CN107092407A

CN107092407A - 感应电容测量装置

Info

Publication number: CN107092407A
Application number: CN201710237201.7A
Authority: CN
Inventors: 李卓
Original assignee: Chipone Technology Beijing Co Ltd
Current assignee: Chipone Technology Beijing Co Ltd
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: CN107092407B

Abstract

公开了一种感应电容测量装置，用于检测电容感应识别系统的感应电容，包括：放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端；前端反馈电容，连接在放大器的第一输入端和输出端之间；第一开关，连接在放大器的第一输入端和输出端之间；第一脉冲信号，与放大器的第二输入端连接；补偿电路，与放大器的第一输入端连接，在第一开关处于断开状态时，给感应电容提供电荷；第一脉冲信号在控制周期内进行电平翻转时，第一开关从导通状态转换到断开状态。本发明提供的感应电容测量装置，通过在放大器的输入端设置一补偿电路对背景电容进行补偿，使放大器只量化/放大感应电容的变化量，极大的提高了系统的动态范围和信噪比。

Description

感应电容测量装置

技术领域

本发明涉及用于电容感应识别技术领域，更具体地，涉及一种感应电容测量装置。

背景技术

目前，电容感应识别系统广泛应用于投射电容式触摸屏、触摸板以及指纹识别等人机交互应用中，其原理是通过感应电容测量装置将电容值转化为电信号量(电压、电流等)。对于触摸屏应用来说，手指按压会引起相应位置感应电容的大小发生变化，感应电容测量装置输出的电信号大小也相应地与无触摸时不同，从而判断是否发生触摸及其位置信息。对于电容式指纹识别传感器来说，指纹谷和脊与传感器形成的电容大小不同，感应电容测量装置检测到的电信号输出也不相同。

电容感应识别系统在无触摸时会存在一个固有电容，本发明中称为“背景电容”。发生触摸后，感应电容的电容值会在固有电容的基础上发生相应的变化。从以上原理可以看出，电容感应识别系统的有效动态范围为检测电容的变化量。触摸屏系统为触摸前后电容的差值，而指纹识别系统为指纹谷和脊电容的差值。提高感应电容测量装置的增益可以增大系统的有效动态范围。

在某些应用下，感应电容测量装置会先后检测不同状态下的电容值，即分别检测背景电容和触摸发生后引入的感应电容，并且通过后续处理电路或者软件进行差值处理。

在另一些应用下，感应电容测量装置会同时检测不同条件下的电容值，即同时检测背景电容和触摸发生后引入的感应电容。

图1示出了根据现有技术的感应电容测量装置100的结构示意图。如图1所示，所述感应电容测量装置100包括放大器11、前端反馈电容 Cf、第一开关S1以及第一脉冲信号V_DRV。所述放大器11包括第一输入端、第二输入端以及输出端。电容感应识别系统的感应电容Cs与所述放大器11的第一输入端相连；第一脉冲信号与所述放大器11的第二输入端相连。前端反馈电容Cf和第一开关S1并联连接在所述放大器11 的第一输入端与输出端之间。假设背景电容为C_b，需要检测的电容变化量为C_Δ，A为感应电容测量装置的转换增益，感应电容测量装置将电容转换为电压的转换关系可以简单表示为：

V_out＝A*(C_b+C_Δ)

V_OUT＝A*(C_b+C_Δ)

由于感应电容测量装置输出幅值受限，VOUT<＝V_{h_limit},因此感应电容测量装置的转换增益的最大值A_max为：

可以看到，由于存在“背景电容”，感应电容测量装置并不能直接放大检测电容的变化量，如果仅仅增加感应电容测量装置的增益，会使感应电容测量装置饱和。在检测电容的变化量相对于电容的绝对值很小的时候，这通常会使得系统有效动态范围变小，感应电容测量装置无法有效地通过增大增益来提高系统的输入信号量。

发明内容

为此，本发明的实施例提供了一种感应电容测量装置，以提高电容感应识别系统的动态范围和信噪比。

根据本发明的一方面，提供了一种感应电容测量装置，用于检测电容感应识别系统的感应电容，包括：放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端；前端反馈电容，连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间；第一开关，连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间；第一脉冲信号，与所述放大器的第二输入端连接；补偿电路，与所述放大器的第一输入端连接，在所述第一开关处于断开状态时，给所述感应电容提供电荷。

优选地，所述第一脉冲信号的控制周期包括第一时间周期和第二时间周期；所述第一脉冲信号在控制周期内进行电平翻转时，所述第一开关从导通状态转换到断开状态；所述第一脉冲信号在第一时间周期以及第二时间周期结束时，所述第一开关从断开状态转换到导通状态。

优选地，所述补偿电路包括第二开关、第三开关、第四开关、补偿电容以及第二脉冲信号；所述第二脉冲信号经由串联连接的所述第二开关和所述补偿电容提供给所述放大器的第一输入端；第一电压经由第三开关提供给所述第二开关和所述补偿电容的公共点；

所述第四开关连接在在所述第二开关和所述补偿电容之间的公共点与接地端之间，所述第二脉冲信号与所述第一脉冲信号同步。

优选地，所述第一开关处于导通状态时，所述第二开关处于关断状态；所述第一开关处于关断状态时，所述第二开关处于导通状态。

优选地，所述第一脉冲信号在控制周期内从低电平翻转到高电平时，所述第三开关从导通状态转换到断开状态，在控制周期结束时，所述第三开关从断开状态转换成导通状态。

优选地，所述第三开关处于导通状态时，所述第四开关处于关断状态；所述第三开关处于关断状态时，所述第四开关处于导通状态。

优选地，所述感应电容测量装置还包括：补偿校准模块，用于根据所述放大器的输出端的信号对所述补偿电路的第二脉冲信号或补偿电容进行调整以调整补偿电路的补偿量。

优选地，所述补偿校准模块包括：模拟数字转换器，连接到所述放大器的输出端；以及数字控制单元，连接在模拟数字转换器与所述补偿电路之间，用于经由模拟数字转换器从放大器的输出端接收输出电压，根据背景电容的大小来调整第二脉冲信号或补偿电容以调整补偿电路的补偿量。

优选地，所述补偿电路的补偿量是在背景电容量化阶段进行的。

优选地，所述电容感应识别系统用于指纹识别装置，在所述背景电容量化阶段将指纹谷或指纹脊与指纹识别装置的触摸表面之间的电容量化为背景电容。

优选地，所述电容感应识别系统用于触摸屏，在所述背景电容量化阶段将触摸屏的触摸表面在未被触摸时的耦合电容量化为背景电容。

优选地，所述第一输入端为负输入端，所述第二输入端为正输入端。

优选地，所述第一输入端为正输入端，所述第二输入端为负输入端。

本发明提供的感应电容测量装置，用于检测电容感应识别系统的感应电容，通过在放大器的输入端设置一补偿电路对背景电容进行补偿，使放大器只量化/放大感应电容的变化量，极大的提高了系统的动态范围和信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1示出了根据现有技术的感应电容测量装置的结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例提供的感应电容测量装置的结构示意图。

图3示出了根据本发明实施例提供的感应电容测量装置的信号时序图。

图4示出了根据本发明另一实施例提供的感应电容测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2示出了根据本发明实施例提供的感应电容测量装置的结构示意图。图3示出了根据本发明实施例提供的感应电容测量装置的信号时序图。如图2和图3所示，所述感应电容测量装置200包括放大器21、前端反馈电容Cf、第一开关S1、第一脉冲信号V_DRV以及补偿电路22。

其中，所述放大器21包括第一输入端、第二输入端以及输出端。例如，放大器21可以为普通的差分放大器，其第一输入端可以为负输入端，第二输入端可以为正输入端，反之亦可。

电容感应识别系统的感应电容Cs与所述放大器21的第一输入端相连；第一脉冲信号V_DRV与所述放大器21的第二输入端相连。前端反馈电容Cf和第一开关S1并联连接在所述放大器21的第一输入端与输出端之间。感应电容Cs可以是触摸面板上的感应电容，触摸会导致感应电容Cs发生变化。第一脉冲信号V_DRV在整个控制周期Tctrl内都能重复利用系统电压的满量程。

补偿电路22与所述放大器21的第一输入端连接，在所述第一开关 S1处于断开状态时，给所述感应电容Cs提供电荷。

在本实施例中，所述第一脉冲信号V_DRV的控制周期Tctrl包括第一时间周期Ts1(即T0～T2时间段)和第二时间周期Ts2(即T2～T4时间段)。所述第一脉冲信号V_DRV在控制周期Tctrl内进行电平翻转时，所述第一开关S1从导通状态转换到断开状态。所述第一脉冲信号V_DRV在第一时间周期Ts1以及第二时间周期Ts2结束时，所述第一开关S1从断开状态转换到导通状态。

具体地，在T1时刻，第一脉冲信号V_DRV从低电平翻转到高电平，此时，第一开关S1从导通状态转换到断开状态。

在T2时刻，即第一时间周期Ts1结束时，第一开关S1从断开状态转换到导通状态。

在T3时刻，第一脉冲信号V_DRV从高电平翻转到低电平，此时，第一开关S1从导通状态转换到断开状态。

在T4时刻，即第二时间周期Ts2结束时，第一开关S1从断开状态转换到导通状态。

在本实施例中，所述补偿电路22包括第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、补偿电容C_B以及第二脉冲信号V_CB；所述第二脉冲信号 V_CB经由串联连接的所述第二开关S2和所述补偿电容C_B提供给所述放大器21的第一输入端；第一电压V_DDA经由所述第三开关S3提供给所述第二开关S2和所述补偿电容C_B之间的公共点m；所述第四开关S4 连接在在所述第二开关S2和所述补偿电容C_B之间的公共点m与接地端 GND之间，所述第二脉冲信号V_CB与所述第一脉冲信号V_DRV同步。所述第二脉冲信号V_CB与所述第一脉冲信号V_DRV的幅度相同或不同。

在本实施例中，所述第一开关S1处于导通状态时，所述第二开关 S2处于关断状态；所述第一开关S1处于关断状态时，所述第二开关S2 处于导通状态。

其中，所述第一脉冲信号V_DRV在控制周期Tctrl内从低电平翻转到高电平时，所述第三开关S3从导通状态转换到断开状态，在控制周期 Tctrl结束时，所述第三开关S3从断开状态转换成导通状态。

所述第三开关S3处于导通状态时，所述第四开关S4处于关断状态；所述第三开关S3处于关断状态时，所述第四开关S4处于导通状态。

该感应电容测量装置在第一脉冲信号V_DRV的上升沿(T1时刻)和下降沿(T3时刻)进行检测，通过后续处理对上升沿/下降沿(T1时刻/T3时刻)的检测结果做差分处理，从而能够对系统的共模噪声或低频噪声有效地抑制。

参照图2和图3说明本发明实施例的工作原理。

具体而言，首先假设第一脉冲信号V_DRV＝V_MID±ΔV，其中，V_MID＝V_DDA/2， V_DDA为电源电压。

在T0～T1时间段，第一开关S1和第三开关S3处于导通状态，第二开关S2和第四开关S4处于关断状态，电容上的总电荷为：

Q₁＝(V_MID-ΔV)C_S+(V_DDA-0)C_B。

在T1～T2时间段，第一开关S1和第三开关S3处于关断状态，在 T1时刻，第一脉冲信号V_DRV从低电平翻转成高电平，电容上的电荷进行重新分配。根据电荷守恒原理，电容上的总电荷与T0～T1时间段的总电荷相等，则有：

(V_MID+ΔV)C_S+(V_MID+ΔV-V_DDA)C_B+(V_MID+ΔV-V_out)C_f＝Q₁；

在T2～T3时间段，第一开关S1和第四开关S4处于导通状态，第二开关S2和第三开关S3处于关断状态，此时，电容上的总电荷为：

Q₂＝(V_MID+ΔV)C_S+(0-V_DDA)C_B。

在T3～T4时间段，第一开关S1和第四开关S4处于关断状态，在 T3时刻，第一脉冲信号V_DRV从高电平翻转成低电平，电容上的电荷进行重新分配。根据电荷守恒定理，电容上的总电荷与T2～T3时间段的总电荷相等，则有：

(V_MID-ΔV)C_S+(V_MID-ΔV-0)C_B+(V_MID-ΔV-V_out)C_f＝Q₂；

设背景电容为C_b，需要检测的电容变化量为C_T，从公式(1)和(2)可以看出，令即：则感应电容测量装置的输出Vout为：考虑到共模噪声的抑制，可对公式(3)的结果进行差分处理作为最终的电容量化输出，即从公式(4)可以看出感应电容测量装置的输出Vout 只与电容的变化量相关，而与背景电容无关。

在一个优选地实施例中，所述感应电容测量装置还包括补偿校准模块23，用于根据所述放大器21的输出端的信号Vout对所述补偿电路22 的第二脉冲信号V_CB或补偿电容C_B进行调整以调整补偿电路的补偿量。

在本实施例中，所述补偿校准模块23包括模拟数字转换器(ADC)231 和数字控制单元232。其中，模拟数字转换器231连接到所述放大器21 的输出端；以及数字控制单元232连接在模拟数字转换器231与所述补偿电路22之间，用于经由模拟数字转换器231从放大器21的输出端接收输出电压Vout，根据背景电容C_b的大小来调整第二脉冲信号V_CB或补偿电容C_B以调整补偿电路的补偿量。

对于第二脉冲信号V_CB的调整，例如，通过数模转换器DAC来实现，在此不再赘述。对于补偿电容C_B的调整，例如，通过电容阵列和开关选择来实现，在此不再赘述。

在一些实施例中，对第二脉冲信号V_CB或补偿电容C_B的调整可以在背景电容量化阶段进行。例如，对“背景电容”的补偿可以在手指按下时和量化感应电容的过程中进行。背景电容的量化可以采用多种方式来实现。例如，对于指纹识别，在无触摸发生时感应电容为零，在手指接触传感器表面后指纹谷和指纹脊与传感器形成的电容不同，因此可以将指纹谷或指纹脊与指纹识别装置的触摸表面之间的电容量化为背景电容。作为另一示例，对于触摸屏，可以将触摸屏的触摸表面在未被触摸时的耦合电容量化为背景电容。本领域技术人员可以认识到，对于其他应用，背景电容的量化可以以各种其他方式来实现。

本发明的实施例可以应用于各种电容感应识别系统，例如对于指纹识别、触摸控制等均能实现对输出信号动态范围的有效控制。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims

1.一种感应电容测量装置，包括：

放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端；

前端反馈电容，连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间；

第一开关，连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间；

第一脉冲信号，与所述放大器的第二输入端连接；

补偿电路，与所述放大器的第一输入端连接，在所述第一开关处于断开状态时，给所述感应电容提供电荷。

2.根据权利要求1所述的感应电容测量装置，其中，所述第一脉冲信号的控制周期包括第一时间周期和第二时间周期；

所述第一脉冲信号在控制周期内进行电平翻转时，所述第一开关从导通状态转换到断开状态；

所述第一脉冲信号在第一时间周期以及第二时间周期结束时，所述第一开关从断开状态转换到导通状态。

3.根据权利要求1所述的感应电容测量装置，其中，所述补偿电路包括第二开关、第三开关、第四开关、补偿电容以及第二脉冲信号；

所述第二脉冲信号经由串联连接的所述第二开关和所述补偿电容提供给所述放大器的第一输入端；

第一电压经由所述第三开关提供给所述第二开关和所述补偿电容的公共点；

所述第四开关连接在在所述第二开关和所述补偿电容之间的公共点与接地端之间，

所述第二脉冲信号与所述第一脉冲信号同步。

4.根据权利要求3述的感应电容测量装置，其中，所述第一开关处于导通状态时，所述第二开关处于关断状态；所述第一开关处于关断状态时，所述第二开关处于导通状态。

5.根据权利要求3所述的感应电容测量装置，其中，所述第一脉冲信号在控制周期内从低电平翻转到高电平时，所述第三开关从导通状态转换到断开状态，在控制周期结束时，所述第三开关从断开状态转换成导通状态。

6.根据权利要求3所述的感应电容测量装置，其中，所述第三开关处于导通状态时，所述第四开关处于关断状态；所述第三开关处于关断状态时，所述第四开关处于导通状态。

7.根据权利要求2所述的感应电容测量装置，其中，还包括：

补偿校准模块，用于根据所述放大器的输出端的信号对所述补偿电路的第二脉冲信号或补偿电容进行调整以调整补偿电路的补偿量。

8.根据权利要求7所述的感应电容测量装置，其中，所述补偿校准模块包括：

模拟数字转换器，连接到所述放大器的输出端；以及

数字控制单元，连接在模拟数字转换器与所述补偿电路之间，用于经由模拟数字转换器从放大器的输出端接收输出电压，根据背景电容的大小来调整第二脉冲信号或补偿电容以调整补偿电路的补偿量。

9.根据权利要求8所述的感应电容测量装置，其中，所述补偿电路的补偿量是在背景电容量化阶段进行的。

10.根据权利要求9所述的感应电容测量装置，其中，所述电容感应识别系统用于指纹识别装置，在所述背景电容量化阶段将指纹谷或指纹脊与指纹识别装置的触摸表面之间的电容量化为背景电容。

11.根据权利要求9所述的感应电容测量装置，其中，所述电容感应识别系统用于触摸屏，在所述背景电容量化阶段将触摸屏的触摸表面在未被触摸时的耦合电容量化为背景电容。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的感应电容测量装置，其中，所述第一输入端为负输入端，所述第二输入端为正输入端。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的感应电容测量装置，其中，所述第一输入端为正输入端，所述第二输入端为负输入端。