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TWI618361B - 具有一可變取樣與保持電容器之微控制器類比至數位轉換器 - Google Patents

具有一可變取樣與保持電容器之微控制器類比至數位轉換器 Download PDF

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TWI618361B
TWI618361B TW101136984A TW101136984A TWI618361B TW I618361 B TWI618361 B TW I618361B TW 101136984 A TW101136984 A TW 101136984A TW 101136984 A TW101136984 A TW 101136984A TW I618361 B TWI618361 B TW I618361B
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sample
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查克 倫德史特姆
凱斯 克堤斯
柏克 戴維森
尚恩 史迪曼
言恩 萊佛
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微晶片科技公司
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Abstract

一種類比至數位轉換器(ADC)模組包含：一類比至數位轉換器，其與一類比匯流排耦合，其中該類比至數位轉換器包括一主要取樣與保持電容器；及複數個額外取樣與保持電容，其可與該主要取樣與保持電容可程式化地並聯耦合。

Description

具有一可變取樣與保持電容器之微控制器類比至數位轉換器
本發明係關於特定而言供在一微控制器中使用且更特定而言供在具有電容性觸碰感測電路之微控制器中使用之類比至數位轉換器。
本申請案主張於2011年10月6日提出申請之標題為「Microcontroller ADC with a Variable Sample and Hold Capacitor」之序號為61/544,183之美國臨時申請案之優先權，該臨時申請案如同完全陳述於本文中一般特此以全文引用方式併入本文中。
一人手或手指對一電容性感測器之觸碰或接近一電容性近接感測器改變電容性感測器之某些參數，尤其係內建至用於(舉例而言)人機介面裝置(例如，小鍵盤或鍵盤)中之觸碰感測器中之一電容器之電容值。現在微控制器包含增強對此等電容性觸碰感測器之偵測及評估之周邊設備。一個此種應用利用電容性分壓(CVD)來評估是否已觸碰一電容性觸碰元件。
電容性觸碰系統之解析度受感測器之電容(實際感測器之電容及系統寄生電容兩者)限制。然而，當在高雜訊環境中操作具有高容量電容之此等感測器時，習用系統中之解析度可不足夠。
根據各項實施例，可在藉由一使用者之軟體控制下調整 一取樣與保持電容以更緊密地匹配一感測器電容。
一種根據某些實施例之微控制器包含：複數個埠，其與一類比匯流排耦合；一類比至數位轉換器，其與該類比匯流排耦合，其中該類比至數位轉換器包括一主要取樣與保持電容器；及複數個額外取樣與保持電容，其可與該主要取樣與保持電容可程式化地並聯耦合。
一種根據某些實施例之ADC模組包含：一類比至數位轉換器，其與一類比匯流排耦合，其中該類比至數位轉換器包括一主要取樣與保持電容器；及複數個額外取樣與保持電容，其可與該主要取樣與保持電容可程式化地並聯耦合。
一種根據某些實施例之方法包含：提供與一類比匯流排耦合之複數個埠；提供與該類比匯流排耦合之一類比至數位轉換器，其中該類比至數位轉換器包括一主要取樣與保持電容器；及提供可與該主要取樣與保持電容可程式化地並聯耦合之複數個額外取樣與保持電容。
在一CVD系統中，當感測器同取樣與保持電容器大約相等時達成最大解析度。根據實施例，提供額外取樣與保持電容且可將該等額外取樣與保持電容可程式化地添加至現有取樣與保持電容器。因此，此電路允許使用者藉助大電容感測器增加系統之取樣與保持電容器之大小。根據一項實施例，一使用者可程式化控制開關以將額外取樣與保持電容並聯添加至一主要取樣與保持電容之一暫存器。
根據其他實施例，可實施將首先使用電容至數位轉換之CVD(電容性分壓)方法對電容性感測器中之每一者執行一轉換，然後判定每一感測器之最佳取樣與保持電容且在最大解析度之每一感測器之轉換之前預設該取樣與保持電容的軟體或韌體。
因此，系統可進一步包含自動量測連接至微控制器之每一電容性感測器之外部感測器電容之在微控制器上實施或與微控制器一起實施之一控制單元，舉例而言，一狀態機。因此，在一校準階段期間，可判定此等值且將該等值儲存於一校準表中。此表可然後用以在連接至外部感測器之各別埠與ADC單元耦合以供量測時調整取樣與保持電容器之額外電容。
現在參考圖式，示意性地圖解說明特定實例性實施例之細節。圖式中之相似元件將由相似編號表示，且類似元件將由具有一不同小寫字母後綴之相似編號表示。
參考圖1，其繪示根據本發明之教示內容之具有一電容性觸碰小鍵盤、一電容性觸碰類比前端及一數位處理器之一電子系統之一示意性方塊圖。一微控制器積體電路裝置101可包含一數位處理器與記憶體106、一類比至數位轉換器(ADC)控制器110、若干輸入-輸出(I/O)埠(節點)中之一或多者、一類比至數位轉換器(ADC)、精確計時器、多功能輸入及輸出節點、數位至類比轉換器(DAC)或其組合。 一電容性觸碰類比前端(AFE)104可藉助微處理器101之前述功能中之某些功能來實施。電容性觸碰AFE 104可透過 一類比多工器(未展示)耦合至電容性感測器鍵102(例如，按鈕、槓桿、撥桿、靶標、把手、旋鈕等)之一矩陣。
ADC控制器110及電容性觸碰AFE 104藉助一單個低成本積體電路微控制器101促進判定何時存在改變一相關聯電容性感測器之電容值的電容性感測器之致動(例如，藉由按壓及偏轉一靶標鍵)所需之所有作用功能。電容性觸碰AFE 104量測電容性感測器鍵102之矩陣之每一感測器之電容值且將該等電容值轉換成各別類比直流(DC)電壓，該等各別類比DC電壓藉助一類比至數位轉換器(ADC)(未展示)讀取且轉換成數位值且由數位處理器106讀取。
ADC控制器110可控制電容性觸碰AFE 104、用於將鍵102之電容觸碰感測器充電及放電之開關、判定電容值所需之步驟之時序、一類比至數位轉換器(ADC)之一取樣與保持電容器上之充電電壓之取樣及轉換等。ADC控制器110可係可程式化的且其可程式化參數儲存於暫存器(未展示)中。
數位處理器106可將時脈及控制請求功能供應至ADC控制器110、自ADC讀取數位輸出且選擇電容性感測器鍵102之矩陣中之每一鍵。當判定電容性感測器鍵102之矩陣中之一鍵之致動時，數位處理器106將採取一適當行動。在微晶片技術公司(Microchip Technology Incorporated)申請案備註AN1298、AN1325及AN1334中更全面地揭示各種電容性觸碰系統之更詳細說明，該等申請案備註可在www.microchip.com處獲得且出於所有目的而特此以引用 方式併入本文中。
現在翻至圖2，其展示圖解說明根據實施例之一ADC電路之一高階方塊圖。電路200包含一ADC核心202，ADC核心202包含一取樣與保持電容器203。取樣與保持上拉/下拉開關204操作以將一類比匯流排205充電/放電，如下文將更詳細地解釋。當該等開關斷開時，該電路充當一傳統ADC。該等開關允許CVD排序器將ADC取樣與保持電容器203預充電至Vdd或Vss。
額外取樣與保持電容器208耦合至匯流排且可程式化地操作以設定最大解析度之一總取樣與保持電容。電路200可進一步包含耦合至節點211之埠邏輯212，節點211接收來自感測器電容器210之輸入。另外，邏輯214可提供至一節點(接針)213之一直接類比連接以更動控制埠邏輯212。
圖3A及圖3B更詳細地展示一組可調整ADC取樣與保持電容器208。在一CVD(電容性分壓)轉換之過程期間，將內部取樣與保持電容203(圖2)充電。同時，將感測器電容器210(圖2)放電。當兩個電容連接在一起時，其均分取樣與保持電容器中之電荷。
更特定而言，如圖3A中所展示，複數個節點211可耦合至一類比匯流排205及自類比匯流排205解耦(例如，選擇複數個電容性觸碰感測器中之每一者)。一直接連接可將節點213與類比匯流排205耦合在一起。一開關302可將額外取樣與保持電容器208耦合至類比匯流排205及自類比匯流排205解耦。上拉/下拉開關204可用以將類比匯流排205 充電至Vdd及將類比匯流排205放電至Vss。
參考圖3B，其繪示根據另一實施例之類比與數位連接組態之一示意性方塊圖。複數個類比通過閘開關304可實施一類比多工器且將複數個節點211耦合至類比匯流排205及自類比匯流排205解耦(例如，選擇複數個電容性觸碰感測器中之每一者)。一直接連接將節點213與類比匯流排205耦合在一起，或者一選用類比通過閘開關306可將節點213耦合至類比匯流排205及自類比匯流排205解耦。若類比多工器經設計以允許閉合一個以上開關，則額外通過閘開關306可係該多工器之部分。複數個開關302可將額外取樣與保持電容器208耦合至類比匯流排205及自類比匯流排205解耦。上拉/下拉開關204可用以將類比匯流排205充電至Vdd及將類比匯流排205放電至Vss。
如上文所提及，可(舉例而言)在製造期間或回應於一校準階段而由一程式員將額外取樣與保持電容器208之數目及電容值程式化至ADC控制器110之一或多個暫存器中。在校準階段期間，可判定連接至微控制器之每一電容性感測器之外部感測器電容且將其儲存於一校準表中。此表可然後用以在連接至外部感測器之各別埠與ADC單元耦合以供量測時調整取樣與保持電容器之額外電容。然後連同用於CVD轉換之標準取樣與保持電容器一起使用額外取樣與保持電容208，如下文將更詳細地解釋。
參考圖4A，其繪示經由一類比通過閘開關支援一數位I/O及一類比功能之多功能埠邏輯212之一示意性方塊圖， 其中(另外)可更動控制該類比功能以將連接至具有ADC控制器邏輯之埠之一電容性觸碰感測器預充電及放電，如下文將更詳細地論述。此一埠邏輯可用於外部接針211中之任一者，且當類比多工器經組態以允許閉合一個以上開關時，彼時亦用於接針211。節點211處之數位與類比功能之間的切換可係處理器密集的且可需要一複雜程式以適當地處置節點211所需之所有相關數位及類比功能，如下文更全面地闡述。為了解除在設置及判定期間處理器106、每一電容性感測器之電容值之負載(例如，程式步驟及/或控制功能)，可將一ADC更動控制特徵併入至本文中所闡述之電容性觸碰判定電路中。
併入圖4A中所展示之電路功能之一專用ADC控制器之使用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，亦可省略更動控制功能。
返回至圖4A，具有一個三態輸出之一數位驅動器404耦合至外部節點211且由來自一多工器408之一個三態控制信號控制。來自一多工器408之一數位輸出信號耦合至數位驅動器404之一輸入。一類比通過閘開關304由類比開關邏輯402控制。當ADC更動控制啟用信號處於一邏輯低時，多工器408耦合三態控制信號以控制數位驅動器404之三態輸出，且多工器406將數位輸出信號耦合至數位驅動器404之輸入。ADC通道選擇(類比匯流排控制)控制類比通過閘開關304以將節點211直接耦合至類比匯流排205，如下文 更全面地闡述。
然而，當ADC更動控制啟用信號處於一邏輯高時，多工器408耦合ADC更動控制資料啟用信號以控制數位驅動器404之三態輸出，且多工器406將ADC更動控制資料信號耦合至數位驅動器404之輸入。迫使類比通過閘開關304將類比匯流排205自節點211解耦。在此組態中，ADC更動控制資料啟用信號及ADC更動控制資料信號可由一ADC邏輯控制器(未展示)提供，且可用以在不需要來自數位處理器106之程式密集行動之情況下將耦合至節點211之一電容性觸碰感測器充電或放電。
此外，根據再一些實施例，如所展示之埠邏輯可用以形成用於每一外部接針之一通用埠邏輯，如(舉例而言)圖4B中所展示。因此，用於所有外部接針之一通用埠邏輯可具有可經獨立控制以連接至類比匯流排205之兩個通過閘304a、304b，或者可具有一單個通過閘，該單個通過閘係允許由一獨立啟用信號控制的類比多工器之部分。更特定而言，如圖4B中所展示，額外邏輯420、426、428經提供以選擇通過閘304a、304b之操作以繞過埠邏輯。
如上文所提及，且如下文將更詳細地論述，根據實施例之一CVD轉換可在一轉換階段之前實施一預充電階段及一共用/獲取階段。在預充電期間，將內部電容器及外部電容器充電及放電；在共用/獲取期間，外部電容器與內部電容器共用一電荷。參考圖5至圖7更特定地圖解說明由排序器實施之功能性。
圖5圖解說明預充電及共用/獲取階段之例示性時序。特定而言，在某些實施例中，預充電階段502係用以將外部通道210及內部取樣與保持電容器203置於預處理狀態中之一選用1至127指令循環時間。在此階段(圖6)期間，將取樣與保持電容器203短接至Vdd或Vss(取決於上拉/下拉電路204)，更動控制埠接針邏輯601，且迫使類比多工器602斷開。
返回至圖5，根據某些實施例之共用/獲取時間504亦係用以允許自選定類比通道將內部取樣與保持電容器203上之電壓充電或放電之一選用1至127指令循環時間。在獲取階段504之開始處，如圖7中所展示，選定ADC通道藉助多工器602連接至取樣與保持電容器203。若先前階段係預充電階段，則該時間允許一外部通道同取樣與保持電容器之間的電荷共用。
現在參考圖8，其展示圖解說明根據實施例之一例示性ADC模組之一圖式。該模組包含一數位控制件110及類比前端104。控制器110包含暫存器邏輯802及控制邏輯806。暫存器邏輯802可藉助各種控制件(包含用於控制額外電容206之開關之控制件)而程式化。
在圖21及圖22中展示適合於供在如所闡述之實施例中使用之例示性電容性成測器鍵。
現在參考圖21，其繪示圖1中所展示之電容性感測器鍵之一示意性立面圖。一基板2004(例如，印刷電路板(PCB))可具有可用於電磁干擾(EMI)屏蔽之一接地平面 2006。電容性感測器板2008可轉置於基板2004之一面上且接近於接地平面2006。其他電路導體2010(例如，PCB跡線)亦可緊接近於電容性感測器板2008。觸碰靶標2012覆於電容性感測器板2008中之各別者上且可在其間具有一氣隙2014。覆蓋物2016可放置於觸碰靶標2012上或係觸碰靶標2012之部分且可具有刻於其上之字母-數字資訊。電容性觸碰鍵108中之每一者包括一感測器板2008、觸碰靶標2012及覆蓋物2016。介電間隔件2018位於電容性觸碰鍵108中之每一者之間。
接地平面2006及/或電路導體2010可處於不同於電容性感測器板2008之電壓電位。此可在電容性感測器板2008與緊接近於電容性感測器板2008之接地平面2006及/或電路導體2010之部分之間形成寄生電容。
參考圖22，其繪示根據本發明之一特定實例性實施例之在圖1中展示且具有圍繞電容性感測器中之每一者之電容性護環之電容性感測器鍵之一示意性立面圖。圍繞電容性感測器板2008中之每一者之一護環3020添加至電容性感測器鍵102a。在其他方面，所有其他元件與圖20中所展示之電容性感測器鍵102實質上相同。藉由在護環3020上維持與各別電容性感測器板2008上之電壓實質上相同之一電壓，寄生電容顯著減小。藉此增加在對電容性感測器板2008之一觸碰期間發生之電容性感測器板2008之一電容值改變之偵測解析度。另外，提供增強之雜訊屏蔽不影響偵測解析度，但在圖20中所展示之組態中其將影響。在此一 實施例中，在電容性感測器板208與護環320之間實質上不存在寄生電容，此乃因兩者處於實質上相同電壓電位。
參考圖9，其繪示根據本發明之一特定實例性實施例之具有針對一電容性感測器及一相關聯護環之CVD處理能力之一混合信號積體電路裝置之一示意圖。當使用判定電容性感測器板2008之電容值之電容性分壓器(CVD)方法時，可應用圖9中所展示之混合信號積體電路裝置101(例如，一微控制器)。藉由首先判定一未經觸碰電容性感測器板2008之電容值且然後判定一經觸碰電容性感測器板2008之一隨後電容值，對彼電容性感測器板2008之一觸碰可基於其電容改變而判定。在CVD中，將兩個電容器充電/放電至相反電壓值。然後，將該兩個帶相反電荷之電容器耦合在一起且在該經連接兩個電容器上量測一所得電壓。在共同擁有之第US 2010/0181180號美國專利申請公開案中呈現CVD之一更詳細解釋，該專利申請公開案出於所有目的而以引用方式併入本文中。圖9中所展示之開關可係(舉例而言但不限於)場效電晶體(FET)開關。節點928及930係分別耦合至各別內部單線(導體)類比匯流排932及934之類比節點。
電容性感測器板2008之電容藉由可變電容器904(第一CVD電容器)表示，且若第二CVD電容器同取樣與保持電容器916具有相當接近之電容值(例如，1：1至約3：1)，則第二CVD電容器可係取樣與保持電容器916。在CVD中此情形之原因係來自一個電容器之電荷之部分轉移至不具有電 荷或具有一相反電荷之另一電容器。舉例而言，當兩個CVD電容器值相等時，一個電容器上之一半電荷將轉移至另一電容器。一個二比一電容比將取決於最初將電容器中之哪一者充電而導致電荷之1/3轉移至較小(1/2C)電容器或自較小(1/2C)電容器獲得。當取樣與保持電容器916實質上小於電容性感測器電容器904時，可將額外電容906a外部地添加至節點928，及/或可獨立於節點928添加內部電容906b以使得電容器916、906a及/或906b之經組合電容具有相對於電容性感測器電容904之電容值足夠之電容以滿足上文準則。此導致使用CVD判定一電容值之最佳解析度。電容器916亦係用以取樣及保持在電荷於兩個CVD電容器之間轉移之後所得之類比電壓之取樣與保持電容器。一旦電荷轉移完成，一類比至數位轉換器(ADC)918便將所得充電電壓轉換成一數位值，該數位值由ADC控制器110/數位處理器106讀取以供進一步處理及判定觸碰感測器電容器904之電容值。
在本文中下文中所呈現之實例中，電容器904(第一CVD電容器)、電容器906a(一經外部連接電容器)及/或電容器906b(一經內部連接電容器)之電容值可經選擇以同取樣與保持電容器916組合以取決於第一CVD電容器904被放電至Vss還是被充電至Vdd及電容器906與電容器916之組合被充電至Vdd還是被放電至Vss而分別產生Vdd電壓之1/3或2/3之一經組合充電電壓。在此實例中，電容器904係電容器906與電容器916之經並聯連接組合之電容之約兩倍電容。 在將兩個帶相反極性電荷之CVD電容器耦合在一起之後的所得靜態電壓將在最初將電容器904放電至Vss時係約1/3×Vdd且在最初將電容器904充電至Vdd時係約2/3×Vdd。
知曉並聯連接之所有電容器之組合之預期靜態電壓允許形成環繞各別感測器板208之護環3020之適當電壓，各別感測器板208由數位處理器106評估一電容值。當期望護環3020上之電壓為Vdd時，來自數位驅動器912及914兩者之輸出實質上處於Vdd(邏輯高)。當期望護環3020上之電壓為Vss時，來自數位驅動器912及914兩者之輸出實質上處於Vss(邏輯低)。當期望護環3020上之電壓為1/3×Vdd時，來自數位驅動器914之輸出處於Vss(邏輯低)且來自數位驅動器912之輸出實質上處於Vdd(邏輯高)。當期望護環3020上之電壓為2/3×Vdd時，來自數位驅動器914之輸出處於Vdd(邏輯高)且來自數位驅動器912之輸出實質上處於Vss(邏輯低)。
藉由對電容器906之一電容值以及電阻器908及910之電阻值之適當選擇，可藉由ADC控制器110使用節點924及926處之僅兩個數位輸出容易地產生護環電壓。亦可藉由對電容器906以及電阻器908及910之值之適當選擇有效地使用其他電壓比。舉例而言，若電容器906與電容器916之經組合電容實質上等於電容器904之電容，則隨後經組合電壓將係1/2×Vdd且在適當的情況下電阻器908及910將係實質上相同電阻以在護環電容上產生1/2×Vdd。
參考圖10，其繪示根據本發明之另一特定實例性實施例 之具有針對複數個電容性感測器及一護環之CVD處理能力之一混合信號積體電路裝置之一示意圖。除了存在僅一個單線類比匯流排932a以外，圖10中所展示之混合信號積體電路裝置101b(例如，一微控制器)以與圖9中所展示之裝置101a實質上相同之方式操作；其中藉助開關H將內部電容器906b及906c自匯流排932a解耦，且藉助開關G將外部節點928自匯流排932a解耦。使用僅一組Vdd/Vss開關D及C，其中在與將第二CVD電容器916(及906)放電/充電之時間週期不同之一時間週期期間將第一CVD電容器904充電/放電。此節省一組開關及一第二內部類比匯流排(參見圖9匯流排934)。
另外，複數個開關I用以將用於圖1中所展示之電容性觸碰鍵108中之電容性感測器904中之每一者多工。此等特徵亦可併入至圖9之電路中。類比多工器開關I在電容性觸碰類比前端104掃描電容性觸碰鍵108時選擇複數個感測器電容器904中之各別者。複數個節點930通常係多用途可程式化類比或數位輸入及/或輸出。為了本發明中之解釋之清晰，僅展示經類比輸入/輸出(雙向)組態節點。數位處理器透過數位驅動器912及914針對複數個感測器電容器904中之選定者將節點924及926驅動至適當邏輯位準。
參考圖11，其繪示根據本發明之一特定實例性實施例之具有針對一電容性感測器及相關聯護環之CVD處理能力之一混合信號積體電路裝置之一示意圖。圖11中所展示之混合信號積體電路裝置101b(例如，一微控制器)以與圖9中所 展示之裝置101a實質上相同之方式操作。
視情況，具有一高輸入阻抗之一類比緩衝驅動器914可耦合至節點930，節點930亦耦合至電容器904。類比緩衝驅動器914具有可透過開關J可切換地耦合至節點926之一低阻抗輸出，節點926亦耦合至護環電容902。類比緩衝驅動器914之輸出電壓如實地遵循至其之輸入處之電壓。因此，護環3020上之電壓實質上遵循各別感測器板208上之電壓，各別感測器板208由數位處理器106評估一電容值。
參考圖12，其繪示根據本發明之另一特定實例性實施例之具有針對複數個電容性感測器及一護環之CVD處理能力之一混合信號積體電路裝置之一示意圖。圖12中所展示之混合信號積體電路裝置101d(例如，一微控制器)以與圖10中所展示之裝置101a實質上相同之方式操作。
視情況，當將複數個電容器904中之選定者充電/放電時，具有一高輸入阻抗之一類比緩衝驅動器914可透過開關J耦合於節點926與單線類比匯流排932a之間。類比緩衝驅動器914具有耦合至節點926之一低阻抗輸出，節點926耦合至護環電容902。類比緩衝驅動器914之輸出電壓如實地遵循複數個電容器904中之選定者上之電壓。
關於圖9至圖12，本發明涵蓋且在本發明之範疇內，一微控制器之各項實施例可包含外部節點928以允許一外部電容器906a之連接，如本文中上文所解釋。一(若干)額外可調整電容器906b(及906c)可存在於內部且可切換地耦合至類比匯流排932a。然而，其他實施例可不提供此一外部 節點928。而是，電容916可具有適當值，或者一額外內部電容906b(舉例而言，一可變電容)連接至或可連接至匯流排932。此外，由於每一外部節點926、928及930可係可程式化的以支援多種功能，因此可使用額外開關(圖9中未展示)來允許將節點926、928及930用於如上文所提及之其他功能。
參考圖13及圖14，其繪示根據本發明之特定實例性實施例之電容轉換(圖13)及在此等轉換期間之護環電壓控制(圖14)之示意性電壓-時間圖。在分段I中，電容器906及916(取樣與保持電容器)係充電至Vdd，電容性感測器電容器904係放電至Vss，且護環電容902係放電至Vss(實質上匹配電容器904上之電壓)。在分段II中，電容器906、916及904耦合在一起，且當未按下電容性觸碰鍵108時將得到約1/3×Vdd之一靜態電壓，且當按下電容性觸碰鍵108時將得到比1/3×Vdd稍小之一靜態電壓。護環電容902遵循電容器904(電容性感測器)上之電壓以便最小化其間之任何寄生電容。朝向分段II之端，取樣與保持電容器916自電容器906及904解耦且保持在分段II期間獲得之靜態電壓。在分段III中，電容器904(電容性感測器)上之任何電壓電荷係放電至實質上Vss，然後在分段IV之開始處，電容器904(電容性感測器)及護環電容902係充電至實質上Vdd。同時亦在分段IV中，儲存於取樣與保持電容器916上之靜態電壓由ADC 918轉換成表示靜態電壓且由數位處理器106讀取之一數位值。來自ADC 918之數位值用於判定是否致動 (觸碰)電容性感測器(例如，靜態電壓是否低於自一未經致動觸碰感測器預期之電壓)。當致動(觸碰)觸碰感測器電容器904之電容值時，其電容增加且隨後靜態電壓將藉此小於未致動時之電壓。當將電容器904初始化至Vss時如此。當將電容器904初始化至Vdd時，隨後靜態電壓在未致動該電容性感測器時係約2/3×Vdd。
在分段V中，電容器906及916(取樣與保持電容器)係放電至Vss，電容性感測器電容器904及護環電容902已經充電至Vdd。在分段VI中，電容器906、916及904耦合在一起，且當未按下電容性觸碰鍵108時將得到約2/3×Vdd之一靜態電壓，且當按下電容性觸碰鍵108時將得到比2/3×Vdd稍大之一靜態電壓。護環電容902遵循電容器904(電容性感測器)上之電壓以便最小化其間之任何寄生電容。朝向分段VI之端，取樣與保持電容器916自電容器906及904解耦且保持在分段VI期間獲得之靜態電壓。在分段VII中，電容器904(電容性感測器)係充電至實質上Vdd，然後在分段VIII之開始處電容器904(電容性感測器)及護環電容902係放電至實質上Vss。同時亦在分段VIII中，儲存於取樣與保持電容器916上之靜態電壓由ADC 918轉換成表示靜態電壓且由數位處理器106讀取之一數位值。來自ADC 918之數位值用於判定是否致動(觸碰)電容性感測器(例如，靜態電壓是否低於自一未經致動觸碰感測器預期之電壓)。當致動(觸碰)觸碰感測器電容器904之電容值時，其電容增加且隨後靜態電壓將藉此大於未致動時之電壓。當 將電容器904初始化至Vdd時如此。當將電容器904初始化至Vss時，隨後靜態電壓在未致動電容性感測器時係約1/3×Vdd，如本文中上文所闡述。此等序列針對觸碰鍵108中之每一者重複。此外，藉由每隔一電容性量測循環反轉電壓電荷極性及對電容性量測值求平均值，達成最小化共模雜訊及干擾(例如，60Hz電力線干擾)之一類型之差動操作。
本發明涵蓋且在本發明之範疇內，可或可不存在護環3020。其中，ADC控制器110控制時序、開關及驅動器選擇以用於將電容性觸碰感測器電容器904及ADC取樣與保持電容器916(及906)充電及放電；將電容器904與電容器906耦合在一起，從而致使ADC對所得充電電壓取樣且將該經取樣充電電壓轉換成一數位值，且通知數位處理器106該經取樣充電電壓之該數位值可用。另外，ADC控制器110可控制時序、開關及驅動器選擇以用於將護環3020充電及放電。
參考圖15，其繪示圖9中所展示之電容性轉換系統之一示意性時序圖。關於開關A至F之操作斷開與閉合組合展示節點924、926、928及930上之電壓。本發明涵蓋且在本發明之範疇內可使用具有相等效應之其他及進一步電路設計及時序圖，且熟習電子電路設計且受益於本發明之技術者可複製本文中所闡述之結果。
參考圖16，其繪示圖11中所展示之電容性轉換系統之一示意性時序圖。關於開關A至F之操作斷開與閉合組合展示 節點924、926、928及930上之電壓。圖16基本上表示與圖15中所展示之電壓及時序波形相同之電壓及時序波形。本發明涵蓋且在本發明之範疇內可使用具有相等效應之其他及進一步電路設計及時序圖，且熟習電子電路設計且受益於本發明之技術者可複製本文中所闡述之結果。
參考圖17及圖18，其繪示根據本發明之一特定實例性實施例之電容性轉換之示意性流程圖。圖17及圖18中所繪示之示意性流程圖表示具有圖9、圖10及圖15中所展示之CVD處理能力之混合信號積體電路裝置之操作。可針對一第一電容性量測執行以下步驟。在步驟1102中，開始一電容值轉換。在步驟1104中，將電容器906與電容器916之取樣與保持電容器組合充電至一第一電壓。在步驟1106中，將電容性感測器充電至一第二電壓。該第一電壓可係Vdd且該第二電壓可係Vss或反之亦然。視情況，在步驟1108中，可將電容性感測器護環充電至第二電壓以便最小化原本將由於因電容性感測器與毗鄰導體之間的一電壓電位差導致之靜電電荷而形成於電容性感測器處之寄生電容。
接下來，在步驟1110中，將感測器護環充電/放電至一第三電壓，同時執行其中將先前充電至第一電壓之取樣與保持電容器組合耦合至先前充電至第二電壓之電容性感測器的步驟1112。步驟1110與步驟1112可互換，只要兩者彼此同時發生即可。在步驟1114中，將取樣與保持電容器同電容性感測器耦合在一起達足夠長時間以達成至一靜態第一電荷之一完全穩定。然後，在步驟1116中，將取樣與保 持電容器自電容性感測器解耦且取樣與保持電容器此後保持穩定第一電荷。在步驟1118中，儲存於取樣與保持電容器中之第一電荷至一數位表示之轉換開始。
在步驟1120中，將電容性感測器短暫地放電至第二電壓。在步驟1122中，將電容性感測器充電至第一電壓。視情況，在步驟1124中，將電容性感測器護環充電至第一電壓以便最小化原本將由於因電容性感測器與毗鄰導體之間的一電壓電位差導致之靜電電荷而形成於電容性感測器處之寄生電容。在步驟1126中，第一電荷至其一數位表示之轉換終止且然後由數位處理器106讀取以用於判定電容性感測器108之電容值。
可針對一選用第二電容性量測執行以下步驟。在步驟1128中，將電容器906與電容器916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。視情況，在步驟1132中，將電容性感測器護環充電至第一電壓以便最小化原本將由於因電容性感測器與毗鄰導體之間的一電壓電位差導致之靜電電荷而形成於電容性感測器處之寄生電容。
視情況，接下來在步驟1134中，將感測器護環充電/放電至一第四電壓，同時執行其中將先前充電至第二電壓位準之取樣與保持電容器組合耦合至先前充電至第一電壓之電容性感測器的步驟1136。步驟1134與步驟1136可互換，只要兩者彼此同時發生即可。在步驟1138中，將取樣與保持電容器組合同電容性感測器耦合在一起達足夠長時間以 達成至一靜態第二電荷之一完全穩定。然後，在步驟1140中，將取樣與保持電容器自電容性感測器解耦且取樣與保持電容器此後保持穩定第二電荷。在步驟1142中，儲存於取樣與保持電容器中之第二電荷至一數位表示之一轉換開始。
在步驟1144中，將電容性感測器短暫地放電至第一電壓。在步驟1146中，將電容性感測器充電至第二電壓。視情況，在步驟1148中，將電容性感測器護環充電至第二電壓以便最小化原本將由於因電容性感測器與毗鄰導體之間的一電壓電位差導致之靜電電荷而形成於電容性感測器處之寄生電容。在步驟1150中，第二電荷至其一數位表示之轉換終止且然後由數位處理器106讀取以用於判定電容性感測器108之電容值。獲得第一及第二電荷轉換兩者之一優點係其可經處理以減小共模雜訊及干擾(例如，60Hz電力線干擾)。
參考圖19及圖20，其繪示根據本發明之另一特定實例性實施例之電容性轉換之示意性流程圖。圖19及圖18中所繪示之示意性流程圖表示具有圖11、圖12及圖16中所展示之CVD處理能力之混合信號積體電路裝置之操作。可針對一第一電容性量測執行以下步驟。在步驟1202中，開始一電容值轉換。在步驟1204中，將電容器906與電容器916之取樣與保持電容器組合充電至一第一電壓。在步驟1206中，將電容性感測器及(視情況)電容性感測器護環充電至一第二電壓。該第一電壓可係Vdd且該第二電壓可係Vss或反之 亦然。視情況，可將電容性感測器護環充電至第二電壓以便最小化原本將由於因電容性感測器與毗鄰導體之間的一電壓電位差導致之靜電電荷而形成於電容性感測器處之寄生電容。
在步驟1212中，將先前充電至第一電壓之取樣與保持電容器組合耦合至先前充電至第二電壓之電容性感測器。在步驟1214中，將取樣與保持電容器同電容性感測器耦合在一起達足夠長時間以達成至一共同靜態第一電荷之一完全穩定。然後，在步驟1216中，將取樣與保持電容器自電容性感測器解耦且取樣與保持電容器此後保持穩定第一電荷。在步驟1218中，儲存於取樣與保持電容器中之第一電荷至一數位表示之轉換開始。
在步驟1220中，將電容性感測器及(視情況)護環短暫地放電至第二電壓。在步驟1222中，將電容性感測器及(視情況)護環充電至第一電壓。視情況，可將電容性感測器護環充電至第一電壓以便最小化原本將由於因電容性感測器與毗鄰導體之間的一電壓電位差導致之靜電電荷而形成於電容性感測器處之寄生電容。在步驟1226中，第一電荷至其一數位表示之轉換終止且然後由數位處理器106讀取以用於判定電容性感測器108之電容值。
可針對一選用第二電容性量測執行以下步驟。在步驟1228中，將電容器906與電容器916之取樣與保持電容器組合充電至第二電壓。在步驟1230中，將電容性感測器及(視情況)電容性感測器護環充電至第一電壓。視情況，可 將電容性感測器護環充電至第一電壓以便最小化原本將由於因電容性感測器與毗鄰導體之間的一電壓電位差導致之靜電電荷而形成於電容性感測器處之寄生電容。
在步驟1236中，將先前充電至第二電壓位準之取樣與保持電容器組合耦合至先前充電至第一電壓之電容性感測器。在步驟1238中，將取樣與保持電容器組合同電容性感測器耦合在一起達足夠長時間以達成至一靜態第二電荷之一完全穩定。然後，在步驟1240中，將取樣與保持電容器自電容性感測器解耦且取樣與保持電容器此後保持穩定第二電荷。在步驟1242中，儲存於取樣與保持電容器中之第二電荷至一數位表示之一轉換開始。
在步驟1244中，將電容性感測器及(視情況)護環短暫地放電至第一電壓。在步驟1246中，將電容性感測器及(視情況)護環充電至第二電壓。視情況，可將電容性感測器護環充電至第二電壓以便最小化原本將由於因電容性感測器與毗鄰導體之間的一電壓電位差導致之靜電電荷而形成於電容性感測器處之寄生電容。在步驟1250中，第二電荷至其一數位表示之轉換終止且然後由數位處理器106讀取以用於判定電容性感測器108之電容值。獲得第一及第二電荷轉換兩者之一優點係其可經處理以減小共模雜訊及干擾(例如，60Hz電力線干擾)。
101‧‧‧微控制器積體電路裝置/微處理器/低成本積體電路微控制器/混合信號積體電路裝置/微控制器
101a‧‧‧裝置
101b‧‧‧混合信號積體電路裝置/微控制器
101d‧‧‧混合信號積體電路裝置/微控制器
102‧‧‧電容性感測器鍵/鍵
102a‧‧‧電容性感測器鍵
104‧‧‧電容性觸碰類比前端/類比前端
106‧‧‧數位處理器與記憶體/數位處理器/處理器
108‧‧‧電容性觸碰鍵/觸碰鍵/電容性感測器
110‧‧‧類比至數位轉換器控制器/數位控制件/控制器
200‧‧‧電路
202‧‧‧類比至數位轉換器核心
203‧‧‧取樣與保持電容器/類比至數位轉換器取樣與保持電容器/內部取樣與保持電容/內部取樣與保持電容器
204‧‧‧取樣與保持上拉/下拉開關；上拉/下拉開關；上拉/下拉電路
205‧‧‧類比匯流排
208‧‧‧額外取樣與保持電容器/可調整類比至數位轉換器取樣與保持電容器/額外取樣與保持電容/電容性感測器板/各別感測器板
210‧‧‧感測器電容器/外部通道
211‧‧‧節點/外部接針/接針/外部節點
212‧‧‧埠邏輯/多功能埠邏輯
213‧‧‧節點/接針
214‧‧‧邏輯
302‧‧‧開關
304‧‧‧類比通過閘開關
304a‧‧‧通過閘
304b‧‧‧通過閘
306‧‧‧選用類比通過閘開關/額外通過閘開關
402‧‧‧類比開關邏輯
404‧‧‧數位驅動器
406‧‧‧多工器
408‧‧‧多工器
420‧‧‧額外邏輯
426‧‧‧額外邏輯
428‧‧‧額外邏輯
502‧‧‧預充電階段
504‧‧‧共用/獲取時間；獲取階段
601‧‧‧埠接針邏輯
602‧‧‧類比多工器/多工器
802‧‧‧暫存器邏輯
806‧‧‧控制邏輯
902‧‧‧護環電容
904‧‧‧可變電容器/電容性感測器電容器/電容性感測器電容/觸碰感測器電容器/電容器/第一電容性分壓電容器/電容性感測器/感測器電容器/電容性觸碰感測器電容器
906a‧‧‧額外電容/電容器/經外部連接電容器/外部 電容器
906b‧‧‧內部電容/電容器/經內部連接電容器/內部電容器/額外可調整電容器/額外內部電容/可變電容
906c‧‧‧內部電容器/額外可調整電容器
908‧‧‧電阻器
910‧‧‧電阻器
912‧‧‧數位驅動器
914‧‧‧數位驅動器/類比緩衝驅動器
916‧‧‧取樣與保持電容器/電容器/第二電容性分壓電容器/電容/類比至數位轉換器取樣與保持電容器
918‧‧‧類比至數位轉換器
924‧‧‧節點
926‧‧‧節點/外部節點
928‧‧‧節點/外部節點
930‧‧‧節點/外部節點
932‧‧‧各別內部單線(導體)類比匯流排/匯流排
932a‧‧‧單線類比匯流排/匯流排/類比匯流排
934‧‧‧各別內部單線(導體)類比匯流排/匯流排
2006‧‧‧接地平面
2008‧‧‧電容性感測器板/感測器板/各別電容性感測器板
2010‧‧‧電路導體/印刷電路板跡線
2012‧‧‧觸碰靶標
2014‧‧‧氣隙
2016‧‧‧覆蓋物
2018‧‧‧介電間隔件
3020‧‧‧護環
ADC‧‧‧類比至數位轉換器
G‧‧‧開關
H‧‧‧開關
I‧‧‧開關
J‧‧‧開關
Vdd‧‧‧電壓
Vss‧‧‧電壓
開關
圖1圖解說明根據一實施例之具有一電容性觸碰小鍵盤、一電容性觸碰類比前端及一數位處理器之一電子系統 之一示意性方塊圖；圖2係根據各項實施例之一ADC系統之一高階方塊圖；圖3A及圖3B展示根據各項實施例所使用之各種開關；圖4A及圖4B圖解說明根據本發明之教示內容之經由一類比通過閘開關支援一數位I/O及一類比功能之多功能埠邏輯，其中可更動控制該類比功能以將連接至具有ADC控制器邏輯之埠之一電容性觸碰感測器預充電及放電；圖5展示根據各項實施例之一自動類比至數位轉換之一例示性時序；圖6展示在預充電階段期間之開關位置；圖7展示在獲取/共用階段期間之開關位置；圖8展示根據一實施例之一ADC模組之一方塊圖；圖9圖解說明根據本發明之一特定實例性實施例之具有針對一電容性感測器及相關聯護環之CVD處理能力之一混合信號積體電路裝置之一示意圖；圖10圖解說明根據本發明之另一特定實例性實施例之具有針對複數個電容性感測器及一護環之CVD處理能力之一混合信號積體電路裝置之一示意圖；圖11圖解說明根據本發明之一特定實例性實施例之具有針對一電容性感測器及相關聯護環之CVD處理能力之一混合信號積體電路裝置之一示意圖；圖12圖解說明根據本發明之另一特定實例性實施例之具有針對複數個電容性感測器及一護環之CVD處理能力之一混合信號積體電路裝置之一示意圖； 圖13圖解說明根據本發明之特定實例性實施例之電容轉換之一示意性電壓-時間圖；圖14圖解說明根據本發明之特定實例性實施例之電容轉換及在此等轉換期間之護環電壓控制之一示意性電壓-時間圖；圖15圖解說明圖7中所展示之電容性轉換系統之一示意性時序圖；且圖16圖解說明圖11及圖12中所展示之電容性轉換系統之一示意性時序圖；圖17及圖18展示根據本發明之一特定實例性實施例之電容性轉換之示意性流程圖；圖19及圖20圖解說明根據本發明之另一特定實例性實施例之電容性轉換之示意性流程圖；圖21圖解說明圖1中所展示之電容性感測器鍵之一示意性立面圖；且圖22圖解說明根據本發明之一特定實例性實施例之在圖1中展示且具有圍繞電容性感測器中之每一者之電容性護環之電容性感測器鍵之一示意性立面圖。
101‧‧‧微控制器積體電路裝置/微處理器/低成本積體電路微控制器/混合信號積體電路裝置/微控制器
102‧‧‧電容性感測器鍵/鍵
104‧‧‧電容性觸碰類比前端/類比前端
106‧‧‧數位處理器與記憶體/數位處理器/處理器
108‧‧‧電容性觸碰鍵/觸碰鍵/電容性感測器
110‧‧‧類比至數位轉換器控制器/數位控制件/控制器

Claims (15)

  1. 一種類比至數位轉換器(ADC)模組，其包括：一類比至數位轉換器，其與一類比匯流排耦合，其中該類比至數位轉換器包括耦合在該類比匯流排與接地之間之一主要取樣與保持電容器；及至少一額外取樣與保持電容，其與該主要取樣與保持電容器可程式化地並聯耦合，其中當選定時，在一類比至數位轉換之至少一取樣階段(phase)期間，該至少一額外取樣與保持電容之至少一部分被添加至該主要取樣與保持電容器之一電容。
  2. 一種ADC模組，其包括：一類比至數位核心，其與一類比匯流排耦合，其中該類比至數位核心包括串聯耦合在該類比匯流排與一類比至數位轉換器之間之一主要取樣與保持電容器；及至少一額外取樣與保持電容，其可程式化地耦合在該類比匯流排與接地之間，其中當可程式化地選定時，在一類比至數位轉換之至少一取樣階段期間，該至少一額外取樣與保持電容之至少一部分被添加至該主要取樣與保持電容器之一電容。
  3. 如請求項1或2之ADC模組，其包括複數個額外取樣與保持電容。
  4. 如請求項1或2之ADC模組，其進一步包括控制用於將該至少一額外取樣與保持電容與該主要取樣與保持電容器耦合之至少一開關的一暫存器。
  5. 一種微控制器，其包括如請求項1或2之一ADC模組，該微控制器進一步包括：複數個埠，其與該類比匯流排耦合；及一控制單元，其經組態以控制該至少一額外取樣與保持電容與該類比匯流排之耦合。
  6. 如請求項5之微控制器，其中該控制單元係該微控制器內之一狀態機。
  7. 如請求項5之微控制器，其中該至少一額外取樣與保持電容之一耦合係在該微控制器之一中央處理單元的控制下執行。
  8. 一種電容性觸碰系統，其包括如請求項5之一微控制器，其進一步包括透過該微控制器之一外部埠與該類比匯流排耦合之一外部感測器及經組態以自動量測該外部感測器之一電容的一可程式化控制單元。
  9. 如請求項8之電容性觸碰系統，其中該控制單元經組態以儲存該外部感測器之該經量測值且在該外部感測器耦合至該ADC以供量測時將該等額外取樣與保持電容中之一或多者自動添加至該主要取樣與保持電容器之該電容。
  10. 一種用於操作包括一類比至數位轉換器之一微控制器之方法，其包括：組態一埠作為一類比輸入埠及將該類比輸入埠與一類比匯流排耦合；提供與該類比匯流排耦合之該類比至數位轉換器，其 中該類比至數位轉換器包括一主要取樣與保持電容器；控制將相關聯的至少一額外取樣與保持電容與該類比匯流排耦合或解耦之至少一開關，其中當該至少一開關閉合(close)時，在一類比至數位轉換之至少一取樣階段期間，該至少一額外取樣與保持電容之至少一部分被添加至該主要取樣與保持電容器之一電容。
  11. 如請求項10之方法，其中提供複數個額外取樣與保持電容及相關聯的開關。
  12. 如請求項10或11之方法，其進一步包括提供控制用於將該至少一額外取樣與保持電容與該主要取樣與保持電容器耦合之至少一開關之一暫存器。
  13. 如請求項10或11之方法，其中該至少一額外取樣與保持電容係與該主要取樣與保持電容器並聯耦合。
  14. 如請求項10或11之方法，其進一步提供自動量測透過該微控制器之一外部埠與該類比匯流排耦合之一外部感測器之一電容的步驟。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包括儲存該外部感測器之該經量測值且在該外部感測器耦合至該類比至數位轉換器以供量測時將該等額外取樣與保持電容中之一或多者自動添加至該主要取樣與保持電容器之該電容。
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