CN101943716A - 电容值测量电路与方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电容值测量电路与方法，该电容值测量电路包括：一储存电容；一开关电路，耦接至该储存电容、一参考电压与一电压源；一电压检测器，耦接至该储存电容，检测该储存电容的一电压；一开关控制器，耦接至该电压检测器与该开关电路，该开关控制器控制该开关电路；以及一电流源，耦接至该开关电路。该电容值测量方法包括：预充电一储存电容；对该待测电容与该储存电容进行一电荷转移；根据该储存电容的一电压与一参考电压间的关系，将该储存电容放电及充电；以及根据该储存电容的该电压，测量该待测电容的该电容值。

Description

电容值测量电路与方法

技术领域

本发明有关一种电容值测量电路与方法，其用以测量待测电容的电容值。

背景技术

目前，已发展出触控式开关来实现使用者控制界面，触控式开关例如是电容式开关等。使用者接触到触控式开关时，触控式开关会响应于使用者的控制指令而进行操作(开/关)。

为了提升使用上的便利性，已研发出触控面板(touch panel)或显示触控面板(同时具有显示与触控的功能)。触控面板或显示触控面板可接受使用者的输入、点选等操作。触控面板或显示触控面板可应用于各样电子装置当中，例如移动电话中。如此，可让使用者直接在触控面板或显示触控面板上点选画面来进行操作，藉此提供更为便捷且人性化的操作模式。

当使用者操作电容式触控面板、电容式显示触控面板、或电容式开关时，其内部的待测电容的电容值会随使用者操作而发生变化。依此，可检测到使用者的操作(比如，使用者是否按压开关)，或是使用者在的触控面板或显示触控面板上的触控位置。然而，如何设计出可有效地检测待测电容的电容值测量电路，以提升性能这为业界不断致力的方向之一。

当在测量待测电容的电容值时，会测量在储存电容(其电容值为已知)上的电压。图1A与图1B显示储存电容电压的曲线图。不同的待测电容会对应到不同的电压曲线图。

如图1A所示，在时间t测量不同待测电容(Cx1，Cx2，Cx3)所对应的储存电容电压(V_det1，V_det2，V_det3)。根据这些电压值，可以估算待测电容的相对电容值(可以再从相对电容值推出待测电容的绝对电容值)。

如图1B所示，测量储存电容电压V_det上升至预定电压值V_ref需要的时间t1，t2，t3。同样地，根据这些时间值，可以估算待测电容的相对电容值。

但是当待测电容具有电阻效应时(可视为待测电容串联电阻)，上述的曲线图会有不同的变化。图1C与图1D显示当待测电容具有电阻效应时的储存电容电压的曲线图。在待测电容具有电阻效应，需要更长的测量时间才会测量令人满意的储存电容电压值；或是储存电容电压到达预定电压值V_ref所需要的时间较长。如此将使得电容测量的速度变慢。

因此，本发明提出电容值测量电路与方法，即使是待测电容具有电阻效应，其亦能缩短测量时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容值测量电路与方法，其亦能缩短测量时间。

根据本发明一方面提出一种电容值测量方法，用于测量一待测电容的一电容值。该方法包括：预充电一储存电容；对该待测电容与该储存电容进行一电荷转移；根据该储存电容的一电压与一参考电压间的关系，将该储存电容放电及充电；以及根据该储存电容的该电压，测量该待测电容的该电容值。

根据本发明的另一方面提出一种电容值测量电路，用于测量一待测电容的一电容值。该电容值测量电路包括：一储存电容；一开关电路，耦接至该储存电容、一参考电压与一电压源；一电压检测器，耦接至该储存电容，检测该储存电容的一电压；一开关控制器，耦接至该电压检测器与该开关电路，该开关控制器控制该开关电路；以及一可控制定电流源，耦接至该开关电路。在该开关控制器的控制下，通过该开关电路，该参考电压耦合至该参考电压以预充电该储存电容；该待测电容耦合至该储存电容与电压源，以在该待测电容与该储存电容之间进行电荷转移；根据该储存电容的该电压与该参考电压间的关系，该可控制定电流源将该储存电容放电；以及根据该储存电容的该电压与该参考电压间的关系，通过电荷转移，该待测电容对该储存电容充电。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下面将配合附图对本发明的较佳实施例作详细说明，其中：

图1A与图1B显示储存电容电压的曲线图。

图1C与图1D显示当待测电容具有电阻效应时的储存电容电压的曲线图。

图2显示根据本发明第一实施例的电容值测量电路的方块图。

图3显示控制信号S1～S4的波形图。

图4显示适用于本实施例的另一种控制信号的波形图。

图5显示适用于本实施例的另一种控制信号的波形图。

图6显示适用于本实施例的另一种控制信号的波形图。

图7显示根据本发明第二实施例的电容值测量电路的方块图。

图8A至图8D显示根据本发明第二实施例的模拟数字转换器的转换方式，其输出结果反应待测电容的电容值。

图9显示根据本发明第三实施例的电容值测量电路的方块图。

图10显示根据本发明第三实施例的滤波放大器的滤波与放大，其输出结果反应待测电容的电容值。

图11显示本发明上述实施例应用于电容式开关的示意图。

图12显示本发明上述实施例应用于触控面板或显示触控面板的示意图。

【主要组件符号说明】

210：电压检测电路

220：开关控制器

SW1～SW4：开关

Cs：储存电容

PCS：可控制定电流源

Cx：待测电容

710：模拟数字转换器

910：滤波放大器

1110：金属极板

1210：导电膜

具体实施方式

第一实施例

图2显示根据本发明第一实施例的电容值测量电路的方块图。如图2所示，根据本发明实施例的电容值测量电路包括：电压检测电路(Voltage DetectionCircuit，VDC)210、开关控制器220、开关SW1～SW4、储存电容Cs与可控制定电流源(Programmable current source，PCS)。Cx代表待测电容。待测电容Cx不一定只有电容效应，其也可能含有电阻效应；即便如此，根据本实施例的电容值测量电路的测量时间也不会太长。

电压检测电路210检测在储存电容Cs上的电压V_det，并将所检测到的电压V_det传送给开关控制器220及后端电路。

开关控制器220产生控制信号S1～S4，其分别控制开关SW1～SW4。此外，开关控制器220会根据电压检测电路210所检测到的电压V_det来产生控制信号S4。

开关SW1与SW2用以在储存电容Cs与待测电容Cx之间进行电荷转移。开关S3用以将参考电压V_ref传导至储存电容Cs，特别是，当开关S3导通时，可以将储存电容Cs预充电至参考电压V_ref。开关S4用以形成储存电容Cs与可控制定电流源PCS之间的路径；特别是，当开关S4导通时，储存电容Cs会通过可控制定电流源PCS而放电；而当开关S4断路时，储存电容Cs上的电荷会因电荷转移而累积，使得储存电容Cs的电压升高。

现请参考图3，其显示控制信号S1～S4的波形图。在本实施例中，当控制信号为高电位时，其所控制的开关会导通；反之亦然。

在本发明实施例中，电容检测的步骤如下所述。请一并参考图2与图3。首先，在控制信号的S3控制下(S3为高电位)，开关SW3为导通，以将储存电容Cs预充电至参考电压V_ref的电平，此时其余开关SW1、SW2、SW4为断路。

接着，将开关SW3断路，并交替切换开关SW1与SW2的状态，以将待测电容Cx上的电荷转移至储存电容Cs。控制信号S1与S2的高电位时序不会重叠，且此电荷转移会不断的运行。在初始状态下，储存电容Cs上的电荷为0，利用开关SW1将待测电容Cx充电至电压Vs，在待测电容Cx内会储存电荷Q，其关系如下式(1)：

Q＝Cx×Vs..............(1)

接着，将开关SW1断路并导通开关SW2，可以将电荷Q转移至储存电容Cs上。等到电荷平衡后，将开关SW2断路，此时储存电容Cs上的电压V_det如式(2)。

$V_{\det }=\mathrm{Vs}\×\frac{\mathrm{Cx}}{\mathrm{Cx}+\mathrm{Cs}}............\left(2\right)$

重复开关SW1与SW2的导通/断路，储存电容Cs上的电压V_det会不断的累积，如式(3)所示。

$V_{\det }\left(N\right)=\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Cs}+\mathrm{Cx}}\×V_{\det }(N-1)+\frac{\mathrm{Cx}}{\mathrm{Cs}+\mathrm{Cx}}\×\mathrm{Vs}............\left(3\right)$

在上述(3)中，V_det(N)代表在开关SW1与SW2的导通/断路N次后的储存电容Cs上的电压V_det，N为正整数。

接着，当储存电容Cs上的电压V_det高于参考电压V_ref时，开关SW4会导通，此时储存在储存电容Cs上的电荷会通过可控制定电流源PCS的路径而放电。所以，储存电容Cs的电压V_det开始降低。

当储存电容Cs上的电压V_det低于参考电压V_ref时，开关SW4会断路。此时，由于待测电容Cx与储存电容Cs间的电荷转移仍然持续，储存电容Cs上的电荷会累积，使得储存电容Cs的电压升高。

电压检测电路210会将所检测到的电压V_det输出至后端电路以进行处理。

待测电压Cx的电容值会影响到控制信号S4的时序与电压Vdet的波形图。换句话说，可根据电压V_det的波形来决定待测电压Cx的电容值。

图4显示适用于本实施例的另一种控制信号的波形图。在图3中，只要储存电容Cs上的电压V_det高于参考电压V_ref时，开关SW4就会导通；只要储存电容Cs上的电压V_det低于参考电压V_ref时，开关SW4就会断路。然而，在图4中，只要储存电容Cs上的电压V_det高于参考电压V_ref时，开关SW4就会导通，而且开关SW4的导通时间是固定的。开关SW4的导通时间必需足够长，以使得储存电容Cs上的电压V_det放电至低于参考电压V_ref。经过了此固定导通时间后，开关SW4会被断路。另外，在图4中，S4(1)与V_det(1)分别代表在较小的待测电容值的控制信号S4与电压V_det的波形图；而S4(2)与V_det(2)分别代表在较大的待测电容值的控制信号S4与电压V_det的波形图。也就是说，在图4中，储存电容Cs的放电时间是固定的。

图5显示适用于本实施例的另一种控制信号的波形图。在图5中，当储存电容Cs上的电压V_det高于另一参考电压V_ref’时(V_ref’＞V_ref)，开关SW4才会导通，而且开关SW4的导通时间是固定的。开关SW4的导通时间必需足够长，以使得储存电容Cs上的电压V_det放电至低于参考电压V_ref。经过了此固定导通时间后，开关SW4会被断路。另外，在图5中，S4(1)与V_det(1)分别代表在较小的待测电容值的控制信号S4与电压V_det的波形图；而S4(2)与V_det(2)分别代表在较大的待测电容值的控制信号S4与电压V_det的波形图。也就是说，在图5中，储存电容Cs的放电时间也是固定的。

图6显示适用于本实施例的另一种控制信号的波形图。在图6中，当储存电容Cs上的电压V_det高于参考电压V_ref时，开关SW4会导通；而且开关SW4的导通时间必需足够长(在图6中，开关SW4的导通时间未必要固定)，以使得储存电容Cs上的电压V_det放电至低于参考电压V_ref。经过了此导通时间后，开关SW4会被断路，而且，开关SW4的断路时间是固定的。如上所述，当开关SW4断路时，储存电容Cs上的电压V_det会因为电荷转移而逐渐上升；因此，在图6中，可视为储存电容Cs的充电时间是固定的。另外，在图6中，S4(1)与V_det(1)分别代表在较小的待测电容值的控制信号S4与电压V_det的波形图；而S4(2)与V_det(2)分别代表在较大的待测电容值的控制信号S4与电压V_det的波形图。

第二实施例

图7显示根据本发明第二实施例的电容值测量电路的方块图。相较于第一实施例，第二实施例的电容值测量电路还包括模拟数字转换器(ADC)710，其用以将由VDC 210所输出的模拟信号(电压V_det)转换成数字的数据。图8A至图8D显示ADC 710的转换方式。

现请参考图8A。如上述，电压V_det的充电状态有关于待测电容C_X的电容值。若采用图4或图5的感测方式(亦即，控制信号S4的波形如图4或图5所示)。待测电容C_X的电容值愈小时，电压V_det的充电速度愈快，也代表了电压V_det与参考线(V_det＝V_ref)之间的交叉(cross over)点愈多(图中的C P1～CPN)。当ADC 710为累加器，定义一既定时间区间T，利用ADC 710来累加于此时间区间T内的电压V_det与参考线(V_det＝V_ref)之间的交叉点次数，此累加后的交叉点次数可以反应待测电容C_X的电容值的相对值。

现请参考图8B。若采用图6的感测方式(亦即，控制信号S4的波形如图6所示)。待测电容C_X的电容值愈大时，电压V_det的充电波形与参考线(V_det＝V_ref)所围出的面积会愈大。当ADC 710为积分器，利用ADC 710来积分于时间区间T内的面积(将图8B中的面积A11～A1N积分)，此积分后面积可以反应待测电容C_X的电容值的相对值。

现请参考图8C。若采用图6的感测方式(亦即，控制信号S4的波形如图6所示)。待测电容C_X的电容值愈大时，电压V_det的放电波形与参考线(V_det＝V_ref)所围出的面积会愈大。当ADC 710为积分器，利用ADC 710来积分于时间区间T内的面积(将图8C中的面积A21～A2N积分)，此积分后面积可以反应待测电容C_X的电容值的相对值。

现请参考图8D。若采用图6的感测方式(亦即，控制信号S4的波形如图6所示)。待测电容C_X的电容值愈大时，电压V_det的充放电波形与参考线(V_det＝V_ref)所围出的面积会愈大。当ADC 710为积分器，利用ADC 710来积分于时间区间T考电压，如此，可以缩短测量时间。

综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种等同的改变或替换。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求所界定的为准。

Claims (23)

1.一种电容值测量方法，用于测量一待测电容的一电容值，包括：

预充电一储存电容；

对该待测电容与该储存电容进行一电荷转移；

根据该储存电容的一电压与一参考电压间的关系，将该储存电容放电及充电；以及

根据该储存电容的该电压，测量该待测电容的该电容值。

2.根据权利要求1所述的电容值测量方法，其特征在于，预充电该储存电容的该步骤包括：

预充电该储存电容至该参考电压。

3.根据权利要求1所述的电容值测量方法，其特征在于，将该储存电容放电与充电的该步骤包括：

当该储存电容的该电压高于该参考电压时，将该储存电容放电；以及

当该储存电容的该电压低于该参考电压时，将该储存电容充电。

4.根据权利要求3所述的电容值测量方法，其特征在于，该储存电容的一放电时间为固定。

5.根据权利要求1所述的电容值测量方法，其特征在于，将该储存电容放电与充电的该步骤包括：

当该储存电容的该电压高于一另一参考电压时，将该储存电容放电，其中该另一参考电压高于该参考电压；以及

当该储存电容的该电压低于该参考电压时，将该储存电容充电；

其中，该储存电容的一放电时间为固定。

6.根据权利要求1所述的电容值测量方法，其特征在于，将该储存电容放电与充电的该步骤包括：

当该储存电容的该电压高于该参考电压时，将该储存电容放电；以及

当该储存电容的该电压低于该参考电压时，将该储存电容充电；

该储存电容的一充电时间为固定。

7.根据权利要求1所述的电容值测量方法，其特征在于，测量该待测电容的该电容值的该步骤包括：

累加在一既定时间区间内的该储存电容的该电压与一参考线之间的至少一交叉点的次数，以反应该待测电容的该电容值。

8.根据权利要求1所述的电容值测量方法，其特征在于，测量该待测电容的该电容值的该步骤包括：

积分在一既定时间区间内的该储存电容的该电压的一充电波形与一参考线所围出的一面积，以反应该待测电容的该电容值。

9.根据权利要求1所述的电容值测量方法，其特征在于，测量该待测电容的该电容值的该步骤包括：

积分在一既定时间区间内的该储存电容的该电压的一放电波形与一参考线所围出的一面积，以反应该待测电容的该电容值。

10.根据权利要求1所述的电容值测量方法，其特征在于，测量该待测电容的该电容值的该步骤包括：

积分在一既定时间区间内的该储存电容的该电压的一充放电波形与一参考线所围出的一面积，以反应该待测电容的该电容值。

11.根据权利要求1所述的电容值测量方法，其特征在于，测量该待测电容的该电容值的该步骤包括：

将该储存电容的该电压进行滤波与放大以得到一输出模拟波形，该输出模拟波形的一频率反应该待测电容的该电容值。

12.一种电容值测量电路，用于测量一待测电容的一电容值，包括：

一储存电容；

一开关电路，耦接至该储存电容、一参考电压与一电压源；

一电压检测器，耦接至该储存电容，检测该储存电容的一电压；

一开关控制器，耦接至该电压检测器与该开关电路，该开关控制器控制该开关电路；以及

一电流源，耦接至该开关电路；

其中，在该开关控制器的控制下，通过该开关电路，将该参考电压耦合至该储存电容以预充电该储存电容；

该待测电容耦合至该储存电容与该电压源，以在该待测电容与该储存电容之间进行电荷转移；

根据该储存电容的电压与该参考电压间的关系，决定该电流源将该储存电容放电；以及

根据该储存电容的电压与该参考电压间的关系，决定利用通过电荷转移，使该待测电容对该储存电容充电。

13.根据权利要求12所述的电容值测量电路，其特征在于，该开关电路包括：

一第一开关，选择性耦合该电压源至该待测电容；

一第二开关，选择性耦合该储存电容至该待测电容；

一第三开关，选择性耦合该参考电压至该储存电容；以及

一第四开关，选择性耦合该电流源至该储存电容。

14.根据权利要求13所述的电容值测量电路，其特征在于：

当该电压检测电路检测到该储存电容的该电压高于该参考电压时，该开关控制器导通该第四开关，以使得该电流源耦合该储存电容，将该储存电容放电；以及

当该电压检测电路检测到该储存电容的该电压低于该参考电压时，该开关控制器断路该第四开关，且该待测电容对该储存电容充电。

15.根据权利要求14所述的电容值测量电路，其特征在于，该开关控制器导通该第四开关，使得该储存电容的一放电时间为固定。

16.根据权利要求13所述的电容值测量电路，其特征在于：

当该电压检测电路检测到该储存电容的该电压高于一另一参考电压时，该开关控制器导通该第四开关，以使得该电流源耦合该储存电容，将该储存电容放电，其中，该另一参考电压高于该参考电压，且该储存电容的一放电时间为固定；以及

当该电压检测电路检测到该储存电容的该电压低于该参考电压时，该开关控制器断路该第四开关，且该待测电容对该储存电容充电。

17.根据权利要求13所述的电容值测量电路，其特征在于：

当该电压检测电路检测到该储存电容的该电压高于该参考电压时，该开关控制器导通该第四开关，以使得该电流源耦合至该储存电容，将该储存电容放电；以及

响应于该电压检测电路检测到该储存电容的该电压低于该参考电压时，该开关控制器断路该第四开关，且该待测电容对该储存电容充电，其中，该储存电容的一充电时间为固定。

18.根据权利要求12所述的电容值测量电路，其特征在于还包括：

一模拟数字转换器，耦接至该电压检测电路，以将该储存电容的该电压转换成一数字数据，该数字数据反应该待测电容的该电容值。

19.根据权利要求18所述的电容值测量电路，其特征在于，该模拟数字转换器累加在一既定时间区间内的该储存电容的该电压与一参考线之间的至少一交叉点的次数。

20.根据权利要求18所述的电容值测量电路，其特征在于，该模拟数字转换器积分在一既定时间区间内的该储存电容的该电压的一充电波形与一参考线所围出的一面积。

21.根据权利要求18所述的电容值测量电路，其特征在于，该模拟数字转换器积分在一既定时间区间内的该储存电容的该电压的一放电波形与一参考线所围出的一面积。

22.根据权利要求18所述的电容值测量电路，其特征在于，该模拟数字转换器积分在一既定时间区间内的该储存电容的该电压的一充放电波形与一参考线所围出的一面积。

23.根据权利要求12所述的电容值测量电路，其特征在于还包括：

一滤波放大器，耦接至该电压检测电路，以将该储存电容的该电压转换成一模拟数据，该模拟数据反应该待测电容的该电容值。

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