CN103134996A - 采用电荷补偿的互电容感测电路及方法 - Google Patents

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本发明公开一种采用电荷补偿的互电容感测电路及方法，感测电路包括：被测电容Cm、驱动电路、采样控制电路、恒流补偿模块、电荷补偿控制模块、过零检测模块及时间记录模块；感测方法包括初始化阶段、采样阶段和电荷补偿阶段。本发明的有益效果在于：1.电路结构简单，常规器件搭设便可以实现，设计巧妙但不复杂；2.无需外部元件，降低了器件成本；3.电荷补偿控制模块可灵活实现，加入滤波功能，实现抗干扰性提高；4.由于不需要模数转换器（ADC），因而大大降低了电路面积，节约了成本，同时加快了互电容的转换速度。

Description

采用电荷补偿的互电容感测电路及方法
技术领域
本发明属于电子电路及感测技术领域，具体涉及一种互电容感测电路及方法。
背景技术
电容触摸技术，特别是互电容触摸技术由于其定位直接、准确，操控流畅、时尚等特点，在人机交互中得到越来越多的应用，以此为基础的ITO电容触摸屏更是成为智能手机、平板电脑等手持设备的标准输入配置。
传统的互电容感测方法，通过被测电容上的电荷转移并利用运算放大器得到一个与被测电容大小相关的电压值，之后用8位（或更高精度）的快速模数转换器（ADC）将其转换成数字量，再通过数字处理来达到互电容测量和触摸侦测的目的。其中的高精度快速模数转换器（ADC）往往被多个通道共享，以用来对多路电压值进行采样转换。
传统的互电容感测方法，其电路的核心包括一个开关电容运算放大器和一个高精度的快速模数转换器（ADC）。在该电路结构中，由于高精度快速模数转换器（ADC）的存在，除导致设计复杂、芯片面积较大、动态功耗较高外，模数转换器（ADC）的共享也往往成为快速互电容转换的瓶颈。
发明内容
本发明目的在于提供一种互电容感测的低功耗方案，用于对外部被测电容的大小（或变化）进行测量，并且具有成本低、结构简单的特点。结合图1所示，实现上述目的的技术方案如下：
一种采用电荷补偿的互电容感测电路，其特征在于，包括：
被测电容Cm，其第一端连接驱动电路⑥，第二端连接采样控制电路①的输入；
驱动电路⑥，在采样控制电路进行采样时，施加脉冲驱动信号Vin给被测电容Cm的第一端；
采样控制电路①，其第一端连接被测电容Cm的第二端，第二端连接基准电位电压VREF0，第三端连接电荷补偿控制模块③；用于将被测电容Cm第二端初始化到基准电位VREF0，还用于采样时将被测电容Cm上的电荷注入给电荷补偿控制模块③；
恒流补偿模块②，受控下以恒定速率提供补偿电荷给电荷补偿控制模块③，对由被测电容Cm注入电荷补偿控制模块③的电荷进行补偿；
电荷补偿控制模块③，初始化到工作零点后接收通过采样控制电路①注入的被测电容Cm上的电荷同时输出偏离零点，或者接收恒流补偿模块②提供的补偿电荷同时输出回归零点；
过零检测模块④，连接电荷补偿控制模块③的输出，并根据电荷补偿控制模块③的输出产生反转信号；及
时间记录模块⑤，连接过零检测模块④的输出，记录由恒流源开始补偿至所述反转信号的时间周期。
作为具体的技术方案，所述的驱动电路⑥为一个方波产生电路。
作为具体的技术方案，所述采样控制电路①由初始化开关和采样开关构成，通过闭合初始化开关将被测电容Cm的第二端连接并初始化到基准电位电压VREF0，通过闭合采样开关将使被测电容Cm的第二端连接电荷补偿控制模块③的输入并注入耦合电荷。
作为具体的技术方案，所述恒流补偿模块②由一恒流源和其控制开关组成，控制开关的开合用于控制利用该恒流源进行电荷补偿的时间。
作为具体的技术方案，所述恒流源是一个恒定电流源、或者是一个固定频率的开关电容电路、或者是一个串接的电阻。
作为具体的技术方案，所述的电荷补偿控制模块③由第一运算放大器OPA、积分电容CINT和复位开关构成；第一运算放大器OPA的输入端连接采样控制电路的输出，积分电容CINT和复位开关跨接第一运算放大器OPA的正输入端-VERF0；复位开关用于在采样补偿前将第一运算放大器OPA的输入端-输出端电压初始化至VREF0，当被测电容Cm的第二端连接至电荷补偿控制模块③的输入时，由驱动信号耦合的电荷将转移到积分电容CINT上，且第一运算放大器OPA的输出偏离初始值VREF0。
作为具体的技术方案，所述过零检测模块④由一个第二运算放大器CMP构成，其第一端连接至基准电压VREF1，第二端连接至电荷补偿控制模块③的输出，用于在电荷补偿阶段对电荷补偿控制模块③的输出进行过VREF1点监测，当电荷补偿控制模块③的输出跨过VREF1时，过零检测模块④的输出反转。
作为具体的技术方案，所述时间记录模块⑤由数字计数器构成，并以过零检测模块④的输出作为输入，用于记录从恒流源开始补偿到过零检测模块④输出反转整个过程的时间。
一种基于上述采用电荷补偿的互电容感测电路的感测方法，其特征在于，包括初始化阶段、采样阶段和电荷补偿阶段；
初始化阶段：通过采样控制电路①将被测电容Cm第二端初始化到基准电位VREF0，同时电荷补偿控制模块③被初始化到工作零点；
采样阶段：驱动电路⑥施加脉冲驱动信号Vin给被测电容Cm的第一端，在被测电容Cm的第二端耦合一定量的电荷，采样控制电路①控制被测电容Cm上的电荷注入到电荷补偿控制模块③，使得电荷补偿控制模块③的输出偏离零点；
电荷补偿阶段：控制恒流补偿模块②以恒定速率对注入到电荷补偿控制模块③的电荷进行补偿，使得电荷补偿控制模块③的输出回归零点，并触发过零检测模块④的输出反转，通过分析时间记录模块⑤所记录的反转信号的时间周期，得到被测电容Cm的大小及其变化。
本发明提供的方法及电路可用于互电容的感测，进而可用于电容触摸屏等控制应用中。相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1.电路结构简单，常规器件搭设便可以实现，设计巧妙但不复杂；
2.无需外部元件，降低了器件成本；
3.电荷补偿控制模块可灵活实现，加入滤波功能，实现抗干扰性提高；
4.由于不需要模数转换器（ADC），因而大大降低了电路面积，节约了成本，同时加快了互电容的转换速度。
附图说明
图1为本发明提供的互电容感测电路的的系统原理框图。
图2为实施例提供的互电容感测电路的具体实现电路。
图3为具体实现电路处于初始化阶段1的电路状态。
图4为具体实现电路处于初始化阶段2的电路状态。
图5为具体实现电路处于采样阶段的电路状态。
图6为具体实现电路处于补偿阶段的电路状态。
具体实施方式
如图2所示，本实施例给出了图1所示互电容感测电路的一种具体实现电路。其中，采样控制电路①由采样开关S1及初始化开关S2构成；恒流补偿模块②由恒流源i0和控制开关S4组成；补偿控制模块③由第一运算放大器OPA及积分电容CINT和复位开关S3组成；过零点检测电路④由第二运算放大器CMP构成；补偿时间记录电路⑤由一简单的计数器实现。驱动电路⑥为一个方波产生电路，用于在适当的时候在被测电容Cm的第一端产生一个驱动波形，以便感应一个与Cm大小成真比的电荷。
为方便说明，将整个测量阶段分为初始化阶段、采样阶段和电荷补偿阶段，如下详述：
如图3所示，在初始化阶段，通过闭合开关S2，被测电容Cm的第二端被初始化到参考电位VREF0，通过闭合开关S3第一运算放大器OPA的输入端和输出端被初始化到工作零点，即基准电压VREF0；如图4所示，待被测电容Cm的第二端电压基本稳定后，断开开关S2。待初始化完成后进入采样阶段。
如图5所示，在采样阶段，断开复位开关S3、闭合采样开关S1，此时在被测电容Cm的第一端施加一幅度为Vin的脉冲信号，该信号将在Cm的另一端耦合电荷。脉冲信号Vin在Cm上耦合的电荷量：Q0=Cm*Vin。被测电容Cm上的耦合电荷将会转移共享到积分电容CINT上。电路稳定后转移到积分电容CINT上电荷量：δQ=Q0*CINT/(Cm+CINT)。转移到积分电容CINT上的电荷将在第一运算放大器OPA的输入端引起电压变化δV=δQ/CINT=Cm*Vin/(Cm+CINT)。采样完成后进入电荷补偿阶段。
如图6所示，在电荷补偿阶段，断开采样开关S1、恒流补偿模块②的控制开关S4闭合，恒流源i0开始对积分电容CINT注入符号相反的电荷以对被测电容Cm注入的电荷进行补偿（补偿的电荷极性与被测电容Cm注入电荷的极性相反）。随着补偿的进行，第一运算放大器OPA的输出电压逐渐向VREF0方向回归，被测电容Cm上的电荷也将持续的注入到积分电容CINT，当OPA的输出电压回归到VREF1时过零检测模块④的输出反转。开始补偿时，时间记录模块⑤开始计时；随着补偿的进行电荷补偿控制模块③的输出将逐渐回归工作零点并将最终导致过零检测模块④的输出反转，时间记录模块⑤停止计时，此时Vin在Cm上耦合的所有电荷将全部注入到积分电容CINT上并被完全补偿。由于被测电容Cm注入的电荷量正比于其大小，因而通过记录电荷补偿时间的长短并对其分析，可以得到被测电容Cm的大小及其变化。
其中，使第一运算放大器OPA的输出回归到电压VREF1需要补偿的电荷量为：
Qc=(CINT+Cm)(VREF0-VREF1)+Cm*Vin；假定VREF0=VREF1，则Qc=Cm*Vin，与CINT的大小无关。
恒流源i0开始对CINT注入符号相反的电荷以对被测电容Cm注入的电荷进行补偿，需要经过的时间为t=Qc/i0=Cm*Vin/i0，t便为时间记录模块⑤所记录的补偿时间，可见在i0恒定的情况下，补偿时间t与被测电容Cm的大小成正比。因而补偿时间t的大小反映了被测电容的大小，补偿时间t的变化则反映了被测电容Cm的变化。
上述实施例中，基准电位电压VREF0，VREF1可以相同，也可以不同。
以上实施例提供的互电容感测电路及感测方法，具有以下特点：
1.电路结构简单，常规器件搭设便可以实现，设计巧妙但不复杂；
2.第一运算放大器OPA和积分电容CINT具有滤波特性，因而大大改善了抗干扰性；
3.无类似模数转换器（ADC）大面积和高耗电模块，因而节约成本的同时具有功耗优势；
4.没有了由于共享ADC而导致的转换瓶颈限制。
可以理解的是，对本发明所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等价变换，未经创造性的等效替换都应当属于本发明所揭露的范围。本发明除了可以在触控领域中使用外，也可以用于接近检测等其它传感器应用中。

Claims (10)

1.一种采用电荷补偿的互电容感测电路，其特征在于，包括：
被测电容Cm，其第一端连接驱动电路，第二端连接采样控制电路的输入；
驱动电路，在采样控制电路进行采样时，施加脉冲驱动信号Vin给被测电容Cm的第一端；
采样控制电路，其第一端连接被测电容Cm的第二端，第二端连接基准电位电压VREF0，第三端连接电荷补偿控制模块；用于将被测电容Cm第二端初始化到基准电位VREF0，还用于采样时将被测电容Cm上的电荷注入给电荷补偿控制模块；
恒流补偿模块，受控下以恒定速率提供补偿电荷给电荷补偿控制模块，对由被测电容Cm注入电荷补偿控制模块的电荷进行补偿；
电荷补偿控制模块，初始化到工作零点后接收通过采样控制电路注入的被测电容Cm上的电荷同时输出偏离零点，或者接收恒流补偿模块提供的补偿电荷同时输出回归零点；
过零检测模块，连接电荷补偿控制模块的输出，并根据电荷补偿控制模块的输出产生反转信号；及
时间记录模块，连接过零检测模块的输出，记录由恒流源开始补偿至所述反转信号的时间周期。
2.根据权利要求1所述的采用电荷补偿的互电容感测电路，其特征在于：所述的驱动电路为一个方波产生电路。
3.根据权利要求1所述的采用电荷补偿的互电容感测电路，其特征在于：所述采样控制电路由初始化开关和采样开关构成，通过闭合初始化开关将被测电容Cm的第二端连接并初始化到基准电位电压VREF0，通过闭合采样开关将使被测电容Cm的第二端连接电荷补偿控制模块的输入并注入耦合电荷。
4.根据权利要求3所述的采用电荷补偿的互电容感测电路，其特征在于：所述恒流补偿模块由一恒流源和其控制开关组成，控制开关的开合用于控制利用该恒流源进行电荷补偿的时间。
5.根据权利要求4所述的采用电荷补偿的互电容感测电路，其特征在于：所述恒流源是一个恒定电流源、或者是一个固定频率的开关电容电路、或者是一个串接的电阻。
6.根据权利要求3或4所述的采用电荷补偿的互电容感测电路，其特征在于：所述的电荷补偿控制模块由第一运算放大器OPA、积分电容CINT和复位开关构成；第一运算放大器OPA的输入端连接采样控制电路的输出，积分电容CINT和第一运算放大器OPA共同构成一个能将注入电荷转化为电压输出的电路；复位开关用于在采样补偿前将第一运算放大器OPA的输入端-输出端和积分电容CINT电压初始化至基准电压VREF0，当被测电容Cm的第二端连接至电荷补偿控制模块的输入时，当被测电容Cm的第二端连接至电荷补偿控制模块的输入时，由驱动信号耦合的电荷将转移到积分电容CINT上，且第一运算放大器OPA的输出偏离初始值VREF0。
7.根据权利要求6所述的采用电荷补偿的互电容感测电路，其特征在于：所述过零检测模块由一个第二运算放大器CMP构成，其第一端连接至基准电压VREF1，第二端连接至电荷补偿控制模块的输出，用于在电荷补偿阶段对电荷补偿控制模块的输出进行过VREF1点监测，当电荷补偿控制模块的输出跨过VREF1时，过零检测模块的输出反转。
8.根据权利要求7所述的采用电荷补偿的互电容感测电路，其特征在于：所述时间记录模块由数字计数器构成，并以过零检测模块的输出作为输入，用于记录从恒流源开始补偿到过零检测模块输出反转整个过程的时间。
9.一种基于权利要求1所述互电容感测电路的感测方法，其特征在于，包括初始化阶段、采样阶段和电荷补偿阶段；
初始化阶段：通过采样控制电路将被测电容Cm第二端初始化到基准电位VREF0，同时电荷补偿控制模块被初始化到工作零点；
采样阶段：驱动电路施加脉冲驱动信号Vin给被测电容Cm的第一端，在被测电容Cm的第二端耦合一定量的电荷，采样控制电路控制被测电容Cm上的电荷注入到电荷补偿控制模块，使得电荷补偿控制模块的输出偏离零点；
电荷补偿阶段：控制恒流补偿模块以恒定速率对注入到电荷补偿控制模块的电荷进行补偿，使得电荷补偿控制模块的输出回归零点，并触发过零检测模块的输出反转，通过分析时间记录模块所记录的反转信号的时间周期，得到被测电容Cm的大小及其变化。
10.一种基于权利要求8所述互电容感测电路的感测方法，其特征在于：包括初始化阶段、采样阶段和电荷补偿阶段；
初始化阶段：通过闭合初始化开关将被测电容Cm的第二端初始化到参考电位VREF0，通过闭合复位开关将第一运算放大器OPA的输入端和输出端初始化到VREF0；待被测电容Cm的第二端电压基本稳定后，断开初始化开关并闭合采样开关以消除采样开关两端电路之间的压差；
采样阶段：断开复位开关、闭合采样开关，并在被测电容Cm的第一端施加一幅度为Vin的脉冲信号，使得被测电容Cm上的耦合电荷转移注入到积分电容CINT上；
电荷补偿阶段：断开采样开关、闭合恒流源控制开关，恒流源开始对CINT注入符号相反的电荷以对被测电容Cm注入的电荷进行补偿；开始补偿时，时间记录模块开始计时，零检测模块的输出反转时，时间记录模块停止计时。
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