CN101477152A

CN101477152A - 一种电容检测装置及方法

Info

Publication number: CN101477152A
Application number: CNA2008102407411A
Authority: CN
Inventors: 甄志芳; 李志谦
Original assignee: BEIJING SIGMA HEXIN MICRO-ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Tianjin Sigma Microelectric Technique Co ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-24
Also published as: CN101477152B

Abstract

本发明描述了一种电容检测装置及方法，该装置包括：一个比较器，用来进行电压比较从而控制被测电容的放电时间；一个积分电容，用来积分被测电容的放电电荷，产生与被测电容成一定关系的积分电压；一个模数转换器，用来将积分电压转换成相应的数字量。本发明的装置与方法可以实现较高精度高速的电容检测，并且可以用来识别阻容网络中的电容并进行检测，该特性可以解决电容式触摸应用中的过水问题。

Description

一种电容检测装置及方法

技术领域

本发明描述了一种电容检测装置及方法，属于电子技术领域，尤其涉及一种可以在遇水状态下检测电容值的装置与方法。

背景技术

近些年来，电容触摸感应技术被广泛应用于便携电子、消费电子、笔记本电脑等领域，触摸按键、全屏触摸、多指触控等诸多技术也在迅猛发展，然而在提高电容触摸抗水能力上，并没有一个较好的解决方案提出。

如图1所示，在电容触摸感应装置中，通常包括一定数量的电容感应点(110、111或112……)，每个电容感应点存在固有的寄生电容(Cp0、Cp1或Cp2……)。例如，当手指(或其他导体，12)靠近电容感应点112时，手指12和电容感应点112又产生新的感应电容C2。电容C2相当于并联到原来的寄生电容Cp2之上。电容触摸感应装置的实质就是引起电容感应点电容的变化，于是，通过检测电容C2的电容值，便可得到手指按键动作所需要的开关量。

如图2所示，遇水13后，相邻的两个电容感应点(111和112)由于水的存在而连接在一起，即相当于在感应点111和感应点112之间串联了一个电阻Rw。

如图3所示为遇水后，检测电容感应点111时的电路图。A点是对电容感应点111进行电容检测的检测点。通过检测电路对A点进行电容检测时，如果不能识别Rw对检测结果的影响，将不能解决遇水情况下对感应点111的电容检测。

发明内容

为了使电容式触摸装置在遇水状态下实现电容的有效测量，本发明提出了一种新的电容检测装置与方法。

一种电容检测装置，包括：电源、被测电容、第一开关、第二开关、逻辑与门、积分电容、比较器、以及模数转换器，其中：

所述电源连接至第一开关，用于通过第一开关实现对被测电容周期性的充电；

所述被测电容通过第二开关与积分电容连接；

所述比较器连接被测电容，用于比较被测电容上的电压与参考电压，输出比较信号；

所述逻辑与门输入端连接所述比较器输出信号以及时钟信号；

所述第二开关受所述逻辑与门的输出信号控制；

所述模数转换器连接积分电容，用于将积分电容的电压转换成相应的数字量。

一种利用上述装置进行电荷检测的方法，包括：

步骤1，被测电容被电源充电至电源电压；

步骤2，比较器比较被测电容上的电压与参考电压的大小，并输出比较值；

步骤3，根据所述比较器输出信号与第二周期性时钟信号的逻辑关系，第二开关实现断开与闭合；

步骤4，当第二开关闭合、第一开关断开时，被测电容向积分电容转移电荷；

步骤5，计算积分电容上的电压；

步骤6，根据积分电容上的电压计算被测电容的电容值。

本发明的装置和方法可以实现较高精度高速的电容检测，并且可以用来识别阻容网络中的电容并进行检测，该特性可以解决电容式触摸屏应用中的过水问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

以下结合附图介绍较佳实施例，对本发明提出的装置与方法加以详细说明。应该指出的是，附图的目的只是便于对本发明具体实施例的说明，不是一种多余的叙述或是对本发明范围的限制。

附图说明

图1为电荷触摸感应基本原理图。

图2为某电容感应点遇水后的电容触摸感应状态。

图3为遇水后检测电容感应点111时的等效电路图。

图4为本发明的电荷检测装置的电路原理图。

图5为利用图4装置进行电容检测的一组时序图。

图6为图4装置解决过水问题的电路原理图。

具体实施方式

图4为本发明的电容检测装置的电路原理图。被测电容CT通过第一开关S1连接到电源Vdd，比较器41的一个输入端接入参考电压Vref，另一端连接被测电容CT。比较器41的输出信号Vcom和一个时钟信号Vclk2通过逻辑与门42后输出信号Vs2。第二开关S2将被测电容CT和积分电容CL连接。第一开关S1受到一个时钟信号Vs1控制，第二开关S2受到信号Vs2的控制。比较器41将随时比较被测电容CT上的电压与参考电压的大小。

如图5所示为利用上述装置进行电容检测的一组时序图。

在第一时钟周期的T1相内，当Vs1为高电平时，S1闭合，电源对CT充电，其电压升高，当其电压高于参考电压Vref时，比较器41的输出信号Vcom为高电平。在此过程中，由于时钟信号Vclk2为低电平，所以逻辑与门42的输出信号Vs2为低电平，第二开关S2断开。

当T2相内，Vs1为低电平，S1断开。由于Vclk2是高电平，Vcom为高电平，所以Vs2为高电平，S2闭合，CT与CL连接，CT开始向CL充电，随着电荷的转移，CT上的电压连续降低，当CT上的电压降低到Vref时，比较器41的输出信号翻转为低电平，于是Vs2翻转为低电平，S2断开。

其中，跟随器43随时跟随CL上的电压，并对积分电压进行缓冲后，驱动后续装置中的电容。积分电压通过模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)44将电压值转换为数字量。

因此，在单周期内，积分电容CL上转移的电荷量为：

Q＝CT*(Vdd-Vref)

其中，Q为积分电容CL上转移的电荷量，CT为被测电容CT的电容值。

那么经过n个周期，积分电容CL上总的转移电荷量为：

Qt＝n*CT*(Vdd-Vref)

其中，Qt为积分电容电容CL上总的电荷转移量。

于是，CL上的积分电压Vcl为：

Vcl＝Qt/CL＝n*CT*(Vdd-Vref)/CL＝[n*(Vdd-Vref)/CL]*CT

因此，积分电容CL上的积分电压与被测电容CT上的电压是成正比的。

下面我们将结合图6、图3与图2来解释如何利用上述装置解决触摸感应中的过水问题。根据图2和图3以及在背景技术中的阐述，我们知道由于电荷触摸装置遇水，将会产生一个电阻Rw，同时相邻固有电容Cp1也将会对感应电容C2的检测产生一定影响。

我们将图3中的检测电路用图5所述装置进行替换得到图6所示的利用上述装置解决过水问题的电路原理图。感应电容C2和电阻Rw后与寄生电容Cp1并联，然后通过第一开关S1连接到电源Vdd，其中A节点为检测点。比较器41的一个输入端接入参考电压Vref，另一输入端连接检测点A。比较器41的输出信号Vcom和一个时钟信号Vclk2通过逻辑与门42后输出信号Vs2。第二开关S2将检测点A和积分电容CL连接。第一开关S1受到一个时钟信号Vs1控制，第二开关S2受到信号Vs2的控制。比较器41将随时比较被测电容CT上的电压与参考电压的大小。

在第一时钟周期的T1相内，当Vs1为高电平时，S1闭合，Cp1和C2被同时充电到相同点位Vdd，当其电压高于参考电压Vref时，比较器41的输出信号Vcom为高电平。在此过程中，由于时钟信号Vclk2为低电平，所以逻辑与门42的输出信号Vs2为低电平，第二开关S2断开。

在T2相内，Vs1为低电平，S1断开。由于Vclk2是高电平，Vcom为高电平，所以Vs2为高电平，S2闭合，寄生电容Cp1和C2同时开始向CL转移电荷，当放电至VA＝Vref时，比较器翻转，放电过程结束。电容Cp1和C2上瞬时电流分别为i1、i2，由此可得在单次电荷转移过程中，转移到CL上的电荷为：

Q＝Cp1*(Vdd-Vref)+C2*(Vdd-Vref-Rw*i2)

＝(Cp1+C2)*(Vdd-Vref)-C2*Rw*i2

由于电阻Rw的存在，使得转移到积分电容上的电荷产生了差别，存在电阻的网络转移的电荷会相对减少；因此积分电压也会偏低，从而能够有效识别电阻Rw的影响。

通过上面的分析，利用本装置来检测图3中所示阻容网络中的电容时，能够有效识别电阻Rw的影响，也就是说利用该特性可以解决电容式触摸屏应用中的过水问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但是它们不是本发明范围的局限。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所作出的若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种电容检测装置，包括：

电源、被测电容、第一开关、第二开关、逻辑与门、积分电容、比较器、以及模数转换器，其中：

所述被测电容通过第二开关与积分电容连接；

所述第二开关受所述逻辑与门的输出信号控制；

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一开关将电源和被测电容连接起来，并受第一周期性时钟信号控制，实现闭合与断开。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述比较器输出信号以及第二周期性时钟时钟信号连接至所述逻辑与门，所述逻辑与门的输出信号控制所述第二开关的断开与闭合，从而实现积分电容与被测电容的断开与连接。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二开关受比较器输出信号和第二周期性时钟信号的共同控制。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当第二开关闭合时，第一开关是断开的，此时，被测电容向积分电容转移电荷。

6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当第一开关闭合时，第二开关是断开的，此时，被测电容被充电至电源电压。

7、一种利用上述装置进行电荷检测的方法，包括：

步骤1，被测电容被电源充电至电源电压；

步骤5，计算积分电容上的电压；

步骤6，根据积分电容上的电压计算被测电容的电容值。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤1中，被测电容分别与第一开关和第二开关连接，第一开关受第一周期性时钟信号控制，当第一开关闭合并且第二开关断开时，被测电容被充电至电源电压。

9、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述比较器输出信号以及第二周期性时钟时钟信号连接至一个逻辑与门，所述逻辑与门的输出信号控制所述第二开关的断开与闭合。

10、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二开关受比较器输出信号和第二周期性时钟信号的共同控制。