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面部追蹤

（映維網(wǎng)Nweon?2023年08月07日）面部追蹤系統(tǒng)的傳感電容依賴于傳感天線與用戶面部皮膚之間的距離。由于皮膚對面部肌肉運動的反應(yīng)（如收縮和放松），距離會隨著面部表情的變化而變化。

另外，用于面部追蹤的傳統(tǒng)LC諧振驅(qū)動電路需要高功耗，因為感測到的信號將由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）處理。同時，傳統(tǒng)的實現(xiàn)方式需要快速且低失真的運算放大器或緩沖器，而它們都是耗電電路組件。

在名為“High sensitivity resonant drive scheme for rf face tracking”的專利申請，微軟提出的LC諧振驅(qū)動方案采用DC-AC轉(zhuǎn)換器，以在不高功耗的情況下實現(xiàn)感測信號的大信號幅值。LC諧振電路的驅(qū)動電路可以集成到ASIC中，從而可以減少所需的電路面積并降低傳感器解決方案的總體成本。

團隊進一步考慮了傳統(tǒng)的LC諧振驅(qū)動方案使用高q因子和笨重的電感器來實現(xiàn)諧振頻率的峰值增益。在所述發(fā)明中，射頻面部追蹤處理不同面部姿態(tài)所觀察到的信號幅度的差異。

因此，在目前公開的方案中，q因子的絕對值不是一個關(guān)鍵參數(shù)，因為可以用另一種方式處理面部姿態(tài)之間的差異，以達到所需的靈敏度。

例如，來自LC諧振電路的感測信號可以在來自系統(tǒng)的控制信號的下降沿捕獲，然后用增益因子放大。換句話說，采用所提出的方案可以在局部實現(xiàn)與高q因子相似的效果，從而在降低成本和減少可穿戴設(shè)備所需電路面積的情況下實現(xiàn)射頻人臉追蹤的高靈敏度。

圖1顯示了采用高靈敏度諧振驅(qū)動方案射頻面部檢測。如圖所示，系統(tǒng)100包括第一直流源101、第二直流源102、驅(qū)動電路110、電感電路120、電容電路130、多路復(fù)用器（MUX）電路140、一個或多個天線150、縮放電路160、采樣和保持（S/H）電路170、采樣控制電路180、差分增益電路190和控制器電路103。

節(jié)點N0被指定為電路地。第一個直流電源101可以簡單地是一個電池，耦合在節(jié)點N11和節(jié)點N0之間，并在節(jié)點N11上提供電壓VM。第二直流源102耦合在節(jié)點N12和節(jié)點N0之間，并在節(jié)點N12處提供電壓VCC。

電容C0可以耦合在節(jié)點N11和節(jié)點N0之間。另一個電容器可以類似地耦合在節(jié)點N12和N0之間。直流源101、102的電容器可以用作穩(wěn)定源電壓并提供抗噪性的濾波電容器。

驅(qū)動電路110包括節(jié)點N13的控制信號輸入端口(例如，D_CTL)、節(jié)點N11的第一電源端口(例如，VM)、節(jié)點N0的第二電源端口(例如，GND、0V等)、節(jié)點N14的控制信號輸出端口(例如，DET)和節(jié)點N1的驅(qū)動輸出端口(例如，DRV)。

電感電路120耦合在節(jié)點N1和節(jié)點N2之間，其值指定為l。電容電路130耦合在節(jié)點N2和節(jié)點N0之間，其值指定為CS指定的可變電容。電感電路120和電容電路130共同構(gòu)成LC諧振電路，由驅(qū)動電路110在節(jié)點N1處驅(qū)動，并在節(jié)點N2處響應(yīng)地提供感測信號。

MUX 140包括節(jié)點N13的控制信號端口(例如，M_CTL)，節(jié)點N2的輸入端口(例如，SNS)和多個輸出端口(例如，OUT1, OUT2，…OUTN)，每個輸出端口分別耦合到天線150中的一個。

基于節(jié)點N13的控制信號， MUX 140將選擇性地將天線150中的一個選擇耦合到節(jié)點N2。天線150中的每一個可以位于頭顯的不同位置。電容電路130的特征電容值CS對應(yīng)于MUX 140選擇的天線150的特征電容，其中精確值可根據(jù)用戶皮膚相對于所選天線的接近度和移動而變化。

縮放電路160包括節(jié)點N12處的第一電源端口(例如，VCC)、節(jié)點N0處的第二電源端口(例如，GND、0V等)、節(jié)點N2處的輸入端口(例如，SNS)和節(jié)點N3處的輸出端口(例如，SCALE)?？s放電路可任選地包括控制端口(未示出)以接收控制信號，使得縮放電路可響應(yīng)地調(diào)整該電路的輸入和輸出之間的縮放因子。

S/H電路170包括節(jié)點N15的控制端口，節(jié)點N3的輸入端口和節(jié)點N4的輸出端口。示例控制電路180包括節(jié)點N14的第一控制端口，節(jié)點N13的第二控制端口和節(jié)點N15的輸出端口。

采樣控制電路180配置為感測和檢測與驅(qū)動電路110相關(guān)的邊緣轉(zhuǎn)換，并在節(jié)點N15產(chǎn)生采樣和保持控制信號(SH_CTL)。

S/H電路170由節(jié)點N15的SH_CTL信號觸發(fā)，并響應(yīng)地對節(jié)點N4的縮放后的感測信號行采樣，以提供節(jié)點N4的輸出作為采樣后的感測信號。

差分增益電路190包括節(jié)點N4處的第一輸入端口(例如，IN1)，節(jié)點N5處的第二輸入端口(例如，IN2)和節(jié)點N6處的輸出端口(例如，OUT)。差分增益電路190在節(jié)點N6提供一個輸出信號(ADC_IN)，響應(yīng)節(jié)點N4和N5電壓之間的感應(yīng)差。

控制器電路103包括節(jié)點N6處的輸入端口、節(jié)點N13處的第一輸出端口(例如OUT1)、節(jié)點N5處的第二輸出端口(例如OUT2)和節(jié)點N10處的第三輸出端口(例如OUT3)。

控制器電路103配置為接收節(jié)點N6的差分增益電路190的輸出信號，通過ADC處理將接收到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，為節(jié)點N5的差分增益電路190產(chǎn)生參考電壓(VREF)，并為驅(qū)動電路110、MUX電路140、采樣控制電路180產(chǎn)生時序和控制信號。

所提出的高靈敏度諧振驅(qū)動方案如圖1中的系統(tǒng)100所示，對應(yīng)于一個DC-AC轉(zhuǎn)換電路，所述電路通過驅(qū)動電路110和由電感電路120和電容電路130組成的LC諧振電路的操作將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。

DC-AC轉(zhuǎn)換是通過驅(qū)動脈沖到響應(yīng)于一個或多個驅(qū)動器控制信號的LC諧振電路來完成。在驅(qū)動脈沖的高周期中，驅(qū)動電路配置在第一配置中，其中功率從節(jié)點N11耦合到節(jié)點N1的LC諧振電路，使得節(jié)點N1對應(yīng)于電壓VM。在第一種配置中，電流從節(jié)點N11通過驅(qū)動電路流向節(jié)點N1，從N1通過電感電路120流向節(jié)點N2，從節(jié)點N2通過電容電路130流向節(jié)點N0。

在驅(qū)動脈沖的低周期中，驅(qū)動電路配置為第二配置，其中節(jié)點N0的電路接地(例如GND、0V等)耦合到節(jié)點N1的LC諧振電路。在第二種配置中，電流從節(jié)點N2處的電容電路130通過電感電路120流向節(jié)點N1，并從節(jié)點N1流向節(jié)點N0通過驅(qū)動電路110。驅(qū)動電路110和LC諧振電路的協(xié)同操作提供DC-AC轉(zhuǎn)換，以響應(yīng)來自控制器電路103的控制信號。

DC-AC轉(zhuǎn)換完成后，可以根據(jù)節(jié)點N2檢測到的相應(yīng)天線信號的變化來評估所選天線的信號，以確定天線與用戶皮膚的距離或接近程度。為了評估節(jié)點N2的信號，可以使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換過程，例如通過控制器電路103。

在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，對來自節(jié)點N2的信號進行采樣，在轉(zhuǎn)換之前將其調(diào)整為最大動態(tài)范圍，然后將其轉(zhuǎn)換為可由應(yīng)用程序評估的數(shù)字值。

如圖1所示，縮放電路160可以任選地在節(jié)點N2處感測信號，并對來自節(jié)點N2的信號提供初始增益調(diào)整(增加或減少)，并在節(jié)點N3處提供縮放后的感測信號。因此，采樣和保持電路170可以感測來自節(jié)點N2的信號，然后由采樣和保持電路170捕獲所述信號。

圖1進一步說明，采樣控制電路180可用于感測或檢測來自N14節(jié)點驅(qū)動電路110的信號的邊緣過渡，并響應(yīng)地在N15節(jié)點生成采樣和保持控制信號。在圖1所示的示例中，可以斷言采樣和保持控制信號在節(jié)點N3啟動縮放感測信號的捕獲，其中捕獲響應(yīng)于來自驅(qū)動電路110的驅(qū)動信號的邊緣轉(zhuǎn)換(例如下降沿)。

采樣控制電路180的功能可以設(shè)計為響應(yīng)節(jié)點N13的控制器電路103的控制信號。在這個例子中，驅(qū)動器控制信號和采樣控制信號可以通過控制器電路103來調(diào)整，以確保采樣和保持電路170正確捕獲感測信號的時序考慮是適當?shù)摹?/p>

在另外的示例中，采樣控制電路180可以組合成另一系統(tǒng)組件的功能，例如驅(qū)動電路110或采樣和保持電路170。在另一示例中，可以消除采樣控制電路180，并且可以配置控制器電路103以直接控制采樣并保持控制信號以適當定時。

圖2顯示了第二個系統(tǒng)200的說明性原理圖。如圖所示，系統(tǒng)200包括第一直流源101、第二直流源102、驅(qū)動電路110、電感電路120、電容電路130、多路復(fù)用器電路140、一個或多個天線150、縮放電路160、采樣和保持(S/H)電路170、采樣控制電路180、差分增益電路190和控制器電路103。圖2的示例系統(tǒng)200與圖1基本相似。

圖2中的驅(qū)動電路110設(shè)置為半橋驅(qū)動器，其包括邏輯塊112、柵極驅(qū)動塊114和n型場效應(yīng)管M1和M2。邏輯塊112包括耦合到節(jié)點N13的輸入端口，并且包括耦合到柵極驅(qū)動器塊114的一對輸出。

柵極驅(qū)動器塊114包括第一輸出，其耦合到FET M1的柵極并響應(yīng)于邏輯塊112的高驅(qū)動。它進一步包括第二輸出，其耦合到FET M2的柵極并響應(yīng)于邏輯塊112的低驅(qū)動。FET M1包括耦合到節(jié)點N11的漏極和耦合到節(jié)點N1的源極。FET M2同時包括耦合到節(jié)點N1的漏極和耦合到節(jié)點N0的源極。

節(jié)點N13處的信號可以表示單個控制信號或多個控制信號，其通過控制驅(qū)動電路110的fet M1和M2來控制電感電路120充電的時序和占空比。FET M1和FET M2的開關(guān)操作應(yīng)該有足夠的速度，使第一個FET M1和第二個FET M2不同時活動，從而防止明顯的開關(guān)或穿透電流。

一個額外的輸出信號顯示為邏輯塊112的輸出，它對應(yīng)于低側(cè)驅(qū)動器(L)到柵極驅(qū)動器，也對應(yīng)于節(jié)點N14的DET信號，如前所述。輸出信號指示驅(qū)動信號的時序，因此可由采樣控制電路180用于同步采樣和保持電路170的時序。

圖3顯示了第三個系統(tǒng)300的說明性原理圖。如圖所示，系統(tǒng)300包括第一直流源101、第二直流源102、驅(qū)動電路110、電感電路120、電容電路130、多路復(fù)用器(MUX)電路140、一個或多個天線150、縮放電路160、采樣和保持(S/H)電路170、采樣控制電路180、差分增益電路190和控制器電路103。圖3的示例系統(tǒng)300與圖1和圖2基本相似。

圖3中的采樣控制電路180設(shè)置為邊緣檢測器或單次電路，包括電容器CF、電阻RF、二極管DF和緩沖器BUF。電容器CF耦合在節(jié)點N14和緩沖器BUF的輸入之間。電阻RF和二極管DF并聯(lián)耦合在一起，一端耦合到緩沖器BUF的輸入端，另一端耦合到節(jié)點N0。BUF的輸出耦合到節(jié)點N15。

節(jié)點N14處信號的變化是通過電容CF作為緩沖器輸入端的交流耦合信號來檢測。電容CF和電阻RF一起形成一個具有RC時間常數(shù)的高通濾波器。電容器CF和電阻器RF的RC時間常數(shù)決定了緩沖器產(chǎn)生脈沖的時間和寬度。

在特定配置中，二極管DF的陰極可以耦合到緩沖BUF的輸入端，二極管DF的陽極可以耦合到N0節(jié)點和電阻RF。二極管DF為電容器CF提供放電路徑，使電容器CF能夠在DET信號變低時快速放電，從而防止在電路輸入端發(fā)生電平移位。

圖4顯示了第四個系統(tǒng)400的說明性原理圖。如圖所示，系統(tǒng)400包括第一直流源101、第二直流源102、驅(qū)動電路110、電感電路120、電容電路130、多路復(fù)用器(MUX)電路140、一個或多個天線150、縮放電路160、采樣和保持(S/H)電路170、采樣控制電路180、差分增益電路190和控制器電路103。圖4中的示例系統(tǒng)400與圖1、圖2和圖3基本相似。

圖4的縮放電路160包括電容器CC、電阻RC、RT、RB以及二極管DT和DB。電阻RT耦合在節(jié)點N12和節(jié)點N3之間，電阻RB耦合在節(jié)點N3和節(jié)點N0之間。二極管DT與電阻RT并聯(lián)耦合，二極管DB與電阻RB并聯(lián)耦合。電容器CC耦合在節(jié)點N2和中間節(jié)點之間。電阻RC耦合在中間節(jié)點和節(jié)點N3之間。

電容器CC是一個交流耦合電容器，與電阻RC一起，在節(jié)點N2的LC諧振電路和由電阻RT和RB形成的分壓器之間提供直流隔離。耦合電容140的值將在約0.1nF至約1nF的范圍內(nèi)，標稱值約為0.5nF，以不顯著影響LC濾波器的響應(yīng)。驅(qū)動到LC濾波器的脈沖的交流響應(yīng)將導(dǎo)致具有顯著高電壓的高Q共振響應(yīng)。

電阻RT和RB配置為分壓器，調(diào)整節(jié)點N2 LC濾波器的交流耦合輸出信號的直流電平，并對信號施加縮放因子?？s放電路160的目標是最大限度地提高控制器103中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的轉(zhuǎn)換效率和分辨率。

縮放電路160可包括使用直流源102。直流電源102為電阻RT和RB的串聯(lián)組合提供直流電源電壓VCC。當RT和RB值匹配時，共節(jié)點直流電壓為VCC/2。電阻RC可以降低信號幅度以匹配位于控制器電路103中的ADC的凈空。電阻RC的示例電阻值范圍從約50 K歐姆到約150 K歐姆，標稱值約為100 K歐姆。節(jié)點N12的電壓VCC對應(yīng)節(jié)點N11的電池電壓VM。因此，在這樣的實施方式中可以消除直流源102。

圖5顯示了第五個系統(tǒng)500的說明性原理圖。如圖所示，系統(tǒng)500包括第一直流源101、第二直流源102、驅(qū)動電路110、電感電路120、電容電路130、多路復(fù)用器(MUX)電路140、一個或多個天線150、縮放電路160、采樣和保持(S/H)電路170、采樣控制電路180、差分增益電路190和控制器電路103。圖5中的示例系統(tǒng)500與圖1、圖2、圖3和圖4基本相似。

如圖5所示，采樣和保持電路可以在電路的采樣部分的輸出端包括低通濾波器。所述低通濾波器可配置為平滑節(jié)點N4處采樣感測信號的突變，以便所述差分增益電路190不會過度沖擊節(jié)點N6處控制器電路103中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。

圖6顯示了采用高靈敏度諧振驅(qū)動方案的第六個系統(tǒng)600的說明性原理圖。如圖所示，系統(tǒng)600包括第一直流源101、第二直流源102、驅(qū)動電路110、電感電路120、電容電路130、多路復(fù)用器(MUX)電路140、一個或多個天線150、縮放電路160、采樣和保持(S/H)電路170、采樣控制電路180、差分增益電路190和控制器電路103。圖6中的示例系統(tǒng)600與圖1、圖2、圖3、圖4和圖5基本相似。

圖6的差分增益電路190包括一個放大器和四個電阻，根據(jù)值分別標記為RG和RI。第一電阻器，其值為RI，包括耦合到節(jié)點N4的第一端和耦合到位于第一中間節(jié)點的放大器的非反相輸入的第二端。

第二電阻器，其值為RG，包括耦合到第一中間節(jié)點的放大器的非反相輸入的第一端，以及耦合到節(jié)點N0的第二端。

第三電阻器，其值為RI，包括耦合到節(jié)點N5的第一端和耦合到位于第二中間節(jié)點的放大器反相輸入的第二端。

第四電阻器，其值為RG，包括耦合到位于第二中間節(jié)點的放大器反相輸入端的第一端，以及耦合到節(jié)點N5的第二端。節(jié)點N5對應(yīng)一個參考信號VREF，由控制器電路103提供，節(jié)點N4對應(yīng)采樣和保持電路170的輸出。

圖9顯示了采用高靈敏度諧振驅(qū)動方案的q控濾波器的靈敏度變化曲式，其幅度隨LC諧振電路諧振頻率的頻率而變化。如圖所示，對于給定的電容變化，頻率相對于LC諧振電路的總諧振頻率而變化，從而產(chǎn)生檢測到的輸出信號幅度的顯著變化。這種檢測到的變化的斜率可以是顯著的，可用于追蹤。

微軟指出，所提出的解決方案可以實現(xiàn)高靈敏度，而無需笨重的電感。這是所采用電路方案的直接結(jié)果，因為靈敏度和Q因子的斜率可以通過使用采樣和保持電路170捕獲信號和使用差分增益電路190增加增益來增加。

相比之下，為實現(xiàn)高q因子，傳統(tǒng)的實現(xiàn)將要求電感電路的寄生電阻120盡可能地降低，導(dǎo)致更大的尺寸和系統(tǒng)的整體成本增加。然而，本發(fā)明可以使用較低q因子的電感器，以緊湊的電感器實現(xiàn)小尺寸，節(jié)省面積和降低功耗，同時在不犧牲電路性能的情況下降低成本。因此，利用所提出的諧振驅(qū)動方案，可以實現(xiàn)MR可穿戴設(shè)備的低功耗面部追蹤解決方案。

相關(guān)專利：Microsoft Patent | High sensitivity resonant drive scheme for rf face tracking

https://patent.nweon.com/29597

名為“High sensitivity resonant drive scheme for rf face tracking”的微軟專利申請最初在2022年1月提交，并在日前由美國專利商標局公布。

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原文鏈接：https://news.nweon.com/111226