CN101672876A - 电容量测电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种依一已知电容量测一未知对地电容或是电容值的变化量的方法与电路，可用来作为侦测人体或是物体靠近该金属导体平板所造成的电容效应，本发明电路至少由三个开关组件构成，其中一个开关组件控制对金属导体平板对地的电容充电到某一个电压，另外一个开关组件控制对参考电容放电，第三个开关组件控制金属导体平板所形成的对地电容，对一个参考电容充电。
Description
技术领域
本发明为一种量测电容的电容值或是电容值的变化量的方法与电路，尤其是有关于一种以电容积分电路量测电容的电容值或是电容值的变化量的方法与电路。
背景技术
美国专利6,466,036号中揭示一种如何利用电荷移转技术用来侦测或是量测待测电容的电容值变化的方法与电路。如图(一)所示，该技术透过将待测电容内的电荷移转到一个参考电容内，经过移转多次之后，参考电容内的电荷会逐渐升高，参考电容的电压也会跟着升高，藉由量测参考电容上的电压变化，因而计算待测电容的电容值变化。
该技术有一个缺点，就是每次由待测电容移转到参考电容电荷量都不相同，后一次比前一次移转较少的电荷，经过累计多次之后，最后几次移转的电荷相对第一次来说，已经少很多，参考电容的电压上升，越到后面变得上升越慢，因此造成量测待测电容的时间较久及精确度较差等衍生的问题。
因此，本案的发明人研究出一种量测电容的电容值或是电容值的变化量的方法与电路，尤其是有关于一种依一已知电容值及三个开关以电容积分电路量测一未知电容的电容值或是其的变化量的方法与电路，其可改善现有技术中的量测待测电容的时间较久及精确度较差的现状。
发明内容
本发明是关于一种量测电容的电容值或是电容值的变化量的方法与电路，其利用电容积分电路，进而达成高精确电容值或是电容值的变化量感测的目的。
该方法至少包括：(a)将该未知电容一端接地，另一端开路，同时，将该已知电容两端短路，并连接到一运算放大器的负输入端与输出端；其中，该运算放大器的正输入端连接到一第一参考电压；(b)将该已知电容两端开路，该运算放大器的负输入端连接到该已知电容的一端，该运算放大器的输出端连接到该已知电容的另一端；(c)将该未知电容另一端连接到一第二参考电压使该未知电容充电至一预定电压；(d)将该未知电容另一端开路；以及(e)将该未知电容另一端以一模拟开关导通的方式与该运算放大器的负输入端连接。
较佳的，该电路至少包括：一已知电容；一第一参考电压；一不同于该第一参考电压的第二参考电压；一第一开关，其一端耦接于该未知对地电容未接地的一端，控制对该未知对地电容充电到该第二参考电压；一第二开关，其一端耦接于该未知对地电容未接地的一端，控制对该已知电容充电；一第三开关，控制对该已知电容放电；一电容积分电路，包含该已知电容，运算放大器，第一参考电压及该第三开关，使用该第一参考电压量让第二开关两端有一个固定的电压差，提供一个固定电流对已知电容充电；一电压量测电路，用来量测运算放大器输出端电压，此电压一为参考电容其中一端的电压以及一信号处理及控制电路，用来控制该第一、第二、第三开关，并对电压量测电路的量测结果做处理，以测该未知待测电容的电容值或是电容值的变化量。
为进一步说明本发明的结构目的和功效，兹配合附图和实施例详细说明如后。
附图说明
图1A/1B为现有技术的示意图；
图2为用于本发明的实施例示意图；
图3为图2的等效电路图；以及
图4为本发明的多信道实施例示意图。
其中附图标记为：
201，201a，201b，202，202a，202b，203 开关
204 电压
206 运算放大器
205 运算放大器输出端
207，211，211a，211b 电容
208 电压量测电路
209 信号处理及控制电路
212 电压
213，213a，213b 导体平面
220 参考电容积分电路
具体实施方式
图2为本发明较佳实施例的电路图。
本发明电路的一开关201用来对待测电容211(如金属导体平板对地的电容)作初始化，该开关201导通时会初始化待测电容211的电位，将该待测电容211充电到一电压212，初始化完成时，把该开关201断开，让待测电容211两端的电压保持在该电压212。
本发明电路的一开关203用来对参考电容207作初始化，开关203导通时会初始化参考电容207，将参考电容207两端的电压放电到0伏特，初始化完成时，把开关203断开。
其中，本发明主要特性是利用一参考电容积分电路220，来量测待测电容211的电容值或是电容值的变化量。该待测电容可为一金属球状物或金属平板。电容积分电路220可以透过各种电路完成，本发明使用一个运算放大器206，一个参考电压204及一个参考电容207完成，参考电容207两端连接到运算放大器206的反向输入端及输出端。
当参考电容207充电完成时，一电压量测电路208用来量测运算放大器输出端的电压205，再经由一信号处理及控制电路209处理所量测的信号，以计算待测电容211的电容值或是电容值的变化量。该信号处理及控制电路其功能包含三个开关组件的控制，控制启动电压量测电路208，读取电压量测电路的结果，及处理量测待测电容211的计算。
较佳者，该电压量测电路208可为一模拟数字转换器或一比较器。该信号处理及控制电路209可由微控制器，微处理器，数字信号处理器，FPGA，或是集成电路中选择一种。
较佳者，本发明电路可以由集成电路制造的方式做在一颗集成电路内，亦可以由数个集成电路所构成。本发明电路亦可用来量测电容的电容值或是电容值的变化量，也可以量测其它组件含有电容的特性的电容值或是电容值的变化量，特别适合量测任何物体的对地的电容值，包含人体的各个部位，因接触或是靠近某个感应平面而产生电容值的变化量因此可运用为触碰式开关。而该触碰式开关可为多通道开关。
较佳者，本发明的待测电容211，可为一金属平板或是集成电路的一个或是一个以上的接脚所产生的电容，也可以是印刷电路板(PCB)上导线所形成的寄生电容，或是将导线制作成圆形或是其它形状所形成的电容，也可以是因人体或是其它物体接触或是靠近该印刷电路板(PCB)上导线或导线形成的平面213所产生的电容。
较佳者，该参考电压204，可以使用各种方式实现，可以在集成电路内由集成电路的电源产生，或是利用其它电阻、电容、晶体管等组件所实现产生。电压204的电压值可以是任意电压，但是不同于参考电压212。此参考电压204接在运算放大器206的正端输入，因运算放大器206操作在负反馈的缘故，运算放大器206的正端与运算放大器的负端为虚拟短路，所以运算放大器206的负端电压相等于参考电压204的电压。
图2的实施步骤如下，其中步骤a～e见于图三：
a.先将本实施例电路设定在一个初始化的状态，开关201及202断开，开关203导通，将积分电路上的参考电容207初始化，将参考电容207上两端的电压放电到0V；由图3可知电容211开路，参考电容207短路；
b.将开关203断开，由图3可知参考电容207开路；
c.将开关201导通，将待测电容211初始化，待测电容上211的电压充电到参考电压212；
d.将开关201断开，由图3可知电容211再次开路；
e.将开关202导通一个固定时间(Δt)后，再将开关202断开；
f.重复步骤c，d，e N次之后，到下一步骤g；
g.电压量测电路208量测205的电压值；以及
h.利用电压量测电路208的量测结果，以一信号处理及控制电路计算待测电容211的电容值或是电容值的变化量。
此实施例的说明如下：
一个金属圆型导体平面213及连接此金属圆型导体平面213到集成电路的接脚上所产生的寄生电容211，当人的手指靠近或是接近此金属圆型导体平面213时，会增加待测电容211的电容值。所以量测待测电容211的电容值增加的量，就可以判断出是否人的手指是否靠近或是接近此金属圆型导体平面213。
在执行完步骤a，b参考电容207两端的电压为0V；
执行完步骤c，d待测电容211对地的电压为固定的电压212；
执行完步骤e，参考电容207两端的电压会被充电到一个ΔV；
此ΔV＝I*Δt/Cs；
I为参考电压212，204相减，除以开关202导通时的电阻值。
Δt为开关202导通的时间；
Cs为参考电容207的电容值。
又因为待测电容211执行完步骤e所储存的电荷变化量为
ΔQcx＝Cx*ΔVcx＝I*Δt；
ΔQcx为待测电容211的电荷变化量；
Cx为待测电容211的电容值；
ΔVcx为Δt时间中，待测电容211上的电压变化；
所以
ΔV＝I*Δt/Cs＝Cx*ΔVcx/Cs。
执行完步骤f，参考电容207两端的电压会被充电到一个NΔV；
ΔVcs＝N*ΔV＝NI*Δt/Cs＝NCx*ΔVcx/Cs。--------(公式一)
ΔVcs为参考电容207两端的电压变化。
由(公式一)来看，参考电容207两端的电压会与Cx有关，所以当N，ΔVcx，Cs不变时，Cx改变，会改变参考电容207两端的电压差。
执行完步骤g，205的电压值会被量到，因参考电容207其中一端接到运算放大器206的负端，此电压因运算放大器206虚拟短路的关系，会与运算放大器206的正端相同，为参考电压204，参考电容207的另一端接到205，亦即为电压量测电路208所量到的电压。所以，参考电容207两端的电压差又等于参考电压204与电压量测电路208所量到的电压相减的值，所以
Vopout＝Vb-ΔVcs＝Vb-N*Cx*ΔVcx/Cs，
Vopout为205的电压值，
Vb为参考电压204，
执行完步骤h，经由电压量测电路208的量测结果，透过一直在监控205的电压值，可以侦测到Cx的变化，进而求得待测电容211的电容值或是电容值的变化量。
此特性有如下的优点：
1.因为电容积分电路220的参考电容207的电压是线性改变，所以只要控制N的大小，就可以很容易控制电容积分电路220的参考电容207的电压在一个范围内，电压量测电路208可以量到比较精确的电压值。
2.改变电容积分电路220的参考电容207的电容值大小，就可以改变ΔV大小，因为：
ΔV＝I Δt/Cs＝Cx ΔVcx/Cs，ΔV与Cs成反比，Cs愈小则ΔV愈大，ΔV愈大，则N就可以较小，则量测待测电容221的电容值的时间就可以缩短。
3.因为电容积分电路220的参考电容207的电压是线性改变，所以容易控制及处理，且分辨率也比较高。
同理，本发明的运作原理亦可运用于多通道的未知电容测量如图四所示，图四增加一组未知电容211a/b及开关201a/b及202a/b，当开关201a/b及202a/b被四个交错的频率所驱动则熟于该项技艺者可轻易依前述揭示内容测得未知电容211a/b的电容值或变化量在此不再赘述。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (23)
1.一种以一已知电容量测-未知对地电容的方法，其特征在于，至少包含：
(a)将该未知电容一端接地，另一端开路，同时，将该已知电容两端短路，并连接到一运算放大器的负输入端与输出端；其中，该运算放大器的正输入端连接到一第一参考电压；
(b)将该已知电容两端开路，该运算放大器的负输入端连接到该已知电容的一端，该运算放大器的输出端连接到该已知电容的另一端；
(c)将该未知电容另一端连接到一第二参考电压使该未知电容充电至一预定电压；
(d)将该未知电容另一端开路；以及
(e)将该未知电容另一端以一模拟开关导通的方式与该运算放大器的负输入端连接。
2.如权利要求1所述的量测一未知对地电容的方法，其特征在于，进一步包含：
(f)重复(c)、(d)、(e)一预定次数。
3.如权利要求2所述的量测一未知对地电容的方法，其特征在于，进一步包含：
(g)提供一电压量测电路输出该运算放大器的输出端的一数字电压值。
4.如权利要求3所述的量测一未知对地电容的方法，其特征在于，进一步包含：
(h)提供一信号处理电路，量测该数字电压值，以计算该未知电容的电容值。
5.如权利要求3所述的量测一未知对地电容的方法，其特征在于，进一步包含：
(i)提供一信号处理电路，量测该数字电压值，以计算该未知电容的电容变化值。
6.如权利要求4所述的量测一未知对地电容的方法，其特征在于，进一步包含：
(j)将该信号处理电路、该运算放大器、该电压量测电路整合于一单芯片上。
7.如权利要求5所述的量测一未知对地电容的方法，其特征在于，进一步包含：
(k)根据该未知电容的电容变化值判断是否有外物接近或接触该未知对地电容。
8.一种以一已知电容量测一未知对地电容的电路，其特征在于，最少包含：
一已知电容；
一第一参考电压；
一不同于该第一参考电压的第二参考电压；
一第一开关，其一端耦接于该未知对地电容未接地的一端，控制对该未知对地电容充电到该第二参考电压；
一第二开关，其一端耦接于该未知对地电容未接地的一端，控制对该已知电容充电；
一第三开关，控制对该已知电容放电；
一电容积分电路，包含该已知电容及该第三开关，使用该第一参考电压量测该未知待测电容的电容值或是电容值的变化量；
一电压量测电路，量测该运算放大器的输出端的一数字电压值；以及
一信号处理及控制电路，控制该第一、第二、第三开关，并对电容积分电路的输出做处理。
9.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该电容积分电路，进一步包含一运算放大器。
10.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该未知电容可为一金属导体平板。
11.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该第一、第二、第三开关，该电容积分电路，该信号处理及控制电路制作于一单芯片上。
12.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该电压量测电路为一模拟数字转换器。
13.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该电压量测电路为一比较器。
14.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该信号处理及控制电路由微控制器，微处理器，数字信号处理器，FPGA，或是集成电路中选择一种。
15.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该参考电压由集成电路的电源产生。
16.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该第二参考电压为集成电路的电源。
17.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该第二参考电压为集成电路的电源地。
18.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该电路可量测一未知对地电容的电容变化值。
19.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该电路可运用于触碰式开关。
20.如权利要求8所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该已知电容的电压为线性改变。
21.如权利要求9所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该已知电容经该第三开关连接到该运算放大器的负输入端与输出端且该第一参考电压连接到该运算放大器的正输入端。
22.如权利要求17所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该触碰式开关为多通道。
23.如权利要求19所述的量测一未知对地电容的电路，其特征在于，该第一参考电压连接到地。
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