积分时间和/或电容测量系统、方法及设备.pdf

通过在事件期间从恒定电流源对已知值电容器充电来确定所述事件的时间周期。所述电容器上的所得电压与所述事件时间周期成比例且可根据所述所得电压和已知电容值予以计算。通过在已知时间周期期间从恒定电流源对电容器充电来测量电容。所述电容器上的所得电压与其电容成比例且可根据所述所得电压和已知时间周期予以计算。可通过在所述事件开始时对第一电容器充电和在所述事件终止时对第二电容器充电且同时对其间的时钟时间进行计数来测量长时间周期事件。通过在事件起始和终止时充电第一和第二电容器上的电压且同时将其上的电压与参考电压进行比较来进行所述事件的延迟。

1.  一种用于测量时间周期的设备，其包含：
恒定电流源；
电流导引开关，其耦合到所述恒定电流源；
电容器，其耦合到所述电流导引开关，所述电容器具有已知电容值，其中当所述电流导引开关将所述恒定电流源耦合到所述电容器时，所述电容器上的电压大体上随时间线性增加；
电路，其用于控制所述电流导引开关，其中所述电流导引开关在所述电路检测到事件的开始时将所述电容器耦合到所述恒定电流源，且在所述电路检测到所述事件的终止时将所述电容器从所述恒定电流源去耦；
模/数转换器(ADC)，其用于将所述电容器上的所述电压转换成其数字表示；以及
数字处理器，其用于将所述电容器上的所述电压的所述数字表示转换成表示所述事件的开始与终止之间的时间周期的时间值。

2.  根据权利要求1所述的设备，其中所述ADC为逐次逼近ADC。

3.  根据权利要求1所述的设备，其中所述ADC为∑-ΔADC。

4.  根据权利要求3所述的设备，其进一步包含用于对所述电容器上的所述电压进行取样且将所述取样的电压耦合到所述∑-ΔADC的电压取样电路。

5.  根据权利要求1所述的设备，其中所述数字处理器根据所述已知电容值和所述电压的所述数字表示计算所述事件的所述时间周期。

6.  根据权利要求1所述的设备，其中所述数字处理器为微控制器。

7.  根据权利要求1所述的设备，其中所述用于控制所述电流导引开关的电路包含：
第一触发器，其具有耦合到指示所述事件起始的第一事件信号边缘的时钟输入；
第二触发器，其具有耦合到指示所述事件终止的第二事件信号边缘的时钟输入；以及
AND门，其具有耦合到所述第一触发器的Q输出的第一输入、耦合到所述第二触发器的非Q输出的第二输入和耦合到所述电流导引开关的控制输入的输出。

8.  根据权利要求7所述的设备，其进一步包含NAND门，所述NAND门具有耦合到所述第一触发器的所述Q输出的第一输入、耦合到所述第二触发器的Q输出的第二输入以及耦合到所述第一和第二触发器的重置输入的输出。

9.  根据权利要求1所述的设备，其中所述恒定电流源、所述电流导引开关、所述电容器、所述用于控制所述电流导引开关的电路、所述ADC和所述数字处理器制造于集成电路裸片上。

10.  根据权利要求9所述的设备，其中所述集成电路裸片封闭于集成电路封装中。

11.  一种用于测量时间周期的方法，所述方法包含以下步骤：
提供恒定电流源；
提供具有已知电容值的电容器；
在检测到事件的开始时，从所述恒定电流源对具有所述已知电容值的所述电容器充电；
在检测到所述事件的终止时，将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及
将所述电压的所述数字表示转换成表示所述事件开始与终止之间的时间周期的时间值。

12.  根据权利要求11所述的方法，其中所述将所述电压的所述数字表示转换成时间值的步骤包含：在所述事件的所述终止时根据所述已知电容值和所述电容器上的所述电压的所述数字表示计算所述事件的所述时间周期的步骤。

13.  一种用于测量电容的设备，其包含：
恒定电流源；
电流导引开关，其耦合到所述恒定电流源；
电容器，其耦合到所述电流导引开关，所述电容器具有未知电容值，其中当所述电流导引开关将所述恒定电流源耦合到所述电容器时，所述电容器上的电压大体上随时间线性增加；
电路，其用于控制所述电流导引开关，其中所述电流导引开关在所述电路检测到时钟的已知时间周期的开始时将所述电容器耦合到所述恒定电流源，且在所述电路检测到所述时钟的所述已知时间周期的终止时将所述电容器从所述恒定电流源去耦；
模/数转换器(ADC)，其用于将所述电容器上的所述电压转换成其数字表示；以及
数字处理器，其用于将所述电压的所述数字表示转换成电容值。

14.  根据权利要求13所述的设备，其中所述ADC为逐次逼近ADC。

15.  根据权利要求13所述的设备，其中所述ADC为∑-ΔADC。

16.  根据权利要求15所述的设备，其进一步包含用于对所述电容器上的所述电压进行取样且将所述取样的电压耦合到所述∑-ΔADC的电压取样电路。

17.  根据权利要求13所述的设备，其中所述数字处理器根据所述电压的所述数字表示和所述时钟的所述已知时间周期计算所述未知值电容器的所述电容。

18.  根据权利要求13所述的设备，其中所述数字处理器为微控制器。

19.  根据权利要求13所述的设备，其中所述用于控制所述电流导引开关的电路包含：
第一触发器，其具有耦合到指示所述时钟的所述已知时间周期的所述开始的第一时钟信号边缘的时钟输入；
第二触发器，其具有耦合到指示所述时钟的所述已知时间周期的所述终止的第二时钟信号边缘的时钟输入；以及
AND门，其具有耦合到所述第一触发器的Q输出的第一输入、耦合到所述第二触发器的非Q输出的第二输入和耦合到所述电流导引开关的控制输入的输出。

20.  根据权利要求19所述的设备，其进一步包含NAND门，所述NAND门具有耦合到所述第一触发器的所述Q输出的第一输入、耦合到所述第二触发器的Q输出的第二输入以及耦合到所述第一和第二触发器的重置输入的输出。

21.  根据权利要求13所述的设备，其中所述恒定电流源、所述电流导引开关、所述用于控制所述电流导引开关的电路、所述ADC和所述数字处理器制造于集成电路裸片上。

22.  根据权利要求21所述的设备，其中所述集成电路裸片封闭于集成电路封装中。

23.  根据权利要求13所述的设备，其中所述电容器为电容触摸式传感器，且所述电容触摸式传感器的所述电容在所述电容触摸式传感器已被激活时改变。

24.  一种用于测量电容值的方法，所述方法包含以下步骤：
提供恒定电流源；
提供具有未知电容值的电容器；
在检测到时钟的已知时间周期的开始时闭合电流导引开关；
在检测到具有已知时间周期的时钟的开始时，从所述恒定电流源对具有所述未知电容值的所述电容器充电；
在检测到具有所述已知时间周期的所述时钟的终止时，将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及
将所述电压的所述数字表示转换成电容值。

25.  根据权利要求24所述的方法，其中所述将所述电压的所述数字表示转换成所述电容值的步骤包含根据所述电压的所述数字表示和所述时钟的所述已知时间周期计算所述电容值的步骤。

26.  根据权利要求24所述的方法，测量电容触摸式传感器的电容以确定所述电容触摸式传感器何时已被激活。

27.  一种用于测量长时间周期的设备，其包含：
时钟间隔计数器，其具有耦合到系统时钟的时钟输入，其中所述时钟间隔计数器在事件的开始后起始对系统时钟周期进行计数，且在所述事件的终止后停止对系统时钟周期进行计数；
第一时间测量单元，其包含：
第一恒定电流源；
第一电流导引开关，其耦合到所述第一恒定电流源；
第一电容器，其耦合到所述第一电流导引开关，所述第一电容器具有已知电容值，其中当所述第一电流导引开关将所述第一恒定电流源耦合到所述第一电容器时，所述第一电容器上的第一电压大体上随时间线性增加；
第一电路，其用于控制所述第一电流导引开关，其中所述第一电流导引开关在所述第一电路检测到所述事件的开始时将所述第一电容器耦合到所述第一恒定电流源，且在所述第一电路检测到在所述事件的开始后出现的所述系统时钟周期时将所述第一电容器从所述第一恒定电流源去耦；
第二时间测量单元，其包含：
第二恒定电流源；
第二电流导引开关，其耦合到所述第二恒定电流源；
第二电容器，其耦合到所述第二电流导引开关，所述第二电容器具有已知电容值，其中当所述第二电流导引开关将所述第二恒定电流源耦合到所述第二电容器时，所述第二电容器上的第二电压大体上随时间线性增加；
第二电路，其用于控制所述第二电流导引开关，其中所述第二电流导引开关在所述第二电路检测到所述事件终止时将所述第二电容器耦合到所述第二恒定电流源，且在所述第二电路检测到在所述事件终止后出现的所述系统时钟周期时将所述第二电容器从所述第二恒定电流源去耦；
模/数转换器(ADC)，其用于将所述第一和第二电压分别转换成其第一和第二数字表示；以及
数字处理器，其中所述数字处理器在确定所述事件的时间周期时，分别将所述第一和第二电压的所述第一和第二数字表示分别转换成第一和第二时间值，从所述时钟间隔计数器读取所述系统时钟周期的所述计数，将所述系统时钟周期的所述计数转换成第三时间值，将所述第一时间值加到所述第三时间值，且从所述第一与第三时间值的和中减去所述第二时间值。

28.  根据权利要求27所述的设备，其中所述数字处理器分别根据所述第一和第二电容器的所述已知电容值以及所述第一和第二电压的所述第一和第二数字表示计算所述第一和第二时间值。

29.  根据权利要求27所述的设备，其进一步包含用于将所述第一和第二电压耦合到所述ADC的模拟多路复用器。

30.  根据权利要求27所述的设备，其中所述数字处理器为微控制器。

31.  根据权利要求27所述的设备，其中所述时钟间隔计数器、所述第一和第二恒定电流源、所述第一和第二电流导引开关、所述第一和第二电容器、用于闭合和断开所述电流导引开关的所述第一和第二电路、电压取样电路、所述ADC以及所述数字处理器制造于集成电路裸片上。

32.  根据权利要求31所述的设备，其中所述集成电路裸片封闭于集成电路封装中。

33.  一种用于测量长时间周期的方法，所述方法包含以下步骤：
确定第三时间值，其包含以下步骤：
在事件的开始后对系统时钟周期进行计数且直到所述事件的终止为止，以及
将所述系统时钟的时间间隔乘以已计数的系统时钟周期的数目以确定所述第三时间值；
确定第一时间值，其包含以下步骤：
提供第一恒定电流源；
提供具有已知电容值的第一电容器；
在检测到所述事件的开始时，从所述第一恒定电流源对具有所述已知电容值的所述第一电容器充电；
在检测到在所述事件的开始后出现的所述系统时钟周期时，将所述第一电容器上的第一电压转换成其第一数字表示；以及
将所述第一电压的所述第一数字表示转换成所述第一时间值，其中所述第一时间值表示所述事件开始与在所述事件开始后出现的所述系统时钟周期之间的第一时间周期；
确定第二时间值，其包含以下步骤：
提供第二恒定电流源；
提供具有已知电容值的第二电容器；
在检测到所述事件终止时，从所述第二恒定电流源对具有所述已知电容值的所述第二电容器充电；
在检测到在所述事件终止后出现的所述系统时钟周期时，将所述第二电容器上的所述第二电压转换成其第二数字表示；以及
将所取样的第二电压的所述第二数字表示转换成所述第二时间值，其中所述第二时间值表示所述事件的终止与在所述事件的终止后出现的所述系统时钟周期之间的第二时间周期；以及
确定所述事件的时间周期，其包含以下步骤：
将所述第一与第三时间值相加；以及
从所述第一与第三时间值的和中减去所述第二时间值。

34.  根据权利要求33所述的方法，其中将所取样的第一和第二电压的所述数字表示转换成所述第一和第二时间值的步骤包含分别根据所述已知电容值以及所述第一和第二电压的所述第一和第二数字表示计算所述第一和第二时间值的步骤。

35.  一种用于产生时间延迟事件的设备，其包含：
第一时间测量单元，其包含：
第一恒定电流源；
第一电流导引开关，其耦合到所述第一恒定电流源；
第一电容器，其耦合到所述第一电流导引开关，所述第一电容器具有已知电容值，其中当所述第一电流导引开关将所述第一恒定电流源耦合到所述第一电容器时，所述第一电容器上的第一电压大体上随时间线性增加；
第一电路，其用于控制所述第一电流导引开关，其中所述第一电流导引开关在所述第一电路检测到事件的开始时，将所述第一电容器耦合到所述第一恒定电流源；
第二时间测量单元，其包含：
第二恒定电流源；
第二电流导引开关，其耦合到所述第二恒定电流源；
第二电容器，其耦合到所述第二电流导引开关，所述第二电容器具有已知电容值，其中当所述第二电流导引开关将所述第二恒定电流源耦合到所述第二电容器时，所述第二电容器上的第二电压大体上随时间线性增加；
第二电路，其用于控制所述第二电流导引开关，其中所述第二电流导引开关在所述第二电路检测到所述事件的终止时，将所述第二电容器耦合到所述第二恒定电流源；
第一模拟比较器，其具有用于接收所述第一电压的正输入和用于接收第一参考电压的负输入；以及
第二模拟比较器，其具有用于接收所述第二电压的负输入和用于接收第二参考电压的正输入；
其中延迟事件的开始出现在所述第一电压等于或大于所述第一参考电压时，且所述延迟事件的终止出现在所述第二电压等于或大于所述第二参考电压时。

36.  根据权利要求35所述的设备，其进一步包含用于提供所述第一参考电压的第一数/模转换器(DAC)，和用于提供所述第二参考电压的第二DAC。

37.  根据权利要求36所述的设备，其进一步包含用于控制所述第一和第二DAC的数字处理器。

38.  根据权利要求35所述的设备，其中所述第一和第二参考电压大体上为相同的电压。

39.  根据权利要求35所述的设备，其中所述第一和第二参考电压为不同电压。

40.  根据权利要求37所述的设备，其中所述第一和第二测量单元、所述第一和第二DAC以及所述数字处理器制造于集成电路裸片上。

41.  根据权利要求40所述的设备，其中所述集成电路裸片封闭于集成电路封装中。

42.  一种用于产生时间延迟事件的方法，所述方法包含以下步骤：
开始时间延迟事件，其包含以下步骤：
提供第一恒定电流源；
提供具有已知电容值的第一电容器；
闭合第一电流导引开关；
在检测到事件开始时，从所述第一恒定电流源对所述第一电容器充电；
将所述第一电容器上的第一电压与第一参考电压进行比较；以及
在所述第一电压等于或大于所述第一参考电压时开始所述时间延迟事件；以及
终止所述时间延迟事件，其包含以下步骤：
提供第二恒定电流源；
提供具有已知电容值的第二电容器；
在检测到所述事件终止时，从所述第二恒定电流源对所述第二电容器充电；
将所述第二电容器上的第二电压与第二参考电压进行比较；以及
在所述第二电压等于或大于所述第二参考电压时终止所述时间延迟事件。

43.  根据权利要求42所述的方法，其中分别用第一和第二数/模转换器(DAC)产生所述第一和第二参考电压。

44.  根据权利要求42所述的方法，其中所述第一和第二参考电压大体上为相同的电压。

45.  根据权利要求42所述的方法，其中所述第一和第二参考电压为不同电压。

46.  根据权利要求43所述的方法，其中用数字处理器控制所述第一和第二DAC。

积分时间和/或电容测量系统、方法及设备
技术领域
本发明涉及时间和/或电容的测量，且更特定来说涉及通过经已知时间周期测量精确产生的模拟电压来对时间和/或电容进行极精确和高分辨率的测量。
背景技术
用数字逻辑的时间测量需要时钟以超高频率运行以便精确地测量具有极短时间周期(例如，100皮秒)的事件的时间。时钟以超高频率(例如，1到10GHz)运行、驱动逻辑能够以约1GHz运行将需要大量功率来运行时钟和逻辑电路，且另外，以这些时钟速度操作的时钟和数字逻辑电路将产生大量电路噪音。
发明内容
因此，需要一种在无需采取超高频率时钟和高功率消耗数字逻辑的情况下极精确地测量事件的时间周期和/或电容值的方式。根据本发明的教示，一种系统、方法和设备用于提供极高分辨率的时间和/或电容测量。时间测量可仅视时基参考的频率精确度和模/数转换器(ADC)的分辨率(例如，8、10或12个位)而将时间解析为皮秒分辨率。举例来说，100纳秒范围可具有0.1纳秒的分辨率，1000纳秒范围可具有1纳秒的分辨率，10,000纳秒范围可具有10纳秒的分辨率，且50,000纳秒范围可具有50纳秒的分辨率等。用两个时间测量单元，动态时间测量范围可扩展到超过百万分之一(1)(ppm)。除测量电容器的电容值以外，电容测量特征还可有利地用作电容切换传感器。这也可用低时钟速度(较少数字噪音)和低功率(经扩展的电池操作)电路实施方案来实现。
根据本发明的一特定实例实施例，一种用于测量时间周期的设备可包含：恒定电流源；电流导引开关，其耦合到所述恒定电流源；电容器，其耦合到所述电流导引开关，所述电容器具有已知电容值，其中当所述电流导引开关将所述恒定电流源耦合到所述电容器时，所述电容器上的电压大体上随时间线性增加；电路，其用于控制所述电流导引开关，其中所述电流导引开关在所述电路检测到事件开始时将所述电容器耦合到所述恒定电流源，且在所述电路检测到所述事件终止时将所述电容器从所述恒定电流源去耦；模/数转换器(ADC)，其用于将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及数字处理器，其用于将所述电容器上的电压的数字表示转换成表示处于所述事件开始与终止之间的时间周期的时间值。所述数字处理器可根据所述已知电容值和所述电压的数字表示来计算所述事件的时间周期。
根据本发明的另一特定实例实施例，一种用于测量时间周期的方法可包含以下步骤：提供恒定电流源；提供具有已知电容值的电容器；在检测到事件开始时从所述恒定电流源对具有所述已知电容值的所述电容器充电；在检测到所述事件终止时将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及将所述电压的数字表示转换成表示处于所述事件开始与终止之间的时间周期的时间值。将所述电压的数字表示转换成时间值的步骤可包含在所述事件终止时根据所述已知电容值和所述电容器上的电压的数字表示计算所述事件的时间周期的步骤。
根据本发明的又一特定实例实施例，一种用于测量电容的设备可包含：恒定电流源；电流导引开关，其耦合到所述恒定电流源；电容器，其耦合到所述电流导引开关，所述电容器具有末知电容值，其中当所述电流导引开关将所述恒定电流源耦合到所述电容器时，所述电容器上的电压大体上随时间线性增加；电路，其用于控制所述电流导引开关，其中所述电流导引开关在所述电路检测到时钟的已知时间周期的开始时将所述电容器耦合到所述恒定电流源，且在所述电路检测到所述时钟的已知时间周期的终止时将所述电容器从所述恒定电流源去耦；模/数转换器(ADC)，其用于将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及数字处理器，其用于将所述电压的数字表示转换成电容值。所述数字处理器可根据所述电压的数字表示和所述时钟的已知时间周期计算所述未知值电容器的电容。
根据本发明的再一特定实例实施例，一种用于测量电容值的方法可包含以下步骤：提供恒定电流源；提供具有未知电容值的电容器；在检测到时钟的已知时间周期的开始时闭合电流导引开关；在检测到具有已知时间周期的时钟的开始时从所述恒定电流源对具有所述未知电容值的所述电容器充电；在检测到具有所述已知时间周期的时钟的终止时将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及将所述电压的数字表示转换成电容值。将所述电压的数字表示转换成所述电容值的步骤可包含根据所述电压的数字表示和所述时钟的已知时间周期计算所述电容值的步骤。
根据本发明的另一特定实例实施例，一种用于测量长时间周期的设备可包含：时钟间隔计数器，其具有耦合到系统时钟的时钟输入，其中所述时钟间隔计数器在事件开始后起始对系统时钟周期进行计数且在所述事件终止后停止对系统时钟周期进行计数；第一时间测量单元，其包含：第一恒定电流源；第一电流导引开关，其耦合到所述第一恒定电流源；第一电容器，其耦合到所述第一电流导引开关，所述第一电容器具有已知电容值，其中当所述第一电流导引开关将所述第一恒定电流源耦合到所述第一电容器时，所述第一电容器上的第一电压大体上随时间线性增加；第一电路，其用于控制所述第一电流导引开关，其中所述第一电流导引开关在所述第一电路检测到所述事件开始时将所述第一电容器耦合到所述第一恒定电流源，且在所述第一电路检测到在所述事件开始后出现的系统时钟周期时将所述第一电容器从所述第一恒定电流源去耦；第二时间测量单元，其包含：第二恒定电流源；第二电流导引开关，其耦合到所述第二恒定电流源；第二电容器，其耦合到所述第二电流导引开关，所述第二电容器具有已知电容值，其中当所述第二电流导引开关将所述第二恒定电流源耦合到所述第二电容器时，所述第二电容器上的第二电压大体上随时间线性增加；第二电路，其用于控制所述第二电流导引开关，其中所述第二电流导引开关在所述第二电路检测到所述事件终止时将所述第二电容器耦合到所述第二恒定电流源，且在所述第二电路检测到在所述事件终止后出现的系统时钟周期时将所述第二电容器从所述第二恒定电流源去耦；模/数转换器(ADC)，其用于将所述第一电压和所述第二电压分别转换成其第一和第二数字表示；以及数字处理器，其中所述数字处理器在确定所述事件的时间周期时分别将所述第一和第二电压的第一和第二数字表示分别转换成第一和第二时间值，从所述时钟间隔计数器读取所述系统时钟周期的计数，将所述系统时钟周期的计数转换成第三时间值，将所述第一时间值加到所述第三时间值，且从所述第一与第三时间值的和减去所述第二时间值。所述数字处理器可分别根据所述第一和第二电容器的已知电容值以及所述第一和第二电压的第一和第二数字表示计算所述第一和第二时间值。
根据本发明的另一特定实例实施例，一种用于测量长时间周期的方法可包含以下步骤：确定第三时间值，其包含以下步骤：在一事件开始后对系统时钟周期进行计数且直到所述事件终止为止，以及将系统时钟的时间间隔乘以已计数的系统时钟周期的数目以确定第三时间值；确定第一时间值，其包含以下步骤：提供第一恒定电流源；提供具有已知电容值的第一电容器；在检测到所述事件开始时从所述第一恒定电流源对具有所述已知电容值的所述第一电容器充电；在检测到在所述事件开始后出现的系统时钟周期时将所述第一电容器上的第一电压转换成其第一数字表示；以及将所述第一电压的第一数字表示转换成所述第一时间值，其中所述第一时间值表示处于所述事件开始与在所述事件开始后出现的系统时钟周期之间的第一时间周期；确定第二时间值，其包含以下步骤：提供第二恒定电流源；提供具有已知电容值的第二电容器；在检测到所述事件终止时从所述第二恒定电流源对具有所述已知电容值的所述第二电容器充电；在检测到在所述事件终止后出现的系统时钟周期时将所述第二电容器上的第二电压转换成其第二数字表示；以及将所取样的第二电压的第二数字表示转换成所述第二时间值，其中所述第二时间值表示处于所述事件终止与在所述事件终止后出现的系统时钟周期之间的第二时间周期；以及确定所述事件的时间周期，其包含以下步骤：将所述第一时间值加上所述第三时间值；以及从所述第一与第三时间值的和减去所述第二时间值。将所取样的第一和第二电压的数字表示转换成第一和第二时间值的步骤可包含分别根据已知电容值以及第一和第二电压的第一和第二数字表示计算第一和第二时间值的步骤。
根据本发明的另一特定实例实施例，一种用于产生时间延迟事件的设备可包含：第一时间测量单元，其包含：第一恒定电流源；第一电流导引开关，其耦合到所述第一恒定电流源；第一电容器，其耦合到所述第一电流导引开关，所述第一电容器具有已知电容值，其中当所述第一电流导引开关将所述第一恒定电流源耦合到所述第一电容器时，所述第一电容器上的第一电压大体上随时间线性增加；第一电路，其用于控制所述第一电流导引开关，其中所述第一电流导引开关在所述第一电路检测到事件开始时将所述第一电容器耦合到所述第一恒定电流源；第二时间测量单元，其包含：第二恒定电流源；第二电流导引开关，其耦合到所述第二恒定电流源；第二电容器，其耦合到所述第二电流导引开关，所述第二电容器具有已知电容值，其中当所述第二电流导引开关将所述第二恒定电流源耦合到所述第二电容器时，所述第二电容器上的第二电压大体上随时间线性增加；第二电路，其用于控制所述第二电流导引开关，其中所述第二电流导引开关在所述第二电路检测到所述事件终止时将所述第二电容器耦合到所述第二恒定电流源；第一模拟比较器，其具有用于接收所述第一电压的正输入和用于接收第一参考电压的负输入；以及第二模拟比较器，其具有用于接收所述第二电压的负输入和用于接收第二参考电压的正输入；其中延迟事件开始在所述第一电压等于或大于所述第一参考电压时发生，且所述延迟事件终止在所述第二电压等于或大于所述第二参考电压时发生。
根据本发明的再一特定实例实施例，一种用于产生时间延迟事件的方法可包含以下步骤：开始时间延迟事件，其包含以下步骤：提供第一恒定电流源；提供具有已知电容值的第一电容器；闭合所述第一电流导引开关；在检测到事件开始时从所述第一恒定电流源对所述第一电容器充电；将所述第一电容器上的第一电压与第一参考电压进行比较；以及在所述第一电压等于或大于所述第一参考电压时开始所述时间延迟事件；以及终止所述时间延迟事件，其包含以下步骤：提供第二恒定电流源；提供具有已知电容值的第二电容器；在检测到所述事件终止时从所述第二恒定电流源对所述第二电容器充电；将所述第二电容器上的第二电压与第二参考电压进行比较；以及在所述第二电压等于或大于所述第二参考电压时终止所述时间延迟事件。
附图说明
可通过参考结合附图作出的以下描述内容来获得对本发明的更完整理解，附图中：
图1是从恒定电流源充电的电容器的时间-电压曲线图；
图2是根据本发明的一特定实例实施例高分辨率时间周期测量电路的示意图；
图3是根据本发明的另一特定实例实施例高分辨率电容测量电路的示意图；
图4是根据本发明的又一特定实例实施例高分辨率长时间周期测量电路的示意框图；
图5是图4的高分辨率长时间周期测量电路的示意时序图；
图6是根据本发明的再一特定实例实施例高分辨率时间延迟电路的示意框图；以及
图7是图6的高分辨率时间延迟电路的示意时序图。
虽然本发明容许有各种修改和替代形式，但其特定实例实施例已展示于图式中且在本文中得到详细描述。然而，应理解，本文中对特定实例实施例的描述并不希望将本发明限于本文中所揭示的特定形式，而相反，本发明将涵盖如由所附权利要求书界定的所有修改和等效物。
具体实施方式
现参看图式，示意说明实例实施例的细节。在图式中，相同元件将由相同标号表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的相同标号表示。
参看图1，描绘从恒定电流源充电的电容器的时间-电压曲线图。当电容器118经由恒定电流源104充电时，越过电容器118的电压V根据等式(1)随时间线性增加：
I＝C*dV/dT    等式(1)
其中C为电容器118的电容值，I为来自恒定电流源104的电流且V为在时间T处电容器118上的电压。当已知电流I；时间T；和电压V中的任两个值时，可根据所述两个已知值计算出另一未知值。举例来说，如果已知电容器118的电容和来自恒定电流源104的充电电流，那么可确定电压V₁下的时间T₁和电压V₂下的时间T₂。以类似方式，如果已知电压V₁和V₂(例如，V₁与V₂之间的电压差)和时间T₁与T₂之间的消逝时间，那么可确定电容C。
现参看图2，描绘根据本发明的一特定实例实施例高分辨率时间周期测量电路的示意图。通常由标号200表示的高分辨率时间测量电路可包含恒定电流源104、电流导引开关112与114、电容器118、可选电压取样开关116和电荷漏极开关120。可通过闭合电荷漏极开关120将电容器118初始化为大体上零电荷，以使电容器118上的任何电荷(电压)得以移除(短路到接地或共同，V_SS)。电容器118上的初始电荷(电压)还可通过闭合电压取样开关116而用模/数转换器(ADC)108(例如，∑-Δ)对所述电压进行取样来硫定。电容器118可为切换式电容器逐次逼近模/数转换器的一部分，其中电压取样开关116为不必要的。
电流导引开关112和114可为集成到集成电路衬底(未图示)上的场效晶体管等，所述衬底还可含有本文中更充分论述的其它数字逻辑和模拟电路。电流导引开关112和114经配置以使恒定电流源104始终经历一负载，即，当开关114闭合且开关112断开时恒定电流源104耦合到共同(V_SS)，且当开关112闭合且开关114断开时恒定电流源104耦合到电容器118。电流导引开关112和114可由开始/停止控制信号132予以控制。举例来说，当开始/停止控制信号132处于逻辑″0″(低)时，开关114闭合且开关112断开，或当开始/停止控制信号132处于逻辑″1″(高)时，开关114断开且开关112闭合。恒定电流源104直接视如通过上文中的等式1所确定的电流导引开关112闭合的时间长度而将电容器118充电到电压值。
开始/停止控制信号132在时间周期待确定的事件起始(开始)时在发生正(例如，逻辑0到逻辑1)转变(例如，↑事件边缘1)后即可转到逻辑1。电容器118将由恒定电流源104充电，直到电流导引开关112因开始/停止控制信号132在时间周期待确定的事件终止时在发生负(例如，逻辑1到逻辑0)转变(例如，↓事件边缘2)后即返回到逻辑0而断开为止。
可用包含第一触发器126、第二触发器128、AND门124和NAND门130的逻辑电路产生开始/停止控制信号132。在事件发生之前，已重置第一触发器126和第二触发器128，以使Q输出处于逻辑0(第一触发器126和第二触发器128是在NAND门130的输出转到逻辑0时予以重置或经由其它外部重置(例如，通过数字处理器106)予以重置)。处于逻辑0的这些Q输出使得AND门124输出处于逻辑0。AND门124的输出产生开始/停止控制信号132。当↑事件边缘1在第一触发器126的时钟输入处出现时，其Q输出转到逻辑1。因为第二触发器128的非Q输出也处于逻辑1，所以AND门124的输出将转到逻辑1，因此产生用于开始/停止控制信号132的逻辑1。
当开始/停止控制信号132处于逻辑1时，电流导引开关112闭合(接通)且恒定电流源104起始对电容器118充电。恒定电流源104持续对电容器118进行充电，直到开始/停止控制信号132返回到逻辑0为止，借此断开(切断)电流导引开关112。在此特定实例中，当AND门124的输入中的一者或一者以上处于逻辑0时，其输出(即，开始/停止控制信号132)将转到逻辑0。当↓事件边缘2在第二触发器128的时钟输入处出现时，AND门124的输入处的逻辑0出现。因此，电容器118仅在↑事件边缘1的出现与↓事件边缘2的出现之间充电。
通过在↓事件边缘2后用模/数转换器(ADC)108测量电容器118上的电压，可将表示↑事件边缘1与↓事件边缘2之间的时间间隔(周期)的电压与电容器118的已知电容值结合使用以计算具有极精确分辨率的时间间隔。举例来说，事件时间周期的计算可用执行上文中等式(1)的计算的数字处理器106通过使用电容器118上的所测量的电压及其已知电容值来确定。因此，时间周期测量精度为ADC 108分辨率(例如，10或12个位)和电容器118的所测量的电容的精确度的函数。
电荷漏极开关120和电压取样开关116仅用于标准取样和保持操作，其中电容器118可为将所取样模拟电压馈送到ADC 108的模拟输入的取样和保持电路的一部分，或可为逐次逼近ADC的一部分。高分辨率时间周期测量电路200、ADC 108和数字处理器106可制造于集成电路裸片250上，且集成电路裸片250可封闭于集成电路封装(未图示)中。
现参看图3，其描绘根据本发明的另一特定实例实施例的高分辨率电容测量电路的示意图。通常由标号300表示的高分辨率电容测量电路可包含恒定电流源104、电流导引开关112和114、可选电压取样开关116、电荷漏极开关120，以及用于耦合到待测量的外部电容器318的连接端子326和324。可通过闭合电荷漏极开关120将外部电容器318上的电荷初始化为大体上为零，以使外部电容器318上的任何电荷(电压)被移除(短路到接地或共同，V_SS)。还可通过闭合电压取样开关116用模/数转换器(ADC)108(例如，∑-Δ)对所述电压进行取样来确定外部电容器318上的初始电荷(电压)。电容器328表示高分辨率电容测量电路300的杂散电路电容，可在计算外部电容器318的电容值时确定其电容贡献且析出因数。电容器328可为切换式电容器逐次逼近模/数转换器的一部分，其中电压取样开关116为不必要的。
电流导引开关112和114可为集成到集成电路衬底(未图示)上的场效晶体管等，所述衬底还可含有本文中更充分论述的其它数字逻辑和模拟电路。电流导引开关112和114经配置以使恒定电流源104始终经历一负载，即，当开关114闭合且开关112断开时恒定电流源104耦合到共同(V_SS)，且当开关112闭合且开关114断开时恒定电流源104耦合到电容器118。电流导引开关112和114可由开始/停止控制信号132控制。举例来说，当开始/停止控制信号132处于逻辑″0″(低)时，开关114闭合且开关112断开，或当开始/停止控制信号132处于逻辑″1″(高)时，开关114断开且开关112闭合。恒定电流源104直接依据如通过上文中的等式1所确定的电流导引开关112闭合的时间长度而将电容器318和328充电到一电压值。
开始/停止控制信号132在发生正(例如，逻辑0到逻辑1)转变(例如，↑系统时钟)后即可转到逻辑1。电容器318和328将由恒定电流源104充电，直到电流导引开关112因开始/停止控制信号132在发生负(例如，逻辑1到逻辑0)转变(例如，↓系统时钟)后即返回到逻辑0而断开为止。
开始/停止控制信号132可用包含第一触发器126、第二触发器128、AND门124和NAND门130的逻辑电路产生。在↑系统时钟之前，第一触发器126和第二触发器128已经重置，以使Q输出处于逻辑0(第一触发器126和第二触发器128在NAND门130的输出转到逻辑0时重置或经由其它外部重置(例如，通过数字处理器106)来重置)。处于逻辑0的这些Q输出使得AND门124输出处于逻辑0。AND门124的输出产生开始/停止控制信号132。当↑系统时钟在第一触发器126的时钟输入处出现时，其Q输出转到逻辑1。因为第二触发器128的非Q输出也处于逻辑1，所以AND门124的输出将转到逻辑1，因此产生用于开始/停止控制信号132的逻辑1。
当开始/停止控制信号132处于逻辑1时，电流导引开关112闭合(接通)且恒定电流源104起始对电容器318和328充电。恒定电流源104持续对电容器318和328充电，直到开始/停止控制信号132返回到逻辑0为止，借此断开(切断)电流导引开关112。在此特定实例中，当AND门124的输入中的一者或一者以上处于逻辑0时，其输出(即，开始/停止控制信号132)将转到逻辑0。当↓系统时钟在第二触发器128的时钟输入处出现时，AND门124的输入处的逻辑0出现。因此，电容器318和328仅经处于↑系统时钟与↓系统时钟之间的时间周期充电。系统时钟频率(即，↑系统时钟与↓系统时钟之间的周期)可从高稳定且精确的晶体振荡器产生。
通过在↓系统时钟后用模/数转换器(ADC)108测量电容器318和328上的电压，可将表示↑系统时钟与↓系统时钟之间的时间间隔(周期)的电压与系统时钟的已知周期(时间间隔)结合使用以计算电容器318与328的并联组合的电容值，接着可针对未知电容器318的电容值从此结果减去电容器328的已知电容值。举例来说，未知电容器318的电容值的计算可用执行上文中等式(1)的计算的数字处理器106通过使用电容器318和328上的所测量的电压和已知系统时钟周期(例如，↑系统时钟与↓系统时钟之间的时间间隔)来确定。因此，电容测量精度为ADC 108分辨率(例如，10或12个位)和系统时钟频率的精确度(分辨率)的函数。
电荷漏极开关120和电压取样开关116仅用于标准取样和保持操作，其中电容器328可为将所取样模拟电压馈送到ADC 108的模拟输入的取样和保持电路的一部分，或可为逐次逼近ADC的一部分。高分辨率电容测量电路300、ADC 108和数字处理器106可制造于集成电路裸片350上，且集成电路裸片350可封闭于集成电路封装(未图示)中。
预期且处于本发明的范围内，高分辨率电容测量电路300可在确定电容触摸式传感器何时已被激活时测量电容触摸式传感器的电容。
现参看图4和图5，描绘根据本发明的又一特定实例实施例高分辨率长时间周期测量电路的示意框图和图4的高分辨率长时间周期测量电路的示意时序图。大致由标号400表示的高分辨率长时间周期测量电路可包含时钟间隔计数器402、第一时间测量单元404、第二时间测量单元406、模拟多路复用器408和逻辑电路，所述逻辑电路可包含触发器410、412和418；反相器414和420(两者可组合成一个反相器)，和NAND门416。另外，模/数转换器(ADC)108和数字处理器106可用于确定长时间周期测量的时间周期。高分辨率长时间周期测量电路400、ADC 108和数字处理器106可制造于集成电路裸片450上，且集成电路裸片450可封闭于集成电路封装(未图示)中。
第一测量单元404和第二测量单元406可以与上文中所描述的高分辨率时间测量电路200大体上相同的方式操作。根据本发明的教示，其中当↑事件边缘1被施加于触发器412的时钟输入时，其Q输出转到逻辑1且在第一时间测量单元404的开始/停止输入上产生逻辑1信号426，借此第一定时电容器(未图示)起始充电，直到出现↑系统时钟周期为止，借此触发器412被重置且信号426返回到逻辑0。这提供如图5中所示的时间周期T_a的测量。↑事件边缘1还在触发器410的Q输出转到逻辑1时启用时钟间隔计数器402，借此在时钟间隔计数器402的启用输入上产生启用信号424。一旦时钟间隔计数器402的启用输入被启用，便如图5中所示在其中对↑系统时钟周期进行计数。当↓事件边缘2出现时，触发器418的Q输出转到逻辑1且第二时间测量单元406起始对第二定时电容器(未图示)充电，直到出现↑系统时钟周期为止。这提供如图5中所示的时间周期T_b的测量。在出现↑系统时钟周期后，第二时间测量单元406即停止对第二定时电容器(未图示)充电，且时钟间隔计数器402不再被启用且将借此停止对↑系统时钟周期进行计数。
反相器424和420(可为相同反相器-未图示)在出现每一↑系统时钟周期时分别对触发器412和418进行清零(重置)。因此，由第一时间测量单元402和第二时间测量单元406测量的时间周期始终小于一个系统时钟周期。然而，当将所得计算出的高分辨率时间周期T_a和T_b与来自时钟间隔计数器402的已消逝的系统时钟周期计数组合时，可仅视系统时钟振荡器(通常为晶体受控的)的频率稳定性和精确度以及ADC 108在读取第一和第二定时电容器(未图示)上的定时电压时的分辨率而定以极精细的分辨率测量极长时间周期事件。
时钟间隔计数器输出可经由数字数据总线430耦合到数字处理器106。第一和第二定时电容器(未图示)上的电压可分别经由模拟信号434和436耦合到多路复用器408。多路复用器408又将经由模拟信号432将这些模拟电压中的每一者耦合到ADC 108。ADC108的输出可经由数字数据总线438耦合到数字处理器106。
高分辨率长时间周期测量电路400、ADC 108、模拟多路复用器498和数字处理器106可制造于集成电路裸片(未图示)上，且集成电路裸片可封闭于集成电路封装(未图示)中。
参看图5，可通过将T_a加到由时钟间隔计数器402所计数的系统时钟周期T_sc的数目的累积时间(所示的六个系统时钟周期)且减去T_b来计算事件时间周期。因此，事件的第一次发生由第一测量单元404俘获作为时间周期T_a，直到时钟间隔计数器402接收后续↑系统时钟周期为止，接着第二测量单元406确定表示事件终止与时间上后续的↑系统时钟周期之间的时间周期的时间周期T_b。根据本发明的教示，这允许长时间周期事件的极高分辨率测量。
现参看图6和图7，分别描绘根据本发明的又一特定实例实施例高分辨率时间延迟电路的示意框图和图6的高分辨率时间延迟电路的示意时序图。通常由标号600表示的高分辨率时间延迟电路可包含第一时间测量单元602、第二时间测量单元604、第一模拟比较器610、第二模拟比较器612、AND门614、第一数/模转换器(DAC)616、第二数/模转换器(DAC)618，以及第一触发器606和第二触发器608。另外，根据本发明的教示，数字处理器102可将数字延迟设置点发送到DAC 616和618。高分辨率时间延迟电路600、DAC 616和618以及数字处理器106可制造于集成电路裸片650上，且集成电路裸片650可封闭于集成电路封装(未图示)中。
第一时间测量单元602和第二时间测量单元604可以与上文中所描述的高分辨率时间测量电路200大体上相同的方式操作。根据本发明的教示，其中当↑事件边缘1施加于触发器606的时钟输入时，其Q输出转到逻辑1且对第一时间测量单元602的开始/停止输入产生逻辑1信号，借此第一定时电容器(未图示)起始充电。模拟输入比较器610将第一定时电容器上的电压与第一参考电压V_REF1进行比较，其中当第一定时电容器上的电压等于或大于第一参考电压V_REF1时，比较器610的输出转到逻辑1，借此AND门614的输出转到逻辑1。AND门614的输出为延迟事件且所述延迟事件可在时间上从事件延迟等于T_VREF1的时间，参见图7。T_VREF1与第一参考电压V_REF1成正比，且可通过改变参考电压V_REF1的值而随时间变化。
根据本发明的教示，当↓事件边缘2出现时，触发器608的Q输出转到逻辑1且第二时间测量单元406起始对第二定时电容器(未图示)充电。模拟输入比较器612将第二定时电容器上的电压与第二参考电压V_REF2进行比较，其中当第二定时电容器上的电压大于第二参考电压V_REF2时，比较器612的输出转到逻辑0，借此AND门614的输出转到逻辑0。AND门614的输出为延迟事件且所述延迟事件终止可在时间上从事件终止延迟等于T_VREF2的时间，参见图7。T_VREF2与第二参考电压V_REF2成正比，且可通过改变第二参考电压V_REF2的值而随时间变化。第一参考电压V_REF1和第二参考电压V_REF2可相同，例如来自同一来源，借此产生具有与原始事件大体上相同的时间周期但在时间上延迟了延迟时间T_VREF的延迟事件。
虽然已参考本发明的实例实施例描绘、描述和界定了本发明的实施例，但此类参考并不暗示对本发明的限制，且不应推断出此类限制。如相关领域的且得到本发明的益处的一般技术人员将了解，所揭示的标的物能够在形式和功能上具有相当多的修改、变更和等效物。本发明的所描绘和描述的实施例仅为实例，且并非详尽阐明本发明的范围。