CN102193032A - 一种具有高精度高稳定性的自电容变化测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度高稳定性的电容变化测量方法。系统中的滤波电容通过被测电容的开关电路放电，并通过一个耦合电容的开关电路充电，使得滤波电容上的电压在参考电压附近变化。由于不同的被测电容的开关电路产生的放电电流不同，使得滤波电容低于参考电压时间和高于参考电压时间发生改变，通过测量这个时间变化或者它们的比值变化可以检测到被测电容的变化。本电路利用误差互消除方法，使电压波动的影响和计量时钟的误差对测量结果没有影响，整个测量的结果仅和耦合电容的误差相关。由于芯片内建的耦合电容具有高度的稳定性和相对精度，因此本测量方法具有良好的测量精度和稳定性。

Description

一种具有高精度高稳定性的自电容变化测量电路

技术领域

本发明涉及一种具有高精度高稳定度的自电容测量电路及其实现方法。该方法可以用于触摸控制应用，例如触摸按键，电容式触摸屏，鼠标触摸板等。

背景技术

传统的电容式触摸感应按键的基本原理就是一个不断地充电和放电的张弛振荡器。如果没有触摸时候，张弛振荡器有一个固定的充电放电周期，频率是可以测量的。如果用手指或者触摸笔等接触被测物，将会增加电容器的介电常数，电容的充电放电周期就变长，频率就会相应减少。通过测量周期的变化，就可以侦测触摸动作。这种方法易受到电磁干扰，测量的精确度和稳定度差，容易产生误动作。

传统的检测方法的缺点是：1)电压模拟-数字转换器的输入信号从零开始变化，需要较长时间稳定，从而影响到每次检测所需要的时间；2)滤波电容不能任意加大，否则单斜率电压模拟-数字转换器会溢出，从而限制了抗干扰能力。3)由于实际应用中电容以及PCB的参数一致性难以保证，所以量产的控制调整困难4)容易受电源的电压波动，时钟源抖动等因素影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高抗干扰，高精度的高生产可靠性的电容变化检测方法，可广泛用于触摸控制等应用中。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一个滤波电容围绕参考电压Vref附近变化，通过被测电容和一对开关等效成一个放电电路对滤波电容放电，利用一个耦合电容和另外一对开关等效成一个充电电路对滤波电容充电，由一个比较器控制充放电过程，利用不同的被测电容将改变充放电时间的方法来检测电容的变化。

假设滤波电容(1)的电压在参考电平Vref附近，通过交替导通/断开接到被测电容(2)两端的开关(3)和开关(4)，可以在被测电容(2)上产生一个放电电流，这个电流是滤波电容对地的放电电流，其大小是：

Isc＝Fsc*Csc*Vref                    (公式1)

其中，Fsc是脉冲发生器A(7)施加到开关(3)和开关(4)上的开关频率，Csc是被测电容(2) 的电容值，Vref是比较器(10)的输入的参考电平。

同时通过一个耦合电容(9)，脉冲发生器B(8)施加到开关(5)和开关(6)上面，产生一个对滤波电容充电的耦合电流，这个电流的大小是：

Icc＝Fcc*Ccc*Vcc                                    (公式2)

其中，Fcc是脉冲发生器B(8)施加到耦合电容上的脉冲信号频率，Ccc是耦合电容的电容值，Vcc是脉冲发生器B(8)的脉冲电压，Vref是比较器(10)的输入的参考电平。

通过适当设置，并保证Icc＞Isc，这也是本测量方法的一个重要前提。

在开始检测阶段，导通开关(5)，开关(6)和开关(4)，对被测电容(2)和滤波电容(1)进行快速预充电，使Vin的初始电压建立在参考电压Vref上。然后通过交替导通开关(3)和开关(4)，此时，被测电容(2)、开关(3)和开关(4)可以等效为一个电阻，其阻值大小和开关的脉冲频率与被测电容(2)的电容值乘积的倒数相关。在这段时间内，滤波电容(1)对地进行放电，经过一定时间T1后，滤波电容(1)上的电压Vin会下降到Vref以下，并使得电压比较器(10)输出电平发生变化，产生一个使能信号启动脉冲发生器B(8)输出脉冲施加到耦合电容(9)上。在脉冲信号的上升沿，使开关(6)闭合，开关(5)断开，产生耦合电荷注入到滤波电容(1)上。而在脉冲信号的下降沿时，开关(6)断开，开关(5)闭合，从Vref上吸收电荷回到耦合电容(9)上。这个过程等效于产生一个耦合电流注入到滤波电容(1)上。由于这个耦合电流大于滤波电容(1)对地的放电电流，所以经过一段时间T2后滤波电容(1)上的电压会逐渐回升到Vref以上。此时，电压比较器(10)输出翻转，并关闭脉冲发生器B(8)，使之无法产生耦合电流。此时放电电流仍然持续进行，所以，再经过一段时间T1后，滤波电容(1)上的电压再次会下降到Vref以下，电压比较器(10)再次翻转，同时开启脉冲发生器B(8)。如此往复直到检测停止。

从以上描述我们可以看出电压比较器(10)最终会使得滤波电容(1)通过被测电容(2)的放电电荷和通过耦合电容(9)注入的耦合电荷达到平衡，即：

Isc*(T1+T2)＝Icc*T2                            (公式3)

令充放电系数

D＝T2/(T1+T2)                                  (公式4)

则

Isc＝Icc*D                                     (公式5)

由公式1，公式2，公式3，公式5可以得到

Isc＝Fsc*Csc*Vref＝Icc＝Fcc*Ccc*Vcc*D    (公式6)

可以得到，

Csc＝Ccc*D*(Fcc/Fsc)*(Vcc/Vref))         (公式7)

由公式7我们可以看到检测电容完全取决于内部耦合电容以及开关频率，而这些参数相对而言是非常容易控制的，我们可以让Fsc与Fcc都产生于同一个时钟源，这样可以消除频率偏差造成的误差。同时，Vcc和Vref使用同一个电压源，这样可以消除掉电压波动造成的误差。这样，整个系统的误差源就只取决于内部耦合电容(9)的电容误差。由于芯片内部的金属电容经过校准后具有非常好的电压和温度系数，因此这个方案具有很好的测量稳定度。

采用了上述方案，本发明具有以下特点：1)测量精度高，通过延长测量时间可以很轻易的提升测量精度。2)抗干扰能力强，利用滤波电容以减小外部瞬时噪声对测量结果的干扰，而且电路本身具有将噪声平均化的效果。3)电路简单，容易在集成电路上实现。只需要一个外部的滤波电容，其余全部可以集成在集成电路上，并且实现电路也非常简单，只需要基本的数字逻辑加一个比较器就可以实现。4)测量结果具有高度的稳定性，电源波动可以通过电路自身工作原理自动取消，前面我们描述过这种测量的误差源只有内部耦合电容，而集成电路工艺上的金属电容具有极高的温度(典型值为20～30ppm/C)以及电压稳定性(典型值为20～30ppm/v)，所以测量结果基本上不受环境的影响。5)量产控制非常容易，因为这种算法基本上和环境变量以及物料变量无关，所以它在量产上非常容易实现。

附图说明

图1检测电路的系统框图

图2检测电路在预充电阶段的等效电路图

图3检测电路在滤波电容放电阶段的等效电路图

图4检测电路在滤波电容充电阶段的等效电路图

图5检测电路的放大器输入电压波形

图6电容增加时引起的检测电路波形变化

图7一种改进的检测电路

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

图1是测量电路的基本系统电路图。本测量电路的一个测量周期可以分为四个步骤，分 别是：

1)滤波电容电容预充电阶段

在图1中，断开开关(3)，闭合开关(4)，(5)和开关(6)，对滤波电容(1)和被测电容(2)进行快速充电至参考电压Vref的电平。其等效电路如图2所示，比较器的信号输入端的电压波形变化如图5中所示的t0～t1阶段。这段时间可以由用户控制，基本原则是保证预充电充分。

2)滤波电容放电阶段

在图1中，由脉冲发生器A(7)产生的互补控制信号会控制开关(4)和开关(3)，同时比较器开始工作。在一定频率的脉冲输出驱动下，开关(3)，开关(4)交替导通，它们和被测电容(2)可以等效成一个放电电路，滤波电容对地放电，其电流大小可由公式1表示。通过调整脉冲发生器A(7)的开关频率，可以调整开关电流的大小，从而适应不同容值的被测电容。

其等效电路如图3，比较器的信号输入端的电压波形变化如图5中所示的t2～t3阶段。经过D1时间后，当滤波电容(2)的连续放电导致其上的电压小于Vref。

3)滤波电容充电阶段

当滤波电容(2)的电压小于Vref时，并引起比较器(10)翻转并启动脉冲发生器B(8)的输出，通过耦合电容(9)产生耦合电流注入到滤波电容(1)上。由于这个耦合电流大过滤波电容(1)通过被测电容(2)对地的放电电流，因此，滤波电容(1)上的电压逐渐升高，经过D2时间后滤波电容(1)上的电压会回升到Vref以上，这时电压比较器(10)会关闭脉冲发生器B(8)，使之无法产生耦合电流。

其等效电路如图4，比较器的信号输入端的电压波形变化如图5中所示的t3～t4阶段。

4)重复过程

为提高测量精度，可以重复步骤2和步骤3多次。利用计数器(11)和计数器(12)对重复过程中的每次滤波电容(1)的放电过程和充电过程的时间D1及D2分别进行累计，得到时间T1和T2。集成电路的时间计算都是使用时钟周期数来进行计算，所以公式4中的D＝T2/(T1+T2)实际上就是产生耦合充电电流的周期数对于总测量周期数的比例是多少。

由此可见如果测量持续的总周期数越多，测量的精度也就越高。

具体在做触摸检测时，由于外部电路存在一定的分布电容，这个分布电容是相对稳定的。 因此，在给定的脉冲发生器频率，耦合电容及滤波电容等条件下，滤波电容的充电阶段时间D1和放电阶段时间D2的时间是一定的。如果外部电路发生变化，例如有手指接触使得分布电容发生改变，此时外部电路的等效电容将增加，导致放电电流增加，具体对D1和D2的影响是，D1将缩短，D2将延长。参看图6。这样，充放电系数D＝T2/(T1+T2)将增加。通过在后接的处理器上做一定的数据处理，并设置合理的门限值，充放电系数D的瞬间数据变化大于门限值的时候，可以判断为外部物体的接触。

由于外部被测量电容的大小可能具有很大的变化范围，而本测量方法要求耦合充电电流大于开关放电电流，所以会存在一定的约束。图7提供了一种简单的改进电路，通过增加一个电流源(13)就可以解决这个约束。

本发明除了可以使用在触摸检测的应用中以外，也可以用于接近检测，液体位置检测等其它传感器的应用中。采用本方法应用于这些设计都在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种电容变化的检测方法，其工作方法的特征在于：利用一组开关电路和被测电容产生一个放电电路，对滤波电容持续放电。利用另外一组开关电路和一个耦合电容构成一个充电电路，对滤波电容进行间歇充电。当滤波电容上的电压小于参考电压时，开始对滤波电容充电。如果保证充电电流大于放电电流时，滤波电容电压将逐渐上升，而当滤波电容电压高于参考电压时停止对滤波电容的充电。此后由于滤波电容通过被测电容的开关电路的持续放电，电压将逐渐下降，重复之前的过程。通过测量一定时间长度内滤波电容上的电压高于和低于比较电压的时间长度，通过分析这个时间长度的变化或者它们的比值的变化，可以测量到被测电容的变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其测量步骤的特征在于：

1)对滤波电容进行预充电，使之初始电压建立在参考电压(Vref)上。

2)滤波电容通过被测电容的开关电路进行持续放电，使滤波电容电压逐渐降低到参考电压以下。

3)当滤波电容低于参考电压时，启动耦合电容开关电路，对滤波电容进行充电。并使充电电流大于放电电流，这样，滤波电容上的电压逐渐升高，当电压大于参考电压以后，停止充电过程。此后，可以重复步骤2)和步骤3)多次。

4)利用计数器测量一个或者多个充放电周期内滤波电容电压低于和高于参考电压的时间长度。观察充放电时间比的变化，或者单独观察充电或者放电时间变化，可以得知被测电容的变化。

3.根据权利要求1所述的方法，本发明的电路包括滤波电容、耦合电容及相应的开关电路、被测电容及其相应的开关电路、比较器和计时器。被测电容和一对由脉冲发生器控制的开关构成滤波电容的放电电路。耦合电容和另外一对由脉冲发生器控制的开关构成滤波电容充电电路。比较器对滤波电容上的电压和参考电压(Vref)进行比较，其输出控制充电过程的开启和关闭。并由计数器测量在一定时间内滤波电容高于和低于参考电压的时间。

4.根据权利要求3所述的电路，其电路包括一个滤波电容(1)，其特征是：

1)滤波电容(1)的电压是围绕着参考电压值附近变化

2)滤波电容(1)是通过被测电容(2)及相应的开关电路进行放电

3)滤波电容(1)是通过耦合电容(9)及相应的开关电路进行充电

4)滤波电容(1)的电压输入到比较器(10)，与参考电压(Vref)比较，输出用于控制耦合电容的充电过程。 

5.根据权利要求3所述的电路，其电路包括一个耦合电容(9)，其特征是：

1)耦合电容(9)的一端接到一个脉冲发生器B(8)的输出上，另外一端通过开关(6)接到滤波电容(1)的非接地端，或者通过开关(5)接到参考电压Vref上

2)耦合电容(9)用于对滤波电容(1)进行充电

3)通过控制开关(6)的开关频率及脉冲发生器B(8)的输出脉冲电压Vcc，可以控制通过耦合电容(9)对滤波电容的充电电流大小。

6.根据权利要求3所述的电路，其电路包括一个由被测电容(2)和相应的开关组成的放电电路，其特征在于：

1)被测电容(2)一端通过开关(4)接到滤波电容(1)的非接地端，通过开关(3)接到地

2)通过交替导通开关(3)和开关(4)可以对滤波电容(1)进行放电，放电电流大小由开关频率及滤波电容(1)的电压决定。

7.根据权利要求3所述的电路，其电路包括一个脉冲发生器A(7)，其特征在于：

1)其输出为两路互补的信号，分别驱动开关(3)和开关(4)

2)其脉冲频率可以调整，以控制滤波电容(1)的放电电流大小。

8.根据权利要求3所述的电路，其电路包括一个脉冲发生器B(8)，其特征在于：

1)其输出为两路互补的信号，分别驱动开关(5)和开关(6)

2)其脉冲频率可以调整，以控制滤波电容(1)的充电电流大小。

9.根据权利要求3所述的电路，其电路包括一个电压比较器(10)，其特征在于：

1)其输入一端为滤波电容的电压，另外一端接到参考电压Vref上；这些电压输入可以是直接接入或者是通过电阻、电压缓冲器等其它间接接入方法

2)其输出控制脉冲发生器B(8)的工作使能，当滤波电容电压低于Vref时，脉冲发生器B(8)可以工作

3)其输出同时也可以控制计数器(11)的计数，以记录对滤波电容(1)的充电时间。

10.根据权利要求3所述的电路，其电路包括一个计数器(11)，其特征在于：

1)计数器(11)用于记录测量周期内滤波电容(1)的充电时间

2)计数器(11)的工作使能由比较器(10)的输出控制。

11.根据权利要求3所述的电路，电路中包含一个参考电压Vref和脉冲发生器B(8)的输出电压Vcc，其特征在于： 

1)参考Vref和Vcc都来源于同一个电压源

2)电压源的波动同时会影响到Vref和Vcc，通过本测量方法，可消除电压源波动对测量造成的影响 。

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