[发明专利]用于感测电容值并将其转换为数字格式的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及电容式感测领域。更具体地，本发明涉及感测电容值并将感测到的值转换为数字格式的领域。

背景技术

电容式感测是用于基于电容耦合效应而检测接近度、位置等的技术。电容耦合是能量借助于电路节点间的电容在电气网络内的转移。电容耦合通常通过将电容器与待耦合的信号串行安置而实现。电容式感测作为人机界面技术而日益流行，例如用于许多消费电子产品中的笔记本电脑触控板和触摸屏显示器，以及接近度感测，例如用于汽车的遥控车门开关系统，但其当然不仅限于这些应用。

例如，电容式触摸屏面板是通常由涂有比如铟锡氧化物的材料的玻璃制成的传感器。这种类型的传感器基本上是电容器，其中的极板是水平和垂直轴之间网格图案的重叠区。由于人体也导电，在传感器表面的触摸将会影响到电场并且在设备的电容中造成可测量的变化。这些传感器基于接近度工作，并且不需要被直接触摸来触发。

大体而言，存在多种用于电容式感测的常规方法。这些方法基于电荷再分布原理、对通过所感测的电容的电流的直接测量、RC时间常数的测量，或者对包含有所感测的电容的振荡器中的频率的测量。Sigma-delta电容式传感器是电荷再分布传感器的子类。在许多应用中，电容式传感器免受在传感器工作频率以外的频率上的干扰和噪声的影响是重要的。换言之，电容式传感器输入应当表现出高度的选择性并且排斥除工作频率以外的所有频率。同时重要的是，传感器电磁辐射较低并且其被限制在工作频率周围的频带内。现有电容式传感器缺乏上述特点。

发明内容

电容式感测系统的实施方式被配置用以感测电容值并将感测到的电容值转换为数字格式。电容式感测系统提供了良好的选择性和对噪声与干扰的抵抗力，其能够通过启用扩频激励而得到进一步的增强。在某些实施方式中，电容式感测系统利用造成限于狭窄频带的低电磁辐射的正弦激励信号。在某些实施方式中，电容式感测系统被配置用以在扩频模式中工作，在其中大部分激励信号功率被携带于分配的带宽中。除非另有规定，在此对“激励信号”的提及指的是扩频激励信号或者正弦激励信号。扩频激励信号的激励频率和带宽可以在宽范围内编程，这使得可以避免工作环境中的频率冲突。电容式系统还提供了电容到数字转换的优异的差分线性、对注入电容式传感器输入的DC电流的抵抗力、低复杂度，以及低功耗。电容式感测系统可以被实施为任何利用接近度或位置的设备的一部分，这样的设备包括但不限于：比如由汽车所使用的比如遥控车门开关系统的接近度和触摸传感器，并且可以被实施为利用触摸屏显示器的设备的一部分，这样的设备例如手机、个人数字助理(PDA)、比如MP3播放器的音乐播放器，和计算设备。

在一方面，公开了一种电容式感测设备。该电容式感测设备包括：感测的电容器；信号发生器，被配置用以生成数字本机振荡器信号和激励信号；电容至振幅转换器，连接到感测的电容器和信号发生器，其中电容至振幅转换器被配置用以根据激励信号将接收自感测的电容器的测量的电容转换为AC信号，该AC信号具有与测量的电容成正比的振幅；解调器，连接到电容至振幅转换器以接收AC信号并且连接到信号发生器以接收数字本机振荡器信号，其中解调器被配置用以输出与AC信号成正比的DC分量并且输出AC分量；以及模数转换器，连接到解调器的输出，其中模数转换器被配置用以输出与正比于测量的电容的DC分量成正比的数字转换值。在某些实施方式中，信号发生器是直接数字合成正弦波发生器。模数转换器可以被配置用以完全抑制输出自解调器的AC分量。在某些实施方式中，模数转换器是积分模数转换器，其具有等于激励信号周期的整数倍的积分周期，从而完全抑制输出自解调器的AC分量。电容式感测设备还可以包括时钟发生器，其被连接用以向模数转换器和信号发生器提供相同的时钟信号。在这种情况下，信号发生器根据时钟信号生成数字本机振荡器信号和激励信号。信号发生器可以被配置用以调节数字本机振荡器信号与激励信号间的相位，以补偿电容至振幅转换器中的相移。在某些实施方式中，输入到解调器的AC信号和数字本机振荡器信号的相位是同相的。电容式感测设备还可以包括数模转换器，其连接在信号发生器和电容至振幅转换器之间。模数转换器可以被配置用以对偏移误差并且对电容式感测设备的传感器增益误差做出补偿。在某些实施方式中，激励信号是扩频激励信号。在其他实施方式中，激励信号是正弦激励信号。在某些实施方式中，信号发生器被配置为，使扩频激励信号的激励频率和带宽能够被编程。