TWI615617B - 電容感測裝置及其感測方法 - Google Patents
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Abstract
一種電容感測裝置及其感測方法。分別提供不同參考頻率的振盪信號給驅動電路以及混波器，混波器將具有較低參考頻率的振盪信號與帶通濾波信號進行混波，並在進行混波之前，透過帶通濾波電路先對感測信號進行帶通濾波。
Description
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種電容感測裝置及其感測方法。
傳統的電容量測方法可依據待測物的物理特性來決定量測訊號的頻段。例如觸控晶片可利用50KHz~300KHz的頻段來量測電容的變化量。但是在主動筆或是指紋辨識的運用中，有可能運用到1MHz或是10MHz的頻段來進行量測。在一般的電容感測裝置中，調變裝置與解調裝置依據相同的振盪信號進行信號調變與解調變，因此沒有頻率不同步或相位不同步的問題。然而為了避免電容感測信號被鄰近的雜訊信號干擾，須於電容感測裝置中加入高階數的帶通濾波器，以求有效地濾除雜訊，而高階數的帶通濾波器通常具有昂貴的價格，如此將大幅提高電容感測裝置的製造成本。
此外，另一種避免電容感測信號被鄰近的雜訊信號干擾的方式，為在類比數位轉換器後配置帶通濾波器，由於數位帶通濾波器較類比帶通濾波器的成本低，因此可降低製造成本，然此方式將提高類比數位轉換器的電路複雜度。
本發明提供一種電容感測裝置及其感測方法，可有效地降低類比數位轉換電路的電路複雜度以及電容感測裝置的製造成本。
本發明的電容感測裝置，包括電容感測電路、驅動電路、帶通濾波電路、混波器、低通濾波電路、類比轉數位電路以及信號處理電路。驅動電路耦接電容感測電路，依據具有第一參考頻率的第一振盪信號產生驅動信號至電容感測電路，而使電容感測電路產生感測信號。帶通濾波電路耦接電容感測電路，對感測信號進行帶通濾波，以產生帶通濾波信號。混波器耦接帶通濾波電路，將具有第二參考頻率的第二振盪信號與帶通濾波信號進行混波，以產生混波信號，其中第一參考頻率大於第二參考頻率。低通濾波電路耦接混波器，對混波信號進行低通濾波，以產生低通濾波信號。類比轉數位電路耦接低通濾波電路，將低通濾波信號轉為數位信號。信號處理電路耦接類比轉數位電路，依據數位信號計算電容感測電路的電容感測量。
在本發明的一實施例中，上述的帶通濾波電路濾除感測信號的負頻的信號成分。
在本發明的一實施例中，上述的低通濾波電路為抗混疊失真(anti-aliasing)濾波電路。
在本發明的一實施例中，上述的信號處理電路包括延遲控制電路以及數位信號處理器。延遲控制電路耦接類比轉數位電路。數位信號處理器耦接延遲控制電路，依據數位信號的資料訊框週期調整延遲控制電路延遲數位信號的時間，以同步接收數位信號。
在本發明的一實施例中，上述的電容感測裝置更包括第一振盪器、第二振盪器、第一頻率計數器、第二頻率計數器以及頻率控制器。第一振盪器耦接驅動電路，產生第一振盪信號。第二振盪器耦接驅動電路，產生第二振盪信號。第一頻率計數器對第一振盪信號進行頻率計數，以產生第一頻率計數值。第二頻率計數器對第二振盪信號進行頻率計數，以產生第二頻率計數值。頻率控制器耦接第二振盪器、第一頻率計數器與第二頻率計數器，依據第一頻率計數值與第二頻率計數值控制第二振盪器調整第二振盪信號的頻率。
本發明還提供一種電容感測裝置的感測方法，包括下列步驟。依據具有第一參考頻率的第一振盪信號產生驅動信號至電容感測電路，而使電容感測電路產生感測信號。對感測信號進行帶通濾波，以產生帶通濾波信號。將具有第二參考頻率的第二振盪信號與帶通濾波信號進行混波，以產生混波信號，其中第一參考頻率大於第二參考頻率。對混波信號進行低通濾波，以產生低通濾波信號。將低通濾波信號轉為數位信號。依據數位信號計算電容感測電路的電容感測量。
在本發明的一實施例中，上述對感測信號進行帶通濾波的步驟包括，濾除感測信號的負頻的信號成分。
在本發明的一實施例中，上述對混波信號進行低通濾波的步驟包括，對混波信號進行抗混疊失真濾波。
基於上述，本發明的實施例分別提供不同參考頻率的振盪信號給驅動電路以及混波器，其中混波器將具有較低參考頻率的振盪信號與帶通濾波信號進行混波，以進行解調變，避免類比數位轉換電路處理高頻信號，而可降低類比數位轉換電路的電路複雜度。另外，在進行混波之前，透過帶通濾波電路先對感測信號進行帶通濾波，以降低帶通濾波電路的規格需求，進而節省電容感測裝置的製造成本。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明的一實施例的電容感測裝置的示意圖，請參照圖1。電容感測裝置可應用於電容式觸控裝置(如手機、平板電腦…等等)，其包括驅動電路102、電容感測電路104、帶通濾波電路106、混波器108、低通濾波電路110、類比轉數位電路112(Analog-to-Digital Converter, ADC)、信號處理電路114、振盪器116以及振盪器118，其中驅動電路耦接振盪器116以及電容感測電路104，帶通濾波電路106耦接電容感測電路104與混波器108，混波器108更耦接振盪器118，低通濾波電路110耦接混波器108與類比轉數位電路112，信號處理電路114耦接類比轉數位電路112。
其中驅動電路102用以依據振盪器116提供的振盪信號S1產生驅動信號TX至電容感測電路104，其中振盪信號S1具有第一參考頻率，而使電容感測電路104產生感測信號RX1，電容感測電路104可例如包括感測電容以及信號放大器(未繪示)，感測電容可反應觸控工具(如手指或觸控比)的觸控操作產生電性信號，信號放大器則可放大感測電容產生的電性信號而輸出感測信號RX1。帶通濾波電路106可對感測信號RX1進行帶通濾波，以產生帶通濾波信號，進一步來說，帶通濾波電路106可例如濾除感測信號RX1的負頻的信號成分。混波器108可將振盪器118提供的振盪信號S2與帶通濾波信號進行混波，以產生混波信號RX2，其中振盪信號S2具有第二參考頻率，且第一參考頻率大於第二參考頻率。低通濾波電路110可對混波信號RX2進行低通濾波，以產生低通濾波信號，低通濾波電路110可例如為抗混疊失真(anti-aliasing)濾波電路，然不以此為限。類比轉數位電路112將低通濾波信號轉為數位信號輸出至信號處理電路114，信號處理電路114則依據數位信號計算電容感測電路的電容感測量，以判斷電容感測電路104是否被觸控工具觸碰。
如此藉由分別提供不同參考頻率的振盪信號S1、S2給驅動電路102以及混波器108，使混波器將具有較低參考頻率的振盪信號S2與帶通濾波信號進行混波，以進行解調變，可避免讓類比數位轉換電路112處理高頻信號，進而可降低類比數位轉換電路的電路複雜度。此外，藉由在進行混波之前，透過帶通濾波電路106將負頻的信號成分濾除，並在混波後再透過低通濾波電路110進行低通濾波，除了可有效地將雜訊信號濾除外，由於帶通濾波的動作在混波之前進行，感測信號RX1的正頻與負頻的信號成分在頻域上相距較遠，因此不須配置高階數的帶通濾波器來進行帶通濾波，而可大幅地節省容感測裝置的製造成本。
舉例來說，圖2是依照本發明的一實施例對感測信號進行濾波的示意圖，請參照圖2。在本實施例中，感測信號RX1包括10MHz以及9.9MHz的正頻信號成分與負頻信號成分，其中位於9.9MHz處的信號為雜訊信號。由於正頻信號成分與負頻信號成分在頻域上相距20MHz，因此可不須使用高階數的帶通濾波器進行帶通濾波，即可將負頻的信號成分濾除。濾除負頻的信號成分的感測信號RX1(亦即帶通濾波電路106輸出的帶通濾波信號)再經混波器108與具有較低參考頻率的振盪信號S2進行混波後，可將正頻的信號成分降至50KHz，而後再藉由低通濾波電路110將雜訊信號(如虛線所示)濾除。如此一來，便可有效地濾除雜訊信號，且可避免讓類比數位轉換電路112處理高頻信號，而可降低數位轉換電路112的電路複雜度。值得注意的是，本實施例雖以10MHz的感測信號RX1為例進行說明，感測信號RX1的頻率並不以此為限，隨著驅動信號TX的頻率不同，感測信號RX1亦可能為其它頻率，如1MHz。此外，混波器108所輸出的混波信號RX2的頻率亦不限定於50KHz，設計者可以實際情形將振盪信號S2調整至的適當頻率，以將混波信號RX2調整至所需的頻率。
圖3是依照本發明另一實施例的電容感測裝置的示意圖，請參照圖3。在本實施例中，電容感測裝置更包括頻率計數器202、頻率計數器204以及頻率控制器206，其中頻率計數器202耦接振盪器116以及頻率控制器206，頻率控制器206還耦接頻率計數器204以及振盪器118，頻率計數器204還耦接振盪器118。頻率計數器202與頻率計數器204可分別對振盪信號S1與振盪信號S2進行頻率計數，而分別產生第一頻率計數值與第二頻率計數值。頻率控制器206則可依據第一頻率計數值與第二頻率計數值控制振盪器118調整振盪信號S2的頻率，以調整混波信號RX2的頻率，並可避免振盪器116以及118的振盪特性不同而造成的頻率不同步問題。此外，本實施例的信號處理電路114可包括延遲控制電路208與數位信號處理器210(Digital Signal Processor, DSP)，其中延遲控制電路208耦接類比數位轉換電路112與數位信號處理器210。數位信號處理器210可依據類比數位轉換電路112所輸出的數位信號的資料訊框週期調整延遲控制電路208延遲數位信號的時間，以同步接收數位信號，確保數位信號處理器210可在類比數位轉換電路112所輸出的數位信號的每一資料訊框的起始位置開始同步取樣資料訊框。
圖4是依照本發明另一實施例的電容感測裝置的示意圖，請參照圖4。在部分實施例中，電容感測裝置亦可不包括頻率計數器202、頻率計數器204以及頻率控制器206。如圖4所示，電容感測裝置亦可單存地由數位信號處理器210依據類比數位轉換電路112所輸出的數位信號的資料訊框週期調整延遲控制電路208延遲數位信號的時間，來確保數位信號處理器210可在類比數位轉換電路112所輸出的數位信號的每一資料訊框的起始位置開始同步取樣資料訊框，而同樣達到頻率同步以及相位同步的效果。
圖5依照本發明的一實施例的電容感測裝置的感測方法的流程示意圖，請參照圖5。由上述實施例可知，電容感測裝置的感測方法可至少包括下列步驟。首先，依據具有第一參考頻率的第一振盪信號產生驅動信號至電容感測電路，而使電容感測電路產生感測信號(步驟S502)。接著，對感測信號進行帶通濾波，以產生帶通濾波信號(步驟S504)，其中對感測信號進行帶通濾波可濾除感測信號的負頻的信號成分。然後，將具有第二參考頻率的第二振盪信號與帶通濾波信號進行混波，以產生混波信號，其中第一參考頻率大於第二參考頻率(步驟S506)。之後，對混波信號進行低通濾波，以產生低通濾波信號(步驟S508)，例如可對混波信號進行抗混疊失真濾波，然不以此為限。然後，將低通濾波信號轉為數位信號(步驟S510)。最後，再依據數位信號計算電容感測電路的電容感測量(步驟S512)。
綜上所述，本發明的實施例分別提供不同參考頻率的振盪信號給驅動電路以及混波器，其中混波器將具有較低參考頻率的振盪信號與帶通濾波信號進行混波，以進行解調變，避免類比數位轉換電路處理高頻信號，而可降低類比數位轉換電路的電路複雜度。另外，在進行混波之前，透過帶通濾波電路先對感測信號進行帶通濾波，以降低帶通濾波電路的規格需求，進而節省電容感測裝置的製造成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
102：驅動電路 104：電容感測電路 106：帶通濾波電路 108：混波器 110：低通濾波電路 112：類比轉數位電路 114：信號處理電路 116、118：振盪器 202、204：頻率計數器 206：頻率控制器 208：延遲控制電路 210：數位信號處理器 S502~S512：電容感測裝置的感測方法步驟 S1、S2：振盪信號 RX1：感測信號 RX2：混波信號
圖1是依照本發明一實施例的電容感測裝置的示意圖。 圖2是依照本發明的一實施例對感測信號進行濾波的示意圖。 圖3是依照本發明另一實施例的電容感測裝置的示意圖。 圖4是依照本發明另一實施例的電容感測裝置的示意圖。 圖5依照本發明的一實施例的電容感測裝置的感測方法的流程示意圖。
102：驅動電路 104：電容感測電路 106：帶通濾波電路 108：混波器 110：低通濾波電路 112：類比轉數位電路 114：信號處理電路 116、118：振盪器 S1、S2：振盪信號 RX1：感測信號 RX2：混波信號
Claims (8)
- 一種電容感測裝置，包括：一電容感測電路；一第一振盪器，產生具有一第一參考頻率的一第一振盪信號；一第二振盪器，產生具有一第二參考頻率的該第二振盪信號，其中該第一參考頻率大於該第二參考頻率；一驅動電路，耦接該電容感測電路以及該第一振盪器，依據該第一振盪信號產生一驅動信號至該電容感測電路，而使該電容感測電路產生一感測信號；一帶通濾波電路，耦接該電容感測電路，對該感測信號進行帶通濾波，以產生一帶通濾波信號；一混波器，耦接該帶通濾波電路以及該第二振盪器，將該第二振盪信號與該帶通濾波信號進行混波，以依據該第二參考頻率產生一混波信號；一低通濾波電路，耦接該混波器，對該混波信號進行低通濾波，以產生一低通濾波信號；一類比轉數位電路，耦接該低通濾波電路，將該低通濾波信號轉為一數位信號；以及一信號處理電路，耦接該類比轉數位電路，依據該數位信號計算該電容感測電路的電容感測量。
- 如申請專利範圍第1項所述的電容感測裝置，其中該帶通濾波電路濾除該感測信號的負頻的信號成分。
- 如申請專利範圍第1項所述的電容感測裝置，其中該低通濾波電路為抗混疊失真(anti-aliasing)濾波電路。
- 如申請專利範圍第1項所述的電容感測裝置，其中該信號處理電路包括：一延遲控制電路，耦接該類比轉數位電路；一數位信號處理器，耦接該延遲控制電路，依據該數位信號的資料訊框週期調整該延遲控制電路延遲該數位信號的時間，以同步接收該數位信號。
- 如申請專利範圍第4項所述的電容感測裝置，更包括：一第一頻率計數器，對該第一振盪信號進行頻率計數，以產生一第一頻率計數值；一第二頻率計數器，對該第二振盪信號進行頻率計數，以產生一第二頻率計數值；以及一頻率控制器，耦接該第二振盪器、該第一頻率計數器與該第二頻率計數器，依據該第一頻率計數值與該第二頻率計數值控制該第二振盪器調整該第二振盪信號的頻率。
- 一種電容感測裝置的感測方法，包括：產生具有一第一參考頻率的一第一振盪信號；產生具有一第二參考頻率的一第二振盪信號，其中該第一參考頻率大於該第二參考頻率；依據該第一振盪信號產生一驅動信號至一電容感測電路，而使該電容感測電路產生一感測信號； 對該感測信號進行帶通濾波，以產生一帶通濾波信號；將該第二振盪信號與該帶通濾波信號進行混波，以依據該第二參考頻率產生一混波信號，其中該第一參考頻率大於該第二參考頻率；對該混波信號進行低通濾波，以產生一低通濾波信號；將該低通濾波信號轉為一數位信號；以及依據該數位信號計算該電容感測電路的電容感測量。
- 如申請專利範圍第6項所述的電容感測裝置的感測方法，其中對該感測信號進行帶通濾波的步驟包括：濾除該感測信號的負頻的信號成分。
- 如申請專利範圍第6項所述的電容感測裝置的感測方法，其中對該混波信號進行低通濾波的步驟包括：對該混波信號進行抗混疊失真濾波。
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