CN111399679A - 电容检测装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种电容检测装置，包括：通道电容，用于根据感应信号，产生不同的电容值；检测电路，连接所述通道电容，用于接入脉冲信号，并检测所述通道电容的电容值；调整电路，连接在所述通道电容与所述检测电路之间，用于抵消所述通道电容的基础电容值，并生成所述通道电容的变化电容值；所述检测电路还用于，将所述通道电容的变化电容值转换为输出信号。本申请实现了通过调整电路，将通道电容的基准电容抵消，提高检测电路输出信号的有效范围。

Description

电容检测装置
技术领域
本申请涉及电子产品技术领域，具体而言，涉及一种电容检测装置。
背景技术
电容式触摸屏技术是利用人体的电流感应进行工作的。电容式触摸屏一般是一块四层复合玻璃屏，四个角上引出四个电极。当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，人体和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是人体手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。
在电容式触摸屏的实际应用场景中，通常藉由自电容检测电路来检测触摸点的状态，由于自电容触摸屏设置有电极，从而形成各通道电容，藉由自电容检测电路检测通道电容的电容值变化，进而可以根据通道电容的电容值变化，得出触摸点的触摸情况。
传统的自电容检测电路由运算放大器、反馈电容组成，通过对通道电容充放电，并将通道电容上所存储的电荷通过运算放大器转移到运放输出端，最终输出一个电压值Vo，这个检测电压值Vo代表了被检测的通道电容Csen的电容值的大小。
但是，传统的检测方式，输出电压Vo的有效信号的范围太窄，不利于后续的信号处理。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种电容检测装置，用以通过调整电路，将通道电容的基准电容影响抵消，提高检测电路输出信号的有效范围。
本申请实施例第一方面提供了一种电容检测装置，包括：通道电容，用于根据感应信号，产生不同的电容值；检测电路，连接所述通道电容，用于接入脉冲信号，并检测所述通道电容的电容值；调整电路，连接在所述通道电容与所述检测电路之间，用于抵消所述通道电容的基础电容值，并生成所述通道电容的变化电容值；所述检测电路还用于，将所述通道电容的变化电容值转换为输出信号。
于一实施例中，还包括：第一复位开关，第一端连接于所述检测电路的正向输入端，第二端连接所述检测电路的反向输入端。
于一实施例中，还包括：检测开关，连接在所述第一复位开关的所述第二端与所述检测电路的反向输入端之间。
于一实施例中，所述调整电路包括：减基元件；第一减基开关，一端连接所述减基元件，另一端连接于所述通道电容的正极，所述第一减基开关闭合时，通过所述减基元件对所述通道电容充电或者放电。
于一实施例中，所述减基元件为减基电容，所述减基电容的正极连接所述第一减基开关，所述减基电容的负极通过第二减基开关连接参考电平端口。
于一实施例中，所述调整电路还包括：第一电平开关，一端连接所述减基电容的正极，另一端连接于第一电平端口。
于一实施例中，所述第一电平开关包括：第一子开关，一端连接在所述减基电容的正极，另一端连接于第一电平端口的低电平端口；第二子开关，一端连接在所述减基电容的正极，另一端连接于第一电平端口的高电平端口。
于一实施例中，所述调整电路还包括：第二电平开关，一端连接所述减基电容负极，另一端连接于第二电平端口。
于一实施例中，所述第二电平开关包括：第三子开关，一端连接在所述减基电容的负极，另一端连接于第二电平端口的低电平端口；第四子开关，一端连接在所述减基电容的负极，另一端连接于第二电平端口的高电平端口。
于一实施例中，所述减基元件为电流源；所述减基元件包括：第一电流源，所述第一电流源的输入端连接所述第一减基开关。
于一实施例中，所述减基元件还包括：第二电流源；第三减基开关，一端连接所述通道电容的正极，另一端连接所述第二电流源的输出端。
于一实施例中，所述检测电路包括：运算放大器，所述运算放大器的反向输入端连接所述通道电容的正极，所述运算放大器的正向输入端连接脉冲信号端口；反馈电容，连接在所述运算放大器的反向输入端和所述运算放大器的输出端之间；在运算放大器通过所述脉冲信号端口接入脉冲信号时，所述检测电路用于检测所述通道电容的变化电容值。
于一实施例中，所述检测电路包括：第二复位开关，并联于所述反馈电容。
本申请提供的电容检测装置，通过在通道电容和检测电路之间设置调整电路，将通道电容的基准电容抵消，进而将通道电容的电容值有效变化信息输送至检测电路，提高了检测电路输出信号的有效范围。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请一实施例的应用场景示意图；
图2为本申请一实施例的电容检测装置的电路示意图；
图3为本申请一实施例的电容检测装置的电路示意图；
图4为本申请一实施例的电容检测装置中各个元器件的工作时序的示意图；
图5为本申请一实施例的电容检测装置的电路示意图；
图6为本申请一实施例的电容检测装置中各个元器件的工作时序的示意图。
附图标记：
100-触摸屏，101-通道电容，200-电容检测装置，210-调整电路，220-检测电路，230-第一复位开关，240-检测开关，211-减基电容，212-第一减基开关，213-第二减基开关，214-第一电平开关，215-第一电平端口，216-第二电平开关，217-第二电平端口，S1-第一子开关，S2-第二字开关，S3-第三子开关，S4-第四子开关，VL-低电平端口，VH-高电平端口，221-运算放大器，CF-反馈电容，222-脉冲信号端口，223-第二复位开关，218-第一电流源，219-第二电流源，219A-第三减基开关。
Ph1、Ph2、Ph3、Ph3b、Ph3n、Ph3p分别表示对应的工作时序标号。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本实施例提供一种电容检测装置200的应用场景，包括：触摸屏100和电容检测装置200，其中，触摸屏100可以为自电容式触摸屏100。触摸屏100内设置有电极，因而形成多个通道电容101，用于采集引起通道电容101值变化的感应信号。感应信号可以是用户手指在触摸屏100上的触摸信号，也可以是隔空传感信号。电容检测装置200用于侦测通道电容101的电容值的变化量。
于一实施例中，以其中一个通道电容101为例，当手指没有触摸到触摸屏100时，通道电容101的电容值值记为C1。当手指触摸到触摸屏100时，通道电容101的电容值记为C2，则电容值变化Cchange＝C2-C1，即为通道电容101的改变量，通过检测通道电容101的电容值变化，即可检测到是否有手指触摸。
如图2所示，本实施例提供一种电容检测装置200，可以应用于图1所示的应用场景中，该装置包括：通道电容101、调整电路210和检测电路220，其中，通道电容101用于根据感应信号，产生不同的电容值。检测电路220连接通道电容101，用于接入脉冲信号，并检测通道电容101的电容值。
于一实施例中，电容检测装置200通过对通道电容101充放电，检测电路220将通道电容101上所存储的电荷转移至输出端，最终输出一个检测电压值Vo，这个输出电压值Vo代表了被检测的通道电容101的电容值的大小。
于一实施例中，调整电路210连接在通道电容101与检测电路220之间，用于抵消通道电容101的电容值中的无效信息，并生成通道电容101的变化电容值。检测电路220还用于，将通道电容101的变化电容值转换为输出信号。在实际应用中，电容值C1太大会导致输出电压Vo的有效信号范围太窄，通过调整电路210，可以在检测的过程中将C1减掉。这样当手指触摸到触摸屏100时，在检测电路220的输出电压Vo的整个范围内，有效信号的范围就会被大大提高。
如图3所示，本实施例提供一种电容检测装置200，可以应用于图1所示的应用场景中，该装置包括：通道电容101、调整电路210和检测电路220。
于一实施例中，检测电路220包括：运算放大器221、反馈电容CF、第二复位开关223，其中，运算放大器221的反向输入端连接通道电容101的正极，运算放大器221的正向输入端连接脉冲信号端口222。反馈电容CF连接在运算放大器221的反向输入端和运算放大器221的输出端之间。第二复位开关223并联于反馈电容CF。
于一实施例中，还包括：第一复位开关230，第一端连接于检测电路220的正向输入端，第二端连接检测电路220的反向输入端。
于一实施例中，还包括：检测开关240，连接在第一复位开关230的第二端与检测电路220的反向输入端之间。
于一实施例中，调整电路210包括：减基元件和第一减基开关212，其中，第一减基开关212的一端连接减基元件，另一端连接于通道电容101的正极。
于一实施例中，减基元件为减基电容211，减基电容211的正极连接第一减基开关212，减基电容211的负极通过第二减基开关213连接参考电平端口。
于一实施例中，调整电路210还包括：第一电平开关214，一端连接减基电容211的正极，另一端连接于第一电平端口215。
于一实施例中，第一电平开关214包括：第一子开关S1和第二子开关S2，其中，第一子开关S1的一端连接在减基电容211的正极，另一端连接于第一电平端口215的低电平端口VL。第二子开关S2的一端连接在减基电容211的正极，另一端连接于第一电平端口215的高电平端口VH。
于一实施例中，调整电路210还包括：第二电平开关216，其一端连接减基电容211负极，另一端连接于第二电平端口217。
于一实施例中，第二电平开关216包括：第三子开关S3和第四子开关S4，其中，第三子开关S3的一端连接在减基电容211的负极，另一端连接于第二电平端口217的低电平端口VL。第四子开关S4的一端连接在减基电容211的负极，另一端连接于第二电平端口217的高电平端口VH。
于一实施例中，如图4所示，为上述图3中的电容检测装置200的各个元件的工作时序图，其中，第一复位开关230和第二复位开关223采用同一个时序工作，时序编号为Ph1。检测开关240、第一减基开关212和第二减基开关213采用同一个时序工作，时序编号为Ph2。第二子开关S2和第三子开关S3采用同一个时序工作，时序编号为Ph3。第一子开关S1和第四子开关S4采用同一个时序工作，时序编号为Ph3b。
基于图3所示的电路图和图4所示的时序图，电容检测装置200的工作原理如下：
脉冲信号端口222接入脉冲信号VSTIM，一个完整的脉冲信号VSTIM周期，为一个完整的电荷放大器工作周期。
第一阶段1：在脉冲信号VSTIM为正的相位阶段：
时序Ph1的开关元件闭合，接入为高电位。时序Ph2的开关元件断开，接入低电位。时序Ph3的开关元件闭合，接入高电位。时序Ph3b的开关元件断开，接入低电位。电容检测装置200进入RESET复位相位，藉由第一电平端口215的高电平端口VH和第二电平端口217的低电平端口VL之间的电压差，为通道电容101充电，经时间t1充电完毕后。
有复位电荷量Q_RESET＝Q_Cbase＝VH*Cbase
其中，Q_Cbase表示减基电容211上的电荷量，VH表示减基电容211上的电压值，Cbase表示减基电容211的电容值。
2：在积分相位时，时序Ph1的开关元件断开，接入为低电位。时序Ph2的开关元件闭合，接入高电位。时序Ph3的开关元件断开，接入低电位。时序Ph3b的开关元件断开，接入低电位。脉冲信号VSTIM和参考电平端口的参考信号VDRV进入从低电位到高电位的状态。
此时有：Q_INTERG＝Q_CSEN+Q_Cbase+Q_CF。
Q_Csen＝VH*Csen。
Q_Cbase＝0。
Q_CF＝(VH-VO)*CF。
最终有：
Q_RESET＝Q_INTERG。
VH*Cbase＝VH*Csen+(VH-VO)*CF。
VO＝VH(Csen+CF-Cbase)/CF。
＝VH*[1-(Cbase-Csen)/CF]。
其中，Q_INTERG表示电容检测装置200的总电荷量，Csen表示通道电容101的电容值，Q_Csen表示通道电容101的电荷量，CF表示反馈电容CF的电容值，Q_CF表示反馈电容CF的电荷量。VO比表示运算放大器221的输出端的输出电压值。
第二阶段1：在脉冲信号VSTIM为负的相位阶段：
时序Ph1的开关元件闭合，接入为高电位。时序Ph2的开关元件断开，接入低电位。时序Ph3b的开关元件闭合，接入高电位。时序Ph3的开关元件断开，接入低电位。电容检测装置200进入RESET复位相位，藉由第一电平端口215的低电平端口VL和第二电平端口217的高电平端口VH之间的电压差，为通道电容101充电，经时间t2充电完毕后。
有：Q_RESET＝Q_Cbase＝-VH*Cbase。
2：积分相位：时序Ph1的开关元件断开，接入为低电位。时序Ph2的开关元件闭合，接入高电位。时序Ph3的开关元件断开，接入低电位。时序Ph3b的开关元件断开，接入低电位。脉冲信号VSTIM和参考电平端口的参考信号VDRV进入从高电位到低电位的状态。
有：Q_INTERG＝Q_Csen+Q_Cbase+Q_CF。
Q_Csen＝-VH*Csen。
Q_Cbase＝0。
Q_CF＝-VO*CF。
最终有：
Q_RESET＝Q_INTERG。
-VH*Cbase＝-VH*Csen-VO*CF。
VO＝VH*(Cbase-Csen)/CF。
从脉冲信号VSTIM的正负相位阶段中，电容检测装置200的输出电压VO来看，都包含了(Cbase-Csen)这一项，其中Cbase就是减基电容211的电容值，作用就是抵消掉通道电容101中不变的分量Csen，增大检测电路220输出信号的有效范围。
如图5所示，本实施例提供一种电容检测装置200，可以应用于图1所示的应用场景中，该装置包括：通道电容101、调整电路210和检测电路220。
于一实施例中，减基元件可以为电流源。减基元件包括：第一电流源218、第二电流源219和第三减基开关219A，其中，第一电流源218的输入端连接第一减基开关212。第三减基开关219A的一端连接通道电容101的正极，另一端连接第二电流源219的输出端。检测电路220和其他元件的连接关系和原理，可以参照上述实施例的相关描述。
于一实施例中，如图6所示，为上述图5中的电容检测装置200的各个元件的工作时序图，其中，第一复位开关230和第二复位开关223采用同一个时序工作，时序编号为Ph1。检测开关240的时序编号为Ph2。第一减基开关212的时序编号为Ph3n。第三减基开关219A的时序编号为Ph3p。其余开关元件的时序标号参照上述图3和图4对应的实施例的描述。
基于图5所示的电路图和图6所示的时序图，电容检测装置200的工作原理可以如下：
脉冲信号端口222接入脉冲信号VSTIM，一个完整的脉冲信号VSTIM周期，为一个完整的电荷放大器工作周期。
第一阶段1：在脉冲信号VSTIM为正的相位阶段：
时序Ph1的开关元件闭合，接入为高电位。时序Ph2的开关元件断开，接入低电位。时序Ph3n的开关元件断开，接入低电位。时序Ph3p的开关元件断开，接入低电位。电容检测装置200进入RESET复位相位。
有：复位电荷量Q_RESET＝0。
2：在积分相位时：时序Ph1的开关元件断开，接入为低电位。时序Ph2的开关元件闭合，接入高电位。时序Ph3n的开关元件闭合，接入高电位，即闭合第一减基开关212。时序Ph3p的开关元件断开，接入低电位。脉冲信号VSTIM进入从低电位到高电位的状态。藉由第一电流源218为通道电容101放电，放电时间为T1。
有：Q_INTERG＝Q_Csen+Q_CF+Q_Is1。
Q_Csen＝VH*Csen。
Q_CF＝(VH-VO)*CF。
最终有：
Q_RESET＝Q_INTERG。
0＝VH*Csen+(VH-VO)*CF+Q_Is1。
令Is1*T1＝VH*Cbase。
有：
VO＝VH(Csen+CF-Cbase)/CF。
＝VH*[1-(Cbase-Csen)/CF]。
其中，Q_Is1表示第一电流源218的电荷量，Is1表示第一电流源218的工作电流值。
第二阶段1：在脉冲信号VSTIM为负的相位阶段：
时序Ph1的开关元件闭合，接入为高电位。时序Ph2的开关元件断开，接入低电位。时序Ph3n的开关元件断开，接入低电位。时序Ph3p的开关元件断开，接入低电位。电容检测装置200进入RESET复位相位。
此时有：Q_RESET＝0
2：在积分相位阶段：时序Ph1的开关元件断开，接入为低电位。时序Ph2的开关元件闭合，接入高电位。时序Ph3n的开关元件断开，接入低电位。时序Ph3p的开关元件闭合，接入低电位，即闭合第三减基开关219A。脉冲信号VSTIM进入从高电位到低电位的状态，藉由第二电流源219为通道电容101充电，充电时间为T2。
则有：Q_INTERG＝Q_Csen+Q_CF+Q_Is2。
Q_Csen＝-VH*Csen。
Q_CF＝-VO*CF。
最终有：
Q_RESET＝Q_INTERG。
0＝-VH*Csen-VO*CF+Q_Is2。
令Is2*T2＝VH*Cbase。
则有：
VO＝VH*(Cbase-Csen)/CF。
从脉冲信号VSTIM的正负相位阶段中，电容检测装置200的输出电压VO来看，都包含了(Cbase-Csen)这一项，其中Cbase就是减基电容211的电容值，作用就是抵消掉通道电容101中不变的分量Csen，增大输出电压VO的信号有效范围。
由于减基电容211Cbase的工作原理：通过减基电容211电容上存储的电荷对通道电容101上的电荷进行相减进行抵消。而通过电流源对通道电容101Csen进行充放电也可以实现Csen上电荷量的改变，从而完成减基电容211的过程。
上述电容检测装置200，当通道电容101的电压为高电压V1时，打开第一减基开关212，通过第一电流源218对通道电容101进行放电。放电的过程可以表示为：
Q＝Is*T1＝V1*Cbase。其中T1为第一电流源218减基过程所工作的时间。
当通道电容101的电压为低电压V2时，打开第三减基开关219A，通过第二电流源219对通道电容101进行充电。放电的过程可以表示为：
Q＝Is*T2＝(V1-V2)*Cbase。其中T2为第二电流源219减基过程所工作的时间。
由此可见，采用电流源作为减基元件，通过系统所留有的积分时间T1和T2来调整电流源的电流的大小，即可调整减基后达到的效果。可以显著降低自电容检测电路220所消耗的芯片面积，从而降低芯片成本，节约资源。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (13)

1.一种电容检测装置，其特征在于，包括：
通道电容，用于根据感应信号，产生不同的电容值；
检测电路，连接所述通道电容，用于接入脉冲信号，并检测所述通道电容的电容值；
调整电路，连接在所述通道电容与所述检测电路之间，用于抵消所述通道电容的基础电容值，并生成所述通道电容的变化电容值；
所述检测电路还用于，将所述通道电容的变化电容值转换为输出信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第一复位开关，第一端连接于所述检测电路的正向输入端，第二端连接所述检测电路的反向输入端。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：
检测开关，连接在所述第一复位开关的所述第二端与所述检测电路的反向输入端之间。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调整电路包括：
减基元件；
第一减基开关，一端连接所述减基元件，另一端连接于所述通道电容的正极，所述第一减基开关闭合时，通过所述减基元件对所述通道电容充电或者放电。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述减基元件为减基电容，所述减基电容的正极连接所述第一减基开关，所述减基电容的负极通过第二减基开关连接参考电平端口。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述调整电路还包括：
第一电平开关，一端连接所述减基电容的正极，另一端连接于第一电平端口。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一电平开关包括：
第一子开关，一端连接在所述减基电容的正极，另一端连接于第一电平端口的低电平端口；
第二子开关，一端连接在所述减基电容的正极，另一端连接于第一电平端口的高电平端口。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述调整电路还包括：
第二电平开关，一端连接所述减基电容负极，另一端连接于第二电平端口。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二电平开关包括：
第三子开关，一端连接在所述减基电容的负极，另一端连接于第二电平端口的低电平端口；
第四子开关，一端连接在所述减基电容的负极，另一端连接于第二电平端口的高电平端口。
10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述减基元件为电流源；所述减基元件包括：
第一电流源，所述第一电流源的输入端连接所述第一减基开关。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述减基元件还包括：
第二电流源；
第三减基开关，一端连接所述通道电容的正极，另一端连接所述第二电流源的输出端。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测电路包括：
运算放大器，所述运算放大器的反向输入端连接所述通道电容的正极，所述运算放大器的正向输入端连接脉冲信号端口；
反馈电容，连接在所述运算放大器的反向输入端和所述运算放大器的输出端之间；
在运算放大器通过所述脉冲信号端口接入脉冲信号时，所述检测电路用于检测所述通道电容的变化电容值。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述检测电路包括：
第二复位开关，并联于所述反馈电容。
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