TWI395125B - 電容式觸控感應電路 - Google Patents

Description

電容式觸控感應電路

本發明關於一種電容式觸控感應電路。

電容感測器常被使用於各種不同的觸控裝置中，例如觸控感應按鍵、觸控面板等等。因為針對不同應用的電容偵測範圍並不相同，且不同環境條件下的電容偵測範圍也不相同，所以習知設計通常利用安裝一外部補償裝置(external compensation device)，例如一外部電容或一外部電阻，來改變例如一弛張震盪控制器(relaxation oscillator)的RC常數值以調整其阻抗。然而，為搭配不同的產品或符合不同的環境需求，製造者須準備許多不同規格的外部電容或外部電阻以提高電容偵測準確性，如此明顯提高成本且使震盪電路的阻抗調整過程不具彈性。另一方面，習知設計通常使用兩個比較器實施弛張震盪器的充放電操作，而導致一複雜的觸控感應電路架構。

本發明提供一種具有單一比較器架構的電容式觸控感應電路，其能避免習知設計的缺點。

依本發明一實施例之設計，一種電容式觸控感應電路包含單一比較器、一參考電壓控制單元、一電阻調整單元、一延遲單元及一弛張震盪控制單元。比較器具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，且參考電壓控制單元連接比較器的第二輸入端。參考電壓控制單元包含一高位準電壓源、一低位準電壓源及一電壓切換控制器。電壓切換控制器依據比較器的輸出信號，將高位準電壓源或低位準電壓源連接至比較器的第二輸入端。電阻調整單元連接比較器的第一輸入端，且延遲單元連接輸出端以大致濾除比較器的輸出信號的一轉態過渡區間。弛張震盪控制單元連接電阻調整單元、延遲單元及參考電壓控制單元，弛張震盪控制單元輸出一弛張震盪信號，該弛張震盪信號饋入比較器的第一輸入端，且弛張震盪信號的頻率隨電阻調整單元設定的電阻值變化。

藉由上述實施例之設計，僅需使用單一比較器即能實施弛張震盪控制單元的充放電操作，大幅簡化電容式觸控感應電路的架構，另一方面，藉由電阻調整單元可任意調整RC常數值來變化弛張震盪控制單元的阻抗，如此在不同環境下或搭配不同的電容偵測器時均能進行精確的電容感測，不需額外的外部補償裝置而可進一步節省成本。另外，搭配延遲單元的設計可產生具遲滯的比較器輸出信號，有效去除輸出信號不穩定的轉態過渡區間。

依本發明另一實施例之設計，一種電容式觸控感應電路包含單一比較器、一參考電壓控制單元、一延遲單元及一弛張震盪控制單元。比較器具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，且參考電壓控制單元連接第二輸入端。參考電壓控制單元包含具有多個不同的高參考位準的一高位準群組電壓源，用以選擇其中之一高參考位準並饋入比較器第二輸入端的一高位準電壓選擇器，具有多個不同的低參考位準的一低位準群組電壓源，用以選擇其中之一低參考位準並饋入比較器第二輸入端的一低位準電壓選擇器，及一電壓源群組切換控制器。電壓源群組切換控制器依據比較器的輸出信號，將高位準群組電壓源或低位準群組電壓源連接至比較器的第二輸入端。延遲單元連接輸出端以大致濾除比較器的一輸出信號的一轉態過渡區間，且弛張震盪控制單元連接電阻調整單元、延遲單元及參考電壓控制單元。弛張震盪控制單元輸出一弛張震盪信號，弛張震盪信號饋入比較器的第一輸入端，且弛張震盪信號的頻率及振幅依據由參考電壓控制單元所選擇並饋入比較器第二輸入端的一高參考位準及一低參考位準而變化。

藉由上述實施例多重位準電壓裝置的設計，可在省略電阻調整單元的條件下，改變弛張震盪控制單元的震盪波形。因此，可搭配不同的觸控環境及電容偵測器規格選擇高參考位準及低參考位準，調整出最能精確感測的弛張震盪信號輸出頻率。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1為一示意圖，顯示依本發明一實施例之電容式觸控感應電路。如圖1所示，電容式觸控感應電路10包含一參考電壓控制單元12、一比較器14、一延遲單元16、一電阻調整單元18、一弛張震盪控制單元(relaxation oscillation control unit)22。

比較器14具有一輸入負端141、一輸入正端142、及一輸出端143，輸入負端141連接電阻調整單元18及一電容感測器(capacitance sensor)24，輸入正端142連接參考電壓控制單元12，且輸出端142連接延遲單元16。比較器14比較輸入負端141的電壓(例如圖2所示之Vn)及輸入正端142的電壓(例如圖2所示之Vp)後，經由輸出端143輸出方波(例如圖2所示之Vo)。於本實施例中，當輸入電壓Vp>Vn時，輸出電壓Vo為高邏輯位準(logic high status)；當輸入電壓Vp<Vn時，輸出電壓Vo為低邏輯位準(logic low status)。

參考電壓控制單元12包含一高位準電壓源121、一低位準電壓源122、及一電壓切換控制器123，且高位準電壓源121及低位準電壓源122分別對應一RC電路充電操作及一RC電路放電操作。電壓切換控制器123依據比較器14的輸出信號，藉由切換開關124於高位準電壓源121與低位準電壓源122間進行切換。

延遲單元16用以消除比較器14的輸出信號的轉態過渡區間，亦即使比較器14產生具遲滯(hysteresis)的輸出信號。延遲單元16包含一延遲調整器161及一延遲時間選擇器162，延遲時間選擇器162依據比較器14的輸出信號的轉態過渡區間持續時間來決定一延遲時間的長度，延遲調整器161則依據該延遲時間長度，延遲比較器14的輸出信號的轉態時間。舉例而言，如圖2所示，當輸入電壓Vn與輸入電壓Vp的差值落入比較器14的一偏置電壓(offset voltage)Vfs範圍時即產生轉態過渡區間，且當輸出信號的電壓轉換速率(slew rate)較低時，會有時間較長的轉態過渡區間。藉由輸出信號的第一邊緣觸發延遲調整器161的計數器開始計數，延遲時間選擇器162可指示計數器正確的轉態延遲時間，以完全消除不穩定的轉態過渡區間。如圖2下方三個不同的輸出方波波形圖所示，當延遲時間T1僅能部分消除轉態過渡區間，延遲時間選擇器162會設定延遲較長的時間T2以完全消除轉態過渡區間。延遲時間選擇器162例如可為一唯讀記憶體(ROM)、一隨機儲存記憶體(RAM)或一暫存器(register)，且由韌體(firmware)及程式化組合語言(assembly programming)控制延遲時間。

電阻調整單元18包含一可調式電阻器181及一電阻選擇控制器182，且可調式電阻器181例如可為一可變電阻。可調式電阻器181與一外部電容感測器24構成一RC電路，且電容感測器24的電容值會隨使用者手指接觸觸控按鍵(圖未示)的狀態而變化。可調式電阻器181的阻值變化可用以調整RC電路的震盪頻率，當阻值越大時，RC電路的震盪頻率越低；反之當阻值越小時，RC電路的震盪頻率越高。於一實施例中，電阻選擇控制器182可具有N位元結構(N為正整數)以使可調式電阻器具有2^N 個調整階數，例如當N=1時，可調式電阻器181具有2階的調整段數，當N=8時可調式電阻器181具有256階的調整段數。可調式電阻器181與電阻選擇控制器182可藉由一匯流排183連接，且電阻選擇控制器182例如可為一唯讀記憶體(ROM)、一隨機儲存記憶體(RAM)或一暫存器(register)，且由韌體(firmware)及程式化組合語言(assembly programming)控制。弛張震盪控制單元22連接電阻調整單元18、延遲單元16及參考電壓控制單元12，弛張震盪控制單元22依據具遲滯的比較器輸出信號產生RC震盪。詳言之，如圖3所示，當弛張震盪控制單元22偵測到比較器14的輸出電壓Vo為高邏輯位準時，弛張震盪控制單元22輸出一高邏輯位準電壓以對RC電路充電；反之當弛張震盪控制單元22偵測到比較器14的輸出電壓Vo為低邏輯位準時，弛張震盪控制單元22輸出一低邏輯位準電壓以使RC電路放電。於進行充放電操作後弛張震盪控制單元22產生如圖3所示的弛張震盪信號RS。弛張震盪信號RS饋入比較器14的輸入負端141，以與連接至比較器14的輸入正端142的參考電壓比較。於本實施例中，高位準電壓源121輸出的高位準參考電壓V_H 為RC電路的一充電上限電壓值，低位準電壓源122輸出的低位準參考電壓V_L 為RC電路的一放電下限電壓值。

請再參考圖2，當弛張震盪控制單元22對RC電路充電時，比較器14的輸入負端電壓Vn持續上昇，且此時電壓切換控制器123切換至高位準電壓源121以使比較器14的輸入正端電壓Vp等於高位準參考電壓V_H 。當輸入負端電壓Vn上昇至大於輸入正端電壓Vp(=V_H )的瞬間，比較器14的輸出電壓Vo立刻切換至低邏輯位準，且電壓切換控制器123切換至低位準電壓源121以使比較器的輸入正端電壓Vp等於低位準參考電壓V_L 。於此同時，當弛張震盪控制單元22偵測到比較器14的輸出電壓Vo為低邏輯位準時，弛張震盪控制單元22轉而輸出一低邏輯位準電壓以使RC電路放電。

當RC電路放電時，比較器14的輸入負端電壓Vn持續下降，且此時比較器14的輸入正端電壓Vp為低位準參考電壓V_L 。當輸入負端電壓Vn下降至小於輸入正端電壓Vp(=V_L )的瞬間，比較器14的輸出電壓Vo立刻切換至高邏輯位準，且電壓切換控制器123切換至高位準電壓源121以使比較器的輸入正端電壓Vp切換為高位準參考電壓V_L 。因此，RC電路可輪流被充放電且同時電壓切換控制器123對應地於高位準電壓源121及低位準電壓源122間進行切換，使弛張震盪控制單元22輸出圖3所示的信號RS。

於本實施例中，僅需使用單一比較器及兩個電壓源即能實施弛張震盪控制單元的充放電操作，大幅簡化電容式觸控感應電路的架構，另一方面，藉由電阻調整單元18可任意調整RC常數值來變化弛張震盪控制單元22的阻抗，如此在不同環境下或搭配不同的電容偵測器時均能進行精確的電容感測，不需額外的外部補償裝置而可進一步節省成本。另外，搭配延遲單元16的設計可產生具遲滯的比較器輸出信號，有效去除輸出信號不穩定的轉態過渡區間。

圖4為顯示本發明另一實施例的示意圖。如圖4所示，電容式觸控感應電路30包含一參考電壓控制單元32、一比較器14、一延遲單元16、及一弛張震盪控制單元22。本實施例和圖1所示的實施例差異在於兩者的參考電壓控制單元設計不同，且本實施例省略電阻調整單元18，其餘構件連接關係與圖1所示的實施例類似，於此不再贅述。於本實施例中，參考電壓控制單元32連接比較器14的輸入正端且包含一電壓源群組切換控制器321、一高位準群組電壓源322、一高位準電壓選擇器323、一第一指令源324、一低位準群組電壓源325、一低位準電壓選擇器326及一第二指令源327。高位準群組電壓源322及低位準群組電壓源325均為一種多重位準電壓裝置，以高位準群組電壓源322為例，高位準群組電壓源322具有多個不同的高參考位準，各個高參考位準均對應一個開關329。第一指令源324決定該電容式觸控感應電路30所需之一高參考位準，再由高位準電壓選擇器323一次讓其中一個開關開啟而將對應該開關的所需參考位準值饋入比較器14的輸入正端。高位準電壓選擇器323及低位準電壓選擇器326例如可具有一解碼器結構。低位準群組電壓源325同樣為一個多重位準電壓裝置，且其低位準選取操作與上述類似，故於此不再贅述。第一及第二指令源可利用韌體架構、軟體運算或DSP微處理器等等實施。

電壓源群組切換控制器321依據比較器14的輸出信號將高位準群組電壓源322或低位準群組電壓源325連接至比較器14的輸入正端。當弛張震盪控制單元22偵測到比較器14的輸出電壓Vo為高邏輯位準時，弛張震盪控制單元22輸出一高邏輯位準電壓以對電容感測器24充電；反之當弛張震盪控制單元22偵測到比較器14的輸出電壓Vo為低邏輯位準時，弛張震盪控制單元22輸出一低邏輯位準電壓以使電容感測器24放電。因此，和圖1之實施例類似，電壓源群組切換控制器321同樣對應充電或放電操作，藉由切換開關於高位準群組電壓源322與低位準群組電壓源325之間切換。

藉由本實施例多重位準電壓裝置的設計，可在省略電阻調整單元18的條件下，改變弛張震盪控制單元22的震盪波形。圖5為一示意圖，用以說明多重位準電壓控制效果的一實施例。如圖5所示，Vh1、Vh2及Vh3分別代表三個不同的高參考位準，且Vh1>Vh2>Vh3，Vl1、Vl2及Vl3分別代表三個不同的低參考位準，且Vl1<Vl2<Vl3，因此高低參考位準間的差值(Vh1-Vl1)>(Vh2-Vl2)>(Vh3-Vl3)。於RC常數為固定的條件下，弛張震盪信號的電壓斜率保持固定，但可選擇不同的高低參考位準，藉由提供不同的高低位準間的差值即可改變弛張震盪信號的振幅並調整弛張震盪信號的周期。如圖5所示，於高位準Vh1/低位準Vl1條件下，可獲得波形A且周期T1的弛張震盪信號，於高位準Vh2/低位準Vl2條件下，可獲得波形B且周期T2的弛張震盪信號，於高位準Vh3/低位準Vl3條件下，可獲得波形C且周期T3的弛張震盪信號，如此雖然波形A、波形B、波形C的斜率均相同(因RC常數固定)，但周期可變化T1>T2>T3，同樣可獲得調整弛張震盪信號輸出頻率的效果。因此，可搭配不同的觸控環境及電容偵測器規格選擇高參考位準及低參考位準，以調整出最能精確感測的弛張震盪信號輸出頻率。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10．．．電容式觸控感應電路

12．．．參考電壓控制單元

121．．．高位準電壓源

122．．．低位準電壓源

123．．．電壓切換控制器

124．．．切換開關

14．．．比較器

141．．．輸入負端

142．．．輸入正端

143．．．輸出端

16．．．延遲單元

161．．．延遲調整器

162．．．延遲時間選擇器

18．．．電阻調整單元

181．．．可調式電阻器

182．．．電阻選擇控制器

183．．．匯流排

22．．．弛張震盪控制單元

24．．．電容感測器

30．．．電容式觸控感應電路

32．．．參考電壓控制單元

321．．．電壓源群組切換控制器

322．．．高位準群組電壓源

323．．．高位準電壓選擇器

324．．．第一指令源

325．．．低位準群組電壓源

326．．．低位準電壓選擇器

327．．．第二指令源

329．．．開關

T1-T3．．．周期

Vh1-Vh3．．．高參考位準

Vl1-Vl3．．．低參考位準

圖1為一示意圖，顯示依本發明一實施例之電容式觸控感應電路。

圖2為顯示不同延遲時間下的比較器輸出信號波形圖。

圖3為顯示比較器輸出電壓、弛張震盪控制單元輸出電壓及弛張震盪信號波形圖。

圖4為顯示本發明另一實施例的示意圖。

圖5為一示意圖，用以說明多重位準電壓控制效果的一實施例。

10．．．電容式觸控感應電路

12．．．參考電壓控制單元

121．．．高位準電壓源

122．．．低位準電壓源

123．．．電壓切換控制器

124．．．切換開關

14．．．比較器

141．．．輸入負端

142．．．輸入正端

143．．．輸出端

16．．．延遲單元

161．．．延遲調整器

162．．．延遲時間選擇器

18．．．電阻調整單元

181．．．可調式電阻器

182．．．電阻選擇控制器

183．．．匯流排

22．．．弛張震盪控制單元

24．．．電容感測器

Claims (18)

1. 一種電容式觸控感應電路，包含：單一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端；一參考電壓控制單元，連接該第二輸入端，該參考電壓控制單元包含：一高位準電壓源；一低位準電壓源；及一電壓切換控制器，依據該比較器的一輸出信號將該高位準電壓源或該低位準電壓源連接至該比較器的該第二輸入端；一電阻調整單元，連接該比較器的該第一輸入端；一延遲單元，連接該輸出端以大致濾除該比較器的該輸出信號的一轉態過渡區間，其中該延遲單元包含：一延遲時間選擇器，依據該比較器的該輸出信號的一轉態過渡周期的持續時間決定一延遲時間長度；及一延遲調整器，依據該延遲時間長度延遲該比較器的該輸出信號的一轉態時間；及一弛張震盪控制單元，連接該電阻調整單元、該延遲單元及該參考電壓控制單元，該弛張震盪控制單元輸 出一弛張震盪信號，該弛張震盪信號饋入該比較器的該第一輸入端，且該弛張震盪信號的頻率隨該電阻調整單元設定的電阻值變化。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感應電路，其中該電阻調整單元包含：一可調式電阻器，該可調式電阻器與一外部電容感測器構成一RC電路；及一電阻選擇控制器，用以選擇該可調式電阻器之阻值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電容式觸控感應電路，其中該電阻選擇控制器具有N位元結構(N為正整數)以使該可調式電阻器具有2^N 個調整階數。
4. 如申請專利範圍第2項所述之電容式觸控感應電路，其中該電阻選擇控制器為一唯讀記憶體(ROM)、一隨機儲存記憶體(RAM)、或一暫存器(register)。
5. 如申請專利範圍第2項所述之電容式觸控感應電路，其中該弛張震盪控制單元依據該比較器的該輸出信號對該RC電路充電或使該RC電路放電。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電容式觸控感應電路，其中當該比較器的該輸出信號為一高邏輯位準時，該弛張震盪控制單元輸出一高邏輯位準電壓以對該RC電路充電，當該比較器的該輸出信號為一低邏輯位準 時，該弛張震盪控制單元輸出一低邏輯位準電壓以使該RC電路放電。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電容式觸控感應電路，其中該高位準電壓源的一輸出電壓值等於該RC電路的一充電上限電壓值，且該低位準電壓源的一輸出電壓值等於該RC電路的一放電下限電壓值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電容式觸控感應電路，其中於該第一輸入端電壓上升至大於該第二輸入端電壓的瞬間，該電壓切換控制器將該低位準電壓源連接至該比較器的該第二輸入端，且於該第一輸入端電壓下降至小於該第二輸入端電壓的瞬間，該電壓切換控制器將該高位準電壓源連接至該比較器的該第二輸入端。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感應電路，其中該延遲單元為一唯讀記憶體、一隨機儲存記憶體或一暫存器。
10. 一種電容式觸控感應電路，包含：單一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端；一參考電壓控制單元，連接該第二輸入端，該參考電壓控制單元包含：一高位準群組電壓源，具有多個不同的高參考位準； 一高位準電壓選擇器，用以選擇該些高參考位準的其中之一並饋入該比較器的該第二輸入端；一低位準群組電壓源，具有多個不同的低參考位準；一低位準電壓選擇器，用以選擇該些低參考位準的其中之一並饋入該比較器的該第二輸入端；及一電壓源群組切換控制器，依據該比較器的該輸出信號將該高位準群組電壓源或該低位準群組電壓源連接至該比較器的該第二輸入端；一延遲單元，連接該輸出端以大致濾除該比較器的一輸出信號的一轉態過渡區間，其中該延遲單元包含：一延遲時間選擇器，依據該比較器的該輸出信號的一轉態過渡周期的持續時間決定一延遲時間長度；及一延遲調整器，依據該延遲時間長度延遲該比較器的該輸出信號的一轉態時間；及一弛張震盪控制單元，連接該電阻調整單元、該延遲單元及該參考電壓控制單元，該弛張震盪控制單元輸出一弛張震盪信號，該弛張震盪信號饋入該比較器的該第一輸入端，且該弛張震盪信號的頻率及振幅依據由該參考電壓控制單元所選擇並饋入該比較器第二輸入端的一高參考位準及一低參考位準而變化。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電容式觸控感應電路，其中該參考電壓控制單元更包含一指令源，該指令源決定該電容式觸控感應電路所需之一高參考位準及一低參考位準，並命令該高位準電壓選擇器選擇該高參考位準及該低位準電壓選擇器選擇該低參考位準。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電容式觸控感應電路，其中該指令源係利用韌體、軟體或微處理器實施。
13. 如申請專利範圍第10項所述之電容式觸控感應電路，其中該高位準電壓選擇器及該低位準電壓選擇器分別具有一解碼器結構。
14. 如申請專利範圍第10項所述之電容式觸控感應電路，其中該弛張震盪控制單元依據該比較器的該輸出信號對一電容感測器充電或使該電容感測器放電。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電容式觸控感應電路，其中當該比較器的該輸出信號為一高邏輯位準時，該弛張震盪控制單元輸出一高邏輯位準電壓以對該電容感測器充電，當該比較器的該輸出信號為一低邏輯位準時，該弛張震盪控制單元輸出一低邏輯位準電壓以使該電容感測器放電。
16. 如申請專利範圍第14項所述之電容式觸控感應電路，其中該高參考位準等於該電容感測器的一充電上限電壓值，且該低參考位準等於該電容感測器的一放電 下限電壓值。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電容式觸控感應電路，其中於該第一輸入端電壓上升至大於該第二輸入端電壓的瞬間，該電壓切換控制器將該低位準群組電壓源連接至該比較器的該第二輸入端，且於該第一輸入端電壓下降至小於該第二輸入端電壓的瞬間，該電壓切換控制器將該高位準群組電壓源連接至該比較器的該第二輸入端。
18. 如申請專利範圍第10項所述之電容式觸控感應電路，其中該延遲單元為一唯讀記憶體、一隨機儲存記憶體或一暫存器。