專利名稱：電容檢測方法及電容檢測電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子領域，特別涉及電容觸摸或電容按鍵中的電容檢測。
背景技術：
目前，電容觸摸技術發展迅速并給人們生活帶來了很大便利，該技術首先將觸控檢測區域劃分為若干橫豎相交的格點，再通過檢測格點電容值的變化，得出的觸摸點的位
置信息。電容觸摸技術如果按照具體實現來分類，則包括電容按鍵，自感電容屏，互感電容 屏，其中電容按鍵和自感電容屏中，其待測電容大小變換范圍很大，一些小的觸摸電路板中，自感電容容值只有幾皮法，而在一些大的電容觸摸屏，或者大的電容按鍵中，其自感電容容值可能達到上百皮法。傳統的檢測方式的檢測原理為當積分開始時，在第一個階段，如圖I所示，積分電容Ci進行清零復位，待檢測電容Cs則被充電至參考電壓Vref，這個階段可以稱之為采樣階段。在第二個階段，通過開關將CS上端與運算放大器Atl的正輸入端相連，如圖2所示。假設運算放大器理想，則在第二個階段結束時，運算放大器輸入端電壓相等；此時，采樣電容Cs兩端電位均為零，即待檢測電容Cs上的電荷全部轉移至了積分電容Ci，此階段稱為電荷轉移階段或積分階段。這兩個階段合起來稱為一個電荷轉移周期或者稱為積分周期，在實際使用中，會根據需要進行反復的電荷轉移，即實現積分，值得注意的是，積分電容的清零只有在積分開始的第一個積分周期發生。根據電荷守恒原理，可以得出每次電荷轉移后，運放輸出電壓的變化為Vref * ('s = A Vonl * ( 7 => A Voul = Vref —
'Ci其中AVout為一次電荷轉移引起運算放大器的輸出電壓的變化大小。該電壓大小通過模數轉換器檢測送往數字電路處理，便可判斷出待檢測電容Cs的電容值。然而，在實際應用中，為提高抗干擾能力，Vref盡可能取高，為方面描述，假定電容檢測電路的電源為3. 3V，Vref也為3. 3V，這在常規應用中是很普遍的，假設待檢測電容為100皮法，積分電容為20皮法，則每個轉移周期引起的運算放大器的輸出電壓變化為16. 5V，這嚴重超過了電源電壓值3. 3V。如果通過增大積分電容的方式去減少每次轉移引起的輸出電壓變化，則需要100皮法以上的積分電容才能保證一次轉移不會超出運算放大器的承受范圍，然而，實現100皮法的電容在集成電路中需要很大的面積。即使是20皮法電容的面積也相當可觀，而且如果通過增大積分電容的方式去解決輸出電壓變化太大的問題，則該電路應用于外部待檢測電容Cs很小的情況時，每次轉移引起運放輸出電壓的變化將會非常微小，這樣會降低運放輸出的信噪比。由此可見，采用傳統的電容檢測技術，待檢測電容值的范圍將被限制在大約3皮法 30皮法的范圍。
發明內容
本發明的目的在于提供一種電容檢測方法及電容檢測電路，以解決由于待檢測電容的電容值隨具體產品變化范圍太大而無法對其進行有效檢測的矛盾，而且不會額外增加檢測電路的面積，使電容檢測電路具有更強的適應性和通用性。為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種電容檢測方法，包含以下步驟在電荷轉移階段中，將所述積分電容的一端與運算放大器的正輸入端相連，另一端與所述運算放大器的輸出端相連，將所述待檢測電容的上端與所述運算放大器的正輸入端相連，該待檢測電容的下端接地；將所述運算放大器的負輸入端電壓調整至所需的基準值，其中，所述所需的基準值根據所述待檢測電容的預測電容值得到；
在所述電荷轉移階段結束時，根據所述運算放大器的輸出端電壓的變化，通過電荷守恒原理計算出所述待檢測電容的電容值。本發明的實施方式還提供了一種電容檢測電路，包含積分電容、待檢測電容、運算放大器、信號處理芯片；所述積分電容的一端與所述運算放大器的正輸入端相連，另一端與所述運算放大器的輸出端相連；與所述運算放大器的負輸入端相接的電壓為可調電壓Vset ；所述待檢測電容的上端與所述運算放大器的正輸入端相連，該待檢測電容的下端接地；所述信號處理芯片與所述運算放大器的輸出端相連，根據所述運算放大器的輸出端電壓的變化，通過電荷守恒原理計算出所述待檢測電容的電容值并輸出。本發明實施方式相對于現有技術而言，在電荷轉移階段中，運算放大器的負輸入端將不再接地，而是可以調整的。通過將運算放大器的負輸入端電壓調整至所需的基準值，可以在電荷轉移階段中將待檢測電容Cs上端的電壓限制在Vset，也就是采樣電容Cs上的電荷沒有完全轉移至積分電容Ci上。因此，同樣可以通過電荷守恒原理，根據所述運算放大器的輸出端電壓的變化，計算出所述待檢測電容的電容值。由于運算放大器的負輸入端電壓是可調的，因此即使是檢測容值從幾皮法到幾百皮法的電容，都可通過對運算放大器的負輸入端電壓的調整，將運算放大器的輸出端電壓控制在一個合理的范圍，從而使得該電容檢測方法可以檢測幾皮法到幾百皮法的電容，解決了由于待測電容容值隨具體產品變化范圍太大而無法對其進行有效檢測的矛盾。而且，與傳統檢測電路相比，不會額外增加檢測電路的面積，使電容檢測電路具有更強的適應性和通用性。進一步地，在通過電荷守恒原理計算出所述待檢測電容的電容值的步驟中，對所述運算放大器的輸出端電壓進行模數轉換，得到該輸出端電壓的數字信號；根據所述輸出端電壓的數字信號，計算出所述待檢測電容的電容值。通過一個模數轉換器即可將運算放大器的輸出端電壓轉換為數字信號，進而根據該數字信號，計算出所述待檢測電容的電容值，簡單易行。進一步地，在所述通過電荷守恒原理計算出所述待檢測電容的電容值的步驟中，根據以下公式計算出所述待檢測電容的電容值(Vref-Vset)*Cs= A Vout^Ci 其中，所述A Vout為所述運算放大器的輸出端電壓，所述Vref為所述待檢測電容在采樣階段中被充至的參考電壓，所述Vset為所述運算放大器的負輸入端電壓，所述Cs為所述待檢測電容的電容值，所述Ci為所述積分電容的電容值。進一步地，所述所需的基準值根據所述待檢測電容的預測電容值的大小，實時調整。由于本實施方式的電容檢測方法，可以檢測幾皮法到幾百皮法的電容，因此可以根據待檢測電容的預測電容值的大小，實時調整運算放大器的負輸入端的電壓，進一步有效保證了運算放大器的輸出端電壓在一個合理的范圍內，進而達到有效電容檢測的目的。進一步地，通過電阻分壓方式將所述運算放大器的負輸入端電壓調整至所需的基準值。實現簡單，方便易行。進一步地，根據所述待檢測電容的預測電容值得到所述所需的基準值的步驟中，包含以下子步驟
·
根據所述待檢測電容的預測電容值和所述運算放大器的輸出端電壓允許的電壓范圍，通過電荷守恒原理計算出接入所述運算放大器的負輸入端的電壓允許范圍；在所述計算出的接入所述運算放大器的負輸入端的電壓允許范圍中，選擇一個電壓，作為所述所需的基準值。或者，預先將待檢測電容所有可能的電容值劃分為N個區間，每個區間對應一個預先設置的基準值；在根據所述待檢測電容的預測電容值得到所述所需的基準值的步驟中，包含以下子步驟根據所述待檢測電容的預測電容值所屬于的區間，查找到該區間所對應的基準值，將所述查找到的基準值作為所述所需的基準值。由于可以通過多種方式對接入運算放大器的負輸入端的電壓進行合理設置，使得本發明的實施方式可靈活多變地實現。
圖I是根據現有技術中電容檢測的采樣階段示意圖；圖2是根據現有技術中電容檢測的電荷轉移階段示意圖；圖3是根據本發明第一實施方式的電容檢測方法流程圖；圖4是根據本發明第一實施方式中的將運算放大器的負輸入端電壓調整至所需的基準值的示意圖；圖5是根據本發明第二實施方式的電容檢測電路示意圖；圖6是根據本發明第三實施方式的電容檢測電路示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本發明各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，即使沒有這些技術細節和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。本發明的第一實施方式涉及一種電容檢測方法。具體流程如圖3所示。
在步驟310中，對積分電容Ci進行復位，將待檢測電容Cs充電至參考電壓Vref，本步驟即為電容檢測過程中的采樣階段，與現有技術相同，在此不再贅述。接著，在步驟320中，在電荷轉移階段中，將積分電容的一端與運算放大器的正輸入端相連，另一端與運算放大器的輸出端相連，將待檢測電容的上端與運算放大器的正輸入端相連，該待檢測電容的下端接地，將運算放大器的負輸入端電壓調整至所需的基準值，如圖4所示。其中，所需的基準值根據待檢測電容的預測電容值得到。接著，在步驟330中，在電荷轉移階段結束時，根據運算放大器的輸出端電壓的變化，通過電荷守恒原理計算出所述待檢測電容的電容值。具體地說，本實施方式中，由于在第二個階段(即電荷轉移階段)中，運算放大器的負端將不再接地，而是接在一個可調的電壓Vset上，根據運放虛短的概念，在第二個階段中Cs上端的電壓會被限制在Vset，也就是待檢測電容Cs上的電荷沒有完全轉移至積分電容Ci上，同樣根據電荷轉移理論，可得到如下表達式
(Vref-Vset)*Cs= A Vout^Ci公式中，AVout為運算放大器的輸出端電壓，Vref為待檢測電容在采樣階段中被充至的參考電壓，Vset為運算放大器的負輸入端電壓，Cs為待檢測電容的電容值，Ci為積分電容的電容值。由于公式中的A Vout、Vref> Vset、Ci均為已知數，因此根據該電荷守恒原理，即可計算出待檢測電容的電容值。值得一提的是，在通過電荷守恒原理計算待檢測電容的電容值時，可以對運算放大器的輸出端電壓進行模數轉換，得到該輸出端電壓的數字信號。然后根據該輸出端電壓的數字信號，計算出待檢測電容的電容值。通過對運算放大器的輸出端電壓進行模數轉換，可以方便地實現待檢測電容的電容值的計算。為方便理解，以下通過一個具體例子進行說明假設待測電容Cs為100皮法(即待測電容的預測電容值為100皮法)，積分電容為20皮法，Vref為3. 3V。根據待測電容的預測電容值可以得到運算放大器的負輸入端電壓需 接入的電壓(即所需的基準值)。比如說，根據待檢測電容的預測電容值和運算放大器的輸出端電壓允許的電壓范圍(如0 3. 3V)，通過電荷守恒原理((Vref-Vset)*Cs= A Vout*Ci)計算出接入運算放大器的負輸入端的電壓允許范圍(即Vset允許的范圍)。然后在計算出的接入運算放大器的負輸入端的電壓允許范圍中，選擇一個電壓，作為所需的基準值(即運算放大器的負輸入端需調整到的電壓值)。針對上述案例，可以將運算放大器的負輸入端電壓調整至 0.9*Vref，即 Vset 取為 0. 9*Vref (Vset 為 0. 9*Vref 時，根據公式 -1. ")*Cv = MV"" *(.71 AFr;"/ =(丨知2可以得知，AVout 為 I. 5V，是一個
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合理的電壓值)。也就是說，在步驟320中，將運算放大器的負輸入端電壓調整至0. 9*Vref,具體實現時，通過簡單的電阻分壓方式即可較準確地將運算放大器的負輸入端電壓調整至
0.9*Vref,實現簡單，方便易行。然后在步驟330中，根據電荷守恒原理(Vref-Vset)*Cs = A Vout*Ci,即可檢測出待檢測電容的電容值是否為預測的電容值100皮法。當然，本領域技術人員可以理解，如果待檢測電容較小，則可以適當將Vset值調低，使AVout始終在一個合理的范圍。也就是說，所需的基準值(接入運算放大器負輸入端的電壓)會根據待檢測電容的預測電容值的大小，實時調整。通過對接入運算放大器負輸入端的電壓的合理設置，從而有效控制電荷轉移數量，進而達到有效電容檢測的目的。
另外，需要說明的是，在實際應用中，還可以通過其他各種方式根據待檢測電容的預測電容值，得到所需的基準值(接入運算放大器負輸入端的電壓)。比如說，預先將待檢測電容所有可能的電容值劃分為N個區間，每個區間對應一個預先設置的基準值；在根據待檢測電容的預測電容值得到所需的基準值時，根據待檢測電容的預測電容值所屬于的區間，查找到該區間所對應的基準值，將查找到的基準值作為所需的基準值。當然，還可以有其他方式得到接入運算放大器負輸入端的電壓，在此不再一一贅述。不難發現，在本實施方式中，由于運算放大器的負輸入端電壓是可調的，因此即使是檢測容值從幾皮法到幾百皮法的電容，都可通過對運算放大器的負輸入端電壓的調整，將運算放大器的輸出端電壓控制在一個合理的范圍，從而使得該電容檢測方法可以檢測幾皮法到幾百皮法的電容，解決了由于待測電容容值隨具體產品變化范圍太大而無法對其進行有效檢測的矛盾。而且，與傳統檢測電路相比，不會額外增加檢測電路的面積，使電容檢測電路具有更強的適應性和通用性。本發明的第二實施方式涉及一種電容檢測電路。本實施方式包含積分電容、待檢測電容、運算放大器、信號處理芯片。如圖5所示，積分電容的一端與運算放大器的正輸入端相連，另一端與所述運算放大器的輸出端相連；與運算放大器的負輸入端相接的電壓為可調電壓Vset。待檢測電容的上端與運算放大器的正輸入端相連，該待檢測電容的下端接地。信號處理芯片與運算放大器的輸出端相連，根據運算放大器的輸出端電壓的變化，通過電荷守恒原理計算出待檢測電容的電容值并輸出。在本實施方式中，信號處理芯片與運算放大器的輸出端直接相連，信號處理芯片中包含模數轉換器，該模數轉換器將運算放大器的輸出端電壓進行模數轉換，得到該輸出端電壓的數字信號。信號處理芯片中包含數字處理器。該信號處理芯片在計算待檢測電容的電容值時，通過包含的數字處理器，根據以下公式計算出所述待檢測電容的電容值(Vref-Vset)*Cs= A Vout^Ci其中，所述A Vout為所述運算放大器的輸出端電壓，所述Vref為所述待檢測電容在采樣階段中被充至的參考電壓，所述Vset為所述運算放大器的負輸入端電壓，所述Cs為所述待檢測電容的電容值，所述Ci為所述積分電容的電容值。值得一提的是，與運算放大器的負輸入端相接的可調電壓Vset，根據所述待檢測電容的預測電容值的大小，實時調整。不難發現，本實施方式為應用在第一實施方式的電容檢測方法中的電容檢測電路，本實施方式可與第一實施方式互相配合實施。第一實施方式中提到的相關技術細節在本實施方式中依然有效，為了減少重復，這里不再贅述。相應地，本實施方式中提到的相關技術細節也可應用在第一實施方式中。
本發明第三實施方式涉及一種電容檢測電路。本實施方式與第二實施方式大致相同，主要區別之處在于在第二實施方式中，信號處理芯片與運算放大器的輸出端直接相連，信號處理芯片中包含模數轉換器，該模數轉換器將運算放大器的輸出端電壓進行模數轉換，得到該輸出端電壓的數字信號。而在本發明第三實施方式中，電容檢測電路還包含模數轉換器。信號處理芯片與運算放大器的輸出端之間，通過模數轉換器間接相連。如圖6所示，運算放大器的輸出端與模數轉換器的輸入端相連，模數轉換器將運算放大器的輸出端電壓轉換為數字信號后輸出給信號處理芯片。 本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本發明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種電容檢測方法，其特征在于，包含以下步驟 在電荷轉移階段中，將所述積分電容的一端與運算放大器的正輸入端相連，另一端與所述運算放大器的輸出端相連，將所述待檢測電容的上端與所述運算放大器的正輸入端相連，該待檢測電容的下端接地；將所述運算放大器的負輸入端電壓調整至所需的基準值，其中，所述所需的基準值根據所述待檢測電容的預測電容值得到； 在所述電荷轉移階段結束時，根據所述運算放大器的輸出端電壓的變化，通過電荷守恒原理計算出所述待檢測電容的電容值。
2.根據權利要求I所述的電容檢測方法，其特征在于，根據所述運算放大器的輸出端電壓的變化，通過電荷守恒原理計算出所述待檢測電容的電容值的步驟中，包含以下子步驟 對所述運算放大器的輸出端電壓進行模數轉換，得到該輸出端電壓的數字信號； 根據所述輸出端電壓的數字信號，計算出所述待檢測電容的電容值。
3.根據權利要求I所述的電容檢測方法，其特征在于，在所述通過電荷守恒原理計算出所述待檢測電容的電容值的步驟中，根據以下公式計算出所述待檢測電容的電容值(vref-Vset)*Cs= AVout*Ci 其中，所述△ Vout為所述運算放大器的輸出端電壓，所述Vref為所述待檢測電容在采樣階段中被充至的參考電壓，所述Vset為所述運算放大器的負輸入端電壓，所述Cs為所述待檢測電容的電容值，所述Ci為所述積分電容的電容值。
4.根據權利要求I所述的電容檢測方法，其特征在于，所述所需的基準值根據所述待檢測電容的預測電容值的大小，實時調整。
5.根據權利要求I所述的電容檢測方法，其特征在于，通過電阻分壓方式將所述運算放大器的負輸入端電壓調整至所需的基準值。
6.根據權利要求I至5中任一項所述的電容檢測方法，其特征在于，根據所述待檢測電容的預測電容值得到所述所需的基準值的步驟中，包含以下子步驟 根據所述待檢測電容的預測電容值和所述運算放大器的輸出端電壓允許的電壓范圍，通過電荷守恒原理計算出接入所述運算放大器的負輸入端的電壓允許范圍； 在所述計算出的接入所述運算放大器的負輸入端的電壓允許范圍中，選擇一個電壓，作為所述所需的基準值。
7.根據權利要求I至5中任一項所述的電容檢測方法，其特征在于， 預先將待檢測電容所有可能的電容值劃分為N個區間，每個區間對應一個預先設置的基準值； 在根據所述待檢測電容的預測電容值得到所述所需的基準值的步驟中，包含以下子步驟 根據所述待檢測電容的預測電容值所屬于的區間，查找到該區間所對應的基準值，將所述查找到的基準值作為所述所需的基準值。
8.一種電容檢測電路，其特征在于，包含積分電容、待檢測電容、運算放大器、信號處理-H-* I I心片； 所述積分電容的一端與所述運算放大器的正輸入端相連，另一端與所述運算放大器的輸出端相連；與所述運算放大器的負輸入端相接的電壓為可調電壓Vset ；所述待檢測電容的上端與所述運算放大器的正輸入端相連，該待檢測電容的下端接地； 所述信號處理芯片與所述運算放大器的輸出端相連，根據所述運算放大器的輸出端電壓的變化，通過電荷守恒原理計算出所述待檢測電容的電容值并輸出。
9.根據權利要求8所述的電容檢測電路，其特征在于，所述信號處理芯片與所述運算放大器的輸出端直接相連，所述信號處理芯片中包含模數轉換器，該模數轉換器將所述運算放大器的輸出端電壓進行模數轉換，得到該輸出端電壓的數字信號。
10.根據權利要求8所述的電容檢測電路，其特征在于，所述電容檢測電路還包含模數轉換器；所述信號處理芯片與所述運算放大器的輸出端之間，通過所述模數轉換器間接相連； 所述運算放大器的輸出端與所述模數轉換器的輸入端相連，所述模數轉換器將所述運 算放大器的輸出端電壓轉換為數字信號后輸出給所述信號處理芯片。
11.根據權利要求8至10中任一項所述的電容檢測電路，其特征在于，所述信號處理芯片中包含數字處理器； 所述信號處理芯片在計算所述待檢測電容的電容值時，通過包含的數字處理器，根據以下公式計算出所述待檢測電容的電容值(Vref-Vset)*Cs= AVout*Ci 其中，所述△ Vout為所述運算放大器的輸出端電壓，所述Vref為所述待檢測電容在采樣階段中被充至的參考電壓，所述Vset為所述運算放大器的負輸入端電壓，所述Cs為所述待檢測電容的電容值，所述Ci為所述積分電容的電容值。
12.根據權利要求8至10中任一項所述的電容檢測電路，其特征在于，所述與運算放大器的負輸入端相接的可調電壓Vset，根據所述待檢測電容的預測電容值的大小，實時調整。
全文摘要
本發明涉及電子領域，公開了一種電容檢測方法及電容檢測電路。本發明中，將運算放大器的負輸入端電壓調整至所需的基準值，可以在電荷轉移階段中將待檢測電容Cs上端的電壓限制在Vset，也就是采樣電容Cs上的電荷沒有完全轉移至積分電容Ci上。因此，同樣可以通過電荷守恒原理，根據所述運算放大器的輸出端電壓的變化，計算出所述待檢測電容的電容值。由于運算放大器的負輸入端電壓是可調的，因此即使是檢測容值從幾皮法到幾百皮法的電容，都可通過對運算放大器的負輸入端電壓的調整，將運算放大器的輸出端電壓控制在一個合理的范圍，從而使得該電容檢測方法可以檢測幾皮法到幾百皮法的電容。
文檔編號G01R27/26GK102749525SQ201210182949
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月5日 優先權日2012年6月5日
發明者張耀國, 方飛, 王廣, 謝循 申請人:泰凌微電子(上海)有限公司