專利名稱：采用電荷補償的自電容感測電路的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電子電路及感測技術領域，具體涉及一種自電容感測電路。
背景技術：
相對于傳統的機械(按鍵)操控方式，電容觸摸具有明顯的優點，如耐久性好、界面友好等，因而在各個領域尤其是人機交互領域有著越來越廣泛的應用。傳統的自電容感測方法，通常是利用張弛振蕩器原理或將電容值轉換為電壓值繼而利用模數轉換器(ADC)將其轉換成數字量。前者通過對被測電容不停的充放電來測量它的振蕩周期，當被測電容大小變化時，振蕩周期也會相應變化，因而可以此為根據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移效應，通過某種方法將電容大小轉化成相應的電壓，之后用8位(或更高精度)的模數轉換器(ADC)對該電壓值進行采樣將其量化，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電容運放和一個模數轉換器(ADC)。相比較而言，前者電路結構簡單，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，但是由于模塊復雜，尤其是需要一個專門的模數轉換器(ADC)，導致除芯片面積增大外，其動態功耗也較高。
實用新型內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)進行測量，并且具有成本低、結構簡單的特點。結合圖1所示，實現上述目的的技術方案如下:一種采用電荷補償的自電容感測電路，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，并根據電荷補償控制模塊的輸出產生反轉信號；及時間記錄模塊⑤，連接過零檢測模塊④的輸出，記錄所述反轉信號的時間周期。作為具體的技術方案，所述采樣控制電路①由初始化開關和采樣開關構成，通過閉合初始化開關將被測電容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。作為具體的技術方案，所述恒流補償模塊②由一恒流源和其控制開關組成，控制開關的開合用于控制利用該恒流源進行電荷補償的時間。作為具體的技術方案，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電容電路、或者是一個串接的電阻。作為具體的技術方案，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和復位開關構成；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和復位開關跨接第一運算放大器OPA的正輸入端-Vkefci ;復位開關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上的電荷轉移到積分電容Cint上，并導致第一運算放大器OPA的輸出偏離初始值Vkefci。作為具體的技術方案，所述過零檢測模塊④由一個第二運算放大器CMP構成，其第一端連接至基準電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的輸出進行過Vkefi點監測，當電荷補償控制模塊③的輸出跨過Veefi時，過零檢測模塊④的輸出反轉。作為具體的技術方案，所述時間記錄模塊⑤由數字計數器構成，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到過零檢測模塊④輸出反轉整個過程的時間。本實用新型提供的電路可用于自電容的感測，進而可用于觸摸按鍵、電容觸摸屏及接近感應等控制應用中。相比現有技術，本實用新型的有益效果在于:1、電路結構簡單，常規器件搭設便可以實現，設計巧妙但不復雜；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，加入濾波功能，實現抗干擾性提高；4、由于不需要模數轉換器(ADC)，因而大大降低了電路面積，節約了成本。
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電路。圖3為具體實現電路處于初始化階段的電路狀態。圖4為具體實現電路處于采樣階段的電路狀態。圖5為具體實現電路處于補償階段的電路狀態。
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電路。其中，采樣控制電路①由采樣開關SI及初始化開關S2構成；恒流補償模塊②由恒流源i0和控制開關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和復位開關S3組成；過零點檢測電路④由第二運算放大器CMP構成；補償時間記錄電路⑤由一簡單的計數器實現。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，即基準電壓VKEra。待初始化完成后進入采樣階段。如圖4所示，在采樣階段，斷開復位開關S3，閉合采樣開關SI。被測電容Cs上的電荷將會轉移注入到積分電容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，電路穩定后，轉移到積分電容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SI，恒流補償模塊②的控制開關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注入的電荷進行補償(補償的電荷極性與被測電容Cs注入電荷的極性相反)。隨著補償的進行，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的注入到積分電容CINT，當OPA的輸出電壓回歸到Vkefi時過零檢測模塊④的輸出反轉。開始補償時，時間記錄模塊⑤開始計時；隨著補償的進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致過零檢測模塊④的輸出反轉，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需要補償的電荷量為:Qc=Cint (Veefo-Veefi) +Cs (V1-Veefi);假定 Vkefq=Vkefi,則 Qc=Cs (V1-Veefi)，與 Cint 的大小無關。恒流源iO開始對 Cint注入符號相反的電荷以對被測電容Cs注入的電荷進行補償，需要經過的時間為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.電路結構簡單，常規器件搭設便可以實現，設計巧妙但不復雜；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.無類似模數轉換器(ADC)大面積和高耗電模塊，因而節約成本的同時具有功耗優勢。可以理解的是，對本實用新型所在領域的普通技術人員來說，可以根據本實用新型的技術方案及其構思進行相應的等價變換，未經創造性的等效替換都應當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域中使用外，也可以用于接近檢測等其它傳感器應用中。
權利要求1.一種采用電荷補償的自電容感測電路，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，并根據電荷補償控制模塊的輸出產生反轉信號；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信號的時間周期。
2.根據權利要求1所述的采用電荷補償的自電容感測電路，其特征在于，所述采樣控制電路由初始化開關和采樣開關構成，通過閉合初始化開關將被測電容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.根據權利要 求2所述的采用電荷補償的自電容感測電路，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組成，控制開關控制利用該恒流源進行電荷補償的時間。
4.根據權利要求3所述的采用電荷補償的自電容感測電路，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電容電路、或者是一個串接的電阻。
5.根據權利要求2或3所述的采用電荷補償的自電容感測電路，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和復位開關構成；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共同構成一個能將注入電荷轉化為電壓輸出的電路；復位開關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上的電荷轉移到積分電容Cint上,并導致第一運算放大器OPA的輸出偏離初始值Vkefci。
6.根據權利要求5所述的采用電荷補償的自電容感測電路，其特征在于:所述過零檢測模塊由一個第二運算放大器CMP構成，其第一端連接至基準電壓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行SVkefi點監測，當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。
7.根據權利要求6所述的采用電荷補償的自電容感測電路，其特征在于:所述時間記錄模塊由數字計數器構成，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到過零檢測模塊輸出反轉整個過程的時間。
專利摘要本實用新型公開一種采用電荷補償的自電容感測電路，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、電路結構簡單，常規器件搭設便可以實現，設計巧妙但不復雜；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，加入濾波功能，實現抗干擾性提高；4、由于不需要模數轉換器(ADC)，因而大大降低了電路面積，節約了成本。
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 優先權日2013年1月31日
發明者朱定飛, 朱家訓 申請人:珠海中慧微電子有限公司