專利名稱：電容值測量電路與方法
技術領域：
本發明有關一種電容值測量電路與方法，其用以測量待測電容的電容值。
背景技術：
目前，已發展出觸控式開關來實現使用者控制界面，觸控式開關例如是電容式開 關等。使用者接觸到觸控式開關時，觸控式開關會響應于使用者的控制指令而進行操作 (開/關)。為了提升使用上的便利性，已研發出觸控面板(touch panel)或顯示觸控面板 (同時具有顯示與觸控的功能)。觸控面板或顯示觸控面板可接受使用者的輸入、點選等操 作。觸控面板或顯示觸控面板可應用于各樣 子裝置當中，例如移動電話中。如此，可讓使 用者直接在觸控面板或顯示觸控面板上點選畫面來進行操作，藉此提供更為便捷且人性化 的操作模式。當使用者操作電容式觸控面板、電容式顯示觸控面板、或電容式開關時，其內部的 待測電容的電容值會隨使用者操作而發生變化。依此，可檢測到使用者的操作(比如，使 用者是否按壓開關)，或是使用者在的觸控面板或顯示觸控面板上的觸控位置。然而，如何 設計出可有效地檢測待測電容的電容值測量電路，以提升性能這為業界不斷致力的方向之
ο當在測量待測電容的電容值時，會測量在儲存電容(其電容值為已知)上的電壓。 圖IA與圖IB顯示儲存電容電壓的曲線圖。不同的待測電容會對應到不同的電壓曲線圖。如圖IA所示，在時間t測量不同待測電容(Cxl，Cx2，Cx3)所對應的儲存電容電壓 (Vdrtl，Vdet2，Vdrt3)。根據這些電壓值，可以估算待測電容的相對電容值(可以再從相對電容 值推出待測電容的絕對電容值)。如圖IB所示，測量儲存電容電壓Vdet上升至預定電壓值VMf需要的時間tl，t2， t3。同樣地，根據這些時間值，可以估算待測電容的相對電容值。但是當待測電容具有電阻效應時(可視為待測電容串聯電阻)，上述的曲線圖會 有不同的變化。圖IC與圖ID顯示當待測電容具有電阻效應時的儲存電容電壓的曲線圖。 在待測電容具有電阻效應，需要更長的測量時間才會測量令人滿意的儲存電容電壓值；或 是儲存電容電壓到達預定電壓值所需要的時間較長。如此將使得電容測量的速度變慢。因此，本發明提出電容值測量電路與方法，即使是待測電容具有電阻效應，其亦能 縮短測量時間。
發明內容
本發明的目的是提供一種電容值測量電路與方法，其亦能縮短測量時間。根據本發明一方面提出一種電容值測量方法，用于測量一待測電容的一電容值。 該方法包括預充電一儲存電容；對該待測電容與該儲存電容進行一電荷轉移；根據該儲 存電容的一電壓與一參考電壓間的關系，將該儲存電容放電及充電；以及根據該儲存電容的該電壓，測量該待測電容的該電容值。根據本發明的另一方面提出一種電容值測量電路，用于測量一待測電容的一電容 值。該電容值測量電路包括一儲存電容；一開關電路，耦接至該儲存電容、一參考電壓與 一電壓源；一電壓檢測器，耦接至該儲存電容，檢測該儲存電容的一電壓；一開關控制器， 耦接至該電壓檢測器與該開關電路，該開關控制器控制該開關電路；以及一可控制定電流 源，耦接至該開關電路。在該開關控制器的控制下，通過該開關電路，該參考電壓耦合至該 參考電壓以預充電該儲存電容；該待測電容耦合至該儲存電容與電壓源，以在該待測電容 與該儲存電容之間進行電荷轉移；根據該儲存電容的該電壓與該參考電壓間的關系，該可 控制定電流源將該儲存電容放電；以及根據該儲存電容的該電壓與該參考電壓間的關系， 通過電荷轉移，該待測電容對該儲存電容充電。
為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下面將配合附圖對本發明的較佳實施例作 詳細說明，其中圖IA與圖IB顯示儲存電容電壓的曲線圖。圖IC與圖ID顯示當待測電容具有電阻效應時的儲存電容電壓的曲線圖。圖2顯示根據本發明第一實施例的電容值測量電路的方塊圖。圖3顯示控制信號Sl S4的波形圖。圖4顯示適用于本實施例的另一種控制信號的波形圖。圖5顯示適用于本實施例的另一種控制信號的波形圖。圖6顯示適用于本實施例的另一種控制信號的波形圖。圖7顯示根據本發明第二實施例的電容值測量電路的方塊圖。圖8A至圖8D顯示根據本發明第二實施例的模擬數字轉換器的轉換方式，其輸出 結果反應待測電容的電容值。圖9顯示根據本發明第三實施例的電容值測量電路的方塊圖。圖10顯示根據本發明第三實施例的濾波放大器的濾波與放大，其輸出結果反應 待測電容的電容值。圖11顯示本發明上述實施例應用于電容式開關的示意圖。圖12顯示本發明上述實施例應用于觸控面板或顯示觸控面板的示意圖。主要組件符號說明210:電壓檢測電路220 開關控制器Sffl SW4 開關Cs:儲存電容PCS:可控制定電流源Cx:待測電容710 模擬數字轉換器910 濾波放大器1110:金屬極板
6
1210:導電膜
具體實施例方式第一實施例圖2顯示根據本發明第一實施例的電容值測量電路的方塊圖。如圖2所示，根據本 發明實施例的電容值測量電路包括電壓檢測電路(Voltage DetectionCircuit，VDC)210、 開關控制器220、開關SWl SW4、儲存電容Cs與可控制定電流源(Progra_able current source,PCS) 0 Cx代表待測電容。待測電容Cx不一定只有電容效應，其也可能含有電阻效 應；即便如此，根據本實施例的電容值測量電路的測量時間也不會太長。
電壓檢測電路210檢測在儲存電容Cs上的電壓Vdet，并將所檢測到的電壓Vdet傳 送給開關控制器220及后端電路。開關控制器220產生控制信號Sl S4，其分別控制開關SWl SW4。此外，開關 控制器220會根據電壓檢測電路210所檢測到的電壓Vdet來產生控制信號S4。開關SWl與SW2用以在儲存電容Cs與待測電容Cx之間進行電荷轉移。開關S3 用以將參考電壓Vref傳導至儲存電容Cs，特別是，當開關S3導通時，可以將儲存電容Cs預 充電至參考電壓V&。開關S4用以形成儲存電容Cs與可控制定電流源PCS之間的路徑；特 別是，當開關S4導通時，儲存電容Cs會通過可控制定電流源PCS而放電；而當開關S4斷路 時，儲存電容Cs上的電荷會因電荷轉移而累積，使得儲存電容Cs的電壓升高。現請參考圖3，其顯示控制信號Sl S4的波形圖。在本實施例中，當控制信號為 高電位時，其所控制的開關會導通；反之亦然。在本發明實施例中，電容檢測的步驟如下所述。請一并參考圖2與圖3。首先，在 控制信號的S3控制下(S3為高電位)，開關SW3為導通，以將儲存電容Cs預充電至參考電 壓V,ef的電平，此時其余開關SW1、SW2、SW4為斷路。接著，將開關SW3斷路，并交替切換開關SWl與SW2的狀態，以將待測電容Cx上的 電荷轉移至儲存電容Cs。控制信號Sl與S2的高電位時序不會重疊，且此電荷轉移會不斷 的運行。在初始狀態下，儲存電容Cs上的電荷為0，利用開關SWl將待測電容Cx充電至電 壓Vs，在待測電容Cx內會儲存電荷Q，其關系如下式(1)Q = CxXVs..............(1)接著，將開關SWl斷路并導通開關SW2，可以將電荷Q轉移至儲存電容Cs上。等到 電荷平衡后，將開關SW2斷路，此時儲存電容Cs上的電壓Vdrt如式(2)。
Cx
「00481 Ket =Vsx-
LUU4 」 to Cx+ Cs............G)重復開關SWl與SW2的導通/斷路，儲存電容Cs上的電壓Vdet會不斷的累積，如 式(3)所示。=+
Cs+ CxCs+ Cx ............⑶在上述(3)中，Vdet(N)代表在開關SWl與SW2的導通/斷路N次后的儲存電容Cs 上的電壓Vdet，N為正整數。接著，當儲存電容Cs上的電壓Vdet高于參考電壓VMf時，開關SW4會導通，此時儲存在儲存電容Cs上的電荷會通過可控制定電流源PCS的路徑而放電。所以，儲存電容Cs 的電壓Vdrt開始降低。當儲存電容Cs上的電壓Vdet低于參考電壓Vref時，開關SW4會斷路。此時，由于待 測電容Cx與儲存電容Cs間的電荷轉移仍然持續，儲存電容Cs上的電荷會累積，使得儲存 電容Cs的電壓升高。電壓檢測電路210會將所檢測到的電壓Vdrt輸出至后端電路以進行處理。待測電壓Cx的電容值會影響到控制信號S4的時序與電壓Vdet的波形圖。換句 話說，可根據電壓Vdrt的波形來決定待測電壓Cx的電容值。圖4顯示適用于本實施例的另一種控制信號的波形圖。在圖3中，只要儲存電容 Cs上的電壓Vdet高于參考電壓Vref時，開關SW4就會導通；只要儲存電容Cs上的電壓Vdrt 低于參考電壓Vref時，開關SW4就會斷路。然而，在圖4中，只要儲存電容Cs上的電壓Vdrt 高于參考電壓Vref時，開關SW4就會導通，而且開關SW4的導通時間是固定的。開關SW4的 導通時間必需足夠長，以使得儲存電容Cs上的電壓Vdet放電至低于參考電壓V&。經過了 此固定導通時間后，開關SW4會被斷路。另外，在圖4中，S4(l)與Vdrt(I)分別代表在較小 的待測電容值的控制信號S4與電壓Vdet的波形圖；而S4⑵與Vdet⑵分別代表在較大的 待測電容值的控制信號S4與電壓Vdrt的波形圖。也就是說，在圖4中，儲存電容Cs的放電 時間是固定的。圖5顯示適用于本實施例的另一種控制信號的波形圖。在圖5中，當儲存電容Cs 上的電壓Vdet高于另一參考電壓Ir時(Vref, > Vref)，開關SW4才會導通，而且開關SW4的導 通時間是固定的。開關SW4的導通時間必需足夠長，以使得儲存電容Cs上的電壓Vdrt放電 至低于參考電壓V,rf。經過了此固定導通時間后，開關SW4會被斷路。另外，在圖5中，S4⑴ 與Vdet(I)分別代表在較小的待測電容值的控制信號S4與電壓Vdet的波形圖；而S4⑵與 Vdet (2)分別代表在較大的待測電容值的控制信號S4與電壓Vdrt的波形圖。也就是說，在圖 5中，儲存電容Cs的放電時間也是固定的。圖6顯示適用于本實施例的另一種控制信號的波形圖。在圖6中，當儲存電容Cs 上的電壓Vdrt高于參考電壓Vref時，開關SW4會導通；而且開關SW4的導通時間必需足夠長 (在圖6中，開關SW4的導通時間未必要固定)，以使得儲存電容Cs上的電壓Vdet放電至 低于參考電壓V&。經過了此導通時間后，開關SW4會被斷路，而且，開關SW4的斷路時間 是固定的。如上所述，當開關SW4斷路時，儲存電容Cs上的電壓Vdrt會因為電荷轉移而逐 漸上升；因此，在圖6中，可視為儲存電容Cs的充電時間是固定的。另外，在圖6中，SMl) 與Vdet(I)分別代表在較小的待測電容值的控制信號S4與電壓Vdet的波形圖；而S4⑵與 Vdet(2)分別代表在較大的待測電容值的控制信號S4與電壓Vdrt的波形圖。第二實施例圖7顯示根據本發明第二實施例的電容值測量電路的方塊圖。相較于第一實施 例，第二實施例的電容值測量電路還包括模擬數字轉換器(ADC) 710，其用以將由VDC 210 所輸出的模擬信號(電壓Vdet)轉換成數字的數據。圖8A至圖8D顯示ADC 710的轉換方式。現請參考圖SA0如上述，電壓Vdet的充電狀態有關于待測電容Cx的電容值。若采 用圖4或圖5的感測方式(亦即，控制信號S4的波形如圖4或圖5所示)。待測電容Cx的電容值愈小時，電壓Vdrt的充電速度愈快，也代表了電壓Vdrt與參考線(Vdrt = Vref)之間的 交叉(cross over)點愈多(圖中的C Pl CPN)。當ADC 710為累加器，定義一既定時間 區間T，利用ADC 710來累加于此時間區間T內的電壓Vdet與參考線(Vdet = Vref)之間的交 叉點次數，此累加后的交叉點次數可以反應待測電容Cx的電容值的相對值。現請參考圖8B。若采用圖6的感測方式(亦即，控制信號S4的波形如圖6所示)。 待測電容Cx的電容值愈大時，電壓Vdrt的充電波形與參考線(Vdrt = Vd)所圍出的面積會 愈大。當ADC 710為積分器，利用ADC 710來積分于時間區間T內的面積(將圖8B中的面 積All AlN積分)，此積分后面積可以反應待測電容Cx的電容值的相對值。現請參考圖8C。若采用圖6的感測方式(亦即，控制信號S4的波形如圖6所示)。 待測電容Cx的電容值愈大時，電壓Vdrt的放電波形與參考線(Vdrt = Vref)所圍出的面積會 愈大。當ADC 710為積分器，利用ADC 710來積分于時間區間T內的面積(將圖8C中的面 積A21 A2N積分)，此積分后面積可以反應待測電容Cx的電容值的相對值。現請參考圖8D。若采用圖6的感測方式(亦即，控制信號S4的波形如圖6所示)。 待測電容Cx的電容值愈大時，電壓Vdrt的充放電波形與參考線(Vdrt = Vref)所圍出的面積 會愈大。當ADC 710為積分器，利用ADC 710來積分于時間區間T考電壓，如此，可以縮短 測量時間。綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而其并非用以限定本發明。本發明 所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種等同的改 變或替換。因此，本發明的保護范圍當視后附的本申請權利要求所界定的為準。
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權利要求
一種電容值測量方法，用于測量一待測電容的一電容值，包括預充電一儲存電容；對該待測電容與該儲存電容進行一電荷轉移；根據該儲存電容的一電壓與一參考電壓間的關系，將該儲存電容放電及充電；以及根據該儲存電容的該電壓，測量該待測電容的該電容值。
2.根據權利要求1所述的電容值測量方法，其特征在于，預充電該儲存電容的該步驟 包括預充電該儲存電容至該參考電壓。
3.根據權利要求1所述的電容值測量方法，其特征在于，將該儲存電容放電與充電的 該步驟包括當該儲存電容的該電壓高于該參考電壓時，將該儲存電容放電；以及 當該儲存電容的該電壓低于該參考電壓時，將該儲存電容充電。
4.根據權利要求3所述的電容值測量方法，其特征在于，該儲存電容的一放電時間為 固定。
5.根據權利要求1所述的電容值測量方法，其特征在于，將該儲存電容放電與充電的 該步驟包括當該儲存電容的該電壓高于一另一參考電壓時，將該儲存電容放電，其中該另一參考 電壓高于該參考電壓；以及當該儲存電容的該電壓低于該參考電壓時，將該儲存電容充電； 其中，該儲存電容的一放電時間為固定。
6.根據權利要求1所述的電容值測量方法，其特征在于，將該儲存電容放電與充電的 該步驟包括當該儲存電容的該電壓高于該參考電壓時，將該儲存電容放電；以及 當該儲存電容的該電壓低于該參考電壓時，將該儲存電容充電； 該儲存電容的一充電時間為固定。
7.根據權利要求1所述的電容值測量方法，其特征在于，測量該待測電容的該電容值 的該步驟包括累加在一既定時間區間內的該儲存電容的該電壓與一參考線之間的至少一交叉點的 次數，以反應該待測電容的該電容值。
8.根據權利要求1所述的電容值測量方法，其特征在于，測量該待測電容的該電容值 的該步驟包括積分在一既定時間區間內的該儲存電容的該電壓的一充電波形與一參考線所圍出的 一面積，以反應該待測電容的該電容值。
9.根據權利要求1所述的電容值測量方法，其特征在于，測量該待測電容的該電容值 的該步驟包括積分在一既定時間區間內的該儲存電容的該電壓的一放電波形與一參考線所圍出的 一面積，以反應該待測電容的該電容值。
10.根據權利要求1所述的電容值測量方法，其特征在于，測量該待測電容的該電容值 的該步驟包括積分在一既定時間區間內的該儲存電容的該電壓的一充放電波形與一參考線所圍出 的一面積，以反應該待測電容的該電容值。
11.根據權利要求1所述的電容值測量方法，其特征在于，測量該待測電容的該電容值 的該步驟包括將該儲存電容的該電壓進行濾波與放大以得到一輸出模擬波形，該輸出模擬波形的一 頻率反應該待測電容的該電容值。
12.一種電容值測量電路，用于測量一待測電容的一電容值，包括 一儲存電容；一開關電路，耦接至該儲存電容、一參考電壓與一電壓源；一電壓檢測器，耦接至該儲存電容，檢測該儲存電容的一電壓；一開關控制器，耦接至該電壓檢測器與該開關電路，該開關控制器控制該開關電路；以及一電流源，耦接至該開關電路；其中，在該開關控制器的控制下，通過該開關電路，將該參考電壓耦合至該儲存電容以 預充電該儲存電容；該待測電容耦合至該儲存電容與該電壓源，以在該待測電容與該儲存電容之間進行電 荷轉移；根據該儲存電容的電壓與該參考電壓間的關系，決定該電流源將該儲存電容放電；以及根據該儲存電容的電壓與該參考電壓間的關系，決定利用通過電荷轉移，使該待測電 容對該儲存電容充電。
13.根據權利要求12所述的電容值測量電路，其特征在于，該開關電路包括 一第一開關，選擇性耦合該電壓源至該待測電容；一第二開關，選擇性耦合該儲存電容至該待測電容； 一第三開關，選擇性耦合該參考電壓至該儲存電容；以及 一第四開關，選擇性耦合該電流源至該儲存電容。
14.根據權利要求13所述的電容值測量電路，其特征在于當該電壓檢測電路檢測到該儲存電容的該電壓高于該參考電壓時，該開關控制器導通 該第四開關，以使得該電流源耦合該儲存電容，將該儲存電容放電；以及當該電壓檢測電路檢測到該儲存電容的該電壓低于該參考電壓時，該開關控制器斷路 該第四開關，且該待測電容對該儲存電容充電。
15.根據權利要求14所述的電容值測量電路，其特征在于，該開關控制器導通該第四 開關，使得該儲存電容的一放電時間為固定。
16.根據權利要求13所述的電容值測量電路，其特征在于當該電壓檢測電路檢測到該儲存電容的該電壓高于一另一參考電壓時，該開關控制器 導通該第四開關，以使得該電流源耦合該儲存電容，將該儲存電容放電，其中，該另一參考 電壓高于該參考電壓，且該儲存電容的一放電時間為固定；以及當該電壓檢測電路檢測到該儲存電容的該電壓低于該參考電壓時，該開關控制器斷路 該第四開關，且該待測電容對該儲存電容充電。
17.根據權利要求13所述的電容值測量電路，其特征在于當該電壓檢測電路檢測到該儲存電容的該電壓高于該參考電壓時，該開關控制器導通 該第四開關，以使得該電流源耦合至該儲存電容，將該儲存電容放電；以及響應于該電壓檢測電路檢測到該儲存電容的該電壓低于該參考電壓時，該開關控制 器斷路該第四開關，且該待測電容對該儲存電容充電，其中，該儲存電容的一充電時間為固定。
18.根據權利要求12所述的電容值測量電路，其特征在于還包括一模擬數字轉換器，耦接至該電壓檢測電路，以將該儲存電容的該電壓轉換成一數字 數據，該數字數據反應該待測電容的該電容值。
19.根據權利要求18所述的電容值測量電路，其特征在于，該模擬數字轉換器累加在 一既定時間區間內的該儲存電容的該電壓與一參考線之間的至少一交叉點的次數。
20.根據權利要求18所述的電容值測量電路，其特征在于，該模擬數字轉換器積分在 一既定時間區間內的該儲存電容的該電壓的一充電波形與一參考線所圍出的一面積。
21.根據權利要求18所述的電容值測量電路，其特征在于，該模擬數字轉換器積分在 一既定時間區間內的該儲存電容的該電壓的一放電波形與一參考線所圍出的一面積。
22.根據權利要求18所述的電容值測量電路，其特征在于，該模擬數字轉換器積分在 一既定時間區間內的該儲存電容的該電壓的一充放電波形與一參考線所圍出的一面積。
23.根據權利要求12所述的電容值測量電路，其特征在于還包括一濾波放大器，耦接至該電壓檢測電路，以將該儲存電容的該電壓轉換成一模擬數據， 該模擬數據反應該待測電容的該電容值。
全文摘要
本發明是一種電容值測量電路與方法，該電容值測量電路包括一儲存電容；一開關電路，耦接至該儲存電容、一參考電壓與一電壓源；一電壓檢測器，耦接至該儲存電容，檢測該儲存電容的一電壓；一開關控制器，耦接至該電壓檢測器與該開關電路，該開關控制器控制該開關電路；以及一電流源，耦接至該開關電路。該電容值測量方法包括預充電一儲存電容；對該待測電容與該儲存電容進行一電荷轉移；根據該儲存電容的一電壓與一參考電壓間的關系，將該儲存電容放電及充電；以及根據該儲存電容的該電壓，測量該待測電容的該電容值。
文檔編號G01R27/26GK101943716SQ20091015213
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月9日 優先權日2009年7月9日
發明者張志遠, 張輝宏, 黃赫煒 申請人:聯詠科技股份有限公司