CN102749525B - 电容检测方法及电容检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子领域，公开了一种电容检测方法及电容检测电路。本发明中，将运算放大器的负输入端电压调整至所需的基准值，可以在电荷转移阶段中将待检测电容Cs上端的电压限制在Vset，也就是采样电容Cs上的电荷没有完全转移至积分电容Ci上。因此，同样可以通过电荷守恒原理，根据所述运算放大器的输出端电压的变化，计算出所述待检测电容的电容值。由于运算放大器的负输入端电压是可调的，因此即使是检测容值从几皮法到几百皮法的电容，都可通过对运算放大器的负输入端电压的调整，将运算放大器的输出端电压控制在一个合理的范围，从而使得该电容检测方法可以检测几皮法到几百皮法的电容。

Description

电容检测方法及电容检测电路

技术领域

本发明涉及电子领域，特别涉及电容触摸或电容按键中的电容检测。

背景技术

目前，电容触摸技术发展迅速并给人们生活带来了很大便利，该技术首先将触控检测区域划分为若干横竖相交的格点，再通过检测格点电容值的变化，得出的触摸点的位置信息。

电容触摸技术如果按照具体实现来分类，则包括电容按键，自感电容屏，互感电容屏，其中电容按键和自感电容屏中，其待测电容大小变换范围很大，一些小的触摸电路板中，自感电容容值只有几皮法，而在一些大的电容触摸屏，或者大的电容按键中，其自感电容容值可能达到上百皮法。

传统的检测方式的检测原理为：当积分开始时，在第一个阶段，如图1所示，积分电容Ci进行清零复位，待检测电容Cs则被充电至参考电压Vref，这个阶段可以称之为采样阶段。在第二个阶段，通过开关将CS上端与运算放大器A₀的正输入端相连，如图2所示。假设运算放大器理想，则在第二个阶段结束时，运算放大器输入端电压相等；此时，采样电容Cs两端电位均为零，即待检测电容Cs上的电荷全部转移至了积分电容Ci，此阶段称为电荷转移阶段或积分阶段。这两个阶段合起来称为一个电荷转移周期或者称为积分周期，在实际使用中，会根据需要进行反复的电荷转移，即实现积分，值得注意的是，积分电容的清零只有在积分开始的第一个积分周期发生。根据电荷守恒原理，可以得出每次电荷转移后，运放输出电压的变化为：

$\mathrm{Vref}*\mathrm{Cs}=\mathrm{\ΔVout}*\mathrm{Ci}\⇒\mathrm{\ΔVout}=\mathrm{Vref}\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Ci}}$

其中ΔVout为一次电荷转移引起运算放大器的输出电压的变化大小。该电压大小通过模数转换器检测送往数字电路处理，便可判断出待检测电容Cs的电容值。

然而，在实际应用中，为提高抗干扰能力，Vref尽可能取高，为方面描述，假定电容检测电路的电源为3.3V，Vref也为3.3V，这在常规应用中是很普遍的，假设待检测电容为100皮法，积分电容为20皮法，则每个转移周期引起的运算放大器的输出电压变化为16.5V，这严重超过了电源电压值3.3V。如果通过增大积分电容的方式去减少每次转移引起的输出电压变化，则需要100皮法以上的积分电容才能保证一次转移不会超出运算放大器的承受范围，然而，实现100皮法的电容在集成电路中需要很大的面积。即使是20皮法电容的面积也相当可观，而且如果通过增大积分电容的方式去解决输出电压变化太大的问题，则该电路应用于外部待检测电容Cs很小的情况时，每次转移引起运放输出电压的变化将会非常微小，这样会降低运放输出的信噪比。

由此可见，采用传统的电容检测技术，待检测电容值的范围将被限制在大约3皮法~30皮法的范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容检测方法及电容检测电路，以解决由于待检测电容的电容值随具体产品变化范围太大而无法对其进行有效检测的矛盾，而且不会额外增加检测电路的面积，使电容检测电路具有更强的适应性和通用性。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电容检测方法，包含以下步骤：

在电荷转移阶段中，将所述积分电容的一端与运算放大器的正输入端相连，另一端与所述运算放大器的输出端相连，将所述待检测电容的上端与所述运算放大器的正输入端相连，该待检测电容的下端接地；将所述运算放大器的负输入端电压调整至所需的基准值，其中，所述所需的基准值根据所述待检测电容的预测电容值得到；

在所述电荷转移阶段结束时，根据所述运算放大器的输出端电压的变化，通过电荷守恒原理计算出所述待检测电容的电容值。

本发明的实施方式还提供了一种电容检测电路，包含：积分电容、待检测电容、运算放大器、信号处理芯片；

所述积分电容的一端与所述运算放大器的正输入端相连，另一端与所述运算放大器的输出端相连；与所述运算放大器的负输入端相接的电压为可调电压Vset；

所述待检测电容的上端与所述运算放大器的正输入端相连，该待检测电容的下端接地；

所述信号处理芯片与所述运算放大器的输出端相连，根据所述运算放大器的输出端电压的变化，通过电荷守恒原理计算出所述待检测电容的电容值并输出。

本发明实施方式相对于现有技术而言，在电荷转移阶段中，运算放大器的负输入端将不再接地，而是可以调整的。通过将运算放大器的负输入端电压调整至所需的基准值，可以在电荷转移阶段中将待检测电容Cs上端的电压限制在Vset，也就是采样电容Cs上的电荷没有完全转移至积分电容Ci上。因此，同样可以通过电荷守恒原理，根据所述运算放大器的输出端电压的变化，计算出所述待检测电容的电容值。由于运算放大器的负输入端电压是可调的，因此即使是检测容值从几皮法到几百皮法的电容，都可通过对运算放大器的负输入端电压的调整，将运算放大器的输出端电压控制在一个合理的范围，从而使得该电容检测方法可以检测几皮法到几百皮法的电容，解决了由于待测电容容值随具体产品变化范围太大而无法对其进行有效检测的矛盾。而且，与传统检测电路相比，不会额外增加检测电路的面积，使电容检测电路具有更强的适应性和通用性。

进一步地，在通过电荷守恒原理计算出所述待检测电容的电容值的步骤中，对所述运算放大器的输出端电压进行模数转换，得到该输出端电压的数字信号；根据所述输出端电压的数字信号，计算出所述待检测电容的电容值。通过一个模数转换器即可将运算放大器的输出端电压转换为数字信号，进而根据该数字信号，计算出所述待检测电容的电容值，简单易行。

进一步地，在所述通过电荷守恒原理计算出所述待检测电容的电容值的步骤中，根据以下公式计算出所述待检测电容的电容值：

(Vref-Vset)*Cs=ΔVout*Ci

其中，所述ΔVout为所述运算放大器的输出端电压，所述Vref为所述待检测电容在采样阶段中被充至的参考电压，所述Vset为所述运算放大器的负输入端电压，所述Cs为所述待检测电容的电容值，所述Ci为所述积分电容的电容值。

进一步地，所述所需的基准值根据所述待检测电容的预测电容值的大小，实时调整。由于本实施方式的电容检测方法，可以检测几皮法到几百皮法的电容，因此可以根据待检测电容的预测电容值的大小，实时调整运算放大器的负输入端的电压，进一步有效保证了运算放大器的输出端电压在一个合理的范围内，进而达到有效电容检测的目的。

进一步地，通过电阻分压方式将所述运算放大器的负输入端电压调整至所需的基准值。实现简单，方便易行。

进一步地，根据所述待检测电容的预测电容值得到所述所需的基准值的步骤中，包含以下子步骤：

根据所述待检测电容的预测电容值和所述运算放大器的输出端电压允许的电压范围，通过电荷守恒原理计算出接入所述运算放大器的负输入端的电压允许范围；

在所述计算出的接入所述运算放大器的负输入端的电压允许范围中，选择一个电压，作为所述所需的基准值。或者，

预先将待检测电容所有可能的电容值划分为N个区间，每个区间对应一个预先设置的基准值；

在根据所述待检测电容的预测电容值得到所述所需的基准值的步骤中，包含以下子步骤：

根据所述待检测电容的预测电容值所属于的区间，查找到该区间所对应的基准值，将所述查找到的基准值作为所述所需的基准值。

由于可以通过多种方式对接入运算放大器的负输入端的电压进行合理设置，使得本发明的实施方式可灵活多变地实现。

附图说明

图1是根据现有技术中电容检测的采样阶段示意图；

图2是根据现有技术中电容检测的电荷转移阶段示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的电容检测方法流程图；

图4是根据本发明第一实施方式中的将运算放大器的负输入端电压调整至所需的基准值的示意图；

图5是根据本发明第二实施方式的电容检测电路示意图；

图6是根据本发明第三实施方式的电容检测电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种电容检测方法。具体流程如图3所示。

在步骤310中，对积分电容Ci进行复位，将待检测电容Cs充电至参考电压Vref，本步骤即为电容检测过程中的采样阶段，与现有技术相同，在此不再赘述。

接着，在步骤320中，在电荷转移阶段中，将积分电容的一端与运算放大器的正输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连，将待检测电容的上端与运算放大器的正输入端相连，该待检测电容的下端接地，将运算放大器的负输入端电压调整至所需的基准值，如图4所示。其中，所需的基准值根据待检测电容的预测电容值得到。

接着，在步骤330中，在电荷转移阶段结束时，根据运算放大器的输出端电压的变化，通过电荷守恒原理计算出所述待检测电容的电容值。

具体地说，本实施方式中，由于在第二个阶段（即电荷转移阶段）中，运算放大器的负端将不再接地，而是接在一个可调的电压Vset上，根据运放虚短的概念，在第二个阶段中Cs上端的电压会被限制在Vset，也就是待检测电容Cs上的电荷没有完全转移至积分电容Ci上，同样根据电荷转移理论，可得到如下表达式：

(Vref-Vset)*Cs=ΔVout*Ci

公式中，ΔVout为运算放大器的输出端电压，Vref为待检测电容在采样阶段中被充至的参考电压，Vset为运算放大器的负输入端电压，Cs为待检测电容的电容值，Ci为积分电容的电容值。

由于公式中的ΔVout、Vref、Vset、Ci均为已知数，因此根据该电荷守恒原理，即可计算出待检测电容的电容值。

值得一提的是，在通过电荷守恒原理计算待检测电容的电容值时，可以对运算放大器的输出端电压进行模数转换，得到该输出端电压的数字信号。然后根据该输出端电压的数字信号，计算出待检测电容的电容值。通过对运算放大器的输出端电压进行模数转换，可以方便地实现待检测电容的电容值的计算。

为方便理解，以下通过一个具体例子进行说明：

假设待测电容Cs为100皮法（即待测电容的预测电容值为100皮法），积分电容为20皮法，Vref为3.3V。根据待测电容的预测电容值可以得到运算放大器的负输入端电压需接入的电压（即所需的基准值）。比如说，根据待检测电容的预测电容值和运算放大器的输出端电压允许的电压范围（如0~3.3V），通过电荷守恒原理（(Vref-Vset)*Cs=ΔVout*Ci）计算出接入运算放大器的负输入端的电压允许范围（即Vset允许的范围）。然后在计算出的接入运算放大器的负输入端的电压允许范围中，选择一个电压，作为所需的基准值（即运算放大器的负输入端需调整到的电压值）。

针对上述案例，可以将运算放大器的负输入端电压调整至0.9*Vref，即Vset取为0.9*Vref（Vset为0.9*Vref时，根据公式 $(\mathrm{Vref}-\mathrm{Vset})*\mathrm{Cs}=\mathrm{\ΔVout}*\mathrm{Ci}\⇒\mathrm{\ΔVout}=(\mathrm{Vref}-\mathrm{Vset})\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Ci}}$ 可以得知，ΔVout为1.5V，是一个合理的电压值）。

也就是说，在步骤320中，将运算放大器的负输入端电压调整至0.9*Vref，具体实现时，通过简单的电阻分压方式即可较准确地将运算放大器的负输入端电压调整至0.9*Vref，实现简单，方便易行。

然后在步骤330中，根据电荷守恒原理(Vref-Vset)*Cs＝ΔVout*Ci，即可检测出待检测电容的电容值是否为预测的电容值100皮法。

当然，本领域技术人员可以理解，如果待检测电容较小，则可以适当将Vset值调低，使ΔVout始终在一个合理的范围。也就是说，所需的基准值（接入运算放大器负输入端的电压）会根据待检测电容的预测电容值的大小，实时调整。通过对接入运算放大器负输入端的电压的合理设置，从而有效控制电荷转移数量，进而达到有效电容检测的目的。

另外，需要说明的是，在实际应用中，还可以通过其他各种方式根据待检测电容的预测电容值，得到所需的基准值（接入运算放大器负输入端的电压）。比如说，预先将待检测电容所有可能的电容值划分为N个区间，每个区间对应一个预先设置的基准值；在根据待检测电容的预测电容值得到所需的基准值时，根据待检测电容的预测电容值所属于的区间，查找到该区间所对应的基准值，将查找到的基准值作为所需的基准值。当然，还可以有其他方式得到接入运算放大器负输入端的电压，在此不再一一赘述。

不难发现，在本实施方式中，由于运算放大器的负输入端电压是可调的，因此即使是检测容值从几皮法到几百皮法的电容，都可通过对运算放大器的负输入端电压的调整，将运算放大器的输出端电压控制在一个合理的范围，从而使得该电容检测方法可以检测几皮法到几百皮法的电容，解决了由于待测电容容值随具体产品变化范围太大而无法对其进行有效检测的矛盾。而且，与传统检测电路相比，不会额外增加检测电路的面积，使电容检测电路具有更强的适应性和通用性。

本发明的第二实施方式涉及一种电容检测电路。本实施方式包含积分电容、待检测电容、运算放大器、信号处理芯片。

如图5所示，积分电容的一端与运算放大器的正输入端相连，另一端与所述运算放大器的输出端相连；与运算放大器的负输入端相接的电压为可调电压Vset。待检测电容的上端与运算放大器的正输入端相连，该待检测电容的下端接地。信号处理芯片与运算放大器的输出端相连，根据运算放大器的输出端电压的变化，通过电荷守恒原理计算出待检测电容的电容值并输出。

在本实施方式中，信号处理芯片与运算放大器的输出端直接相连，信号处理芯片中包含模数转换器，该模数转换器将运算放大器的输出端电压进行模数转换，得到该输出端电压的数字信号。

信号处理芯片中包含数字处理器。该信号处理芯片在计算待检测电容的电容值时，通过包含的数字处理器，根据以下公式计算出所述待检测电容的电容值：

(Vref-Vset)*Cs=ΔVout*Ci

其中，所述ΔVout为所述运算放大器的输出端电压，所述Vref为所述待检测电容在采样阶段中被充至的参考电压，所述Vset为所述运算放大器的负输入端电压，所述Cs为所述待检测电容的电容值，所述Ci为所述积分电容的电容值。

值得一提的是，与运算放大器的负输入端相接的可调电压Vset，根据所述待检测电容的预测电容值的大小，实时调整。

不难发现，本实施方式为应用在第一实施方式的电容检测方法中的电容检测电路，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第三实施方式涉及一种电容检测电路。本实施方式与第二实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第二实施方式中，信号处理芯片与运算放大器的输出端直接相连，信号处理芯片中包含模数转换器，该模数转换器将运算放大器的输出端电压进行模数转换，得到该输出端电压的数字信号。而在本发明第三实施方式中，电容检测电路还包含模数转换器。信号处理芯片与运算放大器的输出端之间，通过模数转换器间接相连。如图6所示，运算放大器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器将运算放大器的输出端电压转换为数字信号后输出给信号处理芯片。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种电容检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

在电荷转移阶段中，将积分电容的一端与运算放大器的正输入端相连，另一端与所述运算放大器的输出端相连，将待检测电容的上端与所述运算放大器的正输入端相连，该待检测电容的下端接地；将所述运算放大器的负输入端电压调整至所需的基准值，其中，所述所需的基准值根据所述待检测电容的预测电容值得到；

在所述电荷转移阶段结束时，根据所述运算放大器的输出端电压的变化，通过电荷守恒原理计算出所述待检测电容的电容值；

所述所需的基准值根据所述待检测电容的预测电容值的大小，实时调整；

根据所述待检测电容的预测电容值得到所述所需的基准值的步骤中，包含以下子步骤：

根据所述待检测电容的预测电容值和所述运算放大器的输出端电压允许的电压范围，通过电荷守恒原理计算出接入所述运算放大器的负输入端的电压允许范围；

在所述计算出的接入所述运算放大器的负输入端的电压允许范围中，选择一个电压，作为所述所需的基准值；

预先将待检测电容所有可能的电容值划分为N个区间，每个区间对应一个预先设置的基准值；

在根据所述待检测电容的预测电容值得到所述所需的基准值的步骤中，包含以下子步骤：

根据所述待检测电容的预测电容值所属于的区间，查找到该区间所对应 的基准值，将所述查找到的基准值作为所述所需的基准值。

2.根据权利要求1所述的电容检测方法，其特征在于，根据所述运算放大器的输出端电压的变化，通过电荷守恒原理计算出所述待检测电容的电容值的步骤中，包含以下子步骤：

对所述运算放大器的输出端电压进行模数转换，得到该输出端电压的数字信号；

根据所述输出端电压的数字信号，计算出所述待检测电容的电容值。

3.根据权利要求1所述的电容检测方法，其特征在于，在所述通过电荷守恒原理计算出所述待检测电容的电容值的步骤中，根据以下公式计算出所述待检测电容的电容值：

(Vref-Vset)*Cs＝ΔVout*Ci

其中，所述ΔVout为所述运算放大器的输出端电压，所述Vref为所述待检测电容在采样阶段中被充至的参考电压，所述Vset为所述运算放大器的负输入端电压，所述Cs为所述待检测电容的电容值，所述Ci为所述积分电容的电容值。

4.根据权利要求1所述的电容检测方法，其特征在于，通过电阻分压方式将所述运算放大器的负输入端电压调整至所需的基准值。

5.一种采用如权利要求1所述的电容检测方法的电容检测电路，其特征在于，包含积分电容、待检测电容、运算放大器、信号处理芯片；

所述积分电容的一端与所述运算放大器的正输入端相连，另一端与所述运算放大器的输出端相连；与所述运算放大器的负输入端相接的电压为可调电压Vset；

所述待检测电容的上端与所述运算放大器的正输入端相连，该待检测电容的下端接地；

所述信号处理芯片与所述运算放大器的输出端相连，根据所述运算放大器的输出端电压的变化，通过电荷守恒原理计算出所述待检测电容的电容值并输出。

6.根据权利要求5所述的电容检测电路，其特征在于，所述信号处理芯片与所述运算放大器的输出端直接相连，所述信号处理芯片中包含模数转换器，该模数转换器将所述运算放大器的输出端电压进行模数转换，得到该输出端电压的数字信号。

7.根据权利要求5所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路还包含模数转换器；所述信号处理芯片与所述运算放大器的输出端之间，通过所述模数转换器间接相连；

所述运算放大器的输出端与所述模数转换器的输入端相连，所述模数转换器将所述运算放大器的输出端电压转换为数字信号后输出给所述信号处理芯片。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的电容检测电路，其特征在于，所述信号处理芯片中包含数字处理器；

所述信号处理芯片在计算所述待检测电容的电容值时，通过包含的数字处理器，根据以下公式计算出所述待检测电容的电容值：

(Vref-Vset)*Cs＝ΔVout*Ci

其中，所述ΔVout为所述运算放大器的输出端电压，所述Vref为所述待检测电容在采样阶段中被充至的参考电压，所述Vset为所述运算放大器的负输入端电压，所述Cs为所述待检测电容的电容值，所述Ci为所述积分电容的电容值。

9.根据权利要求5至7中任一项所述的电容检测电路，其特征在于，所述与运算放大器的负输入端相接的可调电压Vset，根据所述待检测电容的预测电容值的大小，实时调整。