸碰目標212(可選)的部分，且可具有雕刻於其上之文數字資訊。電容性觸控鍵108中之每一者包含感測器板208及覆蓋層216。介電間隔物218位於電容性觸控鍵108中之每一者之間。視情況地，觸碰目標212可被添加於每一各別感測器板208之上。
接地平面206(可選)及/或電路導體210可在不同於電容性感測器板208之電壓電位處。此情形在電容性感測器板208與極接近於電容性感測器板208之接地平面206(可選)及/或電路導體210的部分之間產生寄生電容。對於在電容性感測器板208與處在不同電壓電位處的周圍導體之間的靜電場之示意性表示，參看圖5。注意電容性感測器板208與周圍導體之間的強靜電場線。此寄生電容限制在對電容性感測器板208之觸碰期間發生的電容性感測器板208之電容值的改變之偵測解析度。寄生電容類似地影響電容性感測器板208與AFE 104之間的連接。寄生電容亦限制可在電容性觸控式系統中使用之雜訊屏蔽的量。
參看圖3，描繪根據本發明之特定實例實施例之圖1中所展示且具有圍繞電容性感測器中的每一者之電容性防護環之電容性感測器鍵的示意性立面圖。將圍繞電容性感測器板208中之每一者的防護環320添加至電容性感測器鍵 102a。除此之外，所有其他元件實質上與圖2中所展示之電容性感測器鍵102相同。藉由在防護環320上維持實質上與各別電容性感測器板208上之電壓相同的電壓，顯著地減小寄生電容。藉此增加在對電容器感測器板208之觸碰期間發生的電容器感測器板208之電容值的改變之偵測解析度。另外，提供增強之雜訊屏蔽不會如在圖2中所展示之組態的情況下那樣影響偵測解析度。對於電容性感測器板208、防護環320、周圍接地平面206(可選)與導體210(未圖示)之間的靜電場之示意性表示，參看圖6，其中電容性感測器板208及防護環320係在實質上相同之電壓電位處。注意電容性感測器板208與周圍導體及接地平面206(可選)之間的弱得多的靜電場線(較長的線)。在電容性感測器板208與防護環320之間實質上不存在寄生電容，此係因為兩者皆在實質上相同之電壓電位處。
參看圖4，描繪根據本發明之另一特定實例實施例之圖1中所展示且具有圍繞電容性感測器中的每一者之防護環之電容性感測器鍵的示意性平面圖。觸控式鍵108之電容性感測器板208中之每一者由電耦接在一起且具有相同電壓電位的防護環420環繞。在此組態下，一次僅判定一個電容性感測器板208之電容值，因此防護環420之整個矩陣採取電容值由AFE 104及數位處理器106判定(如下文中更全面地描述)的電容性感測器板208之電壓電位。
圖3中所展示之防護環320中之每一者可獨立於彼此且具有不同電壓，但將要求至數位處理器106之更多連接。因 此除非需要同時判定一個以上電容性感測器板208之同時電容讀數，否則單電壓電位防護環420(圖4)將為足夠的且要求至數位處理器106之較少的電路連接。
參看圖7，描繪根據本發明之特定實例實施例之具有用於電容性感測器及相關聯的防護環之CVD處理能力之混合信號積體電路器件的示意圖。圖7中所展示之混合信號積體電路器件101a(例如，微控制器)可在使用判定電容性感測器板208之電容值的電容分壓器(CVD)方法時適用。藉由首先判定未經觸碰電容性感測器板208之電容值且接著判定經觸碰電容性感測器板208之隨後的電容值，對彼電容性感測器板208之觸碰可基於其電容之改變來判定。在CVD中，將兩個電容器充電/放電至相反電壓值。接著，將兩個相反地充電之電容器耦接在一起且在連接之兩個電容器上量測所得電壓。CVD之更詳細解釋呈現於共同擁有的美國專利申請公開案第US 2010/0181180號中，該案為了所有目的以引用之方式併入本文中。圖7中所展示之開關可為(例如，但不限於)場效電晶體(FET)開關。節點728及730為分別耦接至各別內部單線(導體)類比匯流排732及734之類比節點。
電容性感測器板208之電容由可變電容器704(第一CVD電容器)表示，且第二CVD電容器可在此兩個電容器具有相當接近的電容值(例如1：1至約3：1)的情況下為取樣與保持電容器716。在CVD中此情形的原因在於來自一個電容器之電荷的部分被傳送至不具有電荷或具有相反電荷之另 一個電容器。舉例而言，在兩個CVD電容器之值相等時，一個電容器上之電荷的一半將被傳送至另一個電容器。2對1之電容比將取決於最初對電容器中之哪一者充電而導致電荷的1/3被傳送至較小(1/2C)的電容器或被從較小的電容器取走。在取樣與保持電容器716實質上小於電容性感測器電容器704時，可從外部添加額外電容706a至節點728，及/或可獨立於節點728地添加內部電容706b以使得電容器716、706a及/或706b之組合電容具有相對於電容性感測器電容704之電容值的足以滿足以上準則之電容。此情形導致使用CVD判定電容值時的最佳解析度。電容器716亦為用以取樣與保持在兩個CVD電容器之間傳送電荷之後所得的類比電壓之取樣與保持電容器。一旦電荷傳送完成，則類比數位轉換器(ADC)718將所得充電電壓轉換成數位值，該數位值由數位處理器106讀取以用於進一步處理且判定觸控式感測器電容器704之電容值。
在下文中呈現之實例中，可與取樣與保持電容器716相組合地選擇電容器704(第一CVD電容器)、電容器706a(外部連接之電容器)及/或電容器706b(內部連接之電容器)之電容值以產生分別取決於將第一CVD電容器704放電至Vss抑或充電至Vdd及將電容器706及716的組合充電至Vdd抑或放電至Vss的為Vdd電壓之1/3或2/3的組合充電電壓。在此實例中，電容器704之電容約為電容器706及716的並聯組合之電容的兩倍。在將兩個相反極性充電之CVD電容器耦接在一起之後所得的靜態電壓將在最初將電容器704放 電至Vss時約為1/3*Vdd，且在最初將電容器704充電至Vdd時約為2/3*Vdd。
已知並聯之所有電容器的組合之預期靜態電壓允許產生環繞各別感測器板208(數位處理器106正評估其電容值)的防護環320或420之適當電壓。當防護環320或420上需要Vdd時，來自數位驅動器712及714之輸出皆在實質上Vdd(邏輯高)處。當防護環320或420上需要Vss時，來自數位驅動器712及714之輸出皆在實質上Vss(邏輯低)處。當防護環320或420上需要1/3*Vdd時，來自數位驅動器714之輸出係在Vss(邏輯低)處且來自數位驅動器712之輸出係在實質上Vdd(邏輯高)處。當防護環320或420上需要2/3*Vdd時，來自數位驅動器714之輸出係在Vdd(邏輯高)處且來自數位驅動器712之輸出係在實質上Vss(邏輯低)處。
藉由恰當地選擇電容器706之電容值及電阻器708及710之電阻值，可容易地由數位處理器106僅使用節點724及726處的兩個數位輸出產生防護環電壓。亦可藉由恰當選擇電容器706以及電阻器708及710之值來有效地使用其他電壓比。舉例而言，若電容器706及716之組合電容實質上等於電容器704之電容，則隨後的組合電壓將為1/2*Vdd且電阻器708及710將為實質上相同之電阻以在適當時在防護環電容上產生1/2*Vdd。
參看圖7A，描繪根據本發明之另一特定實例實施例之具有用於複數個電容性感測器及一防護環的CVD處理能力之混合信號積體電路器件的示意圖。圖7A中所展示之混合信 號積體電路器件101b(例如，微控制器)以實質上與圖7中所展示之器件101a相同的方式執行，不同之處在於僅存在一個單一導線類比匯流排732a；其中內部電容器706b及706c藉由開關H而與匯流排732a解耦，且外部節點728藉由開關G而與匯流排732a解耦。使用僅一組Vdd/Vss開關D及C，其中在不同於對第二CVD電容器716(及706)放電/充電之時間週期期間對第一CVD電容器704充電/放電。此情形節省了一組開關及第二內部類比匯流排(參看圖7匯流排734)。
另外，複數個開關I用以對用於圖1中所展示之電容性觸控鍵108中的電容性感測器704中之每一者進行多工。此等特徵亦可併入至圖7之電路中。隨著電容性觸控式類比前端104掃描電容性觸控鍵108，類比多工器開關I選擇複數個感測器電容器704中之各別者。複數個節點730通常為多用途可程式化類比或數位輸入及/或輸出。為了解釋之清楚起見，在本發明中，僅展示組態成類比輸入/輸出(雙程)之節點。數位處理器經由數位驅動器712及714來將節點724及726驅動至針對複數個感測器電容器704中之選定感測器電容器704的適當邏輯位準。
參看圖8及圖9，描繪根據本發明之特定實例實施例之電容轉換(圖8)及在此等轉換期間的防護環電壓控制(圖9)之示意性電壓-時間圖。在區段I中，將電容器706及716(取樣與保持電容器)充電至Vdd，將電容性感測器電容器704放電至Vss，且將防護環電容702放電至Vss(實質上與電容器704上之電壓匹配)。在區段II中，電容器706、716及704耦 接在一起，且當未按下電容性觸控鍵108時將產生約為1/3*Vdd之靜態電壓，且當按下時將產生略小於1/3*Vdd之靜態電壓。防護環電容702遵循電容器704(電容性感測器)上之電壓以便最小化防護環電容702與電容器704之間的任何寄生電容。在區段II之末尾處，取樣與保持電容器716與電容器706及704解耦且保持在區段II期間獲得之靜態電壓。在區段III中，將電容器704(電容性感測器)上之任何電壓電荷放電至實質上Vss，接著在區段IV之開始處，將電容器704(電容性感測器)及防護環電容702充電至實質上Vdd。同時亦在區段IV中，在取樣與保持電容器716上儲存之靜態電壓由ADC 718轉換成表示靜態電壓之數位值且由數位處理器106讀取。將來自ADC 718之數位值用於判定是否致動(觸碰)了電容性感測器，例如靜態電壓是否低於預期得自未致動觸控式感測器的靜態電壓。在致動(觸碰)觸控式感測器電容器704之電容值時，其電容增加且從而隨後的靜態電壓將小於未經致動之情況。此情形在將電容器704初始化至Vss時為真。在將電容器704初始化至Vdd時，隨後的靜態電壓在未致動電容性感測器時約為2/3*Vdd。
在區段V中，將電容器706及716(取樣與保持電容器)放電至Vss，且已經將電容性感測器電容器704及防護環電容702充電至Vdd。在區段VI中，電容器706、716及704耦接在一起，且當未按下電容性觸控鍵108時將產生約為2/3*Vdd之靜態電壓，且當按下時將產生略大於2/3*Vdd之 靜態電壓。防護環電容702遵循電容器704(電容性感測器)上之電壓以便最小化防護環電容702與電容器704之間的任何寄生電容。在區段VI之末尾處，取樣與保持電容器716與電容器706及704解耦，且保持在區段VI期間獲得之靜態電壓。在區段VII中，將電容器704(電容性感測器)充電至實質上Vdd，接著在區段VIII之開始處，將電容器704(電容性感測器)及防護環電容702放電至實質上Vss。同時亦在區段VIII中，在取樣與保持電容器716上儲存之靜態電壓由ADC 718轉換成表示靜態電壓之數位值且由數位處理器106讀取。將來自ADC 718之數位值用於判定是否致動(觸碰)了電容性感測器，例如靜態電壓是否低於預期得自未致動觸控式感測器的靜態電壓。當致動(觸碰)觸控式感測器電容器704之電容值時，其電容增加且從而隨後的靜態電壓將大於未經致動之情況。此情形在將電容器704初始化至Vdd時為真。在將電容器704初始化至Vss時，隨後的靜態電壓在未致動電容性感測器時約為1/3*Vdd，如上文中所描述。對於觸控式鍵108中之每一者重複此等序列。亦藉由每隔一個電容量測循環就反轉電壓電荷極性且對電容量測值求平均，達成一類型之差動操作，該差動操作最小化共同模式雜訊及干擾(例如，60Hz電力線干擾)。
參看圖10，描繪圖7中所展示之電容轉換系統之示意性時序圖。此示意性時序圖清楚地表示圖7中所展示之電路的特定實例操作實施例。與開關A至F之操作性斷開及閉合組合有關地展示節點724、726、728及730上之電壓。圖10 基本上表示與圖9中所展示者相同的電壓及時序波形。預期(且在本發明之範疇內)可使用具有相等效應之其他及另外電路設計及時序圖，且一般熟習電子電路設計技術且獲益於本發明的人可複製本文中所描述之結果。
參看圖11及圖12，描繪根據本發明之特定實例實施例之電容轉換的示意性處理流程圖。在步驟1102中，開始電容值轉換。在步驟1104中，將電容器706及716之取樣與保持電容器組合充電至第一電壓。在步驟1106中，將電容性感測器充電至第二電壓。第一電壓可為Vdd且第二電壓可為Vss，或第一電壓可為Vss且第二電壓可為Vdd。在步驟1108中，將電容性感測器防護環充電至第二電壓以便最小化寄生電容，寄生電容原本會歸因於由電容性感測器與鄰近導體之間的電壓電位差引起之靜電電荷而產生於電容性感測器處。
接下來在步驟1110中，與步驟1112之執行同時地將感測器防護環充電/放電至第三電壓，在步驟1112中，先前充電至第一電壓之取樣與保持電容器組合被耦接至先前充電至第二電壓之電容性感測器。只要步驟1110及1112彼此同時發生，兩者便可互換。在步驟1114中，取樣與保持電容器及電容性感測器耦接在一起的時間足夠長以用於完全安定至靜態第一電荷。接著在步驟1116中，使取樣與保持電容器與電容性感測器解耦，且取樣與保持電容器其後保持所安定之第一電荷。在步驟1118中，開始轉換至儲存於取樣與保持電容器中之第一電荷的數位表示。
在步驟1120中，將電容性感測器簡短地放電至第二電壓。在步驟1122中，將電容性感測器充電至第一電壓。在步驟1124中，將電容性感測器防護環充電至第一電壓以便最小化寄生電容，寄生電容原本會歸因於由電容性感測器與鄰近導體之間的電壓電位差引起之靜電電荷而產生於電容性感測器處。在步驟1126中，第一電荷至其數位表示之轉換終止且接著由數位處理器106讀取以用於判定電容性感測器108之電容值。
在步驟1128中，將電容器706及716之取樣與保持電容器組合充電至第二電壓。在步驟1130中，將電容性感測器充電至第一電壓。在步驟1132中，將電容性感測器防護環充電至第一電壓以便最小化寄生電容，寄生電容原本會歸因於由電容性感測器與鄰近導體之間的電壓電位差引起之靜電電荷而產生於電容性感測器處。
接下來在步驟1134中，與步驟1136之執行同時地將感測器防護環充電/放電至第四電壓，在步驟1136中，先前充電至第二電壓位準之取樣與保持電容器組合被耦接至先前充電至第一電壓之電容性感測器。只要步驟1134及1136彼此同時發生，兩者便可互換。在步驟1138中，取樣與保持電容器組合與電容性感測器耦接在一起的時間足夠長以用於完全安定至靜態第二電荷。接著在步驟1140中，使取樣與保持電容器與電容性感測器解耦，且取樣與保持電容器其後保持所安定的第二電荷。在步驟1142中，開始轉換至儲存於取樣與保持電容器中之第二電荷的數位表示。
在步驟1144中，將電容性感測器簡短地放電至第一電壓。在步驟1146中，將電容性感測器充電至第二電壓。在步驟1148中，將電容性感測器防護環充電至第二電壓以便最小化寄生電容，寄生電容原本會歸因於由電容性感測器與鄰近導體之間的電壓電位差引起之靜電電荷而產生於電容性感測器處。在步驟1150中，第二電荷至其數位表示之轉換終止且接著由數位處理器106讀取以用於判定電容性感測器108之電容值。其後可處理第一及第二電荷之數位表示以減小共同模式雜訊及干擾(例如，60Hz電力線干擾)。
參看圖13，描繪根據本發明之教示之經由類比通過閘開關支援數位I/O及類比功能的多功能埠邏輯之示意性方塊圖。具有三態輸出之數位驅動器1354耦接至外部節點728且由來自(例如，但不限於)數位處理器106之三態控制信號控制。來自(例如，但不限於)數位處理器106之數位輸出信號耦接至數位驅動器1354之輸入。
(例如)可實施圖7A中之開關G的類比通過閘開關1350由類比開關邏輯1352控制，類比開關邏輯1352可由來自(例如，但不限於)數位處理器106之類比匯流排控制信號獨立於ADC頻道選擇而加以控制。通常，內部ADC之類比多工器經組態以僅允許多個開關中之一者閉合以使得一次僅將外部接腳中之一者連接至內部ADC。然而，根據另一實施例，ADC之類比多工器可經組態以允許一個以上開關可受到控制以將外部接腳連接至類比匯流排。因此，控制邏輯 1352及類比通過閘開關1350可獨立於類比多工器受到控制，抑或可為類比多工器之部分。類比通過閘開關1350在閉合時使得節點728能夠直接耦接至類比匯流排732，如上文中更全面地描述。當類比通過閘開關1350閉合時，三態控制使數位驅動器1354之輸出進入高阻抗狀態，藉此在節點728用作類比埠時最小程度地影響節點728。預期(且在本發明之範疇內)可根據本文中所描述之其他實施例包括其他功能。
參看圖14，描繪根據本發明之教示之多功能埠邏輯的示意性方塊圖，該多功能埠邏輯經由類比通過閘開關支援數位I/O及類比功能，其中另外，可藉由ADC控制器邏輯超覆類比功能以對連接至埠之電容性觸控式感測器預充電及放電。此埠邏輯可用於外部接腳730中之任一者，且在類比多工器經組態以允許一個以上開關被閉合時接著亦用於接腳728。在節點730處之數位功能與類比功能之間的切換可為處理器密集型的且可要求複雜的程式來恰當地處置要求節點730具有的所有有關數位及類比功能，如上文中更全面地描述。為了在每一電容性感測器之電容值的設定及判定(例如，圖8至圖12)期間免除處理器106的負載(例如，程式步驟及/或控制功能)，可將ADC超覆特徵併入至本文中所描述之電容性觸控式判定電路中。使用併入有圖14中所展示之電路功能的專用ADC控制器將節省數位處理器程式步驟且允許處理器在電容性感測器電容之判定期間執行其他功能。然而，根據其他實施例，亦可省略超覆功能。 又，根據又其他實施例，可組合如圖13及圖14中所展示之埠邏輯以產生用於每一外部接腳之通用埠邏輯，如(例如)圖7A中所展示。因此，用於所有外部接腳之通用埠邏輯可具有可被獨立控制以連接至類比匯流排之兩個通過閘，或可具有允許由獨立啟用信號控制的為類比多工器之部分的單一通過閘。
具有三態輸出之數位驅動器1454耦接至外部節點730且由來自多工器1458之三態控制信號控制。來自多工器1460之數位輸出信號耦接至數位驅動器1454之輸入。可實施圖7A中之開關I的類比通過閘開關1450由類比開關邏輯1452控制。當ADC超覆啟用信號處在邏輯低時，多工器1458耦接三態控制信號以控制數位驅動器1454之三態輸出，且多工器1460將數位輸出信號耦接至數位驅動器1454之輸入。ADC頻道選擇(類比匯流排控制)控制類比通過閘開關1450以便將節點730直接耦接至類比匯流排732，如上文中更完全地描述。在此組態下，圖14中所展示之電路以實質上與圖13中所展示之電路相同的方式起作用。
然而，當ADC超覆啟用信號處在邏輯高時，多工器1458耦接ADC超覆資料啟用信號以控制數位驅動器1454之三態輸出，且多工器1460將ADC超覆資料信號耦接至數位驅動器1454之輸入。類比通過閘開關1450被迫將類比匯流排732與節點730解耦。在此組態下，ADC超覆資料啟用信號及ADC超覆資料信號可由ADC邏輯控制器(未圖示)提供，且可用以在不要求來自數位處理器106之程式密集型動作 的情況下對耦接至節點730之電容性觸控式感測器充電或放電。
可如上文所解釋如圖13或圖14中所展示實施節點728之埠邏輯。亦可如圖14或圖15中所展示(例如，無「類比輸入」通過閘開關1350)實施節點724及726之埠邏輯。可如圖14中所展示實施複數個節點730。如上文所提及，通用埠可用於所有外部接腳。可根據各別外部接腳實施額外功能以支援其他功能性。
參看圖15，描繪根據本發明之特定實例實施例之類比及數位連接組態的示意性方塊圖。複數個類比通過閘開關1538可實施類比多工器，且將複數個節點730x耦接至類比匯流排732及使複數個節點730x與類比匯流排732解耦，例如選擇複數個電容性觸控式感測器中之每一者。將節點728與類比匯流排732耦接在一起的直接連接(例如，參看圖7)，抑或可選類比通過閘開關1536可將節點728耦接至類比匯流排732及使節點728與類比匯流排732解耦(例如，參看圖7A)。如上文所解釋，若多工器經設計以允許一個以上開關被閉合，則額外通過閘開關1536可為類比多工器之部分。複數個開關1534可將額外取樣與保持電容器1544耦接至類比匯流排732及使額外取樣與保持電容器1544與類比匯流排732解耦。開關1540可用以將類比匯流排732充電至Vdd，且開關1542可用以將類比匯流排732放電至Vss。
雖然已描繪、描述及參考本發明之實例實施例界定了本 發明之實施例，但此等參考並不暗示對本發明之限制，且不應推導出此類限制。如一般熟習相關技術並獲益於本發明的人將想到，所揭示之標的物能夠在形式上及功能上具有相當大的修改、變更及等效物。本發明之所描繪及描述之實施例僅為實例，且並非為詳盡無遺的本發明範疇。
100‧‧‧ADC控制器
101‧‧‧微控制器積體電路器件/微處理器/積體電路微控制器
101a‧‧‧混合信號積體電路器件
101b‧‧‧混合信號積體電路器件
102‧‧‧電容性感測器鍵
102a‧‧‧電容性感測器鍵
104‧‧‧電容性觸控式類比前端(AFE)
106‧‧‧數位處理器及記憶體
108‧‧‧電容性觸控鍵
204‧‧‧基板
206‧‧‧接地平面
208‧‧‧電容性感測器板
210‧‧‧電路導體
212‧‧‧觸碰目標
214‧‧‧氣隙
216‧‧‧覆蓋層
218‧‧‧介電間隔物
320‧‧‧防護環
420‧‧‧防護環
702‧‧‧防護環電容
704‧‧‧電容性觸控式感測器電容器/可變電容器/第一CVD電容器
706‧‧‧第二CVD電容器/ADC取樣與保持電容器
706a‧‧‧外部電容器
706b‧‧‧內部電容器/可調整電容器
706c‧‧‧內部電容器/可調整電容器
708‧‧‧電阻器
710‧‧‧電阻器
712‧‧‧數位驅動器
714‧‧‧數位驅動器
716‧‧‧第二CVD電容器/ADC取樣與保持電容器
718‧‧‧類比數位轉換器(ADC)
724‧‧‧節點
726‧‧‧外部節點
728‧‧‧外部節點/接腳
730‧‧‧外部節點/外部接腳
730x‧‧‧節點
732‧‧‧內部單線(導體)類比匯流排
732a‧‧‧單一導線類比匯流排
734‧‧‧內部單線(導體)類比匯流排
1350‧‧‧類比通過閘開關
1352‧‧‧類比開關邏輯
1354‧‧‧數位驅動器
1450‧‧‧類比通過閘開關
1452‧‧‧類比開關邏輯
1454‧‧‧數位驅動器
1458‧‧‧多工器
1460‧‧‧多工器
1534‧‧‧開關
1536‧‧‧類比通過閘開關
1538‧‧‧類比通過閘開關
1540‧‧‧開關
1542‧‧‧開關
1544‧‧‧取樣與保持電容器
A‧‧‧開關
B‧‧‧開關
C‧‧‧開關
D‧‧‧開關
E‧‧‧開關
F‧‧‧開關
G‧‧‧開關
H‧‧‧開關
I‧‧‧開關
圖1說明根據本發明之教示之電子系統的示意性方塊圖，該電子系統具有電容性觸控式小鍵盤、電容性觸控式類比前端及數位處理器；圖2說明圖1中所展示之電容性感測器鍵之示意性立面圖；圖3說明根據本發明之特定實例實施例之圖1中所展示且具有圍繞電容性感測器中的每一者之電容性防護環之電容性感測器鍵的示意性立面圖；圖4說明根據本發明之另一特定實例實施例之圖1中所展示且具有圍繞電容性感測器中的每一者之防護環之電容性感測器鍵的示意性平面圖；圖5說明環繞電容性感測器及接地屏蔽之靜電場線之示意性立面圖；圖6說明根據本發明之教示之環繞電容性感測器、防護環及接地屏蔽的靜電場線之示意性立面圖；圖7說明根據本發明之特定實例實施例之具有用於電容性感測器及相關聯的防護環之CVD處理能力之混合信號積體電路器件的示意圖； 圖7A說明根據本發明之另一特定實例實施例之具有用於複數個電容性感測器及一防護環的CVD處理能力之混合信號積體電路器件的示意圖；圖8說明根據本發明之教示之電容轉換的示意性電壓-時間圖；圖9說明根據本發明之特定實例實施例之電容轉換及在此等轉換期間的防護環電壓控制之示意性電壓-時間圖；圖10說明圖7中所展示之電容轉換系統之示意性時序圖；且圖11及圖12展示根據本發明之特定實例實施例之電容轉換的示意性程序流程圖。
圖13說明根據本發明之教示之經由類比通過閘開關支援數位I/O及類比功能的多功能埠邏輯之示意性方塊圖；圖14說明根據本發明之教示之多功能埠邏輯的示意性方塊圖，該多功能埠邏輯經由類比通過閘開關支援數位I/O及類比功能，其中可藉由ADC控制器邏輯超覆類比功能以對連接至埠之電容性觸控式感測器預充電及放電；且圖15說明根據本發明之特定實例實施例之類比及數位連接組態的示意性方塊圖。
101a‧‧‧混合信號積體電路器件
106‧‧‧數位處理器
702‧‧‧防護環電容
704‧‧‧電容性觸控式感測器電容器/可變電容器/第一CVD電容器
706a‧‧‧外部電容器
706b‧‧‧內部電容器/可調整電容器
708‧‧‧電阻器
710‧‧‧電阻器
712‧‧‧數位驅動器
714‧‧‧數位驅動器
716‧‧‧第二CVD電容器/ADC取樣與保持電容器
718‧‧‧類比數位轉換器(ADC)
724‧‧‧節點
726‧‧‧外部節點
728‧‧‧外部節點/接腳
730‧‧‧外部節點/外部接腳
732‧‧‧內部單線(導體)類比匯流排
734‧‧‧內部單線(導體)類比匯流排
A‧‧‧開關
B‧‧‧開關
C‧‧‧開關
D‧‧‧開關
E‧‧‧開關
F‧‧‧開關

Claims (17)

  1. 一種微控制器，其包含：一數位處理器，其具有記憶體；複數個外部輸入/輸出埠，其可經程式化以充當類比節點；一多工器，其由該數位處理器控制以用於選擇該等類比節點中之一者且將該類比節點耦接至一類比匯流排；一類比數位轉換器，其與該類比匯流排耦接以用於將該類比匯流排上之一類比電壓轉換成其一數位表示，且具有耦接至該數位處理器之一數位輸出以用於傳遞該數位表示；及一外部節點，其耦接至該類比匯流排，其中該外部節點經組態以與一外部電容器耦接，以控制在該類比匯流排上之一有效電容。
  2. 如請求項1之微控制器，其進一步包含在該外部節點與該類比匯流排之間的一開關，其中該開關由該數位處理器可程式化地控制。
  3. 如請求項1之微控制器，其進一步包含該微控制器之至少兩個數位輸出埠，該至少兩個數位輸出節點耦接至複數個數位輸出驅動器中之各別者。
  4. 如請求項3之微控制器，其進一步包含：一取樣與保持電容器；其中該類比匯流排為一第一類比匯流排，其可切換地耦接至一電源供應器共同電位、一電源供應電壓、該取 樣與保持電容器或一第二類比匯流排；其中該第二類比匯流排可切換地耦接至該電源供應器共同電位、該電源供應電壓或該第一類比匯流排；及該取樣與保持電容器可切換地耦接至該第一類比匯流排抑或該類比數位轉換器之一輸入。
  5. 如請求項4之微控制器，其中經選擇之該類比節點耦接至該第二類比匯流排且經調適以耦接至一電容性感測器。
  6. 如請求項4之微控制器，其中該至少兩個數位輸出節點經調適以耦接至一電阻器分壓器網路，該電阻器分壓器網路將一電壓驅動至與一電容性感測器相關聯之一防護環上。
  7. 如請求項1之微控制器，其進一步包含可切換地耦接至該類比匯流排之至少一內部電容器。
  8. 如請求項4之微控制器，其進一步包含由該數位處理器控制之複數個開關，其中：該複數個開關中之一第一者在閉合時將該第一類比匯流排及該第二類比匯流排耦接在一起，該複數個開關中之一第二者在閉合時將該第一類比匯流排耦接至一電源供應器共同電位，該複數個開關中之一第三者在閉合時將該第二類比匯流排耦接至一電源供應電壓，該複數個開關中之一第四者在閉合時將該第一類比匯流排耦接至該電源供應器共同電位，及 該複數個開關中之一第五者在閉合時將該第二類比匯流排耦接至該電源供應器共同電位。
  9. 如請求項8之微控制器，其中該複數個開關為複數個場效電晶體開關。
  10. 如請求項4之微控制器，其中該複數個數位輸出驅動器具有在實質上該電源供應電壓處之邏輯高輸出，及在實質上該電源供應器共同電位處之邏輯低輸出。
  11. 一種電容性感測器系統，其包括如請求項3之微控制器，該系統進一步包含：一外部電容器，其與該外部節點連接；一電容性感測器；一防護環，其與該電容性感測器相關聯；一第一電阻器，其耦接至該防護環；及一第二電阻器，其耦接至該防護環。
  12. 如請求項11之電容性感測器系統，其中該第一電阻器之電阻兩倍於該第二電阻器。
  13. 如請求項12之電容性感測器系統，其中該外部電容器及該取樣與保持電容器之一組合電容值為該電容性感測器之電容值的大約一半。
  14. 如請求項11之電容性感測器系統，其中該防護環上之一電壓實質上與該電容性感測器上之一電壓相同。
  15. 一種用於操作如請求項5、6及11-14中任一項之微控制器或系統之方法，其包括：判定該電容性感測器之該感測器電容； 選擇該外部電容器以滿足該感測器電容與取樣與保持電容及外部電容之組合之間的一預定比值，及將該外部電容器與該外部節點連接；及使用該感測器電容及該取樣與保持電容以根據電容分壓(CVD)原理來執行電容性量測，其中該取樣與保持電容與該外部電容並聯。
  16. 如請求項15之方法，其用於操作如請求項11之電容性感測器系統，該方法進一步包括藉由該等數位輸出驅動器及該第一及第二電阻器來判定一防護環電壓及產生該防護環電壓。
  17. 一種用於操作如請求項1-4及7-10中任一項之微控制器之方法，其包括：判定該電容性感測器之一感測器電容；選擇該外部電容器以滿足該感測器電容與取樣與保持電容及外部電容之組合之間的一預定比值，及將該外部電容器與該外部節點連接；及使用該感測器電容及該取樣與保持電容以根據電容分壓(CVD)原理來執行電容性量測，其中該取樣與保持電容與該外部電容並聯。
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