CN110347294A - 一种电容触摸检测电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容触摸检测电路和方法。所述电容触摸检测电路通过将外部触摸电容引入振荡环路，从而改变外部振荡电路产生的外部振荡频率，将所述外部振荡频率与内部振荡电路产生的内部基准频率比较，得到触摸电容的改变量，进而判断是否发生有效触摸。本发明外部振荡电路和内部振荡电路均采用结构一样的张驰振荡器结构的振荡器即双阈值RC振荡器作为外部振荡器和内部振荡器，减小了外部振荡器和内部振荡器的频率误差，提高了电容触摸检测的准确性。且本发明采用带宽较大的线性稳压器LDO为所述内部振荡器和外部振荡器提供电源，频率偏差非常小，改善了内部振荡器和外部振荡器在振荡频率接近时，会产生坑点的问题。

Description

一种电容触摸检测电路和方法

技术领域

本发明涉及触摸检测领域，更具体的说，涉及一种电容触摸检测电路和 方法。

背景技术

电容触摸传感技术大约在五十多年前就已经出现，触摸灯即触摸按键是 电容触摸传感技术的一个经典示例，新技术的提出使得可以对触摸按键实现 更为复杂的控制，例如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。目前已有多种电容触摸传感技术存在，其中多数电 容触摸传感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于越来越多的电子产品中。

目前的电容触摸检测方案主要有：CSR-Cap Sense Relaxation Oscillator (张驰震荡电容感应)、CSA-Cap Sense Successive Approximation(逐次逼 近电容感应)、CSD-Cap Sense Sigma Delta(积分微分电容感应)、CDC- Capacitance DigitalConversion(电容数字转换)。其中，张驰震荡电容感应 CSR方案有其独有的优势：功耗小，面积小，成本低，对于精度和抗干扰要 求不是很高的场合有非常大的吸引力。但现有技术的张驰震荡电容感应CSR 在同频干扰时，会造成坑点，所谓坑点即在某种触摸力度的时候，触摸无反 应；同时现有技术的张驰震荡电容感应CSR方案内部振荡频率往往是由系统 时钟或系统时钟的分频产生，与触摸感应振荡器的振荡频率差异较大，会造 成触摸计数值变化较大，使得电容触摸检测的准确性大大降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种电容触摸检测电路和方法，提高了电容触摸 检测的准确性，解决了现有技术中由于内部震荡频率和感应振荡器的振荡频 率差异较大而引起检测结果不准确的技术问题。

本发明提供了一种电容触摸检测电路，包括：外部振荡电路、内部振荡 电路、计数及比较模块和数据处理模块，所述外部振荡电路包括外部触摸电 容，所述外部振荡电路根据外部触摸电容上的外部触摸信号得到外部振荡频 率，所述内部振荡电路产生内部基准频率，所述计数及比较模块将所述外部 振荡频率和所述内部基准频率进行比较，得到所述外部触摸信号的改变量， 数据处理模块根据所述外部触摸信号的改变量，判断是否发生有效触摸。

可选的，所述外部振荡电路还包括外部振荡器，所述外部振荡器包括第 一比较器、第二比较器、第一与非门、第二与非门、第一反相器、第二反相 器和内部电阻，所述第一比较器和第二比较器的输入端连接所述外部触摸电 容的一端，所述外部触摸电容的另一端接地，所述第一比较器的输出端连接 第一与非门的一个输入端，所述第二比较器的输出端经第一反相器连接第二 与非门的一个输入端，所述第一与非门的另一个输入端连接所述第二与非门 的输出端，所述第一与非门的输出端连接所述第二与非门的另一个输入端，所述内部电阻的一端连接外部触摸电容和第二比较器的公共端，所述内部电 阻的另一端经第二反相器连接所述第一与非门的输出端，所述第二反相器和 所述第一与非门的公共端连接所述计数及比较模块的输入端。

可选的，所述的内部振荡电路包括内部振荡器和内部振荡电容，所述内 部振荡器包括第三比较器、第四比较器、第三与非门、第四与非门、第三反 相器、第四反相器和内部电阻，所述第三比较器和第四比较器的输入端连接 所述内部振荡电容的一端，所述内部振荡电容的另一端接地，所述第三比较 器的输出端连接第三与非门的一个输入端，所述第四比较器的输出端经第三 反相器连接第四与非门的一个输入端，所述第三与非门的另一个输入端连接 所述第四与非门的输出端，所述第三与非门的输出端连接所述第四与非门的另一个输入端，所述内部电阻的一端连接内部振荡电容和第四比较器的公共 端，所述内部电阻的另一端经第四反相器连接所述第三与非门的输出端，所 述第四反相器和所述第三与非门的公共端连接所述计数及比较模块的输入 端。

可选的，当使能信号有效时，所述内部振荡电路和所述外部振荡电路同 时开始振荡，内部振荡电路进行振荡第一时间，对第一时间内外部振荡电路 的振荡周期个数进行计数，当计数差值达到第一阈值时，则认为发生有效触 摸。

可选的，所述电容触摸电路还包括线性稳压器，所述线性稳压器为所述 内部振荡器和所述外部振荡器提供电源，所述线性稳压器的带宽大于6-15倍 所述内部振荡器和所述外部振荡器的振荡频率。

可选的，所述第一比较器、第二比较器、第三比较器和所述第四比较器 均为内置阈值比较器。

可选的，所述外部触摸电容为触摸盘和PCB走线寄生电容的总和。

可选的，所述内部振荡电容可以根据外部环境进行调节。

本发明还提供了一种电容触摸检测方法，基于上述的电容触摸检测电路， 包括以下步骤：

根据外部触摸电容上的外部触摸信号得到外部振荡频率；

产生内部基准频率；

将所述外部振荡频率和所述内部基准频率进行比较，得到所述外部触摸 信号的改变量；

根据所述外部触摸信号的改变量，判断是否发生有效触摸。

与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：本发明的电容触摸 检测电路通过将外部触摸电容引入振荡环路，从而改变外部振荡电路产生的 外部振荡频率，将所述外部振荡频率与内部振荡电路产生的内部基准频率比 较，得到触摸电容的改变量，进而判断是否发生有效触摸。本发明外部振荡 电路和内部振荡电路均采用结构一样的张驰振荡器结构的振荡器即双阈值 RC振荡器作为外部振荡器和内部振荡器，减小了外部振荡器和内部振荡器的 频率误差，提高了电容触摸检测的准确性。且本发明采用带宽较大的线性稳压器LDO为所述内部振荡器和外部振荡器提供电源，改善了在内部振荡器和 外部振荡器在振荡频率接近时，会产生坑点的问题。

附图说明

图1为本发明电容触摸电路的原理框图；

图2为本发明电容触摸电路的实施例电路原理图；

图3本发明电容触摸检测电路的工作波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅 限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、 等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说 明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全 理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是， 附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅 助说明本发明实施例的目的。

图3示意了本发明电容触摸检测电路原理框图。所述的电容触摸检测电 路包括外部振荡电路1、内部振荡电路2、计数及比较模块3和数据处理模块 4，所述外部振荡电路1包括外部触摸电容C_X，所述外部振荡电路1根据外部 触摸电容C_X上的外部触摸信号得到外部振荡频率，所述内部振荡电路2产生 内部基准频率，所述计数及比较模块3将所述外部振荡频率和所述内部基准 频率进行比较，得到所述外部触摸信号的改变量，数据处理模块根据4所述 外部触摸信号的改变量，判断是否发生有效触摸。所述外部振荡电路1还包 括外部振荡器11，所述的内部振荡电路2包括内部振荡器21和内部振荡电容 C_internal。外部触摸电容C_X通常为触摸盘和PCB走线寄生电容的总和。

图2给出了一个本发明电容触摸电路的实施例电路原理图；其中具体给 出了本发明外部振荡器和内部振荡器的具体电路。所述外部振荡器11包括第 一比较器、第二比较器、第一与非门、第二与非门、第一反相器、第二反相 器和内部电阻R_internal，所述第一比较器和第二比较器的输入端连接所述外部触 摸电容C_X的一端，所述外部触摸电容C_X的另一端接地，所述第一比较器的 输出端连接第一与非门的一个输入端，所述第二比较器的输出端经第一反相 器连接第二与非门的一个输入端，所述第一与非门的另一个输入端连接所述第二与非门的输出端，所述第一与非门的输出端连接所述第二与非门的另一 个输入端，所述内部电阻R_internal1的一端连接外部触摸电容C_X和第二比较器的 公共端，所述内部电阻R_internal1的另一端经第二反相器连接所述第一与非门的 输出端，所述第二反相器和所述第一与非门的公共端连接所述计数及比较模 块3的输入端。

所述内部振荡器21包括第三比较器、第四比较器、第三与非门、第四与 非门、第三反相器、第四反相器和内部电阻R_internal，所述第三比较器和第四比 较器的输入端连接所述内部振荡电容C_internal的一端，所述内部振荡电容C_internal的另一端接地，所述第三比较器的输出端连接第三与非门的一个输入端，所 述第四比较器的输出端经第三反相器连接第四与非门的一个输入端，所述第 三与非门的另一个输入端连接所述第四与非门的输出端，所述第三与非门的 输出端连接所述第四与非门的另一个输入端，所述内部电阻R_internal2的一端连 接内部振荡电容C_internal和第四比较器的公共端，所述内部电阻R_internal2的另一 端经第四反相器连接所述第三与非门的输出端，所述第四反相器和所述第三 与非门的公共端连接所述计数及比较模块3的输入端。其中所述内部电阻 R_internal1和内部电阻R_internal2可以相同，也可以不同，本发明对此不进行限定。

所述计数及比较模块3将所述外部振荡频率和所述内部基准频率进行比 较，得到所述外部触摸信号的改变量，数据处理模块根据4所述外部触摸信 号的改变量，判断是否发生有效触摸。

图3给出了本发明电容触摸检测电路的工作波形图，如图3所示，当使 能信号EN有效时，内部振荡器计数器开始计数一段时间，同时外部振荡器也 开始振荡，然后读取在这一段时间内外部振荡器的振荡周期个数，即为计数 值N。

计数值为：其中n为计数值位数。

穿透力为：其中ΔC_X为外部触摸电容的改变量。从公式中可以看出，要提高触摸的穿透力最有效的方法是增 加计数值或者减小外部电容C_X。

通常设定一个第一阈值，当计数差值大于所设定的第一阈值时，即被认 为有效触摸，从而达到检测电容的目的。

此外，内部电容C_internal可根据外部环境采用程序进行控制调节，使在没 有触摸的情况下，原始计数值略小于(2ⁿ-1)，此时外部电容Cx和内部电容 C_internal非常接近，以此达到最大的穿透力。

图3中当使能信号有效时，所述内部振荡电路和所述外部振荡电路同时 开始振荡，内部振荡电路进行振荡第一时间，对第一时间内外部振荡电路的 振荡周期个数进行计数，当计数差值达到第一阈值时，则认为发生有效触摸。

需要说明的是，图3中的使能信号EN的有效为高电平，也可以为低电平, 本发明对此不进行限制。

所述电容触摸电路还包括线性稳压器LDO，所述线性稳压器LDO为所述 内部振荡器和所述外部振荡器提供电源，所述线性稳压器LDO的带宽大于 6-15倍所述内部振荡器和所述外部振荡器的振荡频率。优选的，所述线性稳 压器LDO的带宽大于10倍所述内部振荡器和所述外部振荡器的振荡频率。 电源采用LDO供电，频率偏差非常小，从而解决了在两个振荡器的频率非常 接近时将会产生同频干扰，进而产生坑点的问题，所述坑点即触摸和非触摸 下计数值N几乎不变，或者计数差值小于设定的第一阈值。

本发明的电容触摸检测电路通过将外部触摸电容引入振荡环路，从而改 变外部振荡电路产生的外部振荡频率，将所述外部振荡频率与内部振荡电路 产生的内部基准频率比较，得到触摸电容的改变量，进而判断是否发生有效 触摸。

本发明电容触摸检测电路中内部振荡器和外部振荡器的结构一样，均为 张驰振荡器结构，具体的，内部振荡器和外部振荡器均为双阈值RC振荡器， 减小了两个振荡器的频率误差，提高计数的准确性，从而提高了电容触摸检 测的准确性。且本发明的两个振荡器的频率随温度、电压等其他因素的影响 同步变化，计数值随电压和温度变化几乎不变，提高了触摸计数的准确性。

此外，本发明所述第一比较器、第二比较器、第三比较器和所述第四比 较器均为内置阈值比较器，没有静态电流，功耗和面积非常小。具体的，外 部振荡器的两个比较器采用固定阈值的比较器，一个阈值为高电平阈值，另 外一个为低电平阈值，组成双阈值比较器，大大节省了面积和功耗。

虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域 普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施 例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在 上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含 在该技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电容触摸检测电路，其特征在于，包括：外部振荡电路、内部振荡电路、计数及比较模块和数据处理模块，所述外部振荡电路包括外部触摸电容，所述外部振荡电路根据外部触摸电容上的外部触摸信号得到外部振荡频率，所述内部振荡电路产生内部基准频率，所述计数及比较模块将所述外部振荡频率和所述内部基准频率进行比较，得到所述外部触摸信号的改变量，数据处理模块根据所述外部触摸信号的改变量，判断是否发生有效触摸。

2.根据权利要求1所述的电容触摸检测电路，其特征在于：所述外部振荡电路还包括外部振荡器，所述外部振荡器包括第一比较器、第二比较器、第一与非门、第二与非门、第一反相器、第二反相器和内部电阻，所述第一比较器和第二比较器的输入端连接所述外部触摸电容的一端，所述外部触摸电容的另一端接地，所述第一比较器的输出端连接第一与非门的一个输入端，所述第二比较器的输出端经第一反相器连接第二与非门的一个输入端，所述第一与非门的另一个输入端连接所述第二与非门的输出端，所述第一与非门的输出端连接所述第二与非门的另一个输入端，所述内部电阻的一端连接外部触摸电容和第二比较器的公共端，所述内部电阻的另一端经第二反相器连接所述第一与非门的输出端，所述第二反相器和所述第一与非门的公共端连接所述计数及比较模块的输入端。

3.根据权利要求1所述的电容触摸检测电路，其特征在于：所述的内部振荡电路包括内部振荡器和内部振荡电容，所述内部振荡器包括第三比较器、第四比较器、第三与非门、第四与非门、第三反相器、第四反相器和内部电阻，所述第三比较器和第四比较器的输入端连接所述内部振荡电容的一端，所述内部振荡电容的另一端接地，所述第三比较器的输出端连接第三与非门的一个输入端，所述第四比较器的输出端经第三反相器连接第四与非门的一个输入端，所述第三与非门的另一个输入端连接所述第四与非门的输出端，所述第三与非门的输出端连接所述第四与非门的另一个输入端，所述内部电阻的一端连接内部振荡电容和第四比较器的公共端，所述内部电阻的另一端经第四反相器连接所述第三与非门的输出端，所述第四反相器和所述第三与非门的公共端连接所述计数及比较模块的输入端。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的电容触摸检测电路，其特征在于：当使能信号有效时，所述内部振荡电路和所述外部振荡电路同时开始振荡，内部振荡电路进行振荡第一时间，对第一时间内外部振荡电路的振荡周期个数进行计数，当计数差值达到第一阈值时，则认为发生有效触摸。

5.根据权利要求4所述的电容触摸检测电路，其特征在于：所述电容触摸电路还包括线性稳压器，所述线性稳压器为所述内部振荡器和所述外部振荡器提供电源，所述线性稳压器的带宽大于6-15倍所述内部振荡器和所述外部振荡器的振荡频率。

6.根据权利要求1所述的电容触摸检测电路，其特征在于：所述第一比较器、第二比较器、第三比较器和所述第四比较器均为内置阈值比较器。

7.根据权利要求1所述电容触摸检测电路，其特征在于：所述外部触摸电容为触摸盘和PCB走线寄生电容的总和。

8.根据权利要求1所述电容触摸检测电路，其特征在于：所述内部振荡电容可以根据外部环境进行调节。

9.一种电容触摸检测方法，基于权利要求1-8任意一项所述的电容触摸检测电路，其特征在于，包括以下步骤：

根据外部触摸电容上的外部触摸信号得到外部振荡频率；

产生内部基准频率；

将所述外部振荡频率和所述内部基准频率进行比较，得到所述外部触摸信号的改变量；

根据所述外部触摸信号的改变量，判断是否发生有效触摸。