具有可變取樣與保持電容器的微控制器adc的制作方法
【專利摘要】一種ADC模塊包含：模/數轉換器，其與模擬總線耦合，其中所述模/數轉換器包括主要取樣與保持電容器；及多個額外取樣與保持電容，其可與所述主要取樣與保持電容可編程地并聯耦合。
【專利說明】具有可變取樣與保持電容器的微控制器ADC
[0001]相關申請案交叉參考
[0002]本申請案主張于2011年10月6日提出申請的標題為“具有可變取樣與保持電容器的微控制器 ADC(Microcontroller ADC with a Variable Sample and HoldCapacitor) ”的序號為61/544，183的美國臨時申請案的優先權，所述臨時申請案如同完全陳述于本文中一般特此以全文引用方式并入本文中。
【技術領域】
[0003]本發明涉及特定來說供在微控制器中使用且更特定來說供在具有電容性觸摸感測電路的微控制器中使用的模/數轉換器。
【背景技術】
[0004]人手或手指對電容性傳感器的觸摸或接近電容性近接傳感器改變所述電容性傳感器的某些參數，特定來說構建到用于(舉例來說)人機接口裝置(例如，小鍵盤或鍵盤)中的觸摸傳感器中的電容器的電容值。現在微控制器包含增強對此類電容性觸摸傳感器的檢測及評估的外圍設備。一個此種應用利用電容性分壓(CVD)來評估是否已觸摸電容性觸摸元件。
[0005]電容性觸摸系統的分辨率受傳感器的電容(實際傳感器電容及系統寄生電容兩者)限制。然而，當在高噪聲環境中操作具有高容量電容的此類傳感器時，常規系統中的分辨率可不足夠。
【發明內容】
[0006]根據各種實施例，可在用戶的軟件控制下調整取樣與保持電容以更緊密地匹配傳感器電容。
[0007]根據一些實施例,一種微控制器包含:多個端口，其與模擬總線稱合；模/數轉換器，其與所述模擬總線耦合，其中所述模/數轉換器包括主要取樣與保持電容器；及多個額外取樣與保持電容，其可與所述主要取樣與保持電容可編程地并聯耦合。
[0008]根據一些實施例，一種ADC模塊包含:模/數轉換器,其與模擬總線稱合,其中所述模/數轉換器包括主要取樣與保持電容器；及多個額外取樣與保持電容，其可與所述主要取樣與保持電容可編程地并聯耦合。
[0009]根據一些實施例，一種方法包含:提供與模擬總線稱合的多個端口 ；提供與所述模擬總線耦合的模/數轉換器，其中所述模/數轉換器包括主要取樣與保持電容器；及提供可與所述主要取樣與保持電容可編程地并聯耦合的多個額外取樣與保持電容。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1圖解說明根據一實施例的具有電容性觸摸小鍵盤、電容性觸摸模擬前端及數字處理器的電子系統的示意性框圖；[0011]圖2是根據各種實施例的ADC系統的高級框圖；
[0012]圖3A及3B展示根據各種實施例所使用的各種開關；
[0013]圖4A及4B圖解說明根據本發明的教示的經由模擬通過門開關支持數字I/O及模擬功能的多功能端口邏輯，其中可借助ADC控制器邏輯超馳控制所述模擬功能以將連接到端口的電容性觸摸傳感器預充電及放電；
[0014]圖5展示根據各種實施例的自動化模/數轉換的示范性時序；
[0015]圖6展示在預充電階段期間的開關位置；
[0016]圖7展示在獲取/共享階段期間的開關位置；
[0017]圖8展示根據一實施例的ADC模塊的框圖；
[0018]圖9圖解說明根據本發明的特定實例性實施例的具有用于電容性傳感器及相關聯護環的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的示意圖；
[0019]圖10圖解說明根據本發明的另一特定實例性實施例的具有用于多個電容性傳感器及護環的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的示意圖；
[0020]圖11圖解說明根據本發明的特定實例性實施例的具有用于電容性傳感器及相關聯護環的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的示意圖；
[0021]圖12圖解說明根據本發明的另一特定實例性實施例的具有用于多個電容性傳感器及護環的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的示意圖；
[0022]圖13圖解說明根據本發明的特定實例性實施例的電容轉換的示意性電壓-時間圖；
[0023]圖14圖解說明根據本發明的特定實例性實施例的電容轉換及在此類轉換期間的護環電壓控制的示意性電壓-時間圖；
[0024]圖15圖解說明圖7中所展示的電容性轉換系統的示意性時序圖；且
[0025]圖16圖解說明圖11及12中所展示的電容性轉換系統的示意性時序圖；
[0026]圖17及18展示根據本發明的特定實例性實施例的電容性轉換的示意性流程圖；
[0027]圖19及20圖解說明根據本發明的另一特定實例性實施例的電容性轉換的示意性流程圖；
[0028]圖21圖解說明圖1中所展示的電容性傳感器鍵的示意性立面圖；且
[0029]圖22圖解說明根據本發明的特定實例性實施例的在圖1中展示且具有圍繞電容性傳感器中的每一者的電容性護環的電容性傳感器鍵的示意性立面圖。
【具體實施方式】
[0030]在CVD系統中，當傳感器和取樣與保持電容器大約相等時實現最大分辨率。根據實施例，提供額外取樣與保持電容且可將所述額外取樣與保持電容可編程地添加到現有取樣與保持電容器。因此，此電路允許用戶針對具有大電容傳感器的系統增加取樣與保持電容器的大小。根據一個實施例，用戶可編程控制開關以將額外取樣與保持電容并聯添加到主要取樣與保持電容的寄存器。
[0031]根據其它實施例，可實施將首先使用電容/數字轉換的CVD (電容性分壓)方法對電容性傳感器中的每一者執行轉換、接著確定每一傳感器的最優取樣與保持電容且在每一傳感器的轉換之前針對最大分辨率預設所述取樣與保持電容的軟件或固件。[0032]因此，系統可進一步包含自動測量連接到微控制器的每一電容性傳感器的外部傳感器電容的在微控制器上實施或與微控制器一起實施的控制單元，舉例來說，狀態機。因此，在校準階段期間，可確定這些值且將所述值存儲于校準表中。此表可接著用以在連接到外部傳感器的相應端口與ADC單元耦合以用于測量時調整取樣與保持電容器的額外電容。
[0033]現在參考圖式，示意性地圖解說明特定實例性實施例的細節。圖式中的相似元件將由相似編號表示，且類似元件將由具有不同小寫字母后綴的相似編號表示。
[0034]參考圖1，其描繪根據本發明的教示的具有電容性觸摸小鍵盤、電容性觸摸模擬前端及數字處理器的電子系統的示意性框圖。微控制器集成電路裝置101可包含數字處理器與存儲器106、模/數轉換器(ADC)控制器110、輸入-輸出(I/O)端口(節點)中的一或多者、模/數轉換器(ADC)、精確計時器、多功能輸入及輸出節點、數/模轉換器(DAC)或其組合。電容性觸摸模擬前端(AFE) 104可借助微處理器101的前述功能中的一些功能來實施。電容性觸摸AFE104可通過模擬多路復用器(未展示)耦合到電容性傳感器鍵102 (例如，按鈕、杠桿、撥桿、目標、把手、旋鈕等)的矩陣。
[0035]ADC控制器110及電容性觸摸AFE104借助單個低成本集成電路微控制器101促進確定何時存在對電容性傳感器的致動(例如，通過按壓及偏轉改變相關聯電容性傳感器的電容值的目標鍵)所需的所有作用功能。電容性觸摸AFE104測量電容性傳感器鍵102的矩陣的每一傳感器的電容值且將所述電容值轉換成相應模擬直流(DC)電壓，所述相應模擬DC電壓借助模/數轉換器(ADC)(未展示)讀取并轉換成數字值且由數字處理器106讀取。
[0036]ADC控制器110可控制電容性觸摸AFE104、用于將鍵102的電容觸摸傳感器充電及放電的開關、確定電容值所需的步驟的時序、模/數轉換器(ADC)的取樣與保持電容器上的電荷電壓的取樣及轉換等。ADC控制器110可為可編程的且其可編程參數存儲于寄存器(未展示)中。
[0037]數字處理器106可將時鐘及控制請求功能供應到ADC控制器110、從ADC讀取數字輸出且選擇電容性傳感器鍵102的矩陣中的每一鍵。當確定電容性傳感器鍵102的矩陣中的鍵的致動時，數字處理器106將采取適當行動。在微芯片技術公司(MicrochipTechnology Incorporated)申請案備注AN1298、AN1325及AN1334中更全面地揭不各種電容性觸摸系統的更詳細描述，所述申請案備注可在www.microchip, com處獲得且出于所有目的而特此以引用方式并入本文中。
[0038]現在轉到圖2，其展示圖解說明根據實施例的ADC電路的高級框圖。電路200包含ADC核心202，ADC核心202包含取樣與保持電容器203。取樣與保持上拉/下拉開關204操作以將模擬總線205充電/放電，如下文將更詳細地解釋。當所述開關斷開時，所述電路充當傳統ADC。所述開關允許CVD定序器將ADC取樣與保持電容器203預充電到Vdd或Vss。
[0039]額外取樣與保持電容器208耦合到總線且可以可編程方式操作以針對最大分辨率設定總取樣與保持電容。電路200可進一步包含耦合到節點211的端口邏輯212，節點211接收來自傳感器電容器210的輸入。另外，邏輯214可提供到節點(引腳)213的直接模擬連接以超馳控制端口邏輯212。
[0040]圖3A及3B更詳細地展示一組可調整ADC取樣與保持電容器208。在CVD (電容性分壓)轉換的過程期間，將內部取樣與保持電容203(圖2)充電。同時，將傳感器電容器210(圖2)放電。當兩個電容連接時，其劃分取樣與保持電容器中的電荷。
[0041]更特定來說，如圖3A中所展示，多個節點211可耦合到模擬總線205及從模擬總線205耦合(例如，選擇多個電容性觸摸傳感器中的每一者)。直接連接可將節點213與模擬總線205耦合在一起。開關302可將額外取樣與保持電容器208耦合到模擬總線205及從模擬總線205解耦。上拉/下拉開關204可用以將模擬總線205充電到Vdd及將模擬總線205放電到Vss。
[0042]參考圖3B，其描繪根據另一實施例的模擬與數字連接配置的示意性框圖。多個模擬通過門開關304可實施模擬多路復用器且將多個節點211耦合到模擬總線205及從模擬總線205解耦(例如，選擇多個電容性觸摸傳感器中的每一者)。直接連接將節點213與模擬總線205耦合在一起，或者任選模擬通過門開關306可將節點213耦合到模擬總線205及從模擬總線205解耦。如果模擬多路復用器經設計以允許閉合多于一個開關，那么額外通過門開關306可為所述多路復用器的部分。多個開關302可將額外取樣與保持電容器208耦合到模擬總線205及從模擬總線205解耦。上拉/下拉開關204可用以將模擬總線205充電到Vdd及將模擬總線205放電到Vss。
[0043]如上文所提及，可(舉例來說)在制造期間或響應于校準階段而由程序員將額外取樣與保持電容器208的數目及電容值編程到ADC控制器110的一或多個寄存器中。在校準階段期間，可確定連接到微控制器的每一電容性傳感器的外部傳感器電容且將其存儲于校準表中。此表可接著用以在連接到外部傳感器的相應端口與ADC單元耦合以用于測量時調整取樣與保持電容器的額外電容。接著將額外取樣與保持電容208結合標準取樣與保持電容器使用以進行CVD轉換，如下文將更詳細地解釋。
[0044]參考圖4A，其描繪經由模擬通過門開關支持數字I/O及模擬功能的多功能端口邏輯212的示意性框圖，其中(另外)可借助ADC控制器邏輯超馳控制模擬功能以將連接到端口的電容性觸摸傳感器預充電及放電，如下文將更詳細地論述。此端口邏輯可用于外部引腳211中的任一者，且當模擬多路復用器經配置以允許閉合一個以上開關時，那時也用于引腳211。在節點211處數字與模擬功能之間的切換可為處理器密集的，且可能需要復雜程序來適當地處置節點211所需的所有相關數字及模擬功能，如下文更全面地描述。為了解除處理器106在每一電容性傳感器的電容值的設置及確定期間的負載(例如，程序步驟及/或控制功能)，可將ADC超馳控制特征并入到本文中所描述的電容性觸摸確定電路中。
[0045]并入有圖4A中所展示的電路功能的專用ADC控制器的使用將節省數字處理器程序步驟且允許處理器在電容性傳感器電容的確定期間執行其它功能。然而，根據其它實施例，也可省略超馳控制功能。
[0046]返回到圖4A，具有三態輸出的數字驅動器404耦合到外部節點211且由來自多路復用器408的三態控制信號控制。來自多路復用器408的數字輸出信號耦合到數字驅動器404的輸入。模擬通過門開關304由模擬開關邏輯402控制。當ADC超馳控制啟用信號處于邏輯低時，多路復用器408耦合三態控制信號以控制數字驅動器404的三態輸出，且多路復用器406將數字輸出信號耦合到數字驅動器404的輸入。ADC通道選擇(模擬總線控制)控制模擬通過門開關304以將節點211直接耦合到模擬總線205，如下文更全面地描述。
[0047]然而，當ADC超馳控制啟用信號處于邏輯高時，多路復用器408耦合ADC超馳控制數據啟用信號以控制數字驅動器404的三態輸出，且多路復用器406將ADC超馳控制數據信號耦合到數字驅動器404的輸入。迫使模擬通過門開關304將模擬總線205從節點211解耦。在此配置中，ADC超馳控制數據啟用信號及ADC超馳控制數據信號可由ADC邏輯控制器(未展示)提供，且可用以在不需要來自數字處理器106的程序密集行動的情況下將耦合到節點211的電容性觸摸傳感器充電或放電。
[0048]此外，根據又一些實施例，如所展示的端口邏輯可用以形成用于每一外部引腳的通用端口邏輯，如(舉例來說)圖4B中所展示。因此，用于所有外部引腳的通用端口邏輯可具有可經獨立控制以連接到模擬總線205的兩個通過門304a、304b，或者可具有單個通過門，所述單個通過門為允許由獨立啟用信號控制的模擬多路復用器的部分。更特定來說，如圖4B中所展示，提供額外邏輯420、426、428以針對通過門304a、304b的操作而選擇繞過端口邏輯。
[0049]如上文所提及，且如下文將更詳細地論述，根據實施例的CVD轉換可在轉換階段之前實施預充電階段及共享/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；在共享/獲取期間，外部電容器與內部電容器共享電荷。參考圖5到7更特定地圖解說明由定序器實施的功能性。
[0050]圖5圖解說明預充電及共享/獲取階段的示范性時序。特定來說，在一些實施例中，預充電階段502為用以將外部通道210及內部取樣與保持電容器203置于預調節狀態中的任選1-127指令循環時間。在此階段(圖6)期間，將取樣與保持電容器203短接到Vdd或Nss (取決于上拉/下拉電路204)，超馳控制端口弓丨腳邏輯601，且迫使模擬多路復用器602斷開。
[0051]返回到圖5，根據一些實施例的共享/獲取時間504也為用以允許從選定模擬通道將內部取樣與保持電容器203上的電壓充電或放電的任選1-127指令循環時間。在獲取階段504的開始處，如圖7中所展示，選定ADC通道借助多路復用器602連接到取樣與保持電容器203。如果先前階段為預充電階段，那么所述時間允許外部通道和取樣與保持電容器之間的電荷共享。
[0052]現在參考圖8，其展示圖解說明根據實施例的示范性ADC模塊的圖式。所述模塊包含數字控制件Iio及模擬前端104。控制器110包含寄存器邏輯802及控制邏輯806。寄存器邏輯802可編程有多種控制件，包含用于控制額外電容206的開關的控制件。
[0053]在圖21及22中展示適合于供在如所描述的實施例中使用的示范性電容性傳感器鍵。
[0054]現在參考圖21，其描繪圖1中所展示的電容性傳感器鍵的示意性立面圖。襯底2004(例如，印刷電路板(PCB))可具有可用于電磁干擾(EMI)屏蔽的接地平面2006。電容性傳感器板2008可轉置于襯底2004的面上且接近于接地平面2006。其它電路導體2010(例如，PCB跡線)也可緊密接近于電容性傳感器板2008。觸摸目標212擱放于電容性傳感器板2008中的相應者上且可在其之間具有氣隙2014。覆蓋物2016可放置于觸摸目標2012上或為觸摸目標2012的部分且可具有刻于其上的字母-數字信息。電容性觸摸鍵108中的每一者包括傳感器板2008、觸摸目標2012及覆蓋物2016。電介質間隔件2018位于電容性觸摸鍵108中的每一者之間。
[0055]接地平面2006及/或電路導體2010可處于不同于電容性傳感器板2008的電壓電位。此可在電容性傳感器板2008與接地平面2006及/或電路導體2010的緊密接近于電容性傳感器板2008的部分之間形成寄生電容。
[0056]參考圖22，其描繪根據本發明的特定實例性實施例的在圖1中展示且具有圍繞電容性傳感器中的每一者的電容性護環的電容性傳感器鍵的示意性立面圖。圍繞電容性傳感器板2008中的每一者的護環3020添加到電容性傳感器鍵102a。在其它方面，所有其它元件與圖20中所展示的電容性傳感器鍵102實質上相同。通過在護環3020上維持與相應電容性傳感器板2008上的電壓實質上相同的電壓，顯著減小了寄生電容。借此增加在對電容器傳感器板2008的觸摸期間發生的電容性傳感器板2008的電容值改變的檢測分辨率。另夕卜，提供增強的噪聲屏蔽不影響檢測分辨率，但在圖20中所展示的配置中其將影響。在此實施例中，在電容性傳感器板208與護環320之間實質上不存在寄生電容，因為兩者處于實質上相同電壓電位。
[0057]參考圖9，其描繪根據本發明的特定實例性實施例的具有用于電容性傳感器及相關聯護環的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的示意圖。當使用確定電容性傳感器板2008的電容值的電容性分壓器(CVD)方法時，可應用圖9中所展示的混合信號集成電路裝置101(例如，微控制器)。通過首先確定未經觸摸電容性傳感器板2008的電容值且接著確定經觸摸電容性傳感器板2008的后續電容值，對所述電容性傳感器板2008的觸摸可基于其電容改變而確定。在CVD中，將兩個電容器充電/放電到相反電壓值。接著，將兩個帶相反電荷的電容器耦合在一起且在經連接的兩個電容器上測量所得電壓。在共同擁有的第US2010/0181180號美國專利申請公開案中呈現CVD的更詳細解釋，所述專利申請公開案出于所有目的而以引用方式并入本文中。圖9中所展示的開關可為(舉例來說但不限于)場效應晶體管(FET)開關。節點928及930為分別耦合到相應內部單線(導體)模擬總線932及934的模擬節點。
[0058]如果這兩個電容器具有相當接近的電容值(例如，1:1到約3:1)，那么電容性傳感器板2008的電容通過可變電容器904 (第一 CVD電容器)表示，且第二 CVD電容器可為取樣與保持電容器916。在CVD中此情形的原因是來自一個電容器的電荷的部分轉移到不具有電荷或具有相反電荷的另一電容器。舉例來說，當兩個CVD電容器的值相等時，一個電容器上的一半電荷將轉移到另一電容器。2:1電容比將取決于最初將電容器中的哪一者充電而導致電荷的1/3轉移到較小(1/2C)電容器或從較小(1/2C)電容器獲得。當取樣與保持電容器916實質上小于電容性傳感器電容器904時，可從外部將額外電容906a添加到節點928，及/或可獨立于節點928添加內部電容906b以使得電容器916、906a及/或906b的經組合電容相對于電容性傳感器電容904的電容值具有足夠的電容以滿足以上準則。此導致使用CVD確定電容值的最佳分辨率。電容器916也為用以取樣及保持在電荷于兩個CVD電容器之間轉移之后所得的模擬電壓的取樣與保持電容器。一旦電荷轉移完成，模/數轉換器(ADC)918便將所得電荷電壓轉換為數字值，所述數字值由ADC控制器110/數字處理器106讀取以用于進一步處理并確定觸摸傳感器電容器904的電容值。
[0059]在下文中所呈現的實例中，電容器904(第一 CVD電容器)、電容器906a(經外部連接電容器)及/或電容器906b (經內部連接電容器)的電容值可結合取樣與保持電容器916選擇以分別取決于第一 CVD電容器904被放電到Nss還是被充電到Vdd及電容器906與電容器916的組合被充電到Vdd還是被放電到Vss而產生Vdd電壓的1/3或2/3的經組合電荷電壓。在此實例中，電容器904為電容器906與電容器916的經并聯連接組合的電容的約兩倍電容。在將兩個帶相反極性電荷的CVD電容器耦合在一起之后的所得靜態電壓將在最初將電容器904放電到Vss時為約l/3*Vdd且在最初將電容器904充電到Vdd時為約 2/3*Vdd。
[0060]知曉并聯連接的所有電容器的組合的預期靜態電壓允許形成用于環繞正由數字處理器106評估電容值的相應傳感器板208的護環3020的適當電壓。當在護環3020上需要Vdd時，來自數字驅動器912及914的兩個輸出實質上處于Vdd (邏輯高)。當在護環3020上需要Vss時，來自數字驅動器912及914的兩個輸出實質上處于Vss (邏輯低)。當在護環3020上需要l/3*Vdd時，來自數字驅動器914的輸出處于Vss (邏輯低)且來自數字驅動器912的輸出實質上處于Vdd(邏輯高)。當在護環3020上需要2/3*Vdd時，來自數字驅動器914的輸出處于Vdd (邏輯高)且來自數字驅動器912的輸出實質上處于Vss (邏輯低)。
[0061]通過對電容器906的電容值以及電阻器908及910的電阻值的適當選擇，可通過ADC控制器110使用節點924及926處的僅兩個數字輸出容易地產生護環電壓。也可通過對電容器906以及電阻器908及910的值的適當選擇有效地使用其它電壓比。舉例來說，如果電容器906與電容器916的經組合電容實質上等于電容器904的電容，那么后續經組合電壓將為l/2*Vdd且在適當時電阻器908及910將為實質上相同電阻以在護環電容上產生 l/2*Vdd。
[0062]參考圖10，其描繪根據本發明的另一特定實例性實施例的具有用于多個電容性傳感器及護環的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的示意圖。除了存在僅一個單線模擬總線932a以外，圖10中所展示的混合信號集成電路裝置IOlb (例如，微控制器)以與圖9中所展示的裝置IOla實質上相同的方式操作；其中借助開關H將內部電容器906b及906c從總線932a解耦，且借助開關G將外部節點928從總線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/充電的時間周期不同的時間周期期間將第一 CVD電容器904充電/放電。此節省一組開關及第二內部模擬總線(參見圖9總線934) ο
[0063]另外，多個開關I用以對用于圖1中所展示的電容性觸摸鍵108中的電容性傳感器904中的每一者進行多路復用。這些特征也可并入到圖9的電路中。模擬多路復用器開關I在電容性觸摸模擬前端104掃描電容性觸摸鍵108時選擇多個傳感器電容器904中的相應者。多個節點930通常為多用途可編程模擬或數字輸入及/或輸出。為了本發明中的解釋的清晰，僅展示經模擬輸入/輸出(雙向)配置節點。數字處理器通過數字驅動器912及914針對多個傳感器電容器904中的選定一者將節點924及926驅動到適當邏輯電平。
[0064]參考圖11，其描繪根據本發明的特定實例性實施例的具有用于電容性傳感器及相關聯護環的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的示意圖。圖11中所展示的混合信號集成電路裝置IOlb (例如，微控制器)以與圖9中所展示的裝置IOla實質上相同的方式操作。
[0065]任選地，具有高輸入阻抗的模擬緩沖驅動器914可耦合到節點930，節點930還耦合到電容器904。模擬緩沖驅動器914具有可通過開關J可切換地耦合到節點926的低阻抗輸出，節點926還耦合到護環電容902。模擬緩沖驅動器914的輸出電壓如實地遵循到其的輸入處的電壓。因此，護環3020上的電壓實質上遵循正由數字處理器106評估電容值的相應傳感器板208上的電壓。
[0066]參考圖12，其描繪根據本發明的另一特定實例性實施例的具有用于多個電容性傳感器及護環的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的示意圖。圖12中所展示的混合信號集成電路裝置IOld(例如，微控制器)以與圖10中所展示的裝置IOla實質上相同的方式操作。
[0067]任選地,當將多個電容器904中的選定一者充電/放電時，具有高輸入阻抗的模擬緩沖驅動器914可通過開關J耦合于節點926與單線模擬總線932a之間。模擬緩沖驅動器914具有耦合到節點926的低阻抗輸出，節點926耦合到護環電容902。模擬緩沖驅動器914的輸出電壓如實地遵循多個電容器904中的選定一者上的電壓。
[0068]關于圖9到12，本發明預期且在本發明的范圍內，微控制器的各種實施例可包含外部節點928以允許外部電容器906a的連接，如上文中所解釋。額外可調整電容器906b (及906c)可存在于內部且可切換地耦合到模擬總線932a。然而，其它實施例可不提供此外部節點928。而是，電容916可具有適當值，或者額外內部電容906b (舉例來說，可變電容)連接到或可連接到總線932。此外，由于每一外部節點926、928及930可為可編程的以支持多個功能，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用于如上文所提及的其它功能。
[0069]參考圖13及14，其描繪根據本發明的特定實例性實施例的電容轉換(圖13)及在這些轉換期間的護環電壓控制(圖14)的示意性電壓-時間圖。在分段I中，電容器906及916 (取樣與保持電容器)充電到Vdd，電容性傳感器電容器904放電到Vss，且護環電容902放電到Vss (實質上匹配電容器904上的電壓)。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摸鍵108時將得到約l/3*Vdd的靜態電壓，且當按下電容性觸摸鍵108時將得到比l/3*Vdd稍小的靜態電壓。護環電容902遵循電容器904 (電容性傳感器)上的電壓以便最小化其之間的任何寄生電容。接近分段II的結束，取樣與保持電容器916從電容器906及904解耦且保持在分段II期間獲得的靜態電壓。在分段III中，電容器904 (電容性傳感器)上的任何電壓電荷放電到實質上Vss，接著在分段IV的開始處，電容器904 (電容性傳感器)及護環電容902充電到實質上Vdd。同時也在分段IV中，存儲于取樣與保持電容器916上的靜態電壓由ADC918轉換為表不靜態電壓且由數字處理器106讀取的數字值。來自ADC918的數字值用于確定是否致動(觸摸)電容性傳感器(例如，靜態電壓是否低于從未經致動觸摸傳感器預期的電壓)。當致動(觸摸)觸摸傳感器電容器904的電容值時，其電容增加且后續靜態電壓將借此小于未致動時的電壓。當將電容器904初始化到Nss時，情況如此。當將電容器904初始化到Vdd時，后續靜態電壓在未致動所述電容性傳感器時為約2/3*Vdd。
[0070]在分段V中，電容器906及916 (取樣與保持電容器)放電到Vss，電容性傳感器電容器904及護環電容902已經充電到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摸鍵108時將得到約2/3*Vdd的靜態電壓，且當按下電容性觸摸鍵108時將得到比2/3*Vdd稍大的靜態電壓。護環電容902遵循電容器904 (電容性傳感器)上的電壓以便最小化其之間的任何寄生電容。接近分段VI的結束，取樣與保持電容器916從電容器906及904解耦且保持在分段VI期間獲得的靜態電壓。在分段VII中，電容器904 (電容性傳感器)充電到實質上Vdd，接著在分段VIII的開始處電容器904 (電容性傳感器)及護環電容902放電到實質上Vss。同時也在分段VIII中，存儲于取樣與保持電容器916上的靜態電壓由ADC918轉換為表示靜態電壓且由數字處理器106讀取的數字值。來自ADC918的數字值用于確定是否致動(觸摸)電容性傳感器(例如，靜態電壓是否低于從未經致動觸摸傳感器預期的電壓)。當致動(觸摸)觸摸傳感器電容器904的電容值時，其電容增加且后續靜態電壓將借此大于未致動時的電壓。當將電容器904初始化到Vdd時，情況如此。當將電容器904初始化到Vss時，后續靜態電壓在未致動電容性傳感器時為約l/3*Vdd，如上文中所描述。這些序列針對觸摸鍵108中的每一者重復。此外，通過每隔一電容性測量循環反轉電壓電荷極性及對電容性測量值求平均值，實現了最小化共模噪聲及干擾(例如，60Hz電力線干擾)的類型的差分操作。
[0071]本發明預期且在本發明的范圍內，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將電容性觸摸傳感器電容器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對所得電荷電壓進行取樣且將經取樣電荷電壓轉換為數字值，且通知數字處理器106經取樣電荷電壓的數字值可用。另外，ADC控制器110可控制時序、開關及驅動器選擇以將護環3020充電及放電。
[0072]參考圖15，其描繪圖9中所展示的電容性轉換系統的示意性時序圖。關于開關A到F的操作斷開與閉合組合展示節點924、926、928及930上的電壓。本發明預期且在本發明的范圍內可使用具有相等效應的其它及進一步電路設計及時序圖，且電子電路設計領域的且受益于本發明的一般技術人員可復制本文中所描述的結果。
[0073]參考圖16，其描繪圖11中所展示的電容性轉換系統的示意性時序圖。關于開關A到F的操作斷開與閉合組合展示節點924、926、928及930上的電壓。圖16基本上表示與圖15中所展示的電壓及時序波形相同的電壓及時序波形。本發明預期且在本發明的范圍內可使用具有相等效應的其它及進一步電路設計及時序圖，且電子電路設計領域的且受益于本發明的一般技術人員可復制本文中所描述的結果。
[0074]參考圖17及18，其描繪根據本發明的特定實例性實施例的電容性轉換的示意性流程圖。圖17及18中所描繪的示意性流程圖表示具有圖9、10及15中所展示的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的操作。可針對第一電容性測量執行以下步驟。在步驟1102中，開始電容值轉換。在步驟1104中，將電容器906與電容器916的取樣與保持電容器組合充電到第一電壓。在步驟1106中，將電容性傳感器充電到第二電壓。第一電壓可為Vdd且第二電壓可為Vss或反之亦然。任選地，在步驟1108中，可將電容性傳感器護環充電到第二電壓以便最小化原本將由于因電容性傳感器與鄰近導體之間的電壓電位差導致的靜電電荷而形成于電容性傳感器處的寄生電容。
[0075]接下來，在步驟1110中，將傳感器護環充電/放電到第三電壓，同時執行其中將先前充電到第一電壓的取樣與保持電容器組合耦合到先前充電到第二電壓的電容性傳感器的步驟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和電容性傳感器耦合在一起達足夠長時間以實現到靜態第一電荷的完全穩定。接著，在步驟1116中，將取樣與保持電容器從電容性傳感器解耦且取樣與保持電容器此后保持經穩定的第一電荷。在步驟1118中，存儲于取樣與保持電容器中的第一電荷到數字表示的轉換開始。[0076]在步驟1120中，將電容性傳感器短暫地放電到第二電壓。在步驟1122中，將電容性傳感器充電到第一電壓。任選地，在步驟1124中，將電容性傳感器護環充電到第一電壓以便最小化原本將由于因電容性傳感器與鄰近導體之間的電壓電位差導致的靜電電荷而形成于電容性傳感器處的寄生電容。在步驟1126中，第一電荷到其數字表示的轉換終止且接著由數字處理器106讀取以用于確定電容性傳感器108的電容值。
[0077]可針對任選第二電容性測量執行以下步驟。在步驟1128中，將電容器906與916的取樣與保持電容器組合充電到第二電壓。在步驟1130中，將電容性傳感器充電到第一電壓。任選地，在步驟1132中，將電容性傳感器護環充電到第一電壓以便最小化原本將由于因電容性傳感器與鄰近導體之間的電壓電位差導致的靜電電荷而形成于電容性傳感器處的寄生電容。
[0078]任選地，接下來在步驟1134中，將傳感器護環充電/放電到第四電壓，同時執行其中將先前充電到第二電壓電平的取樣與保持電容器組合耦合到先前充電到第一電壓的電容性傳感器的步驟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和電容性傳感器耦合在一起達足夠長時間以實現到靜態第二電荷的完全穩定。接著，在步驟1140中，將取樣與保持電容器從電容性傳感器解耦且取樣與保持電容器此后保持經穩定的第二電荷。在步驟1142中，存儲于取樣與保持電容器中的第二電荷到數字表示的轉換開始。
[0079]在步驟1144中，將電容性傳感器短暫地放電到第一電壓。在步驟1146中，將電容性傳感器充電到第二電壓。任選地，在步驟1148中，將電容性傳感器護環充電到第二電壓以便最小化原本將由于因電容性傳感器與鄰近導體之間的電壓電位差導致的靜電電荷而形成于電容性傳感器處的寄生電容。在步驟1150中，第二電荷到其數字表示的轉換終止且接著由數字處理器106讀取以用于確定電容性傳感器108的電容值。獲得第一及第二電荷轉換兩者的優點是其可經處理以減小共模噪聲及干擾(例如，60Hz電力線干擾)。
[0080]參考圖19及20，其描繪根據本發明的另一特定實例性實施例的電容性轉換的示意性流程圖。圖19及18中所描繪的示意性流程圖表示具有圖11、12及16中所展示的CVD處理能力的混合信號集成電路裝置的操作。可針對第一電容性測量執行以下步驟。在步驟1202中，開始電容值轉換。在步驟1204中，將電容器906與電容器916的取樣與保持電容器組合充電到第一電壓。在步驟1206中，將電容性傳感器及(任選地)電容性傳感器護環充電到第二電壓。第一電壓可為Vdd且第二電壓可為Vss或反之亦然。任選地，可將電容性傳感器護環充電到第二電壓以便最小化原本將由于因電容性傳感器與鄰近導體之間的電壓電位差導致的靜電電荷而形成于電容性傳感器處的寄生電容。
[0081]在步驟1212中，將先前充電到第一電壓的取樣與保持電容器組合耦合到先前充電到第二電壓的電容性傳感器。在步驟1214中，將取樣與保持電容器和電容性傳感器耦合在一起達足夠長時間以實現到共同靜態第一電荷的完全穩定。接著，在步驟1216中，將取樣與保持電容器從電容性傳感器解耦且取樣與保持電容器此后保持經穩定的第一電荷。在步驟1218中，存儲于取樣與保持電容器中的第一電荷到數字表示的轉換開始。
[0082]在步驟1220中，將電容性傳感器及(任選地)護環短暫地放電到第二電壓。在步驟1222中，將電容性傳感器及(任選地)護環充電到第一電壓。任選地，可將電容性傳感器護環充電到第一電壓以便最小化原本將由于因電容性傳感器與鄰近導體之間的電壓電位差導致的靜電電荷而形成于電容性傳感器處的寄生電容。在步驟1226中，第一電荷到其數字表示的轉換終止且接著由數字處理器106讀取以用于確定電容性傳感器108的電容值。
[0083]可針對任選第二電容性測量執行以下步驟。在步驟1228中，將電容器906與916的取樣與保持電容器組合充電到第二電壓。在步驟1230中，將電容性傳感器及(任選地)電容性傳感器護環充電到第一電壓。任選地，可將電容性傳感器護環充電到第一電壓以便最小化原本將由于因電容性傳感器與鄰近導體之間的電壓電位差導致的靜電電荷而形成于電容性傳感器處的寄生電容。
[0084]在步驟1236中，將先前充電到第二電壓電平的取樣與保持電容器組合耦合到先前充電到第一電壓的電容性傳感器。在步驟1238中，將取樣與保持電容器組合和電容性傳感器耦合在一起達足夠長時間以實現到靜態第二電荷的完全穩定。接著，在步驟1240中，將取樣與保持電容器從電容性傳感器解耦且取樣與保持電容器此后保持經穩定的第二電荷。在步驟1242中，存儲于取樣與保持電容器中的第二電荷到數字表示的轉換開始。
[0085]在步驟1244中，將電容性傳感器及(任選地)護環短暫地放電到第一電壓。在步驟1246中，將電容性傳感器及(任選地)護環充電到第二電壓。任選地，可將電容性傳感器護環充電到第二電壓以便最小化原本將由于因電容性傳感器與鄰近導體之間的電壓電位差導致的靜電電荷而形成于電容性傳感器處的寄生電容。在步驟1250中，第二電荷到其數字表示的轉換終止且接著由數字處理器106讀取以用于確定電容性傳感器108的電容值。獲得第一及第二電荷轉換兩者的優點是其可經處理以減小共模噪聲及干擾(例如，60Hz電力線干擾)。
【權利要求】
1.一種微控制器，其包括: 多個端口，其與模擬總線耦合； 模/數轉換器，其與所述模擬總線耦合，其中所述模/數轉換器包括主要取樣與保持電容器； 多個額外取樣與保持電容，其可與所述主要取樣與保持電容可編程地并聯耦合。
2.根據權利要求1所述的微控制器，其進一步包括控制用于將所述額外取樣與保持電容并聯耦合到所述主要取樣與保持電容的多個開關的寄存器。
3.根據權利要求1所述的微控制器，其進一步包括用于自動測量通過所述微控制器的外部端口與所述模擬總線耦合的外部傳感器的電容的可編程控制單元。
4.根據權利要求3所述的微控制器，其中所述微控制器經配置以存儲所述外部傳感器的經測量值且在所述外部傳感器耦合到所述ADC以用于測量時將所述額外取樣與保持電容中的一或多者自動添加到所述主要取樣與保持電容。
5.—種ADC模塊,其包括: 模/數轉換器，其與模擬總線耦合，其中所述模/數轉換器包括主要取樣與保持電容器；及 多個額外取樣與保持電容，其可與所述主要取樣與保持電容可編程地并聯耦合。
6.根據權利要求1所述的ADC模塊，其進一步包括控制用于將所述額外取樣與保持電容并聯耦合到所述主要取樣與保持電容的多個開關的寄存器。
7.根據權利要求1所述的ADC模塊，其進一步包括用于自動測量通過所述微控制器的外部端口與所述模擬總線耦合的外部傳感器的電容的可編程控制單元。
8.根據權利要求4所述的ADC模塊，其中所述微控制器經配置以存儲所述外部傳感器的經測量值且在所述外部傳感器耦合到所述ADC以用于測量時將所述額外取樣與保持電容中的一或多者自動添加到所述主要取樣與保持電容。
9.一種方法，其包括: 提供與模擬總線耦合的多個端口； 提供與所述模擬總線耦合的模/數轉換器，其中所述模/數轉換器包括主要取樣與保持電容器； 提供可與所述主要取樣與保持電容可編程地并聯耦合的多個額外取樣與保持電容。
10.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括提供控制用于將所述額外取樣與保持電容并聯耦合到所述主要取樣與保持電容的多個開關的寄存器。
11.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括提供用于自動測量通過所述微控制器的外部端口與所述模擬總線耦合的外部傳感器的電容的可編程控制單元。
12.根據權利要求3所述的方法，其中所述微控制器經配置以存儲所述外部傳感器的經測量值且在所述外部傳感器耦合到所述ADC以用于測量時將所述額外取樣與保持電容中的一或多者自動添加到所述主要取樣與保持電容。
【文檔編號】H03M1/12GK103947118SQ201280056994
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年10月5日 優先權日:2011年10月6日
【發明者】齊克·倫德斯特魯姆, 基思·柯蒂斯, 伯克·戴維森, 肖恩·斯蒂德曼, 雅恩·勒法爾 申請人:密克羅奇普技術公司