CN110176922A - 电容式触摸按键检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电容式触摸按键检测电路，包括时钟产生电路、反相器、第一和第二比较器、数字处理电路、第一至第三控制开关，时钟产生电路连接反相器，第一和第三控制开关的控制端连接时钟产生电路，第二控制开关的控制端连接反相器的输出端，第一比较器的输出端连接第二比较器的正相输入端，第二比较器的输出端连接数字处理电路，在第一比较器的正相输入端通过第一和第二控制开关接入第一和第二基准电压，在第一比较器的反相输入端接入感应电容，在第一比较器的反相输入端和第一比较器的输出端之间并联接入反馈电容和第三控制开关，在第二比较器的反相输入端接入第三基准电压。本检测电路的电容检测范围宽，抗干扰能力强，易于实现。

Description

电容式触摸按键检测电路
技术领域
本发明属于触摸按键检测技术领域，尤其涉及一种电容式触摸按键检测电路。
背景技术
电容式触摸按键是目前一种比较新颖的技术，相比于传统的机械按键，电容式触摸按键具有安全、无机械磨损、寿命长、防水防污、易清洁和时尚等特点。
电容式触摸按键的原理：任何两个导电的物体之间都存在着感应电容，触摸按键（PCB印刷电路板上的一个焊盘）与大地之间也构成一个感应电容C0。当人体手指靠近触摸按键时，人体与大地之间构成的感应电容Ch与手指和触摸按键之间构成的感应电容Ct串联后再并联焊盘与大地之间构成的感应电容C0，会使总感应电容值增加。即，当手指未接触触摸按键时，触摸按键的电容值为C0；当手指接触触摸按键时，触摸按键的电容值上升为C0+（Ch+Ct）/Ch*Ct，因为人体感应电容Ch远大于触摸按键电容Ct，此时触摸按键的电容约等于C0+Ct。图1为触摸按键电容的检测原理图，电容式触摸按键检测电路在检测到触摸按键的电容值增大一定幅度后将输出一个高电平，示意触摸按键已经被手指触摸。由于电容值增加的幅度较小，现有的电容式触摸按键检测电路的判断检测精度较低，存在误触发概率高及抗电磁干扰能力差等问题，并且电路对电容值增加幅度的检测范围窄，致使触摸按键的检测灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、易于实现、检测精度高且抗干扰能力强的电容式触摸按键检测电路。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种电容式触摸按键检测电路，包括时钟产生电路、反相器、第一比较器、第二比较器、数字处理电路和第一至第三控制开关，时钟产生电路的输出端连接反相器的输入端，第一控制开关和第三控制开关的控制端连接时钟产生电路的输出端，第二控制开关的控制端连接反相器的输出端，第一比较器的输出端连接第二比较器的正相输入端，第二比较器的输出端连接数字处理电路的输入端，数字处理电路的输出端引出作为检测电路的输出端，数字处理电路的时钟信号端口连接时钟产生电路的输出端，在第一比较器的正相输入端通过第一控制开关接入第一基准电压，在第一比较器的正相输入端通过第二控制开关接入第二基准电压，将第一比较器的反相输入端引出作为触摸按键的接入端，在第一比较器的反相输入端接入触摸按键与大地之间的感应电容，在第一比较器的反相输入端和第一比较器的输出端之间并联接入反馈电容和第三控制开关，在第二比较器的反相输入端接入第三基准电压；当数字处理电路检测到第二比较器的输出端在连续两个时钟周期都为高电平时，数字处理电路输出高电平，表示触摸按键已被手指触摸。
作为本发明的一种改进， 所述时钟产生电路包括振荡电路和D触发器分频电路，振荡电路的输出端连接D触发器分频电路的输入端，D触发器分频电路的输出端作为时钟产生电路的输出端，分频电路输出占空比为50%的方波信号。
作为本发明的一种改进，所述时钟产生电路输出高电平时，第一和第三控制开关保持开通状态，第二控制开关保持关断状态；当时钟产生电路输出低电平时，第一和第三控制开关保持关断状态，第二控制开关保持开通状态。
作为本发明的一种改进， 所述第一至第三基准电压的电压值依次升高，即第一基准电压的电压值小于第二基准电压的电压值，第二基准电压的电压值小于第三基准电压的电压值。
作为本发明的一种改进， 所述数字处理电路包括检测模块和计数模块，检测模块的输入端连接第二比较器的输出端，检测模块的输出端连接计数模块的输入端，计数模块的输出端引出作为数字处理电路的输出端，检测模块和计数模块的时钟控制端均连接时钟产生电路的输出端，检测模块在时钟信号为高电平时检测输入信号的电平，当检测到输入信号为高电平时则输出高电平，并保持到下个检测周期；当检测模块输出高电平时，计数模块开始对时钟信号进行计数，当计数到2时输出高电平并保持，直到检测模块输出低电平。
作为本发明的一种改进， 所述反馈电容的取值范围是1pF～100pF，使得电路的电容检测范围最小可以达到1pF。
作为本发明的一种改进， 所述第三基准电压的电压值设置在电容式触摸按键未被触摸时第一比较器的输出电压值和电容式触摸按键被手指触摸时第一比较器的输出电压值之间。
作为本发明的一种改进，所述第一至第三控制开关采用单个PMOS管或NMOS管实现，将PMOS管或NMOS管的栅极作为第一至第三控制开关的控制端使用。
作为本发明的一种改进，所述第一至第三控制开关采用由一个NMOS管与一个PMOS管并联构成的CMOS传输门实现。
相对于现有技术，本发明所提出的电容式触摸按键检测电路整体结构设计巧妙，结构简单合理稳定，易于实现且制作成本低，通过使用时钟产生电路结合反相器来周期性的控制第一至第三控制开关的开关状态，从而使得检测电路交替工作于电路自我校正阶段和电容检测阶段，有效提高电路的性能参数稳定性，并增强电路的抗电磁干扰能力；另外，通过将第一至第三基准电压的电压值依次升高，将第三基准电压值设置在电容式触摸按键未被触摸时第一比较器的输出电压值和电容式触摸按键被手指触摸时第一比较器的输出电压值之间并将反馈电容设置在1pF～100pF之间，可有效预防误触发的同时有效提升电路的电容增加值检测范围，使得电路的电容增加值检测范围最小可达到1pF。
附图说明
图1为现有技术中电容式触摸按键的电容检测原理框图。
图2为本发明优选实施例的电容式触摸按键检测电路的结构图。
图3为本发明优选实施例的电容式触摸按键检测电路中时钟产生电路的结构框图。
图4为本发明优选实施例的电容式触摸按键检测电路中数据处理电路的结构框图。
图5为本发明优选实施例的电容式触摸按键检测电路在触摸按键未被触发情况下的仿真结果图。
图6为本发明优选实施例的电容式触摸按键检测电路在触摸按键被手指触发情况下的仿真结果图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
如图2所示，为本发明优选实施例所示出的一种电容式触摸按键检测电路，包括时钟产生电路CLOCK、反相器、第一比较器COMP_A、第二比较器COMP_B、数字处理电路和第一至第三控制开关，第一和第二比较器COMP_B均采用通用比较器，时钟产生电路CLOCK的输出端连接反相器的输入端，第一控制开关SW1和第三控制开关SW3的控制端连接时钟产生电路CLOCK的输出端，第二控制开关SW2的控制端连接反相器的输出端，第一比较器COMP_A的输出端OUTA连接第二比较器COMP_B的正相输入端，第二比较器COMP_B的输出端OUTB连接数字处理电路的输入端，数字处理电路的输出端引出作为检测电路的输出端，数字处理电路的时钟信号端口连接时钟产生电路CLOCK的输出端，在第一比较器COMP_A的正相输入端INP通过第一控制开关SW1接入第一基准电压VA，在第一比较器COMP_A的正相输入端INP通过第二控制开关SW2接入第二基准电压VB，将第一比较器COMP_A的反相输入端INN引出作为触摸按键的接入端，在第一比较器COMP_A的反相输入端INN接入触摸按键与大地之间的感应电容C0，并在当手指触摸到触摸按键时，会产生一个触摸按键与手指之间的触摸电容Ct接入到第一比较器COMP_A的反相输入端INN，在第一比较器COMP_A的反相输入端INN和第一比较器COMP_A的输出端OUTA之间并联接入反馈电容Cf和第三控制开关SW3，在第二比较器COMP_B的反相输入端接入第三基准电压VC；当数字处理电路检测到第二比较器COMP_B的输出端OUTB在连续两个时钟周期都为高电平时，数字处理电路输出高电平，表示触摸按键已被手指触摸。
具体的，如图3所示，所述时钟产生电路CLOCK包括振荡电路OSC和D触发器分频电路，振荡电路OSC的输出端连接D触发器分频电路的输入端，D触发器分频电路的输出端作为时钟产生电路CLOCK的输出端。振荡电路OSC能够产生高脉冲的方波信号作为时钟产生电路CLOCK的振源，再经过D触发器分频电路输出一定占空比的方波信号。D触发器分频电路能够输出占空比为50%的方波信号，因此，在时钟产生电路CLOCK的一个时钟周期中具有相同宽度的高、低电平信号。当时钟产生电路CLOCK输出CLK为高电平时，反相器输出CLKB为低电平，此时，第一控制开关SW1和第三控制开关SW3保持开通状态，第二控制开关SW2保持关断状态；当时钟产生电路CLOCK输出CLK为低电平，反相器输出CLKB为高电平时，第一控制开关SW1和第三控制开关SW3保持关断状态，第二控制开关SW2保持开通状态。
进一步地，所述第一至第三控制开关可以采用单个PMOS管或NMOS管实现，将PMOS管或NMOS管的栅极作为第一至第三控制开关的控制端使用，PMOS管或NMOS管的源极和漏极作为第一至第三控制开关的两端。所述第一至第三控制开关也可以采用由一个NMOS管与一个PMOS管并联构成的CMOS传输门实现，CMOS传输门的输入端和输出端作为第一至第三控制开关的两端，CMOS传输门的C端作为第一至第三控制开关的控制端，这充分利用了NMOS管与PMOS管互补的电学特性，得到一个无论控制开关传输高电平还是低电平，其开态电阻都能够保持较低值的输入信号，以保证在各种输入电平下都能将信号有效地传送到输出端。
如图4所示，所述数字处理电路包括检测模块和计数模块，检测模块的输入端IN连接第二比较器COMP_B的输出端OUTB，检测模块的输出端连接计数模块的输入端，计数模块的输出端引出作为数字处理电路的输出端OUT，检测模块和计数模块的时钟控制端CLK均连接时钟产生电路CLOCK的输出端。检测模块在时钟控制端CLK输入的时钟信号为高电平时，开启检测输入端IN输入信号的电平，当检测到输入信号为高电平时则检测模块的输出端输出一个高电平，并保持到下一个检测周期；并且在当检测模块输出高电平至计数模块的输入端时，计数模块开始对时钟控制端的时钟信号为高电平进行计数，当计数到2时计数模块的输出端输出高电平并保持，直到检测模块输出低电平（当检测模块输入低电平时，检测模块输出一个低电平）。
更进一步地，为了使得检测电路能够处于较佳的检测状态并能够扩展检测电路的电容检测范围，将电路中的第一至第三基准电压的电压值设置为依次升高，即第一基准电压VA的电压值小于第二基准电压VB的电压值，第二基准电压VB的电压值小于第三基准电压VC的电压值。
另外，为了提高检测电路的抗干扰能力，将第三基准电压VC的电压值设置在电容式触摸按键未被触摸时第一比较器COMP_A的输出电压值和电容式触摸按键被手指触摸时第一比较器COMP_A的输出电压值之间。优选的是，选取电容式触摸按键未被触摸时第一比较器COMP_A的输出电压值和电容式触摸按键被手指触摸时第一比较器COMP_A的输出电压值的平均值作为第三基准电压VC的电压值。
更进一步地，为了使得检测电路的电容检测范围变宽，将反馈电容Cf的取值范围选取在1pF～100pF，这样可使得电路的电容检测范围最小可以达到1pF。
本优选实施例的检测电路的工作原理如下：
在时钟产生电路CLOCK的一个周期中，检测电路会经历电路自我校正阶段和电容检测阶段两个阶段，其中，
（1）电路自我校正阶段：当时钟产生电路CLOCK输出CLK为高电平时，第一控制开关SW1和第三控制开关SW3保持开通状态，第二控制开关SW2保持关断状态；此时，第一比较器COMP_A的正相输入端INP的电压等于第一基准电压VA的电压，第一比较器COMP_A的输出端OUTA和其反相输入端短接到一起，使得第一比较器COMP_A工作在跟随的工作状态，则：
VINN=VOUTA=VINP=VA
此时，加载在反馈电容Cf两端的电压差为0V。
第二比较器COMP_B的正相输入端和反相输入端的输入电压分别为第一基准电压VA和第三基准电压VC，由于第一基准电压VA小于第三基准电压VC，因此，第二比较器COMP_B的输出端OUTB输出一个低电平信号，数字处理电路检测到该低电平信号后输出低电平。
（2）电容检测阶段：当时钟产生电路CLOCK输出CLK为低电平，第一控制开关SW1和第三控制开关SW3保持关断状态，第二控制开关SW2保持开通状态；此时，第一比较器COMP_A的正相输入端INP的电压等于第二基准电压VB的电压值，根据通用比较器的两个输入端虚拟短接理论，第一比较器COMP_A的反相输入端INN的电压通过反馈回路的调整后等于第一比较器COMP_A正相输入端的电压。即：
VINN= VINP= VB
由此可知，当在手指未触摸电容式触摸按键时，触摸按键输入端的电容值为触摸按键与大地之间的感应电容C0，感应电容C0上的电压值由电路自我校正阶段时的第一基准电压VA的电压值上升为电容检测阶段的第二基准电压VB的电压值所需要的电荷量为：
Q=（VB-VA）*C0
由电路结构可知，所需的电荷量均由反馈电容Cf提供，因此，反馈电容Cf两端的电压差由0V变为：
Vf=Q/Cf=（VB-VA）*C0/Cf
此时，第一比较器COMP_A的输出端OUTA输出电压为：
VOUTA=VINN+Vf=VB+（VB-VA）*C0/Cf
而当在手指触摸了电容式触摸按键时，触摸按键输入端的电容值为触摸按键与大地之间的感应电容C0与触摸按键与手指之间的触摸电容之和，触摸按键输入端的电容值上的电压值由电路自我校正阶段时的第一基准电压VA的电压值上升为电容检测阶段的第二基准电压VB的电压值所需要的电荷量为：
Q’=（VB-VA）*(C0+Ct)
由电路结构可知，所需的电荷量均由反馈电容Cf提供，因此，反馈电容Cf两端的电压差由0V变为：
Vf’=Q’/Cf=（VB-VA）*(C0+Ct)/Cf
此时，第一比较器COMP_A的输出端OUTA输出电压为：
VOUTA’=VINN+Vf=VB+（VB-VA）*(C0+Ct)/Cf
由VOUTA<VC<VOUTA’可知，第三基准电压VC的电压值取值范围为
VB+（VB-VA）*C0/Cf<VC< VB+（VB-VA）*(C0+Ct)/Cf
综上所述，在当手指未触发触摸按键时，第一比较器COMP_A的输出端OUTA的电压始终小于第三基准电压VC的电压，因此第二比较器COMP_B的输出端OUTB的电压就始终为低电平，使得数字处理电路的输出端输出低电平，对应的仿真结果如图5所示。
而在当手指触发了触摸按键时，第一比较器COMP_A的输出端OUTA的电压在每一个电容检测阶段都大于第三基准电压VC的电压值，因此，第二比较器COMP_B的输出端OUTB的电压值在每一个电容检测阶段都为高电平信号，并在经过数字处理电路的检测处理后，数字处理电路在连续两个电容检测阶段后输出高电平，对应的仿真结果如图6所示。
本发明所提出的电容式触摸按键检测电路的结构简单可靠，易于实现，对于电容式触摸按键的检测性能参数稳定可靠，电路的抗干扰能力强，可有效预防电容式触摸按键的误触发和电磁干扰，并通过将电路中使用的第一至第三基准电压设置为依次升高，并将第三基准电压VC设置在电容式触摸按键未被触摸时第一比较器COMP_A的输出电压值和电容式触摸按键被手指触摸时第一比较器COMP_A的输出电压值之间，进一步结合反馈电容Cf的合理取值范围1pF～100pF，使得电路的电容检测范围最小可以达到1pF，大大提高了电容的电容检测范围。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.电容式触摸按键检测电路，其特征在于：包括时钟产生电路、反相器、第一比较器、第二比较器、数字处理电路和第一至第三控制开关，时钟产生电路的输出端连接反相器的输入端，第一控制开关和第三控制开关的控制端连接时钟产生电路的输出端，第二控制开关的控制端连接反相器的输出端，第一比较器的输出端连接第二比较器的正相输入端，第二比较器的输出端连接数字处理电路的输入端，数字处理电路的输出端引出作为检测电路的输出端，数字处理电路的时钟信号端口连接时钟产生电路的输出端，在第一比较器的正相输入端通过第一控制开关接入第一基准电压，在第一比较器的正相输入端通过第二控制开关接入第二基准电压，将第一比较器的反相输入端引出作为触摸按键的接入端，在第一比较器的反相输入端接入触摸按键与大地之间的感应电容，在第一比较器的反相输入端和第一比较器的输出端之间并联接入反馈电容和第三控制开关，在第二比较器的反相输入端接入第三基准电压；当数字处理电路检测到第二比较器的输出端在连续两个时钟周期都为高电平时，数字处理电路输出高电平，表示触摸按键已被手指触摸。
2.如权利要求1所述的电容式触摸按键检测电路，其特征在于，所述时钟产生电路包括振荡电路和D触发器分频电路，振荡电路的输出端连接D触发器分频电路的输入端，D触发器分频电路的输出端作为时钟产生电路的输出端，D触发器分频电路输出占空比为50%的方波信号。
3.如权利要求2所述的电容式触摸按键检测电路，其特征在于，所述时钟产生电路输出高电平时，第一和第三控制开关保持开通状态，第二控制开关保持关断状态；当时钟产生电路输出低电平时，第一和第三控制开关保持关断状态，第二控制开关保持开通状态。
4.如权利要求3所述的电容式触摸按键检测电路，其特征在于，所述第一至第三基准电压的电压值依次升高，即第一基准电压的电压值小于第二基准电压的电压值，第二基准电压的电压值小于第三基准电压的电压值。
5.如权利要求4所述的电容式触摸按键检测电路，其特征在于，所述数字处理电路包括检测模块和计数模块，检测模块的输入端连接第二比较器的输出端，检测模块的输出端连接计数模块的输入端，计数模块的输出端引出作为数字处理电路的输出端，检测模块和计数模块的时钟控制端均连接时钟产生电路的输出端，检测模块在时钟信号为高电平时检测输入信号的电平，当检测到输入信号为高电平时则输出高电平，并保持到下个检测周期；当检测模块输出高电平时，计数模块开始对时钟信号进行计数，当计数到2时输出高电平并保持，直到检测模块输出低电平。
6.如权利要求5所述的电容式触摸按键检测电路，其特征在于，所述反馈电容的取值范围是1pF～100pF，使得电路的电容检测范围最小可以达到1pF。
7.如权利要求6所述的电容式触摸按键检测电路，其特征在于，所述第三基准电压的电压值设置在电容式触摸按键未被触摸时第一比较器的输出电压值和电容式触摸按键被手指触摸时第一比较器的输出电压值之间。
8.如权利要求1-7任一项所述的电容式触摸按键检测电路，其特征在于，所述第一至第三控制开关采用单个PMOS管或NMOS管实现，将PMOS管或NMOS管的栅极作为第一至第三控制开关的控制端使用。
9.如权利要求1-7任一项所述的电容式触摸按键检测电路，其特征在于，所述第一至第三控制开关采用由一个NMOS管与一个PMOS管并联构成的CMOS传输门实现。
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