用于具有噪声稳健性的电容传感器系统的信号处理的制作方法
【专利说明】用于具有噪声稳健性的电容传感器系统的信号处理
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2012年8月16日申请的第61/684，009号美国临时专利申请案的优先权，所述临时专利申请案的全文如同在本文中完全陈述般以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及用于电容传感器系统的方法及系统，特定来说涉及此些系统中的信号处理。
【背景技术】
[0004]可通过生成交流电场并在此电场内的传感器电极处测量一次循环中所获得的电势差(即，电压)来实现电容传感器系统。可使用单电极或发射电极及一或多个接收电极。此电压为传感器电极与其电环境之间的电容的量度，即，其受比如人的手指或手等物体影响。此外，举例来说，可从这个电压推断手指的距离。此信息可用于人机接口。
[0005]根据上述原理操作的常规系统的问题在于:电噪声源(例如荧光灯或USB充电器)可能影响电场。因此，在噪声环境中精确而可靠地估计此电压是成问题的。
【发明内容】
[0006]根据各个实施例，提供一种在具有频率选择性噪声的环境中实施操作频率的自动调适的电容传感器系统。根据实施例的一种电容传感器包含:发射电极，其经配置以提供交流电场到传感器；一或多个接收电极，其用于检测所述交流电场的变动；及自适应频率调整单元，其经配置以响应于噪声量度(例如噪声功率)的检测而调整所述交流电场的操作频率。在一些实施例中，所述自适应频率调整单元经配置以确定潜在操作频率下的多个噪声功率且选择新操作频率。
[0007]根据实施例的一种用于向电容感测系统提供噪声稳健性的方法包含:界定多个潜在操作发射频率；确定对应于所述潜在操作频率的每一者的对应噪声量度；在所述多个潜在操作发射频率的一者下操作所述电容感测系统；测量所述操作频率下的操作噪声量度；及响应于所述测得的操作噪声量度的值而选择新操作频率。
[0008]根据实施例的一种电容传感器系统包含:发射电极，其经配置以提供交流电场到传感器；一或多个接收电极，其用于检测所述交流电场的变动；及自适应频率调整单元，其经配置以根据将所述电容传感器系统模型化为具有直接取样及同步解调的振幅调制系统而调整所述交流电场的操作频率。在一些实施例中，所述自适应频率调整单元经配置以确定潜在操作频率下的多个噪声量度且选择对应于所述多个噪声量度的最小值或最大值的操作频率。
[0009]根据实施例的一种传感器系统包含经受噪声且与接收噪声信号的信号处理单元耦合的交流电场传感器布置，其中所述信号处理单元将所述噪声信号转换成数字信号，其中所述信号处理单元进一步经配置以通过与(_l)k(其中k指示离散时间)相乘、随后进行低通滤波、随后进行R倍抽取及进一步进行低通滤波来解调经取样的信号。所述信号处理单元进一步可操作以根据经处理的信号执行距离估计、定位或手势辨认。所述交流电场可由脉冲信号生成。
[0010]结合下文描述及随附图式考虑时将更好地了解及理解本发明的这些及其它方面。然而，应了解，尽管下文描述指示本发明及其诸多具体细节的各个实施例，但其仅具说明性而非限制性。在不背离本发明的精神的情况下，可在本发明的范围内进行诸多替换、修改、添加及/或重新布置，且本发明包含所有此些替换、修改、添加及/或重新布置。
【附图说明】
[0011]包含构成本说明书的一部分的随附图式以描绘本发明的某些方面。应注意，图式中所说明的特征不一定按比例绘制。通过参考结合随附图式进行的下文描述，可获取对本发明及其优点的更完全理解，其中随附图式中相似参考数字指示相似特征，且其中:
[0012]图1描绘示范性电容感测的图示。
[0013]图2描绘示范性电容传感器的图示。
[0014]图3说明示范性噪声及噪声消减。
[0015]图4描绘示范性电容传感器的图示。
[0016]图5更详细描绘图4的示范性电容传感器。
[0017]图6为示范性噪声功率频谱密度。
[0018]图7为噪声输入信号的示范性功率频谱密度。
[0019]图8为经取样的噪声输入信号的示范性功率频谱密度。
[0020]图9为展示所关注信号的示意频谱。
[0021]图10为说明根据实施例的过程流程的视图。
[0022]图11为实施根据实施例的方法的示范性系统。
【具体实施方式】
[0023]参考随附图式中所说明及下文描述中所详述的示范性且因此非限制性实施例，可更充分解释本发明及其各种特征及有利细节。然而，应了解，尽管详细描述及具体实例指示优选实施例，但其仅具说明性而非限制性。可省略已知的编程技术、计算机软件、硬件、操作平台及协议的描述以免不必要地使本发明的细节难以理解。所属领域的技术人员从本发明将明白基本发明概念的精神及/或范围内的各种替换、修改、添加及/或重新布置。
[0024]现转到图式且尤其关注图1，图中展示用于估计交流电场的示范性传感器电极布置100。所述传感器电极布置包含多个接收电极106a_106e及一或多个发射电极104。一或多个接收电极106a_e通常布置在发射电极104上方的层中，且其中绝缘层(未展示)布置在发射电极与接收电极之间。传感器电极布置100经配置以确定物体(例如手指102)对交流电场的效应。借此可确定手指102与传感器电极布置之间的距离108。
[0025]更特定来说，根据各个实施例，前端装置通过测量接收电极与手指(GND)之间的电容来估计手指102与传感器布置之间的距离。由交流电压激发电容分压器处的电势变化。
[0026]这参考图2示意说明。特定来说，图2展示位于具有发射器电极Etx及接收器电极Ekx的电容传感器系统200的横截面上方的距离X。处的人的手指102。使用矩形脉冲串电压源202来激发Etx，其中电源电阻艮及E τχ与接地(GND)之间的电容C τχ形成低通滤波器。矩形脉冲串电压通常具有40kHz-140kHz的频率。Ekx与GND之间的可变电容C f受控于E EX与手指102之间的电容，所述电容取决于手指与Ekx之间的距离X QO Ci及E E κχ之间的恒定电容Cs建立电容分压器204。因此，电压 '为X ^的函数。
[0027]应注意，图式中省略对传感器系统的基本理解不太重要的另外电容。此外，电容Cf不仅取决于距离&，而且取决于指尖的三维位置、手的定向、手的大小等。
[0028]图3说明集成前端装置的输出信号300、302。输出信号300展示根据实施例的无噪声矫正(即，自动频率调适)的输出信号，而输出信号302为根据实施例的具有自动频率调适的输出。如所展示，在304处接通噪声源(例如荧光灯)。传感器信号307a展示噪声的效应，而信号307b展示清晰的无噪声信号。
[0029]如下文将更详细解释，根据各个实施例，可向例如集成前端电路提供对传感器电极布置的噪声稳健性用于直接估计传感器信号。根据各个实施例，可自动估计信道噪声且可选择最佳操作频率。
[0030]图4说明根据各个实施例的示范性电容传感器400。电压源Vtx的输出在403处进行低通滤波且驱动电容分压器404。接收电极Ekx可连接到任选缓冲器406、模拟带通滤波器408及模/数转换器(ADC) 410 (其执行直接取样)。ADC 410可与电压源同步以在每一发射器周期内取样两次。将ADC的输出馈送到数字信号处理(DSP)单元412中。如下文将更详细解释，DSP 412经由控制路径414控制振荡器Vtx以在面对噪声情况时选择最佳操作频率。
[0031]图5说明图4的电容传感器的通信理论模型。特定来说，如下文将更详细解释，电容传感器可模型化为具有直接取样的振幅调制系统。示范性取样频率可为例如发射信号Vtx的频率的两倍。举例来说，如果fTX为100kHz，那么fs= 1/TS= 2f TX= 200kHzο应注意，其它频率可行。
[0032]根据各个实施例，数字信号处理块412可实施数字解调506、R倍向下取样(例如到fs’ = 200Hz，其中R= 1000)(即，低通滤波508)以及后续抽取510、低通滤波512、频率相依信号调整514，及后续定位及手势辨认516。
[0033]更特定来说，低通滤波器403的输出(即，经低通滤波的矩形脉冲串402)可模型化为载波信号c (t)，其中t表示连续时间。载波信号c (t)在501处以作为电容Cf (图2、图4)的函数的[mO+m (t)]调制以产生y(t)。
[0034]在502处，信号y(t)已添加到其随机噪声e (t)。随机噪声e(t)可表示例如来自荧光灯泡或其它源的噪声。所得噪声信号z(t) =y(t)+e(t)在504处以离散时间1^*1；取样，其中Ts= l/(2*fTX)为发射器频率&)(的两倍的倒数且1^ = 0、1、2丨为离散时间指数。
[0035]ADC 410将时间离散信号转换成数字域。接着，由DSP 412处理ADC输出z (k)。在所说明实例中，信号z(k)在506处通过