使用差分模/數轉換器的設備的製作方法

2023-08-13 08:27:11

專利名稱：使用差分模/數轉換器的設備的製作方法
使用差分模/數轉換器的設備
背景技術：
觸控螢幕正廣泛地用於各種電子裝置和系統中。滿足此類電子裝置和系統的消費者 的需要正推動著工業提供具有適當增加的靈敏度和易用性的觸控螢幕。

發明內容
電子設備和操作所述電子設備的方法的實施例可包含抑制在小於與所產生的波 形相關聯的頻率的頻率下的噪聲。在各種實施例中，使用差分模/數轉換器的設備可執行 可在多種應用程式中實施的低頻噪聲抑制。


在附圖的實例性圖示中以實例方式而非限制方式圖解說明本發明的實施例，附圖 中圖1圖解說明使用差分模/數轉換器的設備的實例性實施例的框圖。圖2顯示具有耦合到電路以測量電荷轉移的矩陣觸控螢幕的設備的實例性實施例 的特徵的框圖。圖3顯示具有耦合到電路以測量電荷轉移的矩陣觸控螢幕的設備的實例性實施例 的特徵的框圖。圖4顯示用於低頻噪聲抑制的方法的實例性實施例的特徵。圖5顯示具有控制器和包含觸控螢幕及電路的設備的系統的框圖，所述電路具有用 於在所述觸控螢幕的操作中進行電荷測量的模/數轉換器。
具體實施例方式以下詳細說明涉及以圖解說明方式顯示各種實施例的附圖。足夠詳細地描述這些 實施例以使所屬領域的技術人員能夠實踐這些及其它實施例。可利用其它實施例，且可對 這些實施例作出結構、邏輯和電改變。各實施例未必相互排斥，因為一些實施例可與一個或 一個以上其它實施例組合以形成新的實施例。因此，以下詳細說明不視為具有限定性意義。圖1圖解說明使用差分模/數轉換器(ADC) 105的設備100的實例性實施例的框 圖。設備100還包含波形捕獲電路110。波形捕獲電路提供用於獲取波形的特性特徵的機 構。此類特性包含(但不限於)最大振幅、最小振幅、相位或波形的其它特徵。波形捕獲電 路110可經布置以捕獲所述波形的沿一個方向變化的特性及沿不同方向變化的相關聯特 性。舉例來說，波形捕獲電路110可獲取周期波形的最大振幅和同一周期波形的最小振幅， 其中所述最大和最小均與同一周期相關聯。舉例來說，波形捕獲電路110可獲取脈衝的上 升沿和脈衝的下降沿及/或所述上升沿和下降沿的表示。在各種實施例中，波形捕獲電路 110可獲取電路組件對輸入脈衝的上升沿的響應及電路組件對輸入脈衝的下降沿的響應及 /或這些響應的表示。波形捕獲電路110可經結構化以操縱波形來抽取所述波形的相關信息或表示。舉
4例來說，電壓脈衝的上升沿和電壓脈衝的下降沿均與最大電壓相關。與脈衝或者對所述脈 衝的響應同時存在的噪聲或低頻幹擾通常為上升沿和下降沿所共有。波形捕獲電路110可 對脈衝或對所述脈衝的響應進行操作，以提供相反極性的脈衝，所述相反極性的脈衝具有 相同極性的相關聯共用噪聲或低頻幹擾。所述兩個脈衝的減法有效地減少或消除相關聯共 用噪聲或低頻幹擾且可使與所述脈衝的上升沿和下降沿相關聯的動態範圍加倍。如圖1中所示，ADC 105耦合到波形捕獲電路110。ADC 105可配置有耦合到波形 捕獲電路110的輸入以接收沿一個方向變化的特性的表示且接收沿不同方向變化的相關 聯特性的表示。差分ADC 105可移除為兩個方向所共有的信號分量。在許多情形中，此類 共用分量往往是噪聲。在波形是脈衝的情況下，沿一個方向變化的特性可以是所述脈衝的 上升沿且沿不同方向變化的相關聯特性可以是所述脈衝的下降沿。在波形是輸入脈衝的情 況下，施加到波形捕獲電路110的上升沿和下降沿可以是對耦合到波形捕獲電路110的電 路的輸入波形的響應。在各種實施例中，波形捕獲電路110包含取樣與保持電路。所述取樣與保持電路 可耦合到放大器使得波形捕獲電路110經布置以提供脈衝的上升沿的表示和脈衝的下降 沿的表示。可將所述放大器實現為虛擬接地放大器。圖2顯示具有耦合到電路210以測量電荷轉移的矩陣觸控螢幕201的設備200的實 例性實施例的特徵的框圖。矩陣觸控螢幕201包含驅動電極202 (稱作X線或X電極)，所述 驅動電極電容耦合到接收電極204 (稱作Y線或Y電極)。為便於論述，僅顯示一個X電極 202和一個Y電極204。X驅動電極202通過介電材料與Y電極204分離。在物理布置中無 任何擾動的情況下，響應於施加到X電極202的信號而在Y電極204處接收的信號是基於 矩陣觸控螢幕201的物理布置及材料確定的電容耦合。與矩陣觸控螢幕201的接觸(例如，通 過人類觸摸)改動X電極202與Y電極204之間的電容關係，此影響與施加到X電極202 的信號相關聯的電荷轉移。可使用電路210測量與X電極202與Y電極204之間的電容耦 合相關聯的電荷轉移。在各種實施例中，電路210經配置以在對與矩陣觸控螢幕201相關聯 的電荷轉移的測量中抑制低頻幹擾。電路210可經布置以使得其獨立於矩陣觸控螢幕201及 其組件(例如，驅動X電極202及接收Y電極204)的物理結構和設計。因此，電路210可 與各種觸控螢幕一起使用。電路210的部分或全部可與矩陣觸控螢幕201集成在一起。另一選 擇為，電路210的部分或全部可與同矩陣觸控螢幕201分離的一個或一個以上其它組件集成 在一起。在各種實例性實施例中，電路210包含放大器212、取樣與保持電路214、取樣與保 持電路216及差分模/數轉換器(ADC) 218。可將放大器212實現為虛擬接地放大器。虛擬 接地放大器212可相對於Y輸出線204用作電荷積分放大器。將差分ADC218耦合到電路 210中的虛擬接地放大器以測量電荷轉移提供用以在對與矩陣觸控螢幕201相關聯的電荷轉 移的測量期間抑制低頻幹擾的機構。如圖2中所示，連接到矩陣觸控螢幕201上的Y線204的虛擬接地放大器212以操 作方式收集電荷並響應於矩陣觸控螢幕201上的X線202上的上升信號而產生負電壓偏移。 來自虛擬接地放大器212的所產生電壓可由耦合到虛擬接地放大器212的取樣與保持電路 214保持。可保持沿特定方向的所產生電壓的最大值。接著，降低X線上的信號導致來自 虛擬接地放大器212的正偏移，其可被接收並保持於取樣與保持電路216中。對於施加到
5X線202的脈衝，所述脈衝的每一沿將由虛擬接地放大器212產生沿特定方向的脈衝。正 (上升)沿將由虛擬接地放大器212產生負向脈衝且負(下降)沿將由虛擬接地放大器212 產生正脈衝。耦合到取樣與保持電路214及取樣與保持電路216的差分ADC 218以操作方 式測量與X線202上的上升信號及下降信號相關聯的兩個電壓之間的差。取樣與保持電路 214及216經控制以提供用於將來自虛擬接地放大器212的正輸出和負輸出大致同時提供 到差分ADC 218的機構。電路210可以操作方式對由X線202產生的脈衝的兩個沿執行電荷收集。對脈衝 的兩個沿的電荷收集允許ADC 218的輸出處的電荷測量的動態範圍的加倍。另外，測量電 路210中的直流(DC)偏移或者在大致低於X線202上信號的頻率的頻率下的幹擾往往導 致測量的兩個半部中的相等改變且可在於ADC 218處進行差分測量時被移除。設備200還可包含控制單元220，其用於管理與施加到矩陣觸控螢幕201的X線202 的脈衝相關聯的電荷測量，以便使使用ADC 218的輸出進行的測量同步。控制單元220可 經配置以向X線202施加脈衝。另一選擇為，控制單元220可經布置以使用並控制根據另 一驅動源的脈衝產生進行的測量。通過使用差分ADC 218對施加到X輸入線202的波形的雙沿的響應進行操作，可 抑制相對於所述波形的頻率為低頻的噪聲。使用差分ADC 218及與脈衝的上升沿和下降沿 相關聯的雙沿電荷轉移可實現因觸控螢幕所致的電荷測量中的低頻噪聲抑制。另外，差分ADC 218可產生電荷測量的增強動態解析度。可藉助X線上的脈衝實施電荷測量。每一脈衝均具有正沿和負沿。正沿將產生負 信號且負沿將產生正信號或反之亦然，此取決於電路。從正沿對信號進行取樣，需要來自測 量的信號加上來自低頻幹擾的某一值。關於正沿的信號可由下式表示Sp = -M+L，其中M是測量值且L來自低頻幹擾。關於負沿的信號按下式獲取Sn = +M+L。注意，L對於比測量慢得多的頻率來說將是相同的。在將Si^PSn饋送到差分 ADC218的情況下，差分ADC 218提供測量，其中信號的輸出由下式給出Sadc = (+M+L) - (-M+L) = 2M。可將此ADC測量視為與在轉換期間使兩個基於沿的信號相減相同。如以上所示， 電路210的架構可實現實質上消除脈衝的兩個沿所共有的低頻噪聲，同時使信號測量加倍。圖3顯示具有耦合到電路310以測量電荷轉移的矩陣觸控螢幕301的設備300的實 例性實施例的特徵的框圖。矩陣觸控螢幕301包含電容耦合到接收電極304的驅動電極302。 為便於論述，類似於針對圖2的論述，僅顯示一個X電極302和一個Y電極304。類似於圖2 的設備200，矩陣觸控螢幕301的操作基於X驅動線302與Y輸出線304之間的電容耦合。可 使用電路310測量與X線302與Y線304之間的電容耦合相關聯的電荷轉移。電路310可 經布置使得其獨立於矩陣觸控螢幕301及其組件(例如，驅動X電極302和接收Y電極304) 的物理結構和設計。因此，電路310可與各種觸控螢幕一起使用。電路310的部分或全部可 與矩陣觸控螢幕301集成在一起。另一選擇為，電路310的部分或全部可與同矩陣觸控螢幕301 分離的一個或一個以上其它組件集成在一起。
在各種實例性實施例中，電路310包含放大器311、模/數轉換器(ADC)313及數字 減法單元315。可將放大器311實現為虛擬接地放大器。虛擬接地放大器311可相對於Y 輸出線304用作電荷積分放大器。在操作中，連接到矩陣觸控螢幕301上的Y線304的虛擬 接地放大器311以操作方式收集電荷並響應於矩陣觸控螢幕301上的X線302上的上升信號 而產生負電壓偏移。可將來自虛擬接地放大器311的所產生電壓直接發送到ADC 313。接 著，降低X線上的信號導致來自虛擬接地放大器311的正偏移，可將其直接發送到ADC 313。 ADC 313將從虛擬接地放大器311接收的兩個電壓的數字表示提供到數字減法單元315。數 字減法單元315可以若干常規或等效格式實現。數字減法單元315的輸出用於對與電容耦 合到矩陣觸控螢幕301的接收Y線304的X輸入線302上驅動的信號相關聯的電荷轉移的測 量中。電路310可以操作方式對在X線302處產生的脈衝的兩個沿執行電荷收集，其中數 字減法裝置實現電荷測量中的低頻抑制。設備300還可包含控制單元320，其用於管理與施加到矩陣觸控螢幕301的X線302 的脈衝相關聯的電荷測量，以便使使用ADC 313的輸出進行的測量同步。控制單元320可 經配置以向X線302施加脈衝。另一選擇為，控制單元320可經布置以使用並控制根據另 一驅動源的脈衝產生進行的測量。圖2的電路210有效地使用呈模擬格式的減法。另一方面，圖3的電路310實施 呈數字格式的減法。在各種實施例中，取樣與保持電路與類似於圖2中所示實例的差分模 /數轉換器一起使用可比使用類似於圖3中所示實例的數字減法的實施例提供更好的解析度。圖4顯示用於低頻噪聲抑制的方法的實例性實施例的特徵。在410處，從輸出線 獲取第一響應，其中所述第一響應是從波形的上升沿導出的信號。可從矩陣觸控螢幕的輸出 線獲取所述第一響應，其中所述第一響應包含從施加到所述矩陣觸控螢幕的輸入線的脈衝的 上升沿導出的電容感應信號。在420處，從所述輸出線獲取第二響應，其中所述第二響應是從波形的下降沿導 出的信號。可從所述矩陣觸控螢幕的輸出線獲取所述第二響應，其中所述第二響應包含從施 加到所述矩陣觸控螢幕的輸入線的脈衝的下降沿導出的電容感應信號。在430處，操縱所述第一響應和所述第二響應以抑制在小於與所述波形相關聯的 頻率的頻率下的噪聲。可相對於施加到所述矩陣觸控螢幕的輸入線的脈衝實施對所述第一響 應和所述第二響應的操縱以致抑制在小於與所述脈衝相關聯的頻率的頻率下的噪聲。此操 縱可包含所述第一響應的數字表示與所述第二響應的數字表示之間的減法。其它操縱可包 含將所述第一響應和所述第二響應施加到取樣與保持電路並將來自所述取樣與保持電路 的輸出施加到差分模/數轉換器，使得所述差分模/數轉換器的輸出包含對與所述第一響 應和所述第二響應相關聯的電荷的測量。所述第一響應和所述第二響應可通過虛擬接地放 大器耦合到所述取樣與保持電路。在所述第一響應對應於所述脈衝的上升沿且所述第二響 應對應於所述脈衝的下降沿的情況下，所述虛擬接地放大器分別將負脈衝和正脈衝輸出到 所述取樣與保持電路。可通過將取樣與保持電路的輸出施加到差分模/數轉換器移除脈衝 的上升沿和下降沿所共有的噪聲。圖5顯示具有控制器505及包含觸控螢幕556和控制電路558的設備(例如，顯示 器裝置555)的系統500的框圖，控制電路558具有用於在觸控螢幕556的操作中進行電荷測量的模/數轉換器。所述模/數轉換器可配置有其它電路組件以提供因觸控螢幕556的操作 所致的電荷測量中的低頻噪聲抑制。可根據類似於本文中所描述的實施例或與本文中所描 述的實施例相同的各種實施例來布置觸控螢幕556和控制電路558。可將控制器505實現為 處理器。可使用常規技術以將系統500的個別組件耦合在一起或將所述組件集成為一個 或若干單元的各種方式來形成系統500。在各種實施例中，系統500還包含電子設備535和 總線515。總線515提供控制器505與電子設備535之間、控制器505與存儲器525之間 及耦合到總線515的各種組件之間的導電性。在一實施例中，總線515包含各自經單獨配 置的地址總線、數據總線和控制總線。在替代實施例中，總線515使用共用導電線來提供地 址、數據或控制中的一者或一者以上，通過控制器505調節對所述導電線的使用。在各種實 施例中，存儲器525可包含一個或一個以上存儲器類型，例如(但不限於)，DRAM (動態隨機 存取存儲器)、SRAM(靜態隨機存取存儲器)、快閃記憶體、磁性存儲器、其它存儲器格式及 其組合。在各種實施例中，一或多個額外外圍裝置545耦合到總線515。外圍裝置545可包 含顯示器、成像裝置、印刷裝置、無線裝置、額外存儲存儲器、可結合控制器505操作的控制
直ο在各種實施例中，系統500包含具有觸控螢幕556和控制電路555的顯示器裝置 555，其中控制電路555具有經配置以用於從觸控螢幕的操作中進行電荷測量的模/數轉換 器。另一選擇為，控制電路555可與控制器505或者系統500的與觸控螢幕556分離的一個或 一個以上其它組件集成在一起。具有顯示器裝置555的系統500包含(但不限於)光纖系 統或裝置、電光系統或裝置、光學系統或裝置、成像系統或裝置及信息處置系統或裝置(例 如，無線系統或裝置、電信系統或裝置及計算機)。儘管本文已圖解說明及描述了具體實施例，但所屬領域的技術人員將了解，任何 經計算以實現相同目的的布置均可替代所示的具體實施例。各種實施例使用本文中所描述 的實施例的排列及/或組合。應理解，以上說明打算為說明性，而非限制性，且本文中所採 用的措詞或術語目的在於說明。
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權利要求
一種方法，其包括從輸出線獲取第一響應，所述第一響應是從波形的上升沿導出的信號；從所述輸出線獲取第二響應，所述第二響應是從所述波形的下降沿導出的信號；及操縱所述第一響應和所述第二響應以抑制在小於與所述波形相關聯的頻率的頻率下的噪聲。
2.根據權利要求1所述的方法，其中從輸出線獲取第一響應包含從矩陣觸控螢幕的輸出線獲取所述第一響應，所述第一響應 是從施加到所述矩陣觸控螢幕的輸入線的脈衝的上升沿導出的電容感應信號；從所述輸出線獲取第二響應包含從所述矩陣觸控螢幕的所述輸出線獲取所述第二響應， 所述第二響應是從施加到所述矩陣觸控螢幕的所述輸入線的所述脈衝的下降沿導出的電容 感應信號；且操縱所述第一響應和所述第二響應以抑制在小於與所述波形相關聯的頻率的頻率下 的噪聲包含操縱所述第一響應和所述第二響應以抑制在小於與所述脈衝相關聯的頻率的 頻率下的噪聲。
3.根據權利要求2所述的方法，其中操縱所述第一響應和所述第二響應包含所述第一 響應的數字表示與所述第二響應的數字表示之間的減法。
4.根據權利要求2所述的方法，其中操縱所述第一響應和所述第二響應包含將所述第一響應和所述第二響應施加到取樣與保持電路；將來自所述取樣與保持電路的輸出施加到差分模/數轉換器，使得所述差分模/數轉 換器的輸出包含對與所述第一響應和第二響應相關聯的電荷的測量。
5.根據權利要求4所述的方法，其中將來自所述取樣與保持電路的輸出施加到所述差 分模/數轉換器包含將兩個電壓從所述取樣與保持電路施加到所述差分模/數。
6.一種設備，其包括波形捕獲電路，其經配置以捕獲具有沿一個方向變化的特性的波形且捕獲沿不同方向 變化的相關聯特性；及差分模/數轉換器，其耦合到所述波形捕獲電路，所述差分模/數轉換器具有用以接收 所述沿所述一個方向變化的特性的表示及用以接收所述沿所述不同方向變化的相關聯特 性的表示的輸入。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述波形是對脈衝的響應，所述沿一個方向變化 的特性是對所述脈衝的所述響應的上升沿，且所述沿不同方向變化的相關聯特性是對所述 脈衝的所述響應的下降沿。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所述波形捕獲電路包含取樣與保持電路。
9.根據權利要求7所述的設備，其中所述波形捕獲電路包含耦合到兩個取樣與保持電 路的放大器，所述波形捕獲電路經布置以提供所述脈衝的所述上升沿的表示和所述脈衝的 所述下降沿的表示。
10.根據權利要求9所述的設備，其中所述放大器包含虛擬接地放大器。
11.一種系統，其包括矩陣觸控螢幕，其具有輸入線和輸出線，所述輸出線相對於所述輸入線配置以獲取從施 加到所述矩陣觸控螢幕的所述輸入線的波形導出的電容感應信號；波形捕獲電路，其經配置以捕獲所述電容感應信號的特性，所述特性包含沿一個方向 變化的特性和沿不同方向變化的相關聯特性；及差分模/數轉換器，其耦合到所述波形捕獲電路，所述差分模/數轉換器具有用以接收 所述沿所述一個方向變化的特性的表示及用以接收所述沿所述不同方向變化的特性的表 示的輸入。
12.根據權利要求11所述的系統，其中所述波形是脈衝，所述沿一個方向變化的特性 是對所述脈衝的響應的上升沿，且所述沿不同方向變化的特性是對所述脈衝的所述響應的 下降沿。
13.根據權利要求12所述的系統，其中所述波形捕獲電路包含取樣與保持電路。
14.根據權利要求12所述的系統，其中所述波形捕獲電路包含虛擬接地放大器，所述 虛擬接地放大器耦合到所述輸出線以接收所述電容感應信號且耦合到兩個取樣與保持電 路以將所述脈衝的所述上升沿的表示和所述脈衝的所述下降沿的表示發送到所述兩個取 樣與保持電路。
15.根據權利要求14所述的系統，其中所述兩個取樣與保持電路耦合到所述差分模/ 數轉換器。
16.根據權利要求14所述的系統，其中所述系統包含控制電路以使所述脈衝的產生與 所述兩個取樣與保持電路的操作同步。
17.根據權利要求11所述的系統，其中所述差分模/數轉換器與所述波形捕獲電路配 置在一起，使得所述差分模/數轉換器以操作方式從對來自所述電容感應信號的電荷的測 量中移除DC偏移。
全文摘要
本發明揭示電子設備和操作所述電子設備的方法，其包含抑制在小於與所產生的波形相關聯的頻率的頻率下的噪聲。本申請在各種實施例中涉及使用差分模/數轉換器的設備。在各種實施例中，使用差分模/數轉換器的設備可執行可在多種應用程式中實施的低頻噪聲抑制。本發明還揭示額外設備、系統和方法。
文檔編號G06F3/044GK101937297SQ201010215300
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月25日 優先權日2009年6月26日
發明者馬丁·約翰·西蒙斯 申請人:愛特梅爾公司