背景技术
电容式触控已成为现今产品的必要功能,而且电容式触控装置为利用电容检测电路来检测作为按键的导体(例如,铜片)与使用者手指间所形成的手指电容。举例来说,请参阅图1,图1是现有电容检测电路的示意图。电容检测电路10可整合于单一芯片中,且其耦接一个微控制器(图1未示)和至少一个被用来实现作为按键的导体,并外挂一个存储电容Cs。为了方便以下说明,图1的电容检测电路10仅采用耦接一个导体12的例子,且电容检测电路10包括开关SW1、开关SW2、开关SW3及电压检测器101。
仔细地说,电容检测电路10是通过节点A耦接导体12,且开关SW1耦接于节点A及存储电容Cs间。开关SW2耦接于节点A及电源电压VDD间,开关SW3则耦接于接地电压GND及存储电容Cs间,且开关SW3和开关SW1共同通过节点B耦接存储电容Cs的第一端,存储电容Cs的第二端则耦接接地电压GND。另外,电压检测器101是由一比较器CP所实现,且比较器CP的正相输入端也耦接于节点B,反相输入端则接收参考电压Vref。
如图1所示,芯片外的感应电容除了手指电容Cf,还有一个主要来自于印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)上的寄生电容Cd,且电容检测电路10的运行方法是先导通开关SW3,使得提供一条放电路径将存储电容Cs的电压Vcs放电至为零的接地电压GND。其次,截止开关SW3并导通开关SW2,使得提供一条充电路径将寄生电容Cd和手指电容Cf的电压Vdf充电至电源电压VDD。
接着,截止开关SW2并导通开关SW1,使得提供一条电荷转移路径将寄生电容Cd和手指电容Cf所存储的电荷转移至存储电容Cs,并再重复地对寄生电容Cd和手指电容Cf进行充电,以及将其所存储的电荷转移至存储电容Cs,或者是说循环地导通开关SW2和开关SW1,直到存储电容Cs的电压Vcs达到参考电压Vref。在此过程中,如果寄生电容Cd和手指电容Cf越大的话,则每次导通开关SW1时所转移至存储电容Cs的电荷就越多,且需要导通开关SW2和开关SW1的循环次数就越少。
然而,因为手指11没有按压导体12时的手指电容Cf为零,但有按压导体12时的手指电容Cf约为0.5pF,使得微控制器可根据导通开关SW2和开关SW1的循环次数来判断手指11是否有按压导体12。也就是说,如果寄生电容Cd的电容值越大的话,电容检测电路10所能检测到的手指电容Cf的电容变化量则越少。另外,随着每个触控按键(即每个导体)的位置不同,PCB走线方式和长度也就不同,而且走线容易受接地端影响,使得寄生电容Cd的电容值在每个触控按键上又都不一致,所以电容式触控装置上的PCB设计就变得非常困难。
另一方面,因为存储电容Cs通常为大于3000pF,以至于其无法和电容检测电路10整合于单一芯片中,而且除了用来比较电压Vcs和参考电压Vref的比较器CP难以实现高分辨率外,存储电容Cs还因外挂而容易受环境温湿度的变化影响,造成检测的误判。另外,电容式触控按键也容易受外部信号的干扰,例如射频干扰、辐射干扰和电源噪声干扰等。因此,如何设计出一种能整合于单一芯片又达到较高检测分辨率的电容检测电路则成为本领域的一项重要课题。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所提供的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用,本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用,在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外,本发明的附图仅为简单示意说明,并非依实际尺寸的描绘,事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容,但所提供的内容并非用以限制本发明的保护范围。
应当理解的是,虽然本文中可能会使用到“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种组件或者信号,但这些组件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一组件与另一组件,或者一信号与另一信号。另外,本文中所使用的术语“或”,应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
请参阅图2,图2是本发明实施例所提供的电容检测电路的示意图。电容检测电路20可同样整合于单一芯片中,且其也耦接一个微控制器和至少一个被用来实现作为按键的导体(图2皆未示)。为了方便以下说明,图2的电容检测电路20也仅采用耦接一个导体的例子,但不同于图1的电容检测电路10,电容检测电路20除了包括相互并联的存储电容Cs2和可变电容Cr外,还包括由五个开关SW1a、SW1b、SW2a、SW2b、SW3a所组成的电荷转移架构。在本实施例中,电容检测电路20是通过引脚P1耦接该导体,且开关SW1b耦接于节点C及存储电容Cs2间,节点C则位于引脚P1及开关SW1b间。
另外,开关SW2a耦接于节点C及第一电源电压Va间,开关SW3a则耦接于第二电源电压Vb及存储电容Cs2间,且开关SW3a和开关SW1b共同通过节点D耦接存储电容Cs2的第一端,存储电容Cs2的第二端则耦接接地电压GND。最后,开关SW2b耦接于节点D及可变电容Cr间,开关SW1a则耦接于接地电压GND及可变电容Cr间,且开关SW1a和开关SW2b共同通过节点E耦接可变电容Cr的第一端,可变电容Cr的第二端则也耦接接地电压GND。换句话说,电容检测电路20还可包括一个用来产生多个控制信号(图2未示),以分别控制导通或截止五个开关SW1a、SW1b、SW2a、SW2b、SW3a的路径选择电路(图2未示),但本发明并不限制路径选择电路的具体实现方式,因此有关其细节于此就不再多加赘述。
需说明的是,相较于电容检测电路10的运行方法,电容检测电路20则用来于一自适应电容模式下调整可变电容Cr的电容值,并于一触控按键模式下检测感应电容(Cd+Cf)的电容值变化,以产生有关该导体的触控值(图2未示)。因此,如图2所示,在自适应电容模式下,电容检测电路20是会先同时导通开关SW2a和开关SW3a,使得提供第一充电路径将感应电容(Cd+Cf)的电压Vdf充电至第一电源电压Va,并且提供第二充电路径将存储电容Cs2的电压Vcs2充电至第二电源电压Vb,然后再同时截止开关SW2a和开关SW3a。
如前所述,由于芯片外的感应电容除了手指电容Cf,还有一个主要来自于PCB上的寄生电容Cd,所以本实施例可将感应电容简化表示为(Cd+Cf)。另外,第二电源电压Vb则小于第一电源电压Va,且电容检测电路20还可包括一个用来产生第一电源电压Va和第二电源电压Vb的内部稳压器(图2未示),但本发明亦不限制内部稳压器的具体实现方式,因此有关其细节于此就不再多加赘述。总而言之,本实施例可假设第一电源电压Va为2伏特,且第二电源电压Vb为1伏特(即Vb=Va/2)。
其次,电容检测电路20会同时导通开关SW1a和开关SW1b,使得提供放电路径将可变电容Cr的电压放电至接地电压GND,并且提供第一电荷转移路径将感应电容(Cd+Cf)所存储的电荷转移至存储电容Cs2,然后再同时截止开关SW1a和开关SW1b。接着,电容检测电路20会同时导通开关SW2a和开关SW2b,使得提供第一充电路径将感应电容(Cd+Cf)的电压Vdf充电至第一电源电压Va,并且提供第二电荷转移路径将存储电容Cs2所存储的电荷转移至可变电容Cr,然后再同时截止开关SW2a和开关SW2b,以及对经电荷转移至可变电容Cr后的存储电容Cs2的电压Vcs2和第二电源电压Vb进行比较,并且根据比较结果来调整可变电容Cr的电容值。
举例来说,如果这时候的电压Vcs2大于第二电源电压Vb的话,代表可变电容Cr的电容值过小,所以电容检测电路20可通过一可变电容控制器(图2未示)来调大可变电容Cr的电容值;相对地,如果这时候的电压Vcs2小于第二电源电压Vb的话,代表可变电容Cr的电容值过大,所以电容检测电路20可通过可变电容控制器来调小可变电容Cr的电容值,但本发明亦不限制可变电容控制器的具体实现方式,因此有关其细节于此就不再多加赘述。需说明的是,电容检测电路20可反复地提供可变电容Cr的放电路径加第一电荷转移路径以及第一充电路径加第二电荷转移路径,或者是说循环地导通开关SW1a加SW1b和开关SW2a加SW2b,直到经电荷转移至可变电容Cr后的存储电容Cs2的电压Vcs2等于第二电源电压Vb,或者电压Vcs2和第二电源电压Vb趋近为一致,电容检测电路20才算完成自适应电容模式。
换句话说,自适应电容模式的目的在于,调整使得可变电容Cr的电容值等于或趋近于当前感应电容(Cd+Cf)的电容值。另外,应当理解的是,存储电容Cs2是由感应电容(Cd+Cf)来对它进行充电,并且由它来对可变电容Cr进行放电。因此,本实施例可只需要将存储电容Cs2设计约为200pF,使得它和电容检测电路20可整合于单一芯片中。如此一来,电容检测电路20不需外挂电容组件,以至于其可避免受环境温湿度的变化影响而造成检测的误判。相对地,内置约200pF的小电容并不会衰减触控值的变化量,反而能达到较高的检测分辨率。
另外,为了避免感应电容(Cd+Cf)因受外部影响而发生变化,所以电容检测电路20必须先完成自适应电容模式后才能进入触控按键模式。换句话说,电容检测电路20需要在固定一段时间内进行自适应电容模式,而且在进入触控按键模式后,不同于图1的电容检测电路10使用一般的电压检测方式,即使用比较器CP来检测电压Vcs是否达到参考电压Vref,电容检测电路20还包括压控振荡器(VCO)201,用来同时振荡出第一频率和第二频率(图2皆未示),其中第一频率是由电压Vcs2控制所产生,而第二频率是由第二电源电压Vb控制所产生。因此,当外部电源受到噪声干扰时,电压Vcs2和第二电源电压Vb也会同时受到噪声干扰,且第一频率和第二频率互相抵减的频率仍趋近一致,以至于电容检测电路20可达到去除外部电源受到噪声干扰,或者是说使用压控振荡器201能同步抵减外部电源的噪声干扰,以也达到较高的检测分辨率。
需说明的是,在导通开关SW1b以将感应电容(Cd+Cf)所存储的电荷转移至存储电容Cs2后,存储电容Cs2的电压Vcs2可表示为:Vcs2=[Vcs2′*Cs+Va*(Cd+Cf)]/(Cs+Cd+Cf),其中Vcs2′为在导通开关SW1b以将感应电容(Cd+Cf)所存储的电荷转移至存储电容Cs2前的电压Vcs2。另外,在导通开关SW2b以将存储电容Cs2所存储的电荷转移至可变电容Cr后,存储电容Cs2的电压Vcs2又可表示为:Vcs2=Vcs2”*Cs/(Cs+Cf),其中Vcs2”为在导通开关SW2b以将存储电容Cs2所存储的电荷转移至可变电容Cr前的电压Vcs2。由此可见,假如Cr=(Cd+Cf),则每次从感应电容(Cd+Cf)转移至存储电容Cs2和从存储电容Cs2转移至可变电容Cr的电荷量相等,所以在完成自适应电容模式时,存储电容Cs2的电压Vcs2将等于第二电源电压Vb,或者是说存储电容Cs2的电压Vcs2可稳定保持在第二电源电压Vb附近,使得压控振荡器201可稳定振荡出相同或趋近一致的第一频率和第二频率。由于调整可变电容Cr的细节已如同前述内容所述,故于此就不再多加赘述。
另一方面,如图2所示,在触控按键模式下,电容检测电路20是会先同时导通开关SW1a和开关SW1b,提供放电路径将可变电容Cr的电压放电至接地电压GND,并且提供第一电荷转移路径将感应电容(Cd+Cf)所存储的电荷转移至存储电容Cs2,然后再同时截止开关SW1a和开关SW1b。其次,电容检测电路20会同时导通开关SW2a和开关SW2b,使得提供第一充电路径将感应电容(Cd+Cf)的电压充电至第一电源电压Va,并且提供第二电荷转移路径将存储电容Cs2所存储的电荷转移至可变电容Cr,然后再同时截止开关SW2a和开关SW2b,并且根据经电荷转移至可变电容Cr后的存储电容Cs2的电压Vcs2来检测感应电容(Cd+Cf)的电容值变化。
请注意,通过前述内容已能清楚了解,电容检测电路20并非使用电压检测值,但事实上,压控振荡器201所振荡出的第一频率和第二频率还是反映电压Vcs2和第二电源电压Vb。因此,这时候的电容检测电路20仍可视为对经电荷转移至可变电容Cr后的存储电容Cs2的电压Vcs2和第二电源电压Vb进行比较,并且根据比较结果来检测感应电容(Cd+Cf)的电容值变化。举例来说,如果这时候的电压Vcs2等于第二电源电压Vb的话,代表感应电容(Cd+Cf)的电容值没有变化。相对地,如果这时候的电压Vcs2大于第二电源电压Vb的话,代表感应电容(Cd+Cf)的电容值变大,所以电容检测电路20可反复地提供可变电容Cr的放电路径加第一电荷转移路径以及第一充电路径加第二电荷转移路径,或者是说循环地导通开关SW1a加SW1b和开关SW2a加SW2b,直到一固定时间后,如果电压Vcs2和第二电源电压Vb的电压差距越来越大,或者是说电压差距趋于稳定,这时候的微控制器就可根据感应电容(Cd+Cf)的电容值变化来判断手指(图2未示)有按压该导体,而如果电压Vcs2和第二电源电压Vb的电压差距越来越小的话,微控制器也可判断手指正远离该导体。
另外,如图2所示,电容检测电路20还可包括计数器203,耦接压控振荡器201,用来存储压控振荡器201所产生的至少一数值,并且依据该至少一数值,计数器203能够产生触控值,以反映感应电容(Cd1+Cf1)的电容值变化。举例来说,当手指有按压该导体时,即使寄生电容Cd保持不变,但手指电容Cf却从0pF变成约为0.5pF,以至于充电增加,使得电压Vcs2上升,且压控振荡器201所振荡出的第一频率也相对上升。因此,在一固定时间内,计数器203所存储的数值将变大并产生相应的触控值,使得微控制器可根据触控值来判断手指有按压该导体。相对地,当手指离开该导体时,手指电容Cf则恢复为0pF,以至于充电减少,使得电压Vcs2下降,且压控振荡器201所振荡出的第一频率也相对下降。因此,在一固定时间内,计数器203所存储的数值将变小并产生相应的触控值,使得微控制器可根据触控值来判断手指没有按压该导体。总而言之,计数器203所产生触控值及微控制器所借由计数器203上的触控值来判断手指压键状态的运行原理已皆为本技术领域中技术人员所习知,因此其细节就不再多加赘述。
值得一提的是,如前所述,寄生电容Cd的电容值在每个触控按键(即导体)上又都不一致。因此,对于具有多个触控按键的产品来说,电容检测电路20就能让每个触控按键都具有对应一个可变电容Cr的电容值,并借由在自适应电容模式下,调整可变电容Cr的电容值,让每个触控按键在计数器203上的触控值能达到一致。换句话说,本实施例可解决了多个触控按键在PCB布板时因寄生电容Cd不同所造成触控值不一致的问题。
最后,为了更进一步说明关于电容检测电路20的运行流程,本发明进一步提供其运行方法的一种实施方式。请参阅图3,图3是本发明实施例所提供的运行方法的步骤流程图。需说明的是,图3的运行方法可以是用于图2的电容检测电路20中,因此请一并参照图2以利理解,但本发明并不限制图3的运行方法仅能够用于图2的电容检测电路20中。同样,为了方便以下说明,图3也仅示意电容检测电路20为耦接一个导体的运行方法,但针对电容检测电路20为耦接多个导体的运行方法,本技术领域中技术人员应可由本说明书所提供的内容加以修改和扩充。另外,由于详细步骤流程如前述实施例所述,故于此仅作概述而不再多加冗述。
如图3所示,在自适应电容模式下的步骤S301中,提供第一充电路径将感应电容(Cd+Cf)的电压Vdf充电至第一电源电压Va,并且提供第二充电路径将存储电容Cs2的电压Vcs2充电至第二电源电压Vb。其次,在自适应电容模式下的步骤S302中,提供放电路径将可变电容Cr的电压放电至接地电压GND,并且提供第一电荷转移路径将感应电容(Cd+Cf)所存储的电荷转移至存储电容Cs2。
接着,在自适应电容模式下的步骤S303中,提供第一充电路径将感应电容(Cd+Cf)的电压Vdf充电至第一电源电压Va,并且提供第二电荷转移路径将存储电容Cs2所存储的电荷转移至可变电容Cr。然后,在自适应电容模式下的步骤S304中,检查经电荷转移至可变电容Cr后的存储电容Cs2的电压Vcs2是否等于第二电源电压Vb。若不是,即执行步骤S305,根据电压Vcs2和第二电源电压Vb的比较结果来调整可变电容Cr的电容值,并且在完成步骤S305后,返回执行步骤S302至步骤S304。换句话说,步骤S302至步骤S305会重复地被执行,直到经电荷转移至可变电容Cr后的存储电容Cs2的电压Vcs2等于第二电源电压Vb,电容检测电路20才算完成自适应电容模式。
另外,在触控按键模式下的步骤S306中,提供放电路径将可变电容Cr的电压放电至接地电压GND,并且提供第一电荷转移路径将感应电容(Cd+Cf)所存储的电荷转移至存储电容Cs2。接着,在触控按键模式下的步骤S307中,提供第一充电路径将感应电容(Cd+Cf)的电压充电至第一电源电压Va,并且提供第二电荷转移路径将存储电容Cs2所存储的电荷转移至可变电容Cr。然后,在触控按键模式下的步骤S308中,根据经电荷转移至可变电容Cr后的存储电容Cs2的电压Vcs2来检测感应电容(Cd+Cf)的电容值变化,并且在完成步骤S308后,返回执行步骤S306至步骤S308。换句话说,步骤S306至步骤S308会重复地被执行,使得电容检测电路20可产生有关该导体的触控值,以反映感应电容(Cd+Cf)的电容值变化。
综上所述,本发明实施例提供一种电容检测电路及其运行方法,通过将存储电容整合于单一芯片中,以避免受环境温湿度的变化影响而造成检测的误判,并且借由在自适应电容模式下,调整可变电容的电容值,让每个触控按键在计数器上的触控值能达到一致,或者是说解决了多个触控按键在PCB布板时因寄生电容不同所造成触控值不一致的问题。另外,所述电容检测电路使用压控振荡器,能同步抵减外部电源的噪声干扰,以达到较高的检测分辨率。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例,并非因此局限本发明的权利要求,所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化,均包含于本发明的权利要求内。