CN112986694A - 一种电流注入补偿电容检测电路及方法 - Google Patents

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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

Abstract

本发明属于微电子技术邻域，公开了一种电流注入补偿电容检测电路及方法，电流注入补偿电容检测电路包括：时钟控制电路，生成时钟控制信号，控制电路中所有开关即S1、S2、S3、S4、S5、S6的闭合状态；电容检测电路，其中电容电压转换电路将待测电容或电路中寄生电容的容值转换成模拟电压信号，模数转换器电路将模拟电压信号转换为N位数字信号输出；电流注入补偿电路，利用开关S2控制基准电流源电路向电容电压转换电路注入合适时间的电流，用以消除电路中寄生电容对待测电容的影响；本发明提出了基于时间可调的电流注入补偿的电容检测电路，消除电路中寄生电容对检测电容的影响，提高电路的检测精度、抗干扰能力。

Description

一种电流注入补偿电容检测电路及方法
技术领域
本发明属于微电子技术邻域，尤其涉及一种电流注入补偿电容检测电路及方法。
背景技术
目前，很多电子产品均采用触摸屏作为信息输入设备以实现人与电子产品的交互，例如，手机、平板、智能手表、GPS(全球定位系统)、PMP(MP3，MP4等)等。触摸屏由于具有触控操作简单、便捷、可定制等特点被广泛应用于各种便携式设备中。随着人们对便携式电子设备的需求不断提高，对触摸屏技术也提出了更高的需求。现有技术中，通常采用检测触摸屏中感应电容形成的自电容的变化情况来判断感应单元是否被触摸，因此，如何精确检测触摸屏中自电容在被触摸时的变化十分重要，即对电容检测电路的精度提出了更高的要求。
传统的电容式触摸感应检测技术一般将电容放置于振荡器中，通过检测振荡器频率的变化来判断电容值的变化。基本原理为：当电容式触摸屏没有被触摸时，振荡器会有一个固定的充放电周期，当电容式触摸屏被触摸时，电路中电容会增大，导致振荡器的周期变长，通过检测振荡器周期的变化及变化情况可以判断电容式触摸屏是否被触摸。然而，该检测方法容易受到外界的干扰，同时检测精度和稳定性比较差。
在实际电路中使用最多的是利用电容电压转换原理检测电容，利用电容中存储的电荷与两极板间电压差的关系以及电荷守恒原理，可将电容值转换成模拟电压信号，该技术具有原理简单、易实现等优点，但易受到外界环境干扰。这种检测技术仅适合容性变化范围较大的场合，另外电路中等效寄生电容也会对电容检测电路的结果造成一定的误差。
有鉴于此，如今需要设计一种新的电容检测电路，以便克服现有电容检测电路的上述缺陷，尤其是电路中寄生电容对检测结果造成的影响。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)传统的电容式触摸感应检测技术通过检测振荡器频率的变化来判断电容值的变化，易受到外界的干扰，并且检测精度和稳定性比较差。
(2)现有技术中使用最多的是利用电容电压转换原理检测电容，易受到外界环境干扰；这种检测技术仅适合容性变化范围较大的场合，另外电路中等效寄生电容也会对电容检测电路的结果造成一定的误差。
(3)电路中寄生电容的容值数量级一般在pF级，而待测电容一般是0～1pF，因此寄生电容对待测电容的产生较大的影响；
(4)若未消除寄生电容，则电容电压转换电路将待测电容和寄生电容转换成模拟电压，再经模数转换器电路转换成对应的N位数字信号，其中由于寄生电容容值大于待测电容，因此数字信号中大部分的范围都被寄生电容转换成对应的电压值所占据，增加了模数转换器的设计难度。
解决以上问题及缺陷的难度为：
针对上述问题，只有先消除寄生电容的影响后，才能更好地检测待测电容的值。因而本发明提出了一种电流注入补偿电容检测的方法来消除寄生电容的影响。
难度：不同芯片或电路中寄生电容值各不相同，因此需要一种时间可调的电流注入补偿方法，以消除不同容值的寄生电容对检测结果的影响。
所以本发明提出一种时间可调的电流注入补偿检测电路。
解决以上问题及缺陷的意义为：提高了电容测量的动态范围和精度，降低了模数转换器的设计难度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电流注入补偿电容检测电路及方法。本发明具有较好的抗干扰能力、准确的检测电容；同时本发明具有更高的精度、更低的功耗、更快的响应速度。此外，本发明还揭示了一种电流注入补偿电路，可以消除电路中寄生电容对最终检测结果造成的影响。
本发明是这样实现的，一种电流注入补偿电容检测电路，所述电流注入补偿电容检测电路，包括：
生成时钟控制信号，控制电路中所有开关，即S1、S2、S3、S4、S5、S6的闭合状态的时钟控制电路；
将待测电容或电路中寄生电容的容值转换成模拟电压信号的电容电压转换电路；
利用开关S2控制基准电流源电路向电容检测电路注入合适时间的电流，用以消除电路中寄生电容对待测电容的影响的电流注入补偿电路；
将模拟电压信号转换为N位数字信号输出的模数转换器电路。
进一步，所述电容检测电路中，待测电容Cin第一端分别连接地、虚拟等效寄生电容Cp第一端、开关S3第一端；第二端与开关S1第一端相接；
开关S1第二端分别与虚拟等效寄生电容Cp第二端、开关S3第二端、开关S4第一端相连。
进一步，所述虚拟等效寄生电容Cp第一端分别连接地、开关S3第一端；第二端分别与开关S1第二端、开关S4第一端相连接；开关S3第一端与地相连，第二端与开关S4第一端相连。
进一步，所述开关S4第二端与已知电容Cfb第一端连接，已知电容Cfb第一端分别与放大器负向端、开关S5第一端相连，第二端分别与开关S5第二端、放大器输出端相连；
放大器正向端与已知电压V+相连，输出端与开关S6第一端相连；开关S6第二端与模数转换器电路相连，模数转换器将模拟电压信号转换成N位数字信号输出。
进一步，所述电流注入补偿电路包括开关S2、基准电流源电路；
电流注入补偿电容检测电路3中，待测电容Cin第一端分别连接地、虚拟等效寄生电容Cp第一端、开关S3第一端，第二端与开关S1第一端相接；
开关S1第二端分别与开关S3第二端、开关S2第一端、开关S4第一端相连；电路中虚拟等效寄生电容Cp第一端分别连接地、开关S3第一端，第二端分别与开关S1第二端、开关S4第一端、开关S2第一端相连接；
开关S3第一端与地相连，第二端分别与开关S2第一端、开关S4第一端相连；开关S2第一端与开关S4第一端相连，第二端与基准电流源电路相连；
已知电容Cfb第一端分别与放大器负向端、开关S4第二端、开关S5第一端相连，第二端分别与开关S5第二端、放大器输出端、开关S6第一端相连；
放大器正向端与已知电压V+相连；放大器输出端与开关S6第一端相连；开关S6第二端与模数转换器电路相连，模数转换器将模拟电压信号转换成N位数字信号输出。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述电流注入补偿电容检测电路的电流注入补偿电容检测方法，所述电流注入补偿电容检测方法，包括：
步骤一，电容检测电路检测寄生电容CP；
步骤二，电流注入补偿电路补偿寄生电容CP产生的电荷；
步骤三，电容检测电路检测待测电容Cin。
进一步，所述步骤一中，电容检测电路检测寄生电容CP的具体过程为：
首先，时钟控制电路控制开关S1、S4断开，开关S3、S5闭合，虚拟等效寄生电容Cp和基准电容Cfb放电；其次，时钟控制电路控制开关S1、S3、S5断开，开关S4闭合，由电荷守恒的原理可得到寄生电容Cp的容值对应的模拟电压信号，此时，开关S6闭合，ADC电路将该模拟电压信号转换成对应的N位数字信号。
进一步，所述步骤二中，电流注入补偿电路补偿寄生电容CP产生的电荷的过程为：时钟控制电路根据寄生电容Cp对应的N位数字信号的值以及公式CV＝IT可计算出基准电流源补偿时间T；
时钟控制电路可确定开关S2的导通时间，并生成对应的时钟控制信号，该信号可控制开关S2闭合情况即控制基准电流源补偿时间；基准电流源选择合适的补偿时间T即可抵消电路中寄生电容产生的电荷值。
进一步，所述步骤三中，电容检测电路检测待测电容Cin具体操作过程为：
首先，所述时钟控制电路控制开关S4断开，开关S1、S3、S5闭合，此时，待测电容Cin接入电路，且和电路中虚拟等效寄生电容CP并联，开关S2闭合，基准电流源对待测电容Cin、虚拟的电路中寄生电容Cp充电；
其次，时钟控制电路控制开关S2、S3、S5断开，开关S1、S4闭合，基准电流源停止充电，由电荷守恒可得到电容电压转换电路输出端对应的模拟电压信号；时钟控制电路控制开关S6闭合，ADC电路将该模拟电压信号转换成对应的N位数字信号，由于第一步得到了寄生电容Cp的容值对应的N位数字信号，以及第二步消除了寄生电容Cp的影响，可计算出待测电容Cin的容值对应的N位数字信号即可得到待测电容Cin的容值。
进一步，所述电流注入补偿电容检测方法，具体过程为：
(1)检测电路中寄生电容Cp的值，此时开关S1断开，待测电容Cin未接入电路；具体操作过程为：首先，开关S1、S4断开，开关S3、S5闭合，虚拟寄生电容Cp和基准电容Cfb放电，此时，电路中电容存储的电荷值
Q1＝(VX-VGND)·Cp+(VY-Vout)·Cfb；
由于运算放大器增益较大，可近似看做理想运算放大器，由于“虚短”“虚断”可推出，VY＝V+，Vout＝VY，VX＝0，可根据电荷守恒推出输出电压Vout＝V+，此时Q＝0；
接下来，开关S1、S3、S5断开，开关S4闭合，此时，电路中电容存储的电荷值Q2＝(VX-VGND)·Cp+(VY-Vout)·Cfb；
此时，VX＝VY＝V+，由电荷守恒可知Q1＝Q2，可推出，
Figure BDA0002940208220000051
开关S6闭合，模数转换器电路将对电容检测电路的输出电压Vout采样，并将模拟电压信号Vout转换成对应的N位数字信号，由于已知运算放大器正端输入电压V+和基准电容Cfb的值，可由该N位数字信号计算出电路中寄生电容Cp的值；
(2)确定补偿时间，接入基准电流源以补偿电路中寄生电容Cp产生的电荷
由于寄生电容容值Cp与经过模数转换器电路转换对应的N位数字信号成正比，该数字信号被存储在寄存器中，并传输至时钟控制电路；所述时钟控制电路主要包括环形振荡器电路、N位计数器电路、触发器电路、异或门电路；所述环形振荡器电路可生成频率为f＝1/t0的时钟信号，记为CLK_T，该信号作为计数器的输入控制时钟，具体流程为，N位计数器均为“1”，当N位计数器开始计数，每个CLK_T的时钟上升沿到来时减“1”，由于已知寄生电容Cp对应的N位数字信号，该N位数字信号与计数器每一位进行比较，当每一位均相同时，生成控制信号CON，此时触发器电路对其进行采样得到计数结束信号记为G_n，该信号作为计数器的复位信号；
计数开始信号记为G_0，将信号G_0与信号G_n异或可得到补偿时间信号T_C，具体补偿过程为：当计数开始信号G_0到来时，时钟控制电路控制开关S2闭合，基准电流源注入补偿电流Iref对寄生电容CP充电，当计数结束信号G_n到来时，时钟控制电路控制开关S2断开，电流注入补偿结束；
(3)检测电路中待测电容Cin，此时开关S1闭合，待测电容Cin接入电路；
开关S1、S3、S5闭合，开关S4断开，待测电容Cin接入电路，且和电路中虚拟寄生电容Cp并联；开关S2闭合，基准电流源对待测电容Cin、虚拟的电路中寄生电容Cp充电，设定充电时间为T，此时基准电容Cfb两端被短接，Vout＝V+，电路电荷值为：Q3＝Iref·T；
开关S2、S3、S5断开，开关S1、S4闭合,基准电流源停止充电，电路电荷值为：Q4＝V+·(Cin+CP)+(V+-Vout)·Cfb；
根据电荷守恒可推出：
Figure BDA0002940208220000061
选择合适的充电时间T可使V+·CP＝Iref·T，即可消除电路中寄生电容CP，此时有：
Figure BDA0002940208220000071
该式中没有寄生电容CP项，可认为已经消除了寄生电容CP对待测电容Cin的影响，同时，已知基准电容Cfb电容值，基准电流源Iref电流值，而当开关S6闭合，模数转换器将Vout模拟电压信号值转换对应的N位数字信号，因此，根据该N位数字信号及已知量可计算出待测电容Cin的对应的N位数字信号即可推出待测电容Cin的电容值。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明利用电荷守恒原理实现了电容到电压的转换，原理简单，可实施性高；采用ADC电路将模拟电压信号转换成数字信号，提高了转换精度、转换速度，降低了成本，便于集成；根据寄生电容Cp对应的精确的N位数字信号确定电流注入补偿的时间，能够消除寄生电容对待测电容Cin的影响，准确得到待测电容Cin的值，提高了检测精度。
在传统的电容检测电路中，电路中寄生电容会对检测电容的结果造成影响，本发明提出了基于时间可调的电流注入补偿的电容检测电路，可消除电路中寄生电容对检测电容的影响，提高了电路的检测精度、抗干扰能力。具体的，电流注入补偿的电容检测电路包括时钟控制电路、电容检测电路、电流注入补偿电路。其中，电容检测电路用以检测电容；电流注入补偿电路向电容检测电路注入合适时间的电流可抵消电路中寄生电容Cp产生的电荷值，从而消除了寄生电容Cp对待测电容Cin造成的影响；本发明提出的电流注入补偿电容检测电路具有更高的精度、更低的功耗。
对比的技术效果或者实验效果。包括：
本发明了公开了一种电流注入补偿电容检测电路及方法，基于CMOS工艺实现该电路，最终测量精度达到1fF，适当修改电路相关参数可提高测量精度和测量范围。
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做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例提供的电流注入补偿电容检测电路原理框图。
图2是本发明实施例提供的电流注入补偿电容检测方法流程图。
图3是本发明实施例提供的时钟控制电路原理框图。
图4是本发明实施例提供的时钟控制电路时序图。
图5是本发明实施例提供的电容检测电路原理框图。
图6是本发明实施例提供的电流注入补偿电容检测电路原理图。
图中：1、时钟控制电路；2、电容电压转换电路；3、电流注入补偿电路；4、模数转换器电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电流注入补偿电容检测电路及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1、图5和图6所示，本发明实施例提供的电流注入补偿电容检测电路包括：时钟控制电路1，电容电压转换电路2，电流注入补偿电路3，模数转换器电路(ADC)4，开关S1、S2、S3、S4、S5、S6；
时钟控制电路1，生成时钟控制信号，控制电路中所有开关即S1、S2、S3、S4、S5、S6的闭合状态。
电容电压转换电路2，将待测电容或电路中寄生电容的容值转换成模拟电压信号。
电流注入补偿电路3，利用开关S2控制基准电流源电路向电容检测电路注入合适时间的电流，消除电路中寄生电容对待测电容的影响。
模数转换器电路4，将模拟电压信号转换为N位数字信号输出。
本发明实施例提供的电容检测电路2中，待测电容Cin第一端分别连接地、虚拟等效寄生电容Cp第一端、开关S3第一端，第二端与开关S1第一端相接；开关S1第二端分别与虚拟等效寄生电容Cp第二端、开关S3第二端、开关S4第一端相连；电路中虚拟等效寄生电容Cp第一端分别连接地、开关S3第一端，第二端分别与开关S1第二端、开关S4第一端相连接；开关S3第一端与地相连，第二端与开关S4第一端相连；已知电容Cfb第一端分别与放大器负向端、开关S4第二端、开关S5第一端相连，第二端分别与开关S5第二端、放大器输出端相连；放大器正向端与已知电压V+相连，输出端与开关S6第一端相连；开关S6第二端与模数转换器电路相连；模数转换器将模拟电压信号转换成N位数字信号输出。
在电容检测电路基础上，加入电流注入补偿电路；电流注入补偿电路包括开关S2、基准电流源电路；时钟控制电路根据寄生电容值对应的N位数字信号生成对应的控制信号，该信号控制开关S2，确定电流注入补偿电路接入电容检测电路的补偿时间；
本发明实施例提供的电流注入补偿电容检测电路3中，待测电容Cin第一端分别连接地、虚拟等效寄生电容Cp第一端、开关S3第一端，第二端与开关S1第一端相接；开关S1第二端分别与开关S3第二端、开关S2第一端、开关S4第一端相连；电路中虚拟等效寄生电容Cp第一端分别连接地、开关S3第一端，第二端分别与开关S1第二端、开关S4第一端、开关S2第一端相连接；开关S3第一端与地相连，第二端分别与开关S2第一端、开关S4第一端相连；开关S2第一端与开关S4第一端相连，第二端与基准电流源电路相连；已知电容Cfb第一端分别与放大器负向端、开关S4第二端、开关S5第一端相连，第二端分别与开关S5第二端、放大器输出端、开关S6第一端相连；放大器正向端与已知电压V+相连；放大器输出端与开关S6第一端相连；开关S6第二端与模数转换器电路相连；模数转换器将模拟电压信号转换成N位数字信号输出。
如图2所示，本发明实施例提供的电流注入补偿电容检测方法，包括：
S101：电容检测电路检测寄生电容CP。时钟控制电路控制开关将等效寄生Cp接入电容电压转换电路中，根据电荷守恒原理，电容电压转换电路可得到寄生电容Cp对应的模拟电压信号，并传输至ADC电路，ADC电路将该模拟电压信号转换成对应的N位数字电压信号。
S102：电流注入补偿电路补偿寄生电容CP产生的电荷。时钟控制电路控制开关，将电流注入补偿电路接入电容检测电路中，并根据寄生电容Cp对应的N位数字信号确定电流注入补偿的时间，选择合适的时间可消除电路中寄生电容Cp的影响。
S103：电容检测电路检测待测电容Cin。时钟控制电路控制开关，将待测电容Cin接入电容电压转换电路中，由电荷守恒原理可推出待测电容Cin对应的模拟电压信号，并传输至ADC电路得到与之对应的N位数字电压信号，由于已经消除了电路中寄生电容的影响，可准确得到待测电容Cin的电容值。
本发明实施例提供的S101中，电容检测电路检测寄生电容CP的具体过程为：
首先，时钟控制电路控制开关S1、S4断开，开关S3、S5闭合，虚拟等效寄生电容Cp和基准电容Cfb放电；其次，时钟控制电路控制开关S1、S3、S5断开，开关S4闭合，由电荷守恒的原理可得到寄生电容Cp的容值对应的模拟电压信号，此时，开关S6闭合，ADC电路将该模拟电压信号转换成对应的N位数字信号。
本发明实施例提供的S102中，电流注入补偿电路补偿寄生电容CP产生的电荷的过程为：时钟控制电路根据寄生电容Cp对应的N位数字信号的值以及公式CV＝IT可计算出基准电流源补偿时间T；
时钟控制电路可确定开关S2的导通时间，并生成对应的时钟控制信号，该信号可控制开关S2闭合情况即控制基准电流源补偿时间；基准电流源选择合适的补偿时间T即可抵消电路中寄生电容产生的电荷值。
本发明实施例提供的S103中，电容检测电路检测待测电容Cin具体操作过程为：
首先，所述时钟控制电路控制开关S4断开，开关S1、S3、S5闭合，此时，待测电容Cin接入电路，且和电路中虚拟等效寄生电容CP并联，待测电容Cin、寄生电容Cp和基准电容Cfb放电；
其次，时钟控制电路控制开关S2、S3、S5断开，开关S1、S4闭合，基准电流源停止充电，由电荷守恒可得到电容电压转换电路输出端对应的模拟电压信号；时钟控制电路控制开关S6闭合，ADC电路将该模拟电压信号转换成对应的N位数字信号，由于第一步得到了寄生电容Cp的容值对应的N位数字信号，以及第二步消除了寄生电容Cp的影响，可计算出待测电容Cin的容值对应的N位数字信号即可得到待测电容Cin的容值。
在本发明中，图3是本发明实施例提供的时钟控制电路原理。图4是本发明实施例提供的时钟控制电路时序。图5是本发明实施例提供的电容检测电路原理。
如图6所示，本发明实施例提供的电流注入补偿电容检测电路，具体推导过程如下：
(1)检测电路中寄生电容Cp的值，此时开关S1断开，待测电容Cin未接入电路。具体操作过程为：首先，开关S1、S4断开，开关S3、S5闭合，虚拟寄生电容Cp和基准电容Cfb放电，此时，电路中电容存储的电荷值
Q1＝(VX-VGND)·Cp+(VY-Vout)·Cfb；
由于运算放大器增益较大，可近似看做理想运算放大器，由于“虚短”“虚断”可推出，VY＝V+，Vout＝VY，VX＝0，可根据电荷守恒推出输出电压Vout＝V+，此时Q＝0。
接下来，开关S1、S3、S5断开，开关S4闭合，此时，电路中电容存储的电荷值Q2＝(VX-VGND)·Cp+(VY-Vout)·Cfb；
此时，VX＝VY＝V+，由电荷守恒可知Q1＝Q2，可推出，
Figure BDA0002940208220000121
开关S6闭合，模数转换器电路将对电容检测电路的输出电压Vout采样，并将模拟电压信号Vout，转换成对应的N位数字信号，由于已知运算放大器正向端输入电压V+和基准电容Cfb的值，可由该N位数字信号计算出电路中寄生电容Cp的值。
(2)确定补偿时间，接入基准电流源以补偿电路中寄生电容Cp产生的电荷。
由于寄生电容容值Cp与经过模数转换器电路转换对应的N位数字信号成正比，该数字信号被存储在寄存器中，并传输至时钟控制电路。所述时钟控制电路主要包括环形振荡器电路、N位计数器电路、触发器电路、异或门电路。所述环形振荡器电路可生成频率为f＝1/t0的时钟信号，记为CLK_T，该信号作为计数器的输入控制时钟，具体流程为，N位计数器均为“1”，当N位计数器开始计数，每个CLK_T的时钟上升沿到来时减“1”，由于已知寄生电容Cp对应的N位数字信号，该N位数字信号与计数器每一位进行比较，当每一位均相同时，生成控制信号CON，此时触发器电路对其进行采样得到计数结束信号记为G_n，该信号作为计数器的复位信号。
计数开始信号记为G_0，将信号G_0与信号G_n异或可得到补偿时间信号T_C，具体补偿过程为：当计数开始信号G_0到来时，时钟控制电路控制开关S2闭合，基准电流源注入补偿电流Iref对寄生电容CP充电，当计数结束信号G_n到来时，时钟控制电路控制开关S2断开，电流注入补偿结束。
(3)检测电路中待测电容Cin，此时开关S1闭合，待测电容Cin接入电路。具体检测过程为：
开关S1、S3、S5闭合，开关S4断开，待测电容Cin接入电路，且和电路中虚拟寄生电容Cp并联。开关S2闭合，基准电流源对待测电容Cin、虚拟的电路中寄生电容Cp充电，设定充电时间为T，此时基准电容Cfb两端被短接，Vout＝V+，电路电荷值为：Q3＝Iref·T；
开关S2、S3、S5断开，开关S1、S4闭合,基准电流源停止充电，电路电荷值为：Q4＝V+·(Cin+CP)+(V+-Vout)·Cfb；
根据电荷守恒可推出：
Figure BDA0002940208220000131
选择合适的充电时间T可使V+·CP＝Iref·T，即可消除电路中寄生电容CP，此时有：
Figure BDA0002940208220000132
该式中没有寄生电容CP项，可认为已经消除了寄生电容CP对待测电容Cin的影响，同时，已知基准电容Cfb电容值，基准电流源Iref电流值，而当开关S6闭合，模数转换器将Vout模拟电压信号值转换对应的N位数字信号，因此，根据该N位数字信号及已知量可计算出待测电容Cin的对应的N位数字信号即可推出待测电容Cin的电容值。
综上，本发明提出的电流注入补偿电容检测电路可以精确地测量出待测电容Cin的电容值并消除了电路中寄生电容CP对测量结果的影响，提高了测量精度。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电流注入补偿电容检测电路，其特征在于，所述电流注入补偿电容检测电路包括：
生成时钟控制信号，控制电路中所有开关，即S1、S2、S3、S4、S5、S6的闭合状态的时钟控制电路；
将待测电容或电路中寄生电容的容值转换成模拟电压信号的电容电压转换电路；
利用开关S2控制基准电流源电路向电容检测电路注入合适时间的电流，用以消除电路中寄生电容对待测电容的影响的电流注入补偿电路；
将模拟电压信号转换为N位数字信号输出的模数转换器电路。
2.如权利要求1所述电流注入补偿电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路中，待测电容Cin第一端分别连接地、虚拟等效寄生电容Cp第一端、开关S3第一端；第二端与开关S1第一端相接；
开关S1第二端分别与虚拟等效寄生电容Cp第二端、开关S3第二端、开关S4第一端相连。
3.如权利要求2所述电流注入补偿电容检测电路，其特征在于，所述虚拟等效寄生电容Cp第一端分别连接地、开关S3第一端；第二端分别与开关S1第二端、开关S4第一端相连接；开关S3第一端与地相连，第二端分别与开关S2第一端、开关S4第一端相连。
4.如权利要求2所述电流注入补偿电容检测电路，其特征在于，所述开关S4第二端与已知电容Cfb第一端连接，已知电容Cfb第一端分别与放大器负向端、开关S5第一端相连，第二端分别与开关S5第二端、放大器输出端相连；
放大器正向端与已知电压V+相连，输出端与开关S6第一端相连；开关S6第二端与模数转换器电路相连，模数转换器将模拟电压信号转换成N位数字信号输出。
5.如权利要求1所述电流注入补偿电容检测电路，其特征在于，所述电流注入补偿电路包括开关S2、基准电流源电路；
电流注入补偿电容检测电路3中，待测电容Cin第一端分别连接地、虚拟等效寄生电容Cp第一端、开关S3第一端，第二端与开关S1第一端相接；
开关S1第二端分别与开关S3第二端、开关S2第一端、开关S4第一端相连；电路中虚拟等效寄生电容Cp第一端分别连接地、开关S3第一端，第二端分别与开关S1第二端、开关S4第一端、开关S2第一端相连接；
开关S3第一端与地相连，第二端分别与开关S2第一端、开关S4第一端相连；开关S2第一端与开关S4第一端相连，第二端与基准电流源电路相连；
已知电容Cfb第一端分别与放大器负向端、开关S4第二端、开关S5第一端相连，第二端分别与开关S5第二端、放大器输出端、开关S6第一端相连；
放大器正向端与已知电压V+相连；放大器输出端与开关S6第一端相连；开关S6第二端与模数转换器电路相连，模数转换器将模拟电压信号转换成N位数字信号输出。
6.一种基于如权利要求1～5任意一项所述电流注入补偿电容检测电路的电流注入补偿电容检测方法，其特征在于，所述电流注入补偿电容检测方法包括：
步骤一，电容检测电路检测寄生电容CP；
步骤二，电流注入补偿电路补偿寄生电容CP产生的电荷；
步骤三，电容检测电路检测待测电容Cin。
7.如权利要求6所述电流注入补偿电容检测方法，其特征在于，所述步骤一中，电容检测电路检测寄生电容CP的具体过程为：
首先，时钟控制电路控制开关S1、S4断开，开关S3、S5闭合，虚拟等效寄生电容Cp和基准电容Cfb放电；其次，时钟控制电路控制开关S1、S3、S5断开，开关S4闭合，由电荷守恒的原理可得到寄生电容Cp的容值对应的模拟电压信号，此时，开关S6闭合，ADC电路将该模拟电压信号转换成对应的N位数字信号。
8.如权利要求6所述电流注入补偿电容检测方法，其特征在于，所述步骤二中，电流注入补偿电路补偿寄生电容CP产生的电荷的过程为：时钟控制电路根据寄生电容Cp对应的N位数字信号的值以及公式CV＝IT可计算出基准电流源补偿时间T；
时钟控制电路可确定开关S2的导通时间，并生成对应的时钟控制信号，该信号可控制开关S2闭合情况即控制基准电流源补偿时间；基准电流源选择合适的补偿时间T即可抵消电路中寄生电容产生的电荷值。
9.如权利要求6所述电流注入补偿电容检测方法，其特征在于，所述步骤三中，电容检测电路检测待测电容Cin具体操作过程为：
首先，所述时钟控制电路控制开关S4断开，开关S1、S3、S5闭合，此时，待测电容Cin接入电路，且和电路中虚拟等效寄生电容CP并联，开关S2闭合，基准电流源对待测电容Cin、虚拟的电路中寄生电容Cp充电，；
其次，时钟控制电路控制开关S2、S3、S5断开，开关S1、S4闭合，基准电流源停止充电，由电荷守恒可得到电容电压转换电路输出端对应的模拟电压信号；时钟控制电路控制开关S6闭合，ADC电路将该模拟电压信号转换成对应的N位数字信号，由于第一步得到了寄生电容Cp的容值对应的N位数字信号，以及第二步消除了寄生电容Cp的影响，可计算出待测电容Cin的容值对应的N位数字信号即可得到待测电容Cin的容值。
10.如权利要求6所述电流注入补偿电容检测方法，其特征在于，所述电流注入补偿电容检测方法，具体过程为：
(1)检测电路中寄生电容Cp的值，此时开关S1断开，待测电容Cin未接入电路；具体操作过程为：首先，开关S1、S4断开，开关S3、S5闭合，虚拟寄生电容Cp和基准电容Cfb放电，此时，电路中电容存储的电荷值
Q1＝(VX-VGND)·Cp+(VY-Vout)·Cfb；
由于运算放大器增益较大，为理想运算放大器，由于“虚短”“虚断”推出，VY＝V+，Vout＝VY，VX＝0，根据电荷守恒推出输出电压Vout＝V+，此时Q＝0；
接下来，开关S1、S3、S5断开，开关S4闭合，此时，电路中电容存储的电荷值Q2＝(VX-VGND)·Cp+(VY-Vout)·Cfb；
此时，VX＝VY＝V+，由电荷守恒可知Q1＝Q2，可推出，
Figure FDA0002940208210000041
开关S6闭合，模数转换器电路将对电容检测电路的输出电压Vout采样，并将模拟电压信号Vout，转换成对应的N位数字信号，由于已知运算放大器正端输入电压V+和基准电容Cfb的值，可由该N位数字信号计算出电路中寄生电容Cp的值；
(2)确定补偿时间，接入基准电流源以补偿电路中寄生电容Cp产生的电荷；
寄生电容容值Cp与经过模数转换器电路转换对应的N位数字信号成正比，该数字信号被存储在寄存器中，并传输至时钟控制电路；所述时钟控制电路主要包括环形振荡器电路、N位计数器电路、触发器电路、异或门电路；所述环形振荡器电路可生成频率为f＝1/t0的时钟信号，记为CLK_T，该信号作为计数器的输入控制时钟，具体流程为，N位计数器均为“1”，当N位计数器开始计数，每个CLK_T的时钟上升沿到来时减“1”，已知寄生电容Cp对应的N位数字信号，该N位数字信号与计数器每一位进行比较，当每一位均相同时，生成控制信号CON，此时触发器电路对其进行采样得到计数结束信号记为G_n，该信号作为计数器的复位信号；
计数开始信号记为G_0，将信号G_0与信号G_n异或可得到补偿时间信号T_C，具体补偿过程为：当计数开始信号G_0到来时，时钟控制电路控制开关S2闭合，基准电流源注入补偿电流Iref对寄生电容CP充电，当计数结束信号G_n到来时，时钟控制电路控制开关S2断开，电流注入补偿结束；
(3)检测电路中待测电容Cin，此时开关S1闭合，待测电容Cin接入电路；
开关S1、S3、S5闭合，开关S4断开，待测电容Cin接入电路，且和电路中虚拟寄生电容Cp并联；开关S2闭合，基准电流源对待测电容Cin、虚拟的电路中寄生电容Cp充电，设定充电时间为T，此时基准电容Cfb两端被短接，Vout＝V+，电路电荷值为：Q3＝Iref·T；
开关S2、S3、S5断开，开关S1、S4闭合，基准电流源停止充电，电路电荷值为：Q4＝V+·(Cin+CP)+(V+-Vout)·Cfb；
根据电荷守恒可推出：
Figure FDA0002940208210000051
选择合适的充电时间T可使V+·CP＝Iref·T，消除电路中寄生电容CP，有：
Figure FDA0002940208210000052
该式中没有寄生电容CP项，已经消除寄生电容CP对待测电容Cin的影响，同时，已知基准电容Cfb电容值，基准电流源Iref电流值，当开关S6闭合，模数转换器将Vout模拟电压信号值转换对应的N位数字信号，根据该N位数字信号及已知量计算出待测电容Cin的对应的N位数字信号即可推出待测电容Cin的电容值。
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