CN109444556B - 一种新型sigma-delta电容触摸检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型sigma‑delta电容触摸检测电路，其特征在于：所述电路包括电容转电流输入模块、初始化模块、sigma‑delta调制器模块和计数器模块，所述新型sigma‑delta电容触摸检测电路采用逐次逼近自适应电流源，具有很强的自适应能力，能根据外部触摸电容的大小实时调整内部电路参数，保持检测电路的灵敏度不变，同时，还可以节省成本，消除不同触摸电容之间互电容的影响。

Description

一种新型sigma-delta电容触摸检测电路

技术领域

本发明涉及触摸检测技术领域，尤其涉及一种新型sigma-delta电容触摸检测电路。

背景技术

现有技术中的一阶Sigma-Delta调制器结构如附图1所示，它由求和加法器，积分器，1位ADC(锁存比较器)和1位DAC组成，通过过采样和噪声整形技术可以以数据转换器的信噪比。利用Sigma Delta调制器的输出高信噪比的特点，可以用来检测电容的大小，特别是触摸电容。将触摸电容的改变量转化成电流的变化量，输入给一阶sigma-delta ADC，通过 ADC输出能够表示触摸电容大小的数字码，从而能够得到触摸电容的变化量，达到检测触摸电容的目的。

但是，传统的sigma-delta型电容触摸检测(简称CSD–CapSense Sigma Delta)方案只能通过调整放电电阻来适用外部触摸电容的大小，需要设置外挂调制电容，其自适应能力比较差，并且不同触摸电容之间还存在互电容的影响。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提出的新型sigma-delta电容触摸检测电路采用逐次逼近自适应电流源，具有很强的自适应能力，能根据外部触摸电容的大小实时调整内部电路参数，保持检测电路的灵敏度不变，此外，其调制电容可以非常小，从而不需要外挂调制电容，为IC节省了一个PIN脚的同时也节省了成本，同时，本发明还可以消除不同触摸电容之间互电容的影响。

本发明提供一种新型sigma-delta电容触摸检测电路，其特征在于：所述电路包括电容转电流输入模块、初始化模块、sigma-delta调制器模块和计数器模块。

进一步的，所述电容转电流输入模块包括三个开关、一个自适应恒流源、一个触摸电容以及一个伪随机时钟；所述初始化模块包括两个电阻和两个开关；所述sigma-delta调制器包括一个开关、一个电阻、一个电容、一个比较器、一个振荡器、一个分频模块以及一个锁存器；所述计数器模块包括一个分频模块、一个PWM产生模块、一个与门、一个计数器以及一个数据处理器组成。

可选的，通过触摸电容的充电模式进行触摸检测，所述电容转电流输入模块的具体结构为：第六开关SW6一端连接至参考电压V_REF，所述第六开关SW6的另一端连接至触摸电容的一端、第一开关SW1的一端以及第二开关SW2的一端，所述第一开关SW1的另一端连接至电源VD，所述第二开关SW2的另一端连接自适应电流源的一端以及所述初始化模块，所述自适应电流源的另一端以及所述触摸电容的另一端均连接至地端，其中所述第一开关SW1和所述第二开关SW2的开闭状态由伪随机时钟控制，所述伪随机时钟可以产生16-bit的伪随机序列PSR。

可选的，通过触摸电容的充电模式进行触摸检测，所述电容转电流输入模块的具体结构为：第六开关SW6一端连接至参考电压V_REF，所述第六开关SW6的另一端连接至触摸电容的一端、第一开关SW1的一端以及第二开关SW2的一端，所述第一开关SW1的另一端以及所述触摸电容的另一端均连接至地端，所述第二开关SW2的另一端连接自适应电流源的一端以及所述初始化模块，所述自适应电流源的另一端连接电源VD，其中所述第一开关SW1和所述第二开关SW2的开闭状态由伪随机时钟控制，所述伪随机时钟可以产生16-bit的伪随机序列PSR。

进一步的，所述初始化模块的具体结构为：充电限流电阻RC1的一端连接电源VD，另一端连接第四开关SW4的一端，所述第四开关SW4的另一端连接所述第二开关SW2的另一端、放电限流电阻RC2的一端以及 sigma-delta调制器，所述放电限流电阻RC2的另一端连接第三开关SW3，所述第三开关SW3的另一端接地；

进一步的，所述sigma-delta调制器的具体结构为：放电电阻RB的一端连接所述第四开关SW4的另一端、调制电容C_MOD-IN的一端、比较器的一个输入端，所述放电电阻RB的另一端连接第五开关SW5的一端，所述第五开关SW5的另一端和所述调制电容C_MOD-IN的另一端均接地，所述比较器的另一个输入端接参考电压V_REF，所述比较器的输出接锁存器Latch，第一分频模块VC1的输入端接振荡器Oscillator，所述第一分频模块VC1 的输出端连接所述锁存器Latch的时钟输入端，所述锁存器Latch的输出端连接至所述计数器模块，所述锁存器Latch的输出端还连接至所述第五开关SW5控制其开闭状态。

优选的，所述计数器模块的具体结构为：第二分频模块VC2的输入端连接所述第一分频模块VC1的输出端，所述第二分频模块VC2的输出端连接PWM产生模块的输入端，所述PWM产生模块的输出端连接与门AND的一个输入端，所述与门AND的另一个输入端连接所述锁存器Latch的输出端，所述与门AND的输出端连接计数器的使能端EN，所述计数器的时钟输入端连接所述第一分频模块的输出端，所述计数器的输出端连接数据处理模块。

本发明提出的新型sigma-delta电容触摸检测电路的有益效果在于：通过自适应电流源来监测环境的改变，例如外界环境导致触摸电容变小，自适应电流源将每隔一段时间重新进行校准，使计数基值达到设定的值，减小了外界环境的改变使灵敏度降低，采用自适应电流源使调制电容 C_{MOD_IN}并不需要很大，可以用内部的小调制电容C_{MOD_IN}即可实现，从而外部不需要再外接大调制电容C_MOD；以及通过在输入模块中加入开关SW6可有效消除互电容的影响。

附图说明

图1现有技术中sigma-delta调制器的结构框图；

图2本发明新型sigma-delta电容触摸检测电路的结构框图

图3本发明的电容触摸检测电路的一种具体实施方式的电路图；

图4本发明的电容触摸检测电路的另一种具体实施方式的电路图；

图5本发明的电容触摸检测电路的一种具体实施方式的等效电路图；

图6本发明的电容触摸检测电路的另一种具体实施方式的等效电路图；

图7本发明使用放电模式进行触摸检测的具体电路图。

具体实施方式

本发明提出的新的电容触摸检测电路的电路框图如图2所示，

具体的电路图如附图3和附图4所示，包含两种电路模式，附图3为触摸电容的放电模式进行触摸检测，附图4为触摸电容的充电模式进行触摸检测，两者的差别在于附图2所示充电模式触摸电容通过开关电路对调制电容进行充电，附图3所示放电模式触摸电容通过开关电路对调制电容进行放电，其中C_{MOD_IN}为内部小调制电容，该小电容可采用MIM电容或者 MOS电容。

与传统CSD相比，增加了初始化模块，并且最重要的是提出了新的电容转电流输入模块，以下简称输入模块或触摸单元。

一个完整的电容触摸检测包括至少一个输入模块、初始化模块、 sigma-delta调制器和计数器模块。输入模块也可被认为是触摸单元，通过数字逻辑控制，不停的扫描不同的触摸单元，同一时刻仅一个触摸单元被选中进行检测。

附图3和附图4所示的等效电路如附图5和附图6所示，为了更清晰的表述方案，等效电路触摸单元部分省略了消除互电容的开关SW6。被扫描的触摸单元开关SW6一直断开，未被扫描的触摸单元开关SW6与SW2由相同的时钟控制，这样保持了扫描单元和未扫描单元的触摸电容上的电压波形一致，从而消除互电容影响。

优选的，本发明的一种具体实施方式，放电模式方案核心电路如附图 3所示，主要由四个模块组成：电容转电流输入模块(扫描单元或者触摸单元)、初始化模块、sigma-delta调制器模块和计数器模块。其中 Oscillator为振荡器产生时钟模块，16-bit PRS产生伪随机时钟，VC1、 VC2为分频模块，PWM模块产生PWM时钟，Counter为计数器模块，DataProcessing为最终输出数据结果。C_X为触摸电容，C_{MOD_IN}为内部调制电容， R_B为放电电阻，I_DAC为自适应恒流源。具体连接关系见附图3，开关SW1连接电源VD和Cx与SW2、SW1、SW6的一端，开关SW2另一端连接比较器正输入端、调制电容C_{MOD_IN}上极板、放电电阻R_B的一端、开关SW4的一端、初始化放电限流电阻R_C2的一端和电流源I_DAC正端，开关SW1和SW2由伪随机时钟16-bit PRS控制，电阻R_C1连接VD和SW4的另外一端，电阻R_C2连接SW4的另外一端和地，开关SW5连接R_B和地，并且由信号MOD来控制，比较器负输入端连接基准电压V_REF，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 的输出给PWM，latch的输出经反相器INV与门的输入，PWM模块输出作为与门的另外一个输入，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。

可选的本发明的另一种实施方式，充电模式方案核心电路如图4所示，除电容转电流输入模块部分存在一定差异外，其他部分与放电模式方案电路相同。

下面结合附图5所示的方案简述其工作原理：附图5为放电模式方案，由扫描单元、初始化模块、sigma-delta调制器模块和计数器模块组成。其中结点1、2、3、4是同一个结点，为了更方便阐述其原理，把它们分开。扫描单元由自适应电流源和开关等效电阻R_CX组成，初始化模块由初始化充电限流电阻R_C1和开关SW4，与放电限流电阻R_C2和开关SW3组成。Sigma-delta调制器由放电电阻R_B、开关SW5、调制电容C_{MOD_IN}、比较器 CMP、数据锁存器LATCH、分频器VC1和振荡器Oscillator组成，其中放电电阻R_B和开关SW5充当1bit DAC，调制电容C_{MOD_IN}充当积分器，比较器CMP充当1bit ADC，故该模块为标准的一阶sigma-delta调制器。计数器部分主要是用来处理sigma-delta调制器的输出1bit数据流，充当数字滤波器的功能，由分频器VC2、PWM产生模块、与门AND、反相器INV、计数器Counter和数据处理模块Data Processing组成。结点3充当了 sigma-delta调制器的求和部分。

触摸电容检测过程开始时，首先开关SW3打开，使结点1、2、3、4电压下降为零，积分器上的电荷全部放至地，接着开关SW3断开，开关SW4 打开，使积分器上的电压慢慢上升，当积分器上的电压上升至V_REF时，比较器输出电压翻转，通过逻辑电路将开关SW4关断，此处省略了这个逻辑电路。此时积分器上的电压将保持在V_REF附近。

自适应电流源电流减去流过开关等效电阻R_CX的电流作为sigma-delta 调制器的输入电流，从结点1流向结点4，给积分器充电，当积分器上的电压大于V_REF时，比较器翻转，经过采样时钟Fs后，锁存器输出高电平，使放电开关SW5打开，积分器上的电荷通过放电电阻RB放电到地，当积分器上的电压小于V_REF时，比较器翻转，经过采样时钟Fs后，锁存器输出低电平，使放电开关SW5断开，积分器上的电荷通过扫描单元的输入电流不断累积增加，慢慢积分器上的电压又将大于V_REF，如此循环，即sigma- delta调制过程。计数器通过采样时钟在锁存器输出为低，PWM为高电平的时间进行计数。

自适应电流源将在电源上电时，采用逐次逼近的方式调整电流值的大小，使计数器的输出值达到设定的目标值。并且每个触摸单元都将进行一次这样的校准，因为每一个触摸单元的触摸电容大小都不相同，如果不进行校准，那么初始时每一个触摸单元的计数值将不同，灵敏度也就不同。通过校准使每个触摸单元没有手指触摸时的计数值都将相同。

当外部触摸电容上有手指触摸时，触摸电容将变大，开关等效电阻R_CX将变小，那么流向sigma-delta调制器的电流将变小，则sigma-delta调制器的输出1bit数据流的低电平将会增加，高电平将会减小，经过反相器INV后再和PWM相与，高电平出现的时间将会增加，即计数器的计数值将会增加。故当有手指触摸时，计数值增加，增加值如果超过了设定的阈值，即被认为有效触摸，从而达到检测电容的目的。

放电模式方案具体电路如附图7所示，可通过I[N-1:0]来调节恒流源的大小，调节方式采用逐次逼近的方式来调节，先取中间大小电流源，如果计数值大于目标值，则取1/4大小电流源，如果计数值小于目标值，则取3/8大小电流源，依次类推，直到计数值达到目标值附近，最终I＝ (I[N-1:0])*I₀，I₀为单位基准电流，I[N-1:0]为逐次逼近得到的数值；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。

下面结合附图5所示的方案简述其工作原理：附图5为放电模式方案，由扫描单元、初始化模块、sigma-delta调制器模块和计数器模块组成。其中结点1、2、3、4是同一个结点，为了更方便阐述其原理，把它们分开。扫描单元由自适应电流源和开关等效电阻R_CX组成，初始化模块由初始化充电限流电阻R_C1和开关SW4，与放电限流电阻R_C2和开关SW3组成。Sigma-delta调制器由放电电阻R_B、开关SW5、调制电容C_{MOD_IN}、比较器 CMP、数据锁存器LATCH、分频器VC1和振荡器Oscillator组成，其中放电电阻R_B和开关SW5充当1bit DAC，调制电容C_{MOD_IN}充当积分器，比较器 CMP充当1bit ADC，故该模块为标准的一阶sigma-delta调制器。计数器部分主要是用来处理sigma-delta调制器的输出1bit数据流，充当数字滤波器的功能，由分频器VC2、PWM产生模块、与门AND、反相器INV、计数器Counter和数据处理模块Data Processing组成。结点3充当了 sigma-delta调制器的求和部分。

触摸电容检测过程开始时，首先开关SW3打开，使结点1、2、3、4电压下降为零，积分器上的电荷全部放至地，接着开关SW3断开，开关SW4 打开，使积分器上的电压慢慢上升，当积分器上的电压上升至V_REF时，比较器输出电压翻转，通过逻辑电路将开关SW4关断，此处省略了这个逻辑电路。此时积分器上的电压将保持在V_REF附近。

自适应电流源电流减去流过开关等效电阻R_CX的电流作为sigma-delta 调制器的输入电流，从结点1流向结点4，给积分器充电，当积分器上的电压大于V_REF时，比较器翻转，经过采样时钟Fs后，锁存器输出高电平，使放电开关SW5打开，积分器上的电荷通过放电电阻RB放电到地，当积分器上的电压小于V_REF时，比较器翻转，经过采样时钟Fs后，锁存器输出低电平，使放电开关SW5断开，积分器上的电荷通过扫描单元的输入电流不断累积增加，慢慢积分器上的电压又将大于V_REF，如此循环，即sigma- delta调制过程。计数器通过采样时钟在锁存器输出为低，PWM为高电平的时间进行计数。

自适应电流源将在电源上电时，采用逐次逼近的方式调整电流值的大小，使计数器的输出值达到设定的目标值。并且每个触摸单元都将进行一次这样的校准，因为每一个触摸单元的触摸电容大小都不相同，如果不进行校准，那么初始时每一个触摸单元的计数值将不同，灵敏度也就不同。通过校准使每个触摸单元没有手指触摸时的计数值都将相同。

当外部触摸电容上有手指触摸时，触摸电容将变大，开关等效电阻R_CX将变小，那么流向sigma-delta调制器的电流将变小，则sigma-delta调制器的输出1bit数据流的低电平将会增加，高电平将会减小，经过反相器INV后再和PWM相与，高电平出现的时间将会增加，即计数器的计数值将会增加。故当有手指触摸时，计数值增加，增加值如果超过了设定的阈值，即被认为有效触摸，从而达到检测电容的目的。

本发明通过自适应电流源来监测环境的改变，例如外界环境导致触摸电容变小，自适应电流源将每隔一段时间重新进行校准，使计数基值达到设定的值，减小了外界环境的改变使灵敏度降低。自适应电流源采样逐次逼近的方式进行校准。采用自适应电流源使调制电容C_{MOD_IN}并不需要很大，可以用内部的小调制电容C_{MOD_IN}即可实现，从而外部不需要再外接大调制电容C_MOD。

在输入模块中加入开关SW6来消除互电容的影响，具体以充电模式进行说明，被选中的扫描单元开关SW6断开，开关SW1和开关SW2不停的交错开关通过触摸电容Cx对调制电容进行充电，未被选中的触摸单元开关 SW1和开关SW6同样不停的交错开关，而SW3一直断开，不会有电流注入 sigma-delta调制器，即不会对调制电容产生影响，这样被选中的和未被选中的触摸单元Cx上的电压波形将保持一致，即消除了不同的触摸电容之间的互电容影响。

虽然上面已经参考实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求。

Claims (2)

1.一种新型sigma-delta电容触摸检测电路，其特征在于，通过触摸电容的充电模式进行触摸检测，所述电路包括电容转电流输入模块、初始化模块、sigma-delta调制器模块和计数器模块；所述电路包括至少一个电容转电流输入模块；

所述电容转电流输入模块包括三个开关、一个自适应恒流源、一个触摸电容以及一个伪随机时钟；所述初始化模块包括两个电阻和两个开关；所述sigma-delta调制器包括一个开关、一个电阻、一个电容、一个比较器、一个振荡器、一个分频模块以及一个锁存器；所述计数器模块包括一个分频模块、一个PWM产生模块、一个与门、一个计数器以及一个数据处理器组成；

所述sigma-delta调制器的具体结构为：放电电阻RB的一端连接第四开关SW4的另一端、调制电容C_MOD-IN的一端、比较器的一个输入端，所述放电电阻RB的另一端连接第五开关SW5的一端，所述第五开关SW5的另一端和所述调制电容C_MOD-IN的另一端均接地，所述比较器的另一个输入端接参考电压V_REF，所述比较器的输出接锁存器Latch，第一分频模块VC1的输入端接振荡器Oscillator，所述第一分频模块VC1的输出端连接所述锁存器Latch的时钟输入端，所述锁存器Latch的输出端连接至计数器模块，所述锁存器Latch的输出端还连接至所述第五开关SW5控制其开闭状态；

所述电容转电流输入模块的具体结构为：第六开关SW6一端连接至参考电压V_REF，所述第六开关SW6的另一端连接至触摸电容的一端、第一开关SW1的一端以及第二开关SW2的一端，所述第一开关SW1的另一端连接至电源VD，所述第二开关SW2的另一端连接自适应电流源的一端以及所述初始化模块，所述自适应电流源的另一端以及所述触摸电容的另一端均连接至地端，其中所述第一开关SW1和所述第二开关SW2的开闭状态由伪随机时钟控制，所述伪随机时钟可以产生16-bit的伪随机序列PSR；

所述初始化模块的具体结构为：充电限流电阻RC1的一端连接电源VD，另一端连接第四开关SW4的一端，所述第四开关SW4的另一端连接所述第二开关SW2的另一端、放电限流电阻RC2的一端以及sigma-delta调制器，所述放电限流电阻RC2的另一端连接第三开关SW3，所述第三开关SW3的另一端接地；

所述计数器模块的具体结构为：第二分频模块VC2的输入端连接所述第一分频模块VC1的输出端，所述第二分频模块VC2的输出端连接PWM产生模块的输入端，所述PWM产生模块的输出端连接与门AND的一个输入端，所述与门AND的另一个输入端连接所述锁存器Latch的输出端，所述与门AND的输出端连接计数器的使能端EN，所述计数器的时钟输入端连接所述第一分频模块的输出端，所述计数器的输出端连接数据处理模块。

2.一种新型sigma-delta电容触摸检测电路，其特征在于，通过触摸电容的放电模式进行触摸检测，所述电路包括电容转电流输入模块、初始化模块、sigma-delta调制器模块和计数器模块；所述电路包括至少一个电容转电流输入模块；

所述电容转电流输入模块包括三个开关、一个自适应恒流源、一个触摸电容以及一个伪随机时钟；所述初始化模块包括两个电阻和两个开关；所述sigma-delta调制器包括一个开关、一个电阻、一个电容、一个比较器、一个振荡器、一个分频模块以及一个锁存器；所述计数器模块包括一个分频模块、一个PWM产生模块、一个与门、一个计数器以及一个数据处理器组成；

所述sigma-delta调制器的具体结构为：放电电阻RB的一端连接第四开关SW4的另一端、调制电容C_MOD-IN的一端、比较器的一个输入端，所述放电电阻RB的另一端连接第五开关SW5的一端，所述第五开关SW5的另一端和所述调制电容C_MOD-IN的另一端均接地，所述比较器的另一个输入端接参考电压V_REF，所述比较器的输出接锁存器Latch，第一分频模块VC1的输入端接振荡器Oscillator，所述第一分频模块VC1的输出端连接所述锁存器Latch的时钟输入端，所述锁存器Latch的输出端连接至计数器模块，所述锁存器Latch的输出端还连接至所述第五开关SW5控制其开闭状态；

所述电容转电流输入模块的具体结构为：第六开关SW6一端连接至参考电压V_REF，所述第六开关SW6的另一端连接至触摸电容的一端、第一开关SW1的一端以及第二开关SW2的一端，所述第一开关SW1的另一端以及所述触摸电容的另一端均连接至地端，所述第二开关SW2的另一端连接自适应电流源的一端以及所述初始化模块，所述自适应电流源的另一端连接电源VD，其中所述第一开关SW1和所述第二开关SW2的开闭状态由伪随机时钟控制，所述伪随机时钟可以产生16-bit的伪随机序列PSR；

所述初始化模块的具体结构为：充电限流电阻RC1的一端连接电源VD，另一端连接第四开关SW4的一端，所述第四开关SW4的另一端连接所述第二开关SW2的另一端、放电限流电阻RC2的一端以及sigma-delta调制器，所述放电限流电阻RC2的另一端连接第三开关SW3，所述第三开关SW3的另一端接地；

所述计数器模块的具体结构为：第二分频模块VC2的输入端连接所述第一分频模块VC1的输出端，所述第二分频模块VC2的输出端连接PWM产生模块的输入端，所述PWM产生模块的输出端连接与门AND的一个输入端，所述与门AND的另一个输入端连接所述锁存器Latch的输出端，所述与门AND的输出端连接计数器的使能端EN，所述计数器的时钟输入端连接所述第一分频模块的输出端，所述计数器的输出端连接数据处理模块。

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