CN108777574A - 一种电容触摸按键电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容触摸按键电路，所述电路包括模式切换电路，所述模式切换电路用于控制同步充放电模式和异步充放电模式的切换，所述模式切换电路包括第一与非门和第二与非门，模式控制信号DMS与锁存器(Latch)的输出作为第二与非门的输入，分频器(VC2)的输出Fc与第二与非门的输出作为第一与非门的输入，由第一与非门输出MOD信号，通过MOD信号控制开关(SW3)的通断。本发明不因外部环境的改变而降低灵敏度，同时不需要外接大调试电容。此外，采用同步模式和异步模式可以更好的适应不同的环境。

Description

一种电容触摸按键电路
技术领域
本发明涉及触摸屏领域，具体涉及一种电容触摸按键电路。
背景技术
目前主要有几种类型的触摸屏，它们分别是：电阻式(双层)，表面电容式和感应电容式，表面声波式，红外式，以及弯曲波式、有源数字转换器式和光学成像式。它们又可以分为两类，一类需要氧化铟锡(ITO)，比如前三种触摸屏，另一类的结构中不需要ITO,比如后几种屏。
目前市场上，使用ITO材料的电容式触摸屏应用最为广泛。
电容触摸传感大约在50多年前就已经出现，触摸灯是电容触摸开关的一个经典示例，触摸灯的出现已有很长一段时间，新技术使得可以对触摸按钮实现更为复杂的控制，单片机提供了完成电容触摸传感、决策、响应以及其他系统相关任务的能力，目前业内已有好几种电容触摸传感技术存在，多数技术是基于测量由于人手指触摸产生额外电容而改变的频率或占空比，触摸按键已被广泛采用，越来越多的电子产品。
电容触摸方案主要有：CSR-CapSense Relaxation Oscillator(张驰震荡电容感应)、CSA–CapSense Successive Approximation(逐次逼近电容感应)、CSD–CapSenseSigma Delta(积分微分电容感应)、CDC–Capator Digital Conversion(电容数字转换)。
其中CSD技术的精度的提高只需要简单的增加计数的时间即可，通过加长计数时间，CSD可以做到很高精度。相比其他几种方案CSD的精度设置不需要改变硬件电路就可以实现，这会在有些应用上带来方便。比如可以在初期检测有无手指触摸的时候用更低的精度，后期检测具体触摸电容改变大小时用更高的精度。CSD技术抗干扰能力的提升，具有更加灵活多样的处理方法，其可以在开关电容部分加入伪随机时钟(PRS)，提高系统的抗中频噪声能力。也可以通过设置不同的计数时间，来设置不同的抗噪声能力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种电容触摸按键电路，该电路采用同步模式和异步模式两种模式。电容充放电时钟和检测时钟单独控制，采用自适应电流源，提高电容触摸的自适应能力，并且不需要外接调制电容CMOD。
本发明采用以下技术方案：一种电容触摸按键电路，其特征在于，所述电路包括模式切换电路，所述模式切换电路用于控制同步充放电模式和异步充放电模式的切换，所述模式切换电路包括第一与非门和第二与非门，模式控制信号DMS与锁存器Latch的输出作为第二与非门的输入，分频器VC2的输出Fc与第二与非门的输出作为第一与非门的输入，由第一与非门输出MOD信号，通过MOD信号控制开关SW3的通断；所述电路还包括开关SW1连接电源VD和电容Cx与开关SW2的一端，开关SW2连接比较器CMP正输入端和电容Cx，伪随机时钟PRS控制控制所述开关SW1和所述开关SW2，内部调制电容CMOD_IN、自适应电流源IDAC正端、电阻RB上端和开关SW4连接比较器CMP正输入端，电阻RC连接所述电源VD和开关SW4的另外一端，开关SW3连接电阻RB和地，并且由信号MOD来控制，比较器CMP负输入端连接基准电压VREF，比较器CMP输出端接锁存器Latch，所述锁存器Latch的时钟为采样时钟Fs，所述Fs为振荡器Oscillator经过分频器VC1得到，同时分频器VC1的输出也作为计数器Counter的时钟和分频器VC2的输入，所述分频器VC2的输出接分频器VC3输入，所述分频器VC3的输出接PWM模块输入，所述PWM模块输出与锁存器Latch的输出作为与门AND的输入，所述与门AND的输出作为计数器Counter的使能信号，所述计数器Counter的输出结果给数据处理器。
优选地，充放电频率在同步模式下由Fc和环路比较器结果控制，充放电频率在异步模式下完全由Fc控制。
优选地，其中，所述电阻Rc的作用是加速电路响应。
优选地，充放电时钟Fc和检测时钟Fs单独控制，Fs必须大于2倍Fc。
优选地，通过R1和R2的比例来调节VREF的大小，其中
优选地，根据计算求得V(L)与V(H)：
其中，V(L)为充放电波形低点电压；V(H)为充放电波形高点电压，VD为电源电压，RCX为等效电路。
优选地，内部小调制电容采用MIM电容或者MOS电容。
优选地，可通过I[3:0]来调节恒流源I的大小，I＝(I[3:0])*I0，I0为单位基准电流，I[3:0]的取值范围是0～15，同时通过R[2:0]来调节放电电阻的大小，R＝(R[3:0])*R0，R0为单位电阻，R[3:0]的取值范围是0～7。
本发明的优点和有益效果在于：本文提出的新的电容触摸方案可通过自适应电流源来监测环境的改变，使CMOD_IN电容的充放电总在一个合适的位置，从而自动调整计数基值，减小了外界环境的改变使灵敏度降低。同时，这种自适应方式使调制电容CMOD_IN并不需要很大，可以用内部的小调制电容CMOD_IN即可实现，从而外部不需要再外接大调制电容CMOD。采用两种模式，同步模式和异步模式，同步模式充放电时钟不受输出结果影响，当外部环境较稳定时，可采用同步模式；异步模式充放电时钟和输出结果有关，当外部环境较恶劣时，计数值会随环境的改变而变化，增加抗干扰能力。采用同步模式和异步模式可以更好的适应不同的环境。
附图说明
图1为现有技术中CSD电路原理图；
图2为现有技术中CSD等效电路原理图；
图3为现有技术中CSA电路原理图；
图4为现有技术中CSA等效电路原理图；
图5为无手指触摸和有手指触摸下的电压变化图；
图6为本发明的电容触摸电路图；
图7为本发明的电容触摸等效电路图；
图8为本发明的自适应恒流源匹配过程图；
图9为本发明的同步充放电模式下的时序图；
图10为本发明的异步充放电模式下的时序图；
图11为本发明的自适应恒流源与放电电阻调节原理图；
图12为本发明的VREF产生电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
现有技术中，CSD电路原理图如附图1所示，其中CX为感应电容，CMOD为外部调制电容，RB为放电电阻。将SW1，SW2和CX等效为电阻RCX，则CSD的等效电路如附图2所示。其具体工作原理如下：首先，SW3断开，VDD通过RCX向CMOD充电，充电达到参考电压VREF；然后，比较器输出高电平，触发开关SW3，RB连接到地，给CMOD放电；当CMOD电压低于参考电压VREF时，开关断开，RB与地断开，VDD又开始给CMOD充电，如此循环反复。
CX增加则RCX减小，那么有更大的电流给CMOD充电，电流越大，CMOD充电越快。充电时间短，放电时间不变，那么占空比增加。高占空比可以更长时间开启计数器，计数器开启时间越长，计数器计数越多。
现有技术中，CSA电路原理图如附图3所示，CSA等效电路图如附图4所示工作原理如下所示：其中CMOD为外部调制电容。
一、校准阶段
1、把Φ1和Φ2这两个时钟交替开启，那样感应电容的作用就像一个电阻，CMOD电容上的电压就会稳定在一个固定值VStart＝I/fC，等效电路如附图4所示。
2、把开关Φ1断开一固定时间，CMOD上的电压就会线性上升，把CMOD上的电压和VREF进行比较，当CMOD上电压小于VREF时，计数器开始计数；当CMOD上电压大于VREF时，停止计数。
3、当计数器的输出为0时，说明Vstart电压高于VREF，IDAC电流过大；如果计数器的输出值远大于0，那么说明Vstart电压过低，IDAC电流过小。下一步就会依据逐次逼近算法来设置IDAC电流，目标是把IDAC设置在一个适当的值，使得Vstart电压略低于VREF，计数器的输出略大于0。这时IDAC设置完毕，校准完成。如图5所示。
二、检测阶段
当有手指触摸时，CX电容变大，VStart＝I/fC电压变低，计数器的计数值会变大，那么就可以据此判定触摸的发生。
本文提出的新的电容触摸电路如附图6所示，其中CMOD_IN为内部小调制电容，该小调试电容采用MIM电容或者MOS电容，电路包括：Oscillator为振荡器产生时钟模块，16-bitPRS产生伪随机时钟，VC1、VC2、VC3和PWM为分频模块和PWM产生模块，Counter为计数器模块，Data Processing为最终输出数据结果。CX为感应电容，RB为放电电阻，IDAC为恒流源。
具体连接方式包括：开关SW1连接电源VD和Cx与SW2的一端，开关SW2连接比较器正输入端和Cx，开关SW1和SW2由伪随机时钟16-bit PRS控制，内部调制电容CMOD_IN、IDAC正端、RB上端和开关SW4连接比较器正输入端，电阻RC连接VD和SW4的另外一端，开关SW3连接RB和地，并且由信号MOD来控制，MOD信号控制开关SW3的通断，比较器负输入端连接基准电压VREF，比较器输出接锁存器Latch，Latch的时钟为采样时钟Fs，Fs为振荡器Oscillator经过分频器VC1而得到，同时VC1的输出也作为计数器Counter的时钟和分频器VC2的输入，VC2的输出Fc和第二与非门(NAND-2)的输出经过第一与非门(NAND-1)输出MOD，Latch的输出与模式控制信号DMS作为第二与非门的输入，分频器VC2的输出接分频器VC3输入，VC3的输出接PWM模拟输入，PWM模块输出与Latch的输出作为与门(AND)的输入，与门的输出作为计数器Counter的使能信号，计数器的输出结果给数据处理器Data Processing。
两种充放电模式：同步模式(DMS＝1)和异步模式(DMS＝0)。充放电频率不完全由环路控制，在同步模式下由Fc和环路比较器结果控制，在异步模式下完全由Fc控制。找到一个恒流源(IDAC)的电流值，使得计数值为一个合适的值，例如2N的一半，N为计数值位宽。
等效电路如附图7所示，Rc的作用是加速电路响应，只在CMOD_IN电容充放电起始阶段起作用，之后SW4便断开。逐次逼近的方式可以找到一个合适的恒流源电流值使得计数值为一个合适的值。寻找原理如附图8所示，逐步找到合适的电流值。
如图9与图10所示，假设充放电波形低点电压为V(L)，高点电压为V(H)，求解充电电路和放电电路的全响应分别为：
SW3开关断开，对CMOD电容充电：
SW3开关开启，对CMOD电容放电：
代入V(L)和V(H)：
求解得：
当有手指触摸时，CX增加则RCX减小，V(L)和V(H)变大，从而Latch的输出结果占空比增大，高占空比可以更长时间开启计数器，计数器开启时间越长，计数器计数越多。
图9和图10分别是异步充放电模式下的时序图与同步充放电模式下的时序图。充放电部分电路具体如附图11所示，可通过I[3:0]来调节恒流源的大小，并通过R[2:0]来调节放电电阻的大小，调节方式采用二进制OPTION来调节。具体为:I＝(I[3:0])*I0，I0为单位基准电流，其中I[3:0]的取值范围是0～15，用二进制表示为0000～1111中的任意一个值，例如当I[3:0]用二进制表示为1000时，对应十进制为8，则I＝(I[3:0])*I0＝8*I0；通过R[2:0]来调节放电电阻的大小，R＝(R[3:0])*R0，R0为单位电阻,其中R[2:0]的取值范围是0～7，对应二进制表示为000～111。
VREF产生电路如附图12所示，通过R1和R2的比例来调节VREF的大小，具体值为：
本发明提出了一种新的触摸检测电路，采用同步模式和异步模式两种模式。电容充放电时钟和检测时钟单独控制，采用自适应电流源，提高电容触摸的自适应能力，并且不需要外接调制电容CMOD。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电容触摸按键电路，其特征在于，所述电路包括模式切换电路，所述模式切换电路用于控制同步充放电模式和异步充放电模式的切换，所述模式切换电路包括第一与非门和第二与非门，模式控制信号DMS与锁存器(Latch)的输出作为第二与非门的输入，分频器(VC2)的输出Fc与第二与非门的输出作为第一与非门的输入，由第一与非门输出MOD信号，通过MOD信号控制开关(SW3)的通断；所述电路还包括开关(SW1)连接电源(VD)和电容(Cx)与开关(SW2)的一端，开关(SW2)连接比较器(CMP)正输入端和电容(Cx)，伪随机时钟PRS控制控制所述开关(SW1)和所述开关(SW2)，内部调制电容(CMOD_IN)、电流源(IDAC)正端、电阻(RB)上端和开关(SW4)连接比较器(CMP)正输入端，电阻(RC)连接所述电源(VD)和开关(SW4)的另外一端，开关(SW3)连接电阻(RB)和地，并且由信号MOD来控制，比较器(CMP)负输入端连接基准电压(VREF)，比较器(CMP)输出端接锁存器(Latch)，所述锁存器(Latch)的时钟为采样时钟Fs，所述Fs为振荡器(Oscillator)经过分频器(VC1)得到，同时分频器(VC1)的输出也作为计数器(Counter)的时钟和分频器(VC2)的输入，所述分频器(VC2)的输出接分频器(VC3)输入，所述分频器(VC3)的输出接PWM模块输入，所述PWM模块输出与锁存器(Latch)的输出作为与门(AND)的输入，所述与门(AND)的输出作为计数器(Counter)的使能信号，所述计数器(Counter)的输出结果给数据处理器。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，充放电频率在同步模式下由Fc和环路比较器结果控制，充放电频率在异步模式下完全由Fc控制。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，其中，所述电阻(Rc)的作用是加速电路响应。
4.根据权利要求1或3所述的电路，其特征在于，其中充放电时钟Fc和检测时钟Fs单独控制，Fs必须大于2倍Fc。
5.根据权利要求1或3所述的电路，其特征在于，通过R1和R2的比例来调节VREF的大小，其中
6.根据权利要求1或3所述的电路，其特征在于，根据计算求得V(L)与V(H)：
其中，V(L)为充放电波形低点电压；V(H)为充放电波形高点电压，VD为电源电压，RCX为等效电路。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，内部小调制电容采用MIM电容或者MOS电容。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，可通过I[3:0]来调节恒流源I的大小，I＝(I[3:0])*I0，I0为单位基准电流，I[3:0]的取值范围是0～15，同时通过R[2:0]来调节放电电阻的大小，R＝(R[3:0])*R0，R0为单位电阻，R[3:0]的取值范围是0～7。
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