專利名稱：采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電子電路及感測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自電容感測電路。
背景技術(shù)：
相對于傳統(tǒng)的機械(按鍵)操控方式，電容觸摸具有明顯的優(yōu)點，如耐久性好、界面友好等，因而在各個領(lǐng)域尤其是人機交互領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的自電容感測方法，通常是利用張弛振蕩器原理或?qū)㈦娙葜缔D(zhuǎn)換為電壓值繼而利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。前者通過對被測電容不停的充放電來測量它的振蕩周期，當(dāng)被測電容大小變化時，振蕩周期也會相應(yīng)變化，因而可以此為根據(jù)來感測被測電容的變化；而后者通常通過被測電容的電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，通過某種方法將電容大小轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓，之后用8位(或更高精度)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對該電壓值進(jìn)行采樣將其量化，從而可以通過量化值得變化來感測被測電容。前者電路的核心通常是一個比較器和充放電電路；后者則通常包括一個開關(guān)電容運放和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。相比較而言，前者電路結(jié)構(gòu)簡單，但是感測時間較長、抗干擾性較差；后者速 度較快、抗干擾性較好，但是由于模塊復(fù)雜，尤其是需要一個專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，導(dǎo)致除芯片面積增大外，其動態(tài)功耗也較高。

實用新型內(nèi)容本實用新型目的在于提供一種自電容感測的低功耗方案，用于對外部被測電容的大小(或變化)進(jìn)行測量，并且具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單的特點。結(jié)合圖1所示，實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下:一種采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路，其特征在于，包括:被測電容Cs，其第一端連接固定電位電壓V0，第二端連接采樣控制電路的輸入；采樣控制電路①，其第一端連接被測電容的第二端，第二端連接固定電位電壓VI，第三端連接電荷補償控制模塊；用于將被測電容Cs第二端初始化到固定電位Vl，還用于將被測電容Cs上的電荷注入給電荷補償控制模塊；恒流補償模塊②，受控下以恒定速率提供補償電荷給電荷補償控制模塊，對由被測電容Cs注入電荷補償控制模塊的電荷進(jìn)行補償；電荷補償控制模塊③，初始化到工作零點后接收通過采樣控制電路注入的被測電容Cs上的電荷、同時輸出偏離零點，或者接收恒流補償模塊提供的補償電荷、同時輸出回歸零點；過零檢測模塊④，連接電荷補償控制模塊的輸出，并根據(jù)電荷補償控制模塊的輸出產(chǎn)生反轉(zhuǎn)信號；及時間記錄模塊⑤，連接過零檢測模塊④的輸出，記錄所述反轉(zhuǎn)信號的時間周期。作為具體的技術(shù)方案，所述采樣控制電路①由初始化開關(guān)和采樣開關(guān)構(gòu)成，通過閉合初始化開關(guān)將被測電容Cs的第二端連接并初始化到固定電位VI，通過閉合采樣開關(guān)將使被測電容Cs的第二端連接電荷補償控制模塊③的輸入并注入電荷。作為具體的技術(shù)方案，所述恒流補償模塊②由一恒流源和其控制開關(guān)組成，控制開關(guān)的開合用于控制利用該恒流源進(jìn)行電荷補償?shù)臅r間。作為具體的技術(shù)方案，所述恒流源是一個恒定電流源、或者是一個固定頻率的開關(guān)電容電路、或者是一個串接的電阻。作為具體的技術(shù)方案，所述的電荷補償控制模塊③由第一運算放大器0ΡΑ、積分電容Cint和復(fù)位開關(guān)構(gòu)成；第一運算放大器OPA的輸入端連接米樣控制電路的輸出，其積分電容Cint和復(fù)位開關(guān)跨接第一運算放大器OPA的正輸入端-Vkefci ;復(fù)位開關(guān)用于在采樣補償前將第一運算放大器OPA的輸入端-輸出端電壓初始化至Vkefci,當(dāng)被測電容Cs的第二端連接至電荷補償控制模塊③的輸入時，被測電容Cs上的電荷轉(zhuǎn)移到積分電容Cint上，并導(dǎo)致第一運算放大器OPA的輸出偏離初始值Vkefci。作為具體的技術(shù)方案，所述過零檢測模塊④由一個第二運算放大器CMP構(gòu)成，其第一端連接至基準(zhǔn)電SVkefi，第二端連接至電荷補償控制模塊③的輸出，用于在電荷補償階段對電荷補償控制模塊③的輸出進(jìn)行過Vkefi點監(jiān)測，當(dāng)電荷補償控制模塊③的輸出跨過Veefi時，過零檢測模塊④的輸出反轉(zhuǎn)。作為具體的技術(shù)方案，所述時間記錄模塊⑤由數(shù)字計數(shù)器構(gòu)成，并以過零檢測模塊④的輸出作為輸入，用于記錄從恒流源開始補償?shù)竭^零檢測模塊④輸出反轉(zhuǎn)整個過程的時間。本實用新型提供的電路可用于自電容的感測，進(jìn)而可用于觸摸按鍵、電容觸摸屏及接近感應(yīng)等控制應(yīng)用中。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的有益效果在于:1、電路結(jié)構(gòu)簡單，常規(guī)器件搭設(shè)便可以實現(xiàn)，設(shè)計巧妙但不復(fù)雜；2、無需外部元·件，降低了器件成本；3、電荷補償控制模塊可靈活實現(xiàn)，加入濾波功能，實現(xiàn)抗干擾性提高；4、由于不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，因而大大降低了電路面積，節(jié)約了成本。

圖1為本實用新型提供的自電容感測電路的的系統(tǒng)原理框圖。圖2為實施例提供的自電容感測電路的具體實現(xiàn)電路。圖3為具體實現(xiàn)電路處于初始化階段的電路狀態(tài)。圖4為具體實現(xiàn)電路處于采樣階段的電路狀態(tài)。圖5為具體實現(xiàn)電路處于補償階段的電路狀態(tài)。
具體實施方式
如圖2所示，本實施例給出了圖1所示自電容感測電路的一種具體實現(xiàn)電路。其中，采樣控制電路①由采樣開關(guān)SI及初始化開關(guān)S2構(gòu)成；恒流補償模塊②由恒流源i0和控制開關(guān)S4組成；補償控制模塊③由第一運算放大器OPA及積分電容Cint和復(fù)位開關(guān)S3組成；過零點檢測電路④由第二運算放大器CMP構(gòu)成；補償時間記錄電路⑤由一簡單的計數(shù)器實現(xiàn)。為方便說明，將整個測量階段分為初始化階段、采樣階段和電荷補償階段，如下詳述:如圖3所示，在初始化階段，通過閉合開關(guān)S2被測電容Cs的第二端被初始化到某固定電位VI，通過閉合開關(guān)S3第一運算放大器OPA的輸入端和輸出端初始化到工作零點，即基準(zhǔn)電壓VKEra。待初始化完成后進(jìn)入采樣階段。如圖4所示，在采樣階段，斷開復(fù)位開關(guān)S3，閉合采樣開關(guān)SI。被測電容Cs上的電荷將會轉(zhuǎn)移注入到積分電容Cint上。其中，SI閉合前Cs上攜帶電荷量:Q0=Cs* (V1-V0)；SI閉合后Cs上攜帶電荷將會共享注入到積分電容Cint上，電路穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)移到積分電容Cint上的電荷量:S Q=(Vl-VREFO) *Cs*CINT/(Cs+CINT);將在第一運算放大器OPA的輸出引起電壓變化δ V= δ Q/Cint=Cs (Vl-VREFO) / (Cs+CINT)。采樣完成后進(jìn)入電荷補償階段。如圖5所示，在電荷補償階段，斷開采樣開關(guān)SI，恒流補償模塊②的控制開關(guān)S4閉合，恒流源i0開始對積分電容Cint注入符號相反的電荷以對被測電容Cs注入的電荷進(jìn)行補償(補償?shù)碾姾蓸O性與被測電容Cs注入電荷的極性相反)。隨著補償?shù)倪M(jìn)行，第一運算放大器OPA的輸出電壓逐漸向Vkefci方向回歸,被測電容Cs上的電荷也將會持續(xù)的注入到積分電容CINT，當(dāng)OPA的輸出電壓回歸到Vkefi時過零檢測模塊④的輸出反轉(zhuǎn)。開始補償時，時間記錄模塊⑤開始計時；隨著補償?shù)倪M(jìn)行電荷補償控制模塊③的輸出將逐漸回歸工作零點并將最終導(dǎo)致過零檢測模塊④的輸出反轉(zhuǎn)，時間記錄模塊⑤停止計時，此時Cs上的所有電荷將全部注入到積分電容Cint上并被完全補償。由于被測電容Cs注入的電荷量正比于其大小，因而通過記錄電荷補償時間的長短并對其分析，可以得到被測電容Cs的大小及其變化。其中，使第一運算放大器OPA的輸出回歸到電壓Vkefi需要補償?shù)碾姾闪繛?Qc=Cint (Veefo-Veefi) +Cs (V1-Veefi);假定 Vkefq=Vkefi,則 Qc=Cs (V1-Veefi)，與 Cint 的大小無關(guān)。恒流源iO開始對 Cint注入符號相反的電荷以對被測電容Cs注入的電荷進(jìn)行補償，需要經(jīng)過的時間為t=Qc/iO=Cs (V1-Vkefi)/iO, t便為時間記錄模塊⑤所記錄的補償時間,可見在iO恒定的情況下，補償時間t與被測電容Cs的大小成正比。因而補償時間t的大小反映了被測電容的大小，補償時間t的變化則反映了被測電容Cs的變化。上述實施例中，固定電位電壓VO，Vl可以相同，也可以不同；基準(zhǔn)電位電壓V.，Veefi可以相同，也可以不同。以上實施例提供的自電容感測電路及感測方法，具有以下特點:1.電路結(jié)構(gòu)簡單，常規(guī)器件搭設(shè)便可以實現(xiàn)，設(shè)計巧妙但不復(fù)雜；2.第一運算放大器OPA和積分電容Cint具有濾波特性，因而大大改善了抗干擾性；3.無類似模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)大面積和高耗電模塊，因而節(jié)約成本的同時具有功耗優(yōu)勢?？梢岳斫獾氖牵瑢Ρ緦嵱眯滦退陬I(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案及其構(gòu)思進(jìn)行相應(yīng)的等價變換，未經(jīng)創(chuàng)造性的等效替換都應(yīng)當(dāng)屬于本實用新型所揭露的范圍。本實用新型除了可以在觸控領(lǐng)域中使用外，也可以用于接近檢測等其它傳感器應(yīng)用中。
權(quán)利要求1.一種采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路，其特征在于，包括: 被測電容Cs，其第一端連接固定電位電壓VO，第二端連接采樣控制電路的輸入； 采樣控制電路，其第一端連接被測電容的第二端，第二端連接固定電位電壓Vi，第三端連接電荷補償控制模塊；用于將被測電容Cs第二端初始化到固定電位Vl，還用于將被測電容Cs上的電荷注入給電荷補償控制模塊； 恒流補償模塊，受控下以恒定速率提供補償電荷給電荷補償控制模塊，對由被測電容Cs注入電荷補償控制模塊的電荷進(jìn)行補償； 電荷補償控制模塊，初始化到工作零點后接收通過采樣控制電路注入的被測電容Cs上的電荷、同時輸出偏離零點，或者接收恒流補償模塊提供的補償電荷、同時輸出回歸零占.過零檢測模塊，連接電荷補償控制模塊的輸出，并根據(jù)電荷補償控制模塊的輸出產(chǎn)生反轉(zhuǎn)信號；及 時間記錄模塊，連接過零檢測模塊的輸出，記錄由恒流源開始補償至所述反轉(zhuǎn)信號的時間周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路，其特征在于，所述采樣控制電路由初始化開關(guān)和采樣開關(guān)構(gòu)成，通過閉合初始化開關(guān)將被測電容Cs的第二端連接并初始化到固定電位VI，通過閉合采樣開關(guān)將使被測電容Cs的第二端連接電荷補償控制模塊的輸入并注入電荷。
3.根據(jù)權(quán)利要 求2所述的采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路，其特征在于:所述恒流補償模塊由一恒流源和恒流源控制開關(guān)組成，控制開關(guān)控制利用該恒流源進(jìn)行電荷補償?shù)臅r間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路，其特征在于:所述恒流源是一個恒定電流源、或者是一個固定頻率的開關(guān)電容電路、或者是一個串接的電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路，其特征在于:所述的電荷補償控制模塊由第一運算放大器OPA、積分電容Cint和復(fù)位開關(guān)構(gòu)成；第一運算放大器OPA的輸入端連接米樣控制電路的輸出，積分電容Cint和第一運算放大器OPA共同構(gòu)成一個能將注入電荷轉(zhuǎn)化為電壓輸出的電路；復(fù)位開關(guān)用于在采樣補償前將第一運算放大器OPA的輸入端-輸出端電壓初始化至Vkefci,當(dāng)被測電容Cs的第二端連接至電荷補償控制模塊的輸入時，被測電容Cs上的電荷轉(zhuǎn)移到積分電容Cint上,并導(dǎo)致第一運算放大器OPA的輸出偏離初始值Vkefci。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路，其特征在于:所述過零檢測模塊由一個第二運算放大器CMP構(gòu)成，其第一端連接至基準(zhǔn)電壓Vkefi，第二端連接至電荷補償控制模塊的輸出，用于在電荷補償階段對電荷補償控制模塊的輸出進(jìn)行SVkefi點監(jiān)測，當(dāng)電荷補償控制模塊的輸出跨過Vkefi時，過零檢測模塊的輸出反轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路，其特征在于:所述時間記錄模塊由數(shù)字計數(shù)器構(gòu)成，并以過零檢測模塊的輸出作為輸入，用于記錄從恒流源開始補償?shù)竭^零檢測模塊輸出反轉(zhuǎn)整個過程的時間。
專利摘要本實用新型公開一種采用電荷補償?shù)淖噪娙莞袦y電路，包括被測電容Cs、采樣控制電路、恒流補償模塊、電荷補償控制模塊、過零檢測模塊及時間記錄模塊。本實用新型的有益效果在于1、電路結(jié)構(gòu)簡單，常規(guī)器件搭設(shè)便可以實現(xiàn)，設(shè)計巧妙但不復(fù)雜；2、無需外部元件，降低了器件成本；3、電荷補償控制模塊可靈活實現(xiàn)，加入濾波功能，實現(xiàn)抗干擾性提高；4、由于不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，因而大大降低了電路面積，節(jié)約了成本。
文檔編號G01R27/26GK203149039SQ20132006141
公開日2013年8月21日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者朱定飛, 朱家訓(xùn) 申請人:珠海中慧微電子有限公司