CN103149450A - 采用电荷补偿的自电容感测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用电荷补偿的自电容感测电路及方法，感测电路包括：被测电容Cs、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。

Description

采用电荷补偿的自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，具体涉及一种自电容感测电路及方法。

背景技术

相对于传统的机械（按键）操控方式，电容触摸具有明显的优点，如耐久性好、界面友好等，因而在各个领域尤其是人机交互领域有着越来越广泛的应用。

传统的自电容感测方法，通常是利用张弛振荡器原理或将电容值转换为电压值继而利用模数转换器（ADC）将其转换成数字量。前者通过对被测电容不停的充放电来测量它的振荡周期，当被测电容大小变化时，振荡周期也会相应变化，因而可以此为根据来感测被测电容的变化；而后者通常通过被测电容的电荷转移效应，通过某种方法将电容大小转化成相应的电压，之后用8位（或更高精度）的模数转换器（ADC）对该电压值进行采样将其量化，从而可以通过量化值得变化来感测被测电容。

前者电路的核心通常是一个比较器和充放电电路；后者则通常包括一个开关电容运放和一个模数转换器（ADC）。相比较而言，前者电路结构简单，但是感测时间较长、抗干扰性较差；后者速度较快、抗干扰性较好，但是由于模块复杂，尤其是需要一个专门的模数转换器（ADC），导致除芯片面积增大外，其动态功耗也较高。

发明内容

本发明目的在于提供一种自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自电容感测电路，其特征在于，包括：

被测电容Cs，其第一端连接固定电位电压V0，第二端连接采样控制电路的输入；

采样控制电路①，其第一端连接被测电容的第二端，第二端连接固定电位电压V1，第三端连接电荷补偿控制模块；用于将被测电容Cs第二端初始化到固定电位V1，还用于将被测电容Cs上的电荷注入给电荷补偿控制模块；

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，对由被测电容Cs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③，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Cs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④，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⑤，连接过零检测模块④的输出，记录所述反转信号的时间周期。

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Cs的第二端连接并初始化到固定电位V1，通过闭合采样开关将使被测电容Cs的第二端连接电荷补偿控制模块③的输入并注入电荷。

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C_INT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，其积分电容C_INT和复位开关跨接第一运算放大器OPA的正输入端-V_REF0；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V_REF0，当被测电容Cs的第二端连接至电荷补偿控制模块③的输入时，被测电容Cs上的电荷转移到积分电容C_INT上，并导致第一运算放大器OPA的输出偏离初始值V_REF0。

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V_REF1，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V_REF1点监测，当电荷补偿控制模块③的输出跨过V_REF1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自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Cs第二端初始化到固定电位V1，同时电荷补偿控制模块③被初始化到工作零点；

采样阶段：控制被测电容Cs上的电荷通过采样控制电路①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Cs的大小及其变化。

本发明提供的方法及电路可用于自电容的感测，进而可用于触摸按键、电容触摸屏及接近感应等控制应用中。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。

附图说明

图1为本发明提供的自电容感测电路的的系统原理框图。

图2为实施例提供的自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的电路状态。

图4为具体实现电路处于采样阶段的电路状态。

图5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所示自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C_INT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。

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Cs的第二端被初始化到某固定电位V1，通过闭合开关S3第一运算放大器OPA的输入端和输出端初始化到工作零点，即基准电压V_REF0。待初始化完成后进入采样阶段。

如图4所示，在采样阶段，断开复位开关S3，闭合采样开关S1。被测电容Cs上的电荷将会转移注入到积分电容C_INT上。其中，S1闭合前Cs上携带电荷量：Q0=Cs*（V1-V0）；S1闭合后Cs上携带电荷将会共享注入到积分电容C_INT上，电路稳定后，转移到积分电容C_INT上的电荷量：δQ=(V1-VREF0）*Cs*C_INT/(Cs+C_INT)；将在第一运算放大器OPA的输出引起电压变化δV=δQ/C_INT=Cs(V1-VREF0)/(Cs+C_INT)。采样完成后进入电荷补偿阶段。

如图5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C_INT注入符号相反的电荷以对被测电容Cs注入的电荷进行补偿（补偿的电荷极性与被测电容Cs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V_REF0方向回归，被测电容Cs上的电荷也将会持续的注入到积分电容C_INT，当OPA的输出电压回归到V_REF1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Cs上的所有电荷将全部注入到积分电容C_INT上并被完全补偿。由于被测电容Cs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Cs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V_REF1需要补偿的电荷量为：

Qc=C_INT(V_REF0-V_REF1)+Cs(V1-V_REF1)；假定V_REF0=V_REF1，则Qc=Cs(V1-V_REF1)，与C_INT的大小无关。

恒流源i0开始对C_INT注入符号相反的电荷以对被测电容Cs注入的电荷进行补偿，需要经过的时间为t=Qc/i0=Cs(V1-V_REF1)/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Cs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Cs的变化。

上述实施例中，固定电位电压V0，V1可以相同，也可以不同；基准电位电压V_REF0，V_REF1可以相同，也可以不同。

以上实施例提供的自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C_INT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。

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自电容感测电路，其特征在于，包括：

被测电容Cs，其第一端连接固定电位电压V0，第二端连接采样控制电路的输入；

采样控制电路，其第一端连接被测电容的第二端，第二端连接固定电位电压V1，第三端连接电荷补偿控制模块；用于将被测电容Cs第二端初始化到固定电位V1，还用于将被测电容Cs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Cs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Cs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自电容感测电路，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Cs的第二端连接并初始化到固定电位V1，通过闭合采样开关将使被测电容Cs的第二端连接电荷补偿控制模块的输入并注入电荷。

3.根据权利要求2所述的采用电荷补偿的自电容感测电路，其特征在于：所述恒流补偿模块由一恒流源和恒流源控制开关组成，控制开关控制利用该恒流源进行电荷补偿的时间。

4.根据权利要求3所述的采用电荷补偿的自电容感测电路，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。

5.根据权利要求2或3所述的采用电荷补偿的自电容感测电路，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C_INT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C_INT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-输出端电压初始化至V_REF0，当被测电容Cs的第二端连接至电荷补偿控制模块的输入时，被测电容Cs上的电荷转移到积分电容C_INT上，并导致第一运算放大器OPA的输出偏离初始值V_REF0。

6.根据权利要求5所述的采用电荷补偿的自电容感测电路，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V_REF1，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V_REF1点监测，当电荷补偿控制模块的输出跨过V_REF1时，过零检测模块的输出反转。

7.根据权利要求6所述的采用电荷补偿的自电容感测电路，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。

8.一种基于权利要求1所述自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Cs第二端初始化到固定电位V1，同时电荷补偿控制模块被初始化到工作零点；

采样阶段：控制被测电容Cs上的电荷通过采样控制电路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Cs的大小及其变化。

9.一种基于权利要求7所述自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使得被测电容Cs的第二端被初始化到固定电位V1，通过闭合复位开关使得第一运算放大器OPA的输入端和输出端初始化到V_REF0；

采样阶段：断开复位开关、闭合采样开关，使得被测电容Cs上的电荷转移注入到积分电容C_INT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C_INT注入符号相反的电荷以对被测电容Cs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。

10.根据权利要求9所述的自电容感测方法，其特征在于：固定电位电压V0和V1设定为同一幅值；基准电位电压V_REF0，V_REF1设定为同一幅值。

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