CN111865313A - 快速电容感应装置及电容信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速电容感应装置及电容信号检测方法,包括信号共模补偿和积分电路、信号转移电路、信号测量电路。信号共模补偿和积分电路包括积分电容Ci及其开关阵列,运算放大电路,采样电容Cx及其开关阵列;信号转移电路包括采样电容Cx及其开关阵列;信号测量电路包括积分电容Cmea及其开关阵列,运算放大电路及ADC。在本发明公开的感应装置下,设计成本基本不变,但实现了电容感应扫描频率的大幅提升。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计及电容信号处理技术领域,涉及一种快速电容感应装置及电容信号检测方法。
背景技术
传统的电容感应装置如图1所示。电容检测一般包含外部传感器复位,外部传感器电容共模量补偿、积分、转换等过程。其中外部传感器复位取决于外部传感器装置的RC时间参数,一般要花费几个到数十个微秒。
外部传感器电容共模量补偿通常有电流源电荷补偿和电容电荷补偿两种方法。前者由于外部传感器分布式电阻R的存在,导致补偿电流不能太大,太大的电流会压缩补偿电流源的电压裕度,从而导致瞬间补偿电流降低、补偿电流不线性等现象,单位时间内补偿的电荷不确定。而电容式电荷补偿需要额外的电容,增加了硅片的面积成本。此外传统的电容补偿还需要一个驱动特性非常强的模拟缓冲器来给补偿电容充电,补偿的最大电荷为Vref*Ci,其中Vref为电源电压,接于放大器A0的正输入端,由于电容Ci的面积限制和模拟缓冲器动态范围的限制,补偿范围一般在几十pQ左右,补偿电荷量仅适合于小型和中型的外部电容传感器。
由于传统电容感应装置所具有的上述较长的复位时间和共模补偿时间、以及较高的共模补偿复杂度、较小的共模补偿范围,导致传统电容感应装置不能实现很快的刷新率。而且对后续ADC模块的动态范围、转换速率要求较高。从而使得整个触摸感应装置不仅具有较高的复杂度和功耗,而且没有获得相应的高性能,亟需改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速电容感应装置及电容信号检测方法,至少解决电容传感器扫描频率较低的问题。
根据本发明的第一方面,提供一种快速电容感应装置,包括:
信号共模补偿和积分电路,信号转移电路,信号测量电路;
所述信号共模补偿和积分电路包括积分电容Ci及其开关阵列,运算放大电路,采样电容Cx及其开关阵列,所述运算放大电路的负输入端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第一端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第一端,所述运算放大电路的输出端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第二端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第二端,所述运算放大电路的正输入端连接参考电压源RefRx,所述运算放大电路的负输入端还连接外部电容传感器;
所述信号转移电路复用所述采样电容Cx及其开关阵列;所述采样电容Cx及其开关阵列的第三端和第四端连接所述参考电压源RefRx,第五端连接所述信号测量电路的第一端;
所述信号测量电路的第二端连接所述参考电压源RefRx。
可选的,对于所述的快速电容感应装置,所述运算放大电路包括第一运算放大器opa1,所述第一运算放大器的正输入端即运算放大电路的正输入端,所述第一运算放大器的负输入端连接开关Sinn的第一端,开关Sinn的第二端即运算放大电路的负输入端,所述第一运算放大器的输出端即运算放大电路的输出端,开关Swresi跨接在所述运算放大器的负输入端和输出端之间,开关Sresi跨接在所述开关Sinn的第二端和所述运算放大器的输出端之间。
可选的,对于所述的快速电容感应装置,所述采样电容Cx及其开关阵列包括采样电容Cx,设置在采样电容Cx第一端的开关SxL、ScomL、SmL,设置在采样电容Cx第二端的开关SxR、ScomR、SmR;开关SxL实现采样电容Cx与开关Sinn的第二端的连接,开关SxR实现采样电容Cx与第一运算放大器opa1输出端的连接,开关ScomL和ScomR实现所述参考电压源RefRx施加在采样电容Cx的两端,开关ScomL和ScomR实现采样电容Cx与信号测量电路的第二运算放大器opa2负输入端相连。
可选的,对于所述的快速电容感应装置,所述积分电容Ci及其开关阵列包括积分电容Ci,设置在积分电容Ci第一端的开关SiL、S0L,设置在积分电容Ci第二端的开关SiR、S0R,开关SiL实现积分电容Ci与开关Sinn的第二端的连接,开关SiR实现积分电容Ci与第一运算放大器opa1输出端的连接,开关S0L和S0R实现积分电容Ci的两端接地。
可选的,对于所述的快速电容感应装置,还包括补偿驱动电压源VCOM,连接在积分电容Ci及其开关阵列的第三端和第四端。
可选的,对于所述的快速电容感应装置,所述积分电容Ci及其开关阵列还包括设置在积分电容Ci第一端的开关S1L,设置在积分电容Ci第二端的开关S1R,所述开关S1L和S1R实现补偿驱动电压源VCOM对积分电容Ci的预充电。
可选的,对于所述的快速电容感应装置,所述信号测量电路包括所述第二运算放大器opa2,积分电容Cmea和开关Sresm皆跨接在所述第二运算放大器opa2的负输入端和输出端,所述第二运算放大器opa2的输出端连接ADC,所述第二运算放大器opa2的正输入端连接所述参考电压源RefRx,所述第二运算放大器opa2的负输入端还连接开关SmL和SmR的第二端。
可选的,对于所述的快速电容感应装置,还包括电流补偿电路,连接所述运算放大电路的负输入端和外部电容传感器。
可选的,对于所述的快速电容感应装置,所述电流补偿电路包括电流源Icm0和Icm1,分别通过开关Sc0和Sc1连接到开关SRxen和第一运算放大器opa1的负输入端,所述开关SRxen连接至外部电容传感器。
根据本发明的第二方面,提供一种电容信号检测方法,包括:
(1)复位和预充电过程,在外部电容传感器的复位期间,同时对积分电容Ci预充电;
(2)共模补偿及积分阶段,积分电容Ci上的预充电荷可用作外部电容传感器的补偿电荷,调整积分电容Ci所连接开关阵列的打开和关闭顺序,使得积分电容Ci能够以更高的电压差对外部电容传感器进行电荷分享;
(3)电荷转移及正电荷预充过程,总电荷量的一部分通过信号转移电路中采样电容Cx及其开关阵列和信号测量电路转换成电压信号-输出至ADC,在采样电容Cx进行电荷转移的同时,积分电容Ci又进入电荷预充阶段,同时运算放大电路进入复位外部电容传感器阶段。
相对于现有技术,本发明的技术方案实现了在设计成本不变或者微降的情况下,电容感应装置扫描频率的大幅提升,具体体现在:
(1)复用积分电容Ci作为电容感应装置的补偿电容,第一运算放大器opa1复用为预充电压缓冲器对补偿电容预充电;
(2)并行利用电容感应装置的复位时间给补偿电容预充电荷,省掉了补偿电荷预充时间;
(3)通过设置积分电容Ci所连接开关阵列的开关顺序,能够提升补偿电容与外部传感器之间的电压差,加快共模补偿时的电荷分享速度,减小补偿所需要的时间;
(4)能够取部分采样电容上的电荷进行信号测量和转换,使得剩余大部分电容又可以同步作为补偿电容进行预充,电容信号感应和电容信号测量并行化节省了信号测量和转换的时间。
附图说明
图1是一种常见的电容感应装置的结构示意图。
图2是本发明一实施例中一种快速电容感应装置的示意图一。
图3是本发明一实施例中一种快速电容感应装置的示意图二。
图4是本发明一实施例中电容感应装置复位和预充电过程的示意图。
图5是本发明一实施例中电容感应装置共模补偿及积分阶段的示意图。
图6是本发明一实施例中电容感应装置电荷转移及正电荷预充过程的示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中,为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是,本领域的普通技术人员可以理解,即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改,也可以实现本发明各项权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
可以理解的是,当符号位于某一结构之后时,其可以表示某一结构的具体符号,并对应在附图中,当这一符号出现在公式中时,其代表这一结构所具备的属性的参数,并且这一参数的含义以本领域技术人员的通常认知为准。例如电容C,以“电容C”或类似形式出现时,表征一个电容,而出现在 “Q=C*V”等公式中时,C表征这个电容的电容值。
实施例1
本实施例1提供一种快速电容感应装置,下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。如图2和图3所示,所述快速电容感应装置,包括:
信号共模补偿和积分电路、信号转移电路、信号测量电路;
所述信号共模补偿和积分电路包括积分电容Ci及其开关阵列,运算放大电路,采样电容Cx及其开关阵列,所述运算放大电路的负输入端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第一端a1、所述采样电容Cx及其开关阵列的第一端b1,所述运算放大电路的输出端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第二端a2、所述采样电容Cx及其开关阵列的第二端b2,所述运算放大电路的正输入端连接参考电压源RefRx,所述运算放大电路的负输入端还连接外部电容传感器TSP;
所述信号转移电路复用所述采样电容Cx及其开关阵列;所述采样电容Cx及其开关阵列的第三端b3和第四端b4连接所述参考电压源RefRx,第五端b5连接所述信号测量电路的第一端;
所述信号测量电路的第二端连接所述参考电压源RefRx。
此外,外部电容传感器TSP可以由驱动电路提供驱动信号。
由此,本发明提出的快速电容感应装置可以将前期外部电容传感器信号复位、预处理(共模量补偿)和采样与后期的电容信号测量独立开来,使之能够并行进行。
实施例2
本实施例2可以是在实施例1的基础上进一步完善,相同或相似部分省略其描述。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。具体的,本实施例包括:
请具体参考图3,所述运算放大电路包括第一运算放大器opa1,所述第一运算放大器的正输入端即运算放大电路的正输入端,所述第一运算放大器的负输入端连接开关Sinn的第一端,开关Sinn的第二端即运算放大电路的负输入端,所述第一运算放大器的输出端即运算放大电路的输出端,开关Swresi跨接在所述运算放大器的负输入端和输出端之间,开关Sresi跨接在所述开关Sinn的第二端和所述运算放大器的输出端之间。
所述采样电容Cx及其开关阵列包括采样电容Cx,设置在采样电容Cx第一端的开关SxL、ScomL、SmL,设置在采样电容Cx第二端的开关SxR、ScomR、SmR;开关SxL实现采样电容Cx与开关Sinn的第二端的连接,开关SxR实现采样电容Cx与第一运算放大器opa1输出端opo1的连接,开关ScomL和ScomR实现所述参考电压源RefRx施加在采样电容Cx的两端。
所述采样电容Cx可以作为第一级积分器的一部分,用于取样比例积分电荷。
所述积分电容Ci及其开关阵列包括积分电容Ci,设置在积分电容Ci第一端的开关SiL、S0L,设置在积分电容Ci第二端的开关SiR、S0R,开关SiL实现积分电容Ci与开关Sinn的第二端的连接,开关SiR实现积分电容Ci与第一运算放大器opa1输出端的连接,开关S0L和S0R实现积分电容Ci的两端接地。
其中,Cx=k0*Ci,0<k0<1。
第一运算放大器opa1的积分电容为Ci+Cx,可以复用的补偿电容为Ci,开关Sresi用作复位开关,开关Swresi用作复位及状态维持开关。
所述信号测量电路包括第二运算放大器opa2,积分电容Cmea(measure cap,主要做测量用)和开关Sresm皆跨接在所述第二运算放大器opa2的负输入端和输出端opo2,所述第二运算放大器opa2的负输入端还连接开关SmL和SmR的第二端(即采样电容Cx及其开关阵列的第五端b5),所述第二运算放大器opa2的负输入端为所述信号测量电路的第一端,所述第二运算放大器opa2的输出端连接ADC,所述第二运算放大器opa2的正输入端连接所述参考电压源RefRx,并作为所述信号测量电路的第二端。
其中,Cmea=k1*Cx, 0<k1<1。
第二运算放大器opa2的积分电容为Cmea,开关Sresm用作复位开关。
本实施例中复用积分放大器opa1对积分电容Ci预充电,典型补偿电荷量为VRefRx*Ci,VRefRx为所述参考电压源RefRx的电压值。节省了传统电容感应装置补偿电容的充电时间,可以降低电容感应装置的功耗,而且降低了电容感应装置的复杂度和成本。
外部电容传感器TSP可以包括电容Cptx、Cprx、Cm+ΔCm,例如,电容Cm可以是外部电容传感器形成的互电容,即常说的sensor mutual cap(传感器互电容),可以理解的是,这里示意的是TSP的模型,并非限于这样的结构。
其中,外部电容传感器TSP接收从芯片的发射端TX发射出的激励信号VTX,经过调制后,被接收端RX接收。
实施例3
本实施例3可以是在实施例1或实施例2的基础上进一步完善,相同或相似部分省略其描述。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。具体的,本实施例包括:
请参考图3,还包括补偿驱动电压源VCOM,连接在积分电容Ci及其开关阵列的第三端a3和第四端a4。
所述积分电容Ci及其开关阵列还包括设置在积分电容Ci第一端的开关S1L,设置在积分电容Ci第二端的开关S1R,所述开关S1L和S1R实现补偿驱动电压源VCOM对积分电容Ci的预充电。
采用补偿驱动电压源VCOM对积分电容预充电,典型补偿电荷量为VCOM*Ci,可见,采用补偿驱动电压源VCOM对积分电容预充电,补偿范围可以更为灵活。
补偿驱动电压源VCOM可以是任何一个恒定的电压源,只要其精确稳定,适中驱动能力即可,可以是一个模拟缓冲器的输出,或者是一个LDO的输出等等。
实施例4
本实施例4可以是在实施例1、实施例2或实施例3的基础上进一步完善,相同或相似部分省略其描述。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。具体的,本实施例包括:
请参考图3,所述的快速电容感应装置还包括电流补偿电路,连接所述运算放大电路的负输入端和外部电容传感器。
具体的,所述电流补偿电路包括电流源Icm0和Icm1,分别通过开关Sc0和Sc1连接到开关SRxen和第一运算放大器opa1的负输入端,所述开关SRxen连接至外部电容传感器。
如果内部电容不足以补偿外部电容传感器的共模量,那么就需要配置电流源进行共模量补偿,否则,可不用开启电荷补偿电流源。
实施例5
本实施例提供一种电容信号检测方法,可以是在实施例1~4的基础上进一步实现,也可以不局限于本发明所记载的快速电容感应装置。具体的,本实施例的方法包括:
(1)复位和预充电过程,在外部电容传感器的复位期间,同时对积分电容Ci预充电;
(2)共模补偿及积分阶段,积分电容Ci上的预充电荷可用作外部电容传感器的电荷补偿,调整积分电容Ci所连接开关阵列的开关顺序,使得积分电容Ci能够以更高的电压差对外部电容传感器进行电荷分享;
(3)电荷转移及正电荷预充过程,总电荷量的一部分通过信号转移电路中采样电容Cx及其开关阵列和信号测量电路转换成电压信号输出至ADC,在采样电容Cx进行电荷转移的同时,积分电容Ci又进入电荷预充阶段,同时运算放大电路进入复位外部电容传感器阶段。
实施例6
本实施例可以是在实施例5的基础上进一步实现。具体的,请参考图4-图6,本实施例的方法包括:
(1)复位和预充电过程,在外部电容传感器的复位期间,同时对积分电容Ci预充电;在此过程中,请参考图4,开关SRxen、Sresi、Swresi、Sinn、SiR、S0L、SxL、SxR、Sresm 闭合,其余开关断开。
(2)共模补偿及积分阶段,积分电容Ci上的预充电荷可用作外部电容传感器的电荷补偿,调整积分电容Ci所连接开关阵列的打开和关闭顺序,使得积分电容Ci能够以更高的电压差对外部电容传感器进行电荷分享;例如在此过程中,请参考图5,开关SRxen、Sinn、SiR、SiL、SxL、SxR、Sresm闭合,其余开关断开。
利用电容两端电压不能突变的特性,在对补偿电容Ci进行预充电后,在进行电容补偿时,通过改变Ci_right端的开关连接方式,提升了Ci_left端的高电位或者降低Ci_left端的低电位,使得电容Ci能够以更高的电压差对外部电容传感器进行电荷分享,加快了外部电容的补偿速度,使得电容补偿时间大大缩短,由于电容补偿时间是信号积分的一部分,节省了电容补偿时间相当于缩短了信号积分时间,该项设计同样使得电容感应装置的扫描频率能够得以提升。可见,本发明所提到的利用更高的补偿电容压差,进而实现更快的补偿速度的思想可以通过切换补偿电容所连接开关的断开、闭合状态很方便实现。
(3)电荷转移及正电荷预充过程,总电荷量的一部分通过信号转移电路中采样电容Cx及其开关阵列和信号测量电路-转换成电压信号-输出至ADC,在采样电容Cx进行电荷转移的同时,积分电容Ci又进入电荷预充阶段,同时运算放大电路进入复位外部电容传感器阶段。例如在此过程中,请参考图6,开关SRxen、Sresi、Swresi、Sinn、SiL、S0R、ScomL、SmR闭合,其余开关断开。
本发明在信号积分完成后,不同于传统电容感应装置把电荷放大器的输出电压直接送给ADC,而是取总电荷量的一部分通过一个电荷缓冲/放大器转成一个信号电压送给后续ADC处理。在采样电容Cx进行电荷转移的同时,积分电容Ci又可以进入电荷预充阶段,同时第一运算放大器opa1进入复位外部电容传感器阶段。也就是本发明提出的电容感应装置可以将前期外部传感器电容信号复位、预处理(共模量补偿)和采样与后期的电容信号测量动作独立开来,使之能够并行执行。新的电容感应装置扫描周期时间构成由传统的(Trst+Tpreg+Tcomp+Tint+Tmea)变成(Trst +Tcomp+Tint),从而大幅提升了电容感应装置的扫描频率。其中:Trst、Tpreg、Tcomp、Tint、Tmea分别是复位时间、预充电时间、信号共模补偿时间、信号积分时间和信号测量时间。
本发明实施例所阐述的整个电容感应装置工作过程,各个开关的工作时序是需要仔细控制的,所描述的开关闭合和断开状态只是某个工作阶段的典型工作状态,不代表该状态会一直持续并维持。
本实施例阐述的是一种高电平脉冲激励源以及部分低电平脉冲激励源进行电容感应所需要执行的动作,低电平脉冲激励源后续动作如本发明的前述思想所表述,只需重复:复位、补偿,积分,比例电荷转移,信号测量和转换的过程即可。
另外,本发明提出的通过采样电容Cx采样比例电荷,并将采样电容Cx上的电荷转移到积分电容Cmea的思想,由于只采样了一定比例的电荷,不会造成测量积分器的输出饱和,那么可以多次转移采样电荷后再利用ADC进行信号转换,这样不仅会降低对ADC采样速度的要求,还可能会平均电路内部的同相噪声。
在一些情况下,在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外,在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中,多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
Claims (10)
1.一种快速电容感应装置,其特征在于,包括:
信号共模补偿和积分电路,信号转移电路,信号测量电路;
所述信号共模补偿和积分电路包括积分电容Ci及其开关阵列、运算放大电路、采样电容Cx及其开关阵列,所述运算放大电路的负输入端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第一端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第一端,所述运算放大电路的输出端同时连接所述积分电容Ci及其开关阵列的第二端、所述采样电容Cx及其开关阵列的第二端,所述运算放大电路的正输入端连接参考电压源RefRx,所述运算放大电路的负输入端还连接外部电容传感器;
所述信号转移电路复用所述采样电容Cx及其开关阵列;所述采样电容Cx及其开关阵列的第三端和第四端连接所述参考电压源RefRx,第五端连接所述信号测量电路的第一端;
所述信号测量电路的第二端连接所述参考电压源RefRx。
2.根据权利要求1所述的快速电容感应装置,其特征在于:所述运算放大电路包括第一运算放大器opa1,所述第一运算放大器的正输入端即运算放大电路的正输入端,所述第一运算放大器的负输入端连接开关Sinn的第一端,开关Sinn的第二端即运算放大电路的负输入端,所述第一运算放大器的输出端即运算放大电路的输出端,开关Swresi跨接在所述运算放大器的负输入端和输出端之间,开关Sresi跨接在所述开关Sinn的第二端和所述运算放大器的输出端之间。
3.根据权利要求2所述的快速电容感应装置,其特征在于:所述采样电容Cx及其开关阵列包括采样电容Cx,设置在采样电容Cx第一端的开关SxL、ScomL、SmL,设置在采样电容Cx第二端的开关SxR、ScomR、SmR;开关SxL实现采样电容Cx与开关Sinn的第二端的连接,开关SxR实现采样电容Cx与第一运算放大器opa1输出端的连接,开关ScomL和ScomR实现所述参考电压源RefRx施加在采样电容Cx的两端,开关ScomL和ScomR实现采样电容Cx与信号测量电路的第二运算放大器opa2负输入端相连。
4.根据权利要求2所述的快速电容感应装置,其特征在于:所述积分电容Ci及其开关阵列包括积分电容Ci,设置在积分电容Ci第一端的开关SiL、S0L,设置在积分电容Ci第二端的开关SiR、S0R,开关SiL实现积分电容Ci与开关Sinn的第二端的连接,开关SiR实现积分电容Ci与第一运算放大器opa1输出端的连接,开关S0L和S0R实现积分电容Ci的两端接地。
5.根据权利要求4所述的快速电容感应装置,其特征在于:还包括补偿驱动电压源VCOM,连接在积分电容Ci及其开关阵列的第三端和第四端。
6.根据权利要求5所述的快速电容感应装置,其特征在于:所述积分电容Ci及其开关阵列还包括设置在积分电容Ci第一端的开关S1L,设置在积分电容Ci第二端的开关S1R,所述开关S1L和S1R实现补偿驱动电压源VCOM对积分电容Ci的预充电。
7.根据权利要求3所述的快速电容感应装置,其特征在于:所述信号测量电路包括所述第二运算放大器opa2,积分电容Cmea和开关Sresm皆跨接在所述第二运算放大器opa2的负输入端和输出端,所述第二运算放大器opa2的输出端连接ADC,所述第二运算放大器opa2的正输入端连接所述参考电压源RefRx,所述第二运算放大器opa2的负输入端还连接开关SmL和SmR的第二端。
8.根据权利要求2所述的快速电容感应装置,其特征在于:还包括电流补偿电路,连接所述运算放大电路的负输入端和外部电容传感器。
9.根据权利要求8所述的快速电容感应装置,其特征在于:所述电流补偿电路包括电流源Icm0和Icm1,分别通过开关Sc0和Sc1连接到开关SRxen和第一运算放大器opa1的负输入端,所述开关SRxen连接至外部电容传感器。
10.一种电容信号检测方法,其特征在于,包括:
(1)复位和预充电过程,在外部电容传感器的复位期间,同时对积分电容Ci预充电;
(2)共模补偿及积分阶段,积分电容Ci上的预充电荷可用作外部电容传感器的电荷补偿,调整积分电容Ci所连接开关阵列的打开和关闭顺序,使得积分电容Ci能够以更高的电压差对外部电容传感器进行电荷分享;
(3)电荷转移及正电荷预充过程,总电荷量的一部分通过信号转移电路中采样电容Cx及其开关阵列和信号测量电路转换成电压信号输出至ADC,在采样电容Cx进行电荷转移的同时,积分电容Ci又进入电荷预充阶段,同时运算放大电路进入复位外部电容传感器阶段。
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