專利名稱：電容量測電路及方法
技術領域：
本發明為一種量測電容的電容值或是電容值的變化量的方法與電路，尤其 是有關于一種以電容積分電路量測電容的電容值或是電容值的變化量的方法 與電路。
背景技術：
美國專利6,466,036號中揭示一種如何利用電荷移轉技術用來偵測或是 量測待測電容的電容值變化的方法與電路。如圖(一)所示，該技術透過將待測 電容內的電荷移轉到一個參考電容內，經過移轉多次之后，參考電容內的電荷 會逐漸升高，參考電容的電壓也會跟著升高，藉由量測參考電容上的電壓變化， 因而計算待測電容的電容值變化。
該技術有一個缺點，就是每次由待測電容移轉到參考電容電荷量都不相 同，后一次比前一次移轉較少的電荷，經過累計多次之后，最后幾次移轉的電 荷相對第一次來說，己經少很多，參考電容的電壓上升，越到后面變得上升越 慢，因此造成量測待測電容的時間較久及精確度較差等衍生的問題。
因此，本案的發明人研究出一種量測電容的電容值或是電容值的變化量的 方法與電路，尤其是有關于一種依一已知電容值及三個開關以電容積分電路量 測一未知電容的電容值或是其的變化量的方法與電路，其可改善現有技術中的 量測待測電容的時間較久及精確度較差的現狀。
發明內容
本發明是關于一種量測電容的電容值或是電容值的變化量的方法與電路， 其利用電容積分電路，進而達成高精確電容值或是電容值的變化量感測的目 的。
該方法至少包括(a)將該未知電容一端接地，另一端開路，同時，將該已 知電容兩端短路，并連接到一運算放大器的負輸入端與輸出端；其中，該運算放大器的正輸入端連接到一第一參考電壓；(b)將該已知電容兩端開路，該運 算放大器的負輸入端連接到該己知電容的一端，該運算放大器的輸出端連接到 該已知電容的另一端;(c)將該未知電容另一端連接到一第二參考電壓使該未知 電容充電至一預定電壓；(d)將該未知電容另一端開路；以及(e)將該未知電容 另一端以一模擬開關導通的方式與該運算放大器的負輸入端連接。
較佳的，該電路至少包括 一已知電容； 一第一參考電壓； 一不同于該第 一參考電壓的第二參考電壓； 一第一開關，其一端耦接于該未知對地電容未接 地的一端，控制對該未知對地電容充電到該第二參考電壓； 一第二開關，其一 端耦接于該未知對地電容未接地的一端，控制對該已知電容充電； 一第三開關， 控制對該已知電容放電； 一電容積分電路，包含該已知電容，運算放大器，第 一參考電壓及該第三開關，使用該第一參考電壓量讓第二開關兩端有一個固定 的電壓差，提供一個固定電流對已知電容充電； 一電壓量測電路，用來量測運 算放大器輸出端電壓，此電壓一為參考電容其中一端的電壓以及一信號處理及 控制電路，用來控制該第一、第二、第三開關，并對電壓量測電路的量測結果 做處理，以測該未知待測電容的電容值或是電容值的變化量。
為進一步說明本發明的結構目的和功效，茲配合附圖和實施例詳細說明如后。
圖1A/1B為現有技術的示意圖； 圖2為用于本發明的實施例示意圖； 圖3為圖2的等效電路圖；以及 圖4為本發明的多信道實施例示意圖。 其中附圖標記為
201, 201a， 201b， 202， 202a， 202b， 203 開關
204 電壓
206 運算放大器
205 運算放大器輸出端 207,211,211a, 211b 電容 208 電壓量測電路209 信號處理及控制電路
212 電壓
213， 213a, 213b 導體平面
220 參考電容積分電路
具體實施例方式
圖2為本發明較佳實施例的電路圖。
本發明電路的一開關201用來對待測電容2U (如金屬導體平板對地的電 容)作初始化，該開關201導通時會初始化待測電容211的電位，將該待測電 容2U充電到一電壓212，初始化完成時，把該開關201斷開，讓待測電容211 兩端的電壓保持在該電壓212 。
本發明電路的一開關203用來對參考電容207作初始化，開關203導通時 會初始化參考電容207，將參考電容207兩端的電壓放電到0伏特，初始化完 成時，把開關203斷開。
其中，本發明主要特性是利用一參考電容積分電路220，來量測待測電容 211的電容值或是電容值的變化量。該待測電容可為一金屬球狀物或金屬平 板。電容積分電路220可以透過各種電路完成，本發明使用一個運算放大器 206， 一個參考電壓204及一個參考電容207完成，參考電容207兩端連接到 運算放大器206的反向輸入端及輸出端。
當參考電容207充電完成時， 一電壓量測電路20.8用來量測運算放大器輸 出端的電壓205，再經由一信號處理及控制電路209處理所量測的信號，以計 算待測電容211的電容值或是電容值的變化量。該信號處理及控制電路其功能 包含三個開關組件的控制，控制啟動電壓量測電路208，讀取電壓量測電路的 結果，及處理量測待測電容211的計算。
較佳者，該電壓量測電路208可為一模擬數字轉換器或一比較器。該信號 處理及控制電路209可由微控制器，微處理器，數字信號處理器，FPGA，或 是集成電路中選擇一種。
較佳者，本發明電路可以由集成電路制造的方式做在一顆集成電路內，亦 可以由數個集成電路所構成。本發明電路亦可用來量測電容的電容值或是電容 值的變化量，也可以量測其它組件含有電容的特性的電容值或是電容值的變化
7量，特別適合量測任何物體的對地的電容值，包含人體的各個部位，因接觸或 是靠近某個感應平面而產生電容值的變化量因此可運用為觸碰式開關。而該觸 碰式開關可為多通道開關。
較佳者，本發明的待測電容211，可為一金屬平板或是集成電路的一個或
是一個以上的接腳所產生的電容，也可以是印刷電路板(PCB)上導線所形成的
寄生電容，或是將導線制作成圓形或是其它形狀所形成的電容，也可以是因人
體或是其它物體接觸或是靠近該印刷電路板(PCB)上導線或導線形成的平面 213所產生的電容。
較佳者，該參考電壓204，可以使用各種方式實現，可以在集成電路內由 集成電路的電源產生，或是利用其它電阻、電容、晶體管等組件所實現產生。 電壓204的電壓值可以是任意電壓，但是不同于參考電壓212。此參考電壓204 接在運算放大器206的正端輸入，因運算放大器206操作在負反饋的緣故，運 算放大器206的正端與運算放大器的負端為虛擬短路，所以運算放大器206 的負端電壓相等于參考電壓204的電壓。
圖2的實施步驟如下，其中步驟a e見于圖三
a. 先將本實施例電路設定在一個初始化的狀態，開關201及202斷開， 開關203導通，將積分電路上的參考電容207初始化，將參考電容207上兩 端的電壓放電到OV;由圖3可知電容211開路，參考電容207短路；
b. 將開關203斷開，由圖3可知參考電容207開路；
c. 將開關201導通，將待測電容211初始化，待測電容上211的電壓充 電到參考電壓212-,
d. 將開關201斷開，由圖3可知電容211再次開路；
e. 將開關202導通一個固定時間(At)后，再將開關202斷開；
f. 重復步驟c，d，eN次之后，到下一步驟g;
g. 電壓量測電路208量測205的電壓值；以及
h. 利用電壓量測電路208的量測結果，以一信號處理及控制電路計算待測 電容211的電容值或是電容值的變化量。
此實施例的說明如下
一個金屬圓型導體平面213及連接此金屬圓型導體平面213到集成電路 的接腳上所產生的寄生電容211，當人的手指靠近或是接近此金屬圓型導體平面213時，會增加待測電容211的電容值。所以量測待測電容211的電容值增 加的量，就可以判斷出是否人的手指是否靠近或是接近此金屬圓型導體平面 213。在執行完步驟a， b參考電容207兩端的電壓為OV; 執行完步驟c， d待測電容211對地的電壓為固定的電壓212; 執行完歩驟e，參考電容207兩端的電壓會被充電到一個AV; 此AV=I*At/Cs;I為參考電壓212， 204相減，除以開關202導通時的電阻值。 At為開關202導通的時間； Cs為參考電容207的電容值。又因為待測電容211執行完步驟e所儲存的電荷變化量為A Qcx = Cx* A Vex = I* △ t;AQcx為待測電容211的電荷變化量；Cx為待測電容211的電容值；A Vex為At時間中,待測電容211上的電壓變化；所以A V=I* A t /Cs = Cx* A Vex / Cs。執行完步驟f,參考電容207兩端的電壓會被充電到一個NAV;AVcs =N* A V=NI* A t /Cs = NCx* A Vcx/Cs。--------(公式一)A Vcs為參考電容207兩端的電壓變化。由(公式一)來看，參考電容207兩端的電壓會與Cx有關，所以當N，A Vcx,Cs不變時，Cx改變，會改變參考電容207兩端的電壓差。執行完步驟g，205的電壓值會被量到，因參考電容207其中一端接到運 算放大器206的負端，此電壓因運算放大器206虛擬短路的關系，會與運算放 大器206的正端相同，為參考電壓204，參考電容207的另一端接到205，亦 即為電壓量測電路208所量到的電壓。所以，參考電容207兩端的電壓差又 等于參考電壓204與電壓量測電路208所量到的電壓相減的值，所以Vopout = Vb — AVcs = Vb — N* Cx *AVcx / Cs，Vopout為205的電壓值，Vb為參考電壓204，9直在監控205 的電壓值，可以偵測到Cx的變化，進而求得待測電容211的電容值或是電 容值的變化量。此特性有如下的優點1. 因為電容積分電路220的參考電容207的電壓是線性改變，所以只要控 制N的大小，就可以很容易控制電容積分電路220的參考電容207的電壓在 一個范圍內，電壓量測電路208可以量到比較精確的電壓值。2. 改變電容積分電路220的參考電容207的電容值大小，就可以改變AV 大小，因為△ V=I At/Cs = Cx AVcx/Cs， AV與Cs成反比，Cs愈小則AV愈大， AV愈大，則N就可以較小，則量測待測電容221的電容值的時間就可以縮短。3. 因為電容積分電路220的參考電容207的電壓是線性改變，所以容易控 制及處理，且分辨率也比較高。同理，本發明的運作原理亦可運用于多通道的未知電容測量如圖四所示， 圖四增加一組未知電容21 la/b及開關201a/b及202a/b，當開關201a/b及202a/b 被四個交錯的頻率所驅動則熟于該項技藝者可輕易依前述揭示內容測得未知 電容211a/b的電容值或變化量在此不再贅述。雖然本發明己以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明，在不 背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作 出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權 利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種以一已知電容量測-未知對地電容的方法，其特征在于，至少包含(a)將該未知電容一端接地，另一端開路，同時，將該已知電容兩端短路，并連接到一運算放大器的負輸入端與輸出端；其中，該運算放大器的正輸入端連接到一第一參考電壓；(b)將該已知電容兩端開路，該運算放大器的負輸入端連接到該已知電容的一端，該運算放大器的輸出端連接到該已知電容的另一端；(c)將該未知電容另一端連接到一第二參考電壓使該未知電容充電至一預定電壓；(d)將該未知電容另一端開路；以及(e)將該未知電容另一端以一模擬開關導通的方式與該運算放大器的負輸入端連接。
2. 如權利要求1所述的量測一未知對地電容的方法，其特征在于，進一步 包含(f) 重復(c)、 (d)、 (e) —預定次數。
3. 如權利要求2所述的量測一未知對地電容的方法，其特征在于，進一步 包含(g) 提供一 電壓量測電路輸出該運算放大器的錄出端的 一數字電壓值。
4. 如權利要求3所述的量測一未知對地電容的方法，其特征在于，進一步包含 ？"(h) 提供一信號處理電路，量測該數字電壓值v以計算該未知電容的電容值。
5. 如權利要求3所述的量測一未知對地電容的方法，其特征在于，進一步 包含(i) 提供一信號處理電路，量測該數字電壓值，以計算該未知電容的電容變 化值。
6. 如權利要求4所述的量測一未知對地電容的方法，其特征在于，進一步 包含(i)將該信號處理電路、該運算放大器、該電壓量測電路整合于一單芯片上。
7. 如權利要求5所述的量測一未知對地電容的方法，其特征在于，進一歩 包含(k)根據該未知電容的電容變化值判斷是否有外物接近或接觸該未知對地 電容。
8. —種以一已知電容量測一未知對地電容的電路，其特征在于，最少包含 一已知電容；一第一參考電壓；一不同于該第一參考電壓的第二參考電壓；一第一開關，其一端耦接于該未知對地電容未接地的一端，控制對該未知 對地電容充電到該第二參考電壓；一第二開關，其一端耦接于該未知對地電容未接地的一端，控制對該已知 電容充電；一第三開關，控制對該已知電容放電；一電容積分電路，包含該己知電容及該第三開關，使用該第一參考電壓量測該未知待測電容的電容值或是電容值的變化量；一電壓量測電路，量測該運算放大器的輸出端的一數字電壓值；以及 一信號處迤及控制電路，控制該第一、第二、第三開關，并對電容積分電路的輸出做處理。
9. 如權利要求S所述的量測一未知對地電容的電路，;其特征在于，該電容 積分電路"進二步包含一運算放大器。 .
10. 如權利要求8所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 未知電容可為一金屬導體平板。
11. 如權利要求8所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 第一、第二、第三開關，該電容積分電路，該信號處理及控制電路制作于一單 芯片上。
12. 如權利要求8所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 電壓量測電路為 一模擬數字轉換器。
13. 如權利要求8所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 電壓量測電路為一比較器。
14. 如權利要求8所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該-未知對地電容的電路，其特征在于，該-未知對地電容的電路，其特征在于，該信號處理及控制電路由微控制器，微處理器，數字信號處理器，FPGA，或是 集成電路中選擇一種。
15. 如權利要求8所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 參考電壓由集成電路的電源產生。
16. 如權利要求8所述的量沐 第二參考電壓為集成電路的電源。
17. 如權利要求8所述的量鄰 第二參考電壓為集成電路的電源地。
18. 如權利要求8所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 電路可量測一未知對地電容的電容變化值。
19. 如權利要求8所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 電路可運用于觸碰式開關。
20. 如權利要求8所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 已知電容的電壓為線性改變。
21. 如權利要求9所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 己知電容經該第三開關連接到該運算放大器的負輸入端與輸出端且該第一參 考電壓連接到該運算放大器的正輸入端。
22. 如權利要求17所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 觸碰式開關為多通道。
，，
23. 如權利要求19所述的量測一未知對地電容的電路，其特征在于，該 第一參考電壓連接到地。
全文摘要
本發明公開了一種依一已知電容量測一未知對地電容或是電容值的變化量的方法與電路，可用來作為偵測人體或是物體靠近該金屬導體平板所造成的電容效應，本發明電路至少由三個開關組件構成，其中一個開關組件控制對金屬導體平板對地的電容充電到某一個電壓，另外一個開關組件控制對參考電容放電，第三個開關組件控制金屬導體平板所形成的對地電容，對一個參考電容充電。
文檔編號G01R27/26GK101672876SQ20081021566
公開日2010年3月17日 申請日期2008年9月12日 優先權日2008年9月12日
發明者劉溫良 申請人:盛群半導體股份有限公司