CN113514703B - 电容测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及触摸屏电容测试技术领域，公开了一种电容测量电路及方法，包括控制模块，用于输出激励指令；激励信号产生模块，与控制模块相连接，用于根据激励指令输出激励信号；脉冲响应模块，分别与待测电容和激励信号产生模块相连接，脉冲响应模块包括电阻模块，电阻模块用于与待测电容构成RC微分电路，RC微分电路用于根据激励信号产生脉冲响应信号；激励信号产生模块还用于采集脉冲响应信号的时间参数；控制模块还用于根据时间参数计算待测电容的电容值。上述电容测量电路利用RC微分电路来将电容与时间关联起来，从而可以通过获取RC微分电路的脉冲响应信号的时间参数，来计算待测电容的电容值，能够同时满足对于测试精度与测试时间的要求。

Description

电容测量电路及测量方法

技术领域

本发明涉及触摸屏电容测试技术领域，特别是涉及一种电容测量电路及测量方法。

背景技术

在触摸屏面板检测中，对于测量的精度、设备间的一致性、以及测量时间的要求都是极高的。在现有的针对电容的测试中，往往使用Capacitance-to-digital（数字电容）方法。Capacitance-to-digital的测量精度和时间，取决于ADC（Analog-to-DigitalConverter，模数转换器）的采样精度、采样频率以及电源的纹波噪声，然而上述参数往往受限于数据传输、降噪等干扰因素，导致电容测试的测试精度与测试时间无法同时满足用户要求。

发明内容

基于此，有必要针对现有电容测试的测试精度与测试时间无法同时满足用户要求的问题，提供一种电容测量电路及测量方法。

一种电容测量电路，包括控制模块，用于输出激励指令；激励信号产生模块，与所述控制模块相连接，用于根据所述激励指令输出激励信号；脉冲响应模块，分别与待测电容和所述激励信号产生模块相连接，所述脉冲响应模块包括电阻模块，所述电阻模块用于与所述待测电容构成RC微分电路，所述RC微分电路用于根据所述激励信号产生脉冲响应信号；所述激励信号产生模块还用于采集所述脉冲响应信号，并根据预设电压值和所述脉冲响应信号获取时间参数；所述控制模块还用于根据所述时间参数计算所述待测电容的电容值。

上述电容测量电路中，脉冲响应模块包括电阻模块，电阻模块与待测电容构成RC微分电路。激励信号产生模块在控制模块的控制下输出激励信号至脉冲响应模块。激励信号在经过RC微分电路时，则会被RC微分电路转换为脉冲响应信号，脉冲响应模块再对脉冲响应信号进行转换以获取脉冲响应信号。利用激励信号产生模块测量脉冲响应信号的时间参数，再利用相关算法进行计算，可以得到待测电容的电容值。上述电容测量电路的测量精度主要取决于激励信号产生模块的计数精度，极大地减少了误差干扰量，测试时间则主要取决于激励信号的频率和个数。因此，可以通过修改电路参数以及提升激励信号产生模块的运行时钟来提高测试精度和降低测试时间，从而使得电容测量电路能够同时满足对于测试精度与测试时间的要求。

在其中一个实施例中，所述激励信号产生模块包括现场可编程逻辑门阵列单元，分别与所述控制模块和所述脉冲响应模块相连接，用于根据所述激励指令输出所述激励信号，还用于采集所述脉冲响应信号的时间参数；电压转换器，与所述现场可编程逻辑门阵列单元相连接，用于对所述激励信号进行电平转换。

在其中一个实施例中，所述电阻模块包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述待测电容的第一端相连接，所述第一电阻的第二端接地，所述待测电容的第二端与所述激励信号产生模块相连接，所述第一电阻与所述待测电容构成RC微分电路，所述RC微分电路根据所述激励信号产生所述脉冲响应信号。

在其中一个实施例中，所述脉冲响应模块还包括放大比较电路，用于将所述脉冲响应信号转换为方波信号，通过所述激励信号产生模块采集所述方波信号的时间参数。

在其中一个实施例中，所述电容测量电路还包括信号产生模块，分别与所述控制模块、所述激励信号产生模块和所述放大比较电路相连接，用于在所述控制模块的控制下输出转换电平至所述激励信号产生模块，还用于在所述控制模块的控制下输出放大比较信号至所述放大比较电路。

在其中一个实施例中，将所述待测电容的第一端与所述第一电阻的第一端的连接点定义为第一连接点，所述放大比较电路包括反相放大器、第二电阻、滤波电容和比较器，所述反相放大器的反相输入端与所述第一连接点相连接，所述反相放大器的正相输入端与所述信号产生模块相连接，所述反相放大器的输出端与所述比较器的正相输入端相连接，所述比较器的反相输入端与所述信号产生模块相连接，所述比较器的输出端与所述激励信号产生模块相连接；所述第二电阻的第一端与所述第一连接点相连接，所述第二电阻的第二端与反相放大器的输出端相连接；所述滤波电容的第一端与所述第一连接点相连接，所述滤波电容的第二端与所述反相放大器的输出端相连接。

一种电容测量方法，应用于上述任意一项实施例所述的电容测量电路，所述电容测量电路包括控制模块、激励信号产生模块和脉冲响应模块，所述脉冲响应模块包括电阻模块，所述方法包括将待测电容与所述脉冲响应模块中的电阻模块相连接，以构成RC微分电路；所述控制模块输出激励指令至所述激励信号产生模块；所述激励信号产生模块根据所述激励指令输出激励信号；所述脉冲响应模块根据所述激励信号产生脉冲响应信号；所述激励信号产生模块采集所述脉冲响应信号，并根据预设电压值和所述脉冲响应信号获取时间参数；所述控制模块根据所述脉冲响应信号的时间参数计算待测电容的电容值。

在其中一个实施例中，所述电容测量电路还包括信号产生模块，在将待测电容与所述脉冲响应模块中的电阻模块相连接，以构成RC微分电路；之前，所述方法还包括所述控制模块控制所述激励信号产生模块产生预设激励信号，并根据脉冲响应信号对所述信号产生模块输出的放大比较信号进行校准；所述激励信号产生模块获取完成对所述放大比较信号的校准后脉冲响应信号的第一时间参数，并对所述第一时间参数进行存储；利用标准电容板对所述电容测量电路进行线性插值标定。

在其中一个实施例中，所述控制模块控制所述激励信号产生模块产生预设激励信号，并根据脉冲响应信号对所述信号产生模块输出的放大比较信号进行校准包括所述控制模块控制所述激励信号产生模块产生N个预设参数的方波信号；其中，N为大于0的正整数；将所述激励信号产生模块采集到的脉冲响应信号与标准响应信号进行对比；根据比较结果对所述放大比较信号进行调节，直至所述采集到的脉冲响应信号与所述标准响应信号的误差在预设误差范围内，对调节后的放大比较信号进行存储。

在其中一个实施例中，所述激励信号产生模块对所述脉冲响应信号的时间参数进行采集包括从所述激励信号产生模块输出激励信号的时刻开始计时，直至所述脉冲响应模块完成脉冲响应信号的输出的时刻结束计时，计时结果为所述第一时间参数；所述根据所述脉冲响应信号的时间参数计算所述待测电容的电容值包括，根据所述第一时间参数和所述脉冲响应信号的时间参数计算所述待测电容的电容值。

在其中一个实施例中，所述标准电容板包括已知电容值的标准电容，所述利用标准电容板对所述电容测量电路进行线性插值标定包括在接入标准电容板后，所述激励信号产生模块获取脉冲响应信号的第二时间参数；所述控制模块根据所述第一时间参数、所述第二时间参数获取所述时间参数与电容值之间的对应关系。

在其中一个实施例中，在所述控制模块根据所述第一时间参数、所述第二时间参数获取所述时间参数与电容值之间的对应关系后，所述方法还包括测试获取标准电容的测试电容值，将所述测试电容值与所述已知电容值进行比较；当所述测试电容值与所述已知电容值的误差小于预设阈值时，则判断完成对所述电容测量电路的线性插值标定。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明其中一实施例的电容测量电路的结构示意图；

图2为本发明其中一实施例的电容测量电路的连接示意图；

图3为本发明其中一实施例的电容测量方法的方法流程示意图；

图4为本发明其中一实施例的对电容测量电路进行校准的方法流程示意图；

图5为本发明其中一实施例的对放大比较信号进行校准的方法流程示意图；

图6为本发明其中一实施例的对电容测量电路进行线性插值标定的方法流程示意图；

图7为本发明其中一实施例的对出场标定参数进行验证的方法流程示意图；

图8为本发明其中一实施例的响应信号脉宽截取说明图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在触摸屏面板检测中，对于测量的精度、设备间的一致性、以及测量的时间要求都是极高的。在现有的针对电容的测试中，往往使用Capacitance-to-digital（数字电容）方法。Capacitance-to-digital方法通常发出一个交流激励信号，经过待测电容之后的峰值电压会出现下降。构建采样电路，利用ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）对负载两端电压进行采样，通过对数字信号处理，负载两端的峰值电压变化，利用电容的容抗特性，计算出电容值。因此Capacitance-to-digital的测量精度和时间，取决于ADC的采样精度、采样频率以及电源的纹波噪声，以及对于峰值还原的数字信号处理方法，难以同时达到客户的测试时间要求和测试精度要求。

考虑到Capacitance-to-digital的方案无法做到客户需要的测试时间要求和测量精度要求，因此本发明需要设计一种能够同时实现测试时间短、测试精度高的电容测量电路以满足客户的测试需求。

图1为本发明其中一实施例的电容测量电路的结构示意图，在其中一个实施例中，电容测量电路可以包括控制模块100、激励信号产生模块200和脉冲响应模块300。控制模块100用于输出激励指令。激励信号产生模块200与控制模块100相连接，用于根据激励指令输出激励信号。脉冲响应模块300，分别与待测电容C1和激励信号产生模块200相连接，脉冲响应模块300包括电阻模块310，电阻模块310用于与待测电容C1构成RC微分电路，RC微分电路用于根据激励信号产生脉冲响应信号。激励信号产生模块200还可以用于采集脉冲响应信号，并根据预设电压值和脉冲响应信号获取时间参数。控制模块100还用于根据时间参数计算待测电容C1的电容值。

在其中一个实施例中，所述控制模块100可以为系统板的主控制器（MCU，Microcontroller Unit）。控制模块100输出激励指令至激励指令产生模块200，激励信号产生模块200则根据激励指令输出合适的激励信号至脉冲响应模块300。脉冲响应模块300包括电阻模块310，电阻模块310与待测电容C1构成RC微分电路。激励信号产生模块200在控制模块100输出的激励指令的控制下，输出激励信号至脉冲响应模块300。激励信号在经过连接有待测电容C1的脉冲响应模块300时，将会被脉冲响应模块300转换为脉冲响应信号。

已知RC微分电路的零状态响应

，其中，V_t为阶跃信号发生之后t时刻在电阻两端的电压，V_m为激励信号的最大电压值，R为等效电阻，C为等效电容，t为阶跃信号发生之后的时间变量。

对上述零状态响应经过变换，可以得到等式

。因此，当V_t的值确定时，则

为一个常量，

这个等式就可以等效为C = kt，即，将等效电容C的值转换为了一个与时间t相关的线性关系。

脉冲响应模块300还可以将RC微分电路输出的脉冲响应信号转换为方波信号。利用激励信号产生模块200采集脉冲响应信号，并根据预先设定的预设电压值和脉冲响应信号获取目标时间参数。即，V_t的值为预设电压值，是一个固定值，此时待测电容的电容值与时间t相关。根据预设电压值截取脉冲响应信号的脉宽从而获取时间参数，进而控制模块100可以根据激励信号产生模块200采集到的时间参数，利用相关算法对待测电容C1的电容值进行计算。

经实际电路测试，本公开的电容测量电路能够兼顾测试时间短和测试精度高的测试要求。上述电容测量电路利用RC微分电路来将电容与时间关联起来，可以通过获取RC微分电路的脉冲响应信号的时间参数，来计算待测电容的电容值，从而转换了对电容的测量方法。上述电容测量电路的测量精度主要取决于激励信号产生模块200的计数精度，极大地减少了误差干扰量，测试时间则主要取决于激励信号的频率和个数。因此，可以通过修改电路参数以及提升激励信号产生模块200的运行时钟来提高测试精度和降低测试时间，从而使得电容测量电路能够同时满足对于测试精度与测试时间的要求。

图2为本发明其中一实施例的电容测量电路的连接示意图，在其中一个实施例中，激励信号产生模块200可以包括现场可编程逻辑门阵列单元210（FPGA，FieldProgrammable Gate Array）和电压转换器220。现场可编程逻辑门阵列单元210分别与控制模块100和脉冲响应模块300相连接，用于根据激励指令输出激励信号，还用于采集脉冲响应信号的时间参数。电压转换器220与现场可编程逻辑门阵列单元210相连接，用于对激励信号进行电平转换。

在本公开的一些实施例中，FPGA可以与控制模块100通信，FPGA根据接收到的激励指令输出指定频率和个数的矩形波激励信号。例如，可以配合RC常量参数，控制FPGA输出的矩形波激励信号的频率、占空比，调整待测电容的测量范围。FPGA还可以用于捕获RC微分电路输出的脉冲响应信号，并将采集到的数据传输至控制模块100。

然而，目前通常情况下无法对FPGA输出信号的电压幅值进行调整，FPGA输出信号的电压幅值是固定的且小于测试要求中RC微分电路的最大电压值V_m，因此可以通过控制电压转换器220的VIO（Voltage Input/Output，电压输入/输出）来改变激励信号的幅值，从而将激励信号的电压幅值调整至电容测试需要的电压幅值。

在一些其他的实施例中，可以采用其他能够产生符合测试需求的激励信号产生单元来代替FPGA的激励信号输出功能。利用该激励信号产生模块直接输出指定频率、个数和电压幅值的激励信号，则无需设置电压转换器220来对激励信号的电压幅值进行电平转换，从而可以节约测试电路的结构与测试成本。

在其中一个实施例中，脉冲响应模块300还包括放大比较电路320，用于将脉冲响应信号转换为方波信号，通过激励信号产生模块200采集方波信号的时间参数。由于目前的通常情况下FPGA无法直接对呈指数分布的脉冲响应信号进行采集，因此，可以通过放大比较电路320将脉冲响应信号转换为方波信号，以便于FPGA对方波信号的脉冲响应信号进行采集。

在一些其他的实施例中，也可以采用能够直接对脉冲响应信号进行采集的信号采集模块来代替FPGA。利用信号采集模块对RC微分电路输出的脉冲响应信号进行采集，则无需通过放大比较电路320将脉冲响应信号转换为方波信号，从而可以进一步地节约测试电路的结构与测试成本。

在其中一个实施例中，电阻模块310可以包括图2中所示的第一电阻R1。第一电阻R1的第一端与待测电容C1的第一端相连接，第一电阻R1的第二端接地。待测电容C1的第二端与激励信号产生模块200中电压转换器220的输出端相连接，第一电阻R1与待测电容C1构成了RC微分电路。RC微分电路可以根据激励信号产生脉冲响应信号。

本公开的实施例通过对RC微分电路的零状态响应进行分析，发现对零状态响应的计算式经过变换后，可以将待测电容C1的值转换为一个与时间t相关的线性关系，从而可以根据RC微分电路输出的脉冲响应信号来计算获取待测电容C1的电容值。与现有的技术相比，本实施例中的电容测试电路可以实现更高的测试精度，同时实现更短的测试时间。测试人员在实际应用中，还可以通过修改电路中元件的器件参数、FPGA的运行时钟来提高测试精度和缩短测试时间。

在其中一个实施例中，电容测量电路还包括信号产生模块U1，分别与控制模块100、激励信号产生模块200和放大比较电路320相连接，用于在控制模块100的控制下输出转换电平至激励信号产生模块200，还用于在控制模块100的控制下输出放大比较信号至放大比较电路320。

信号产生模块U1可以为宽范围多通道的数模转换器DAC（Digital to analogconverter）。在本实施例中，数模转换器DAC可以采用输出信号的电压幅值范围支持0-10V、具有4个输出通道的集成芯片。例如，可以将数模转换器DAC的第一输出通道与控制模块100相连接，将数模转换器DAC的第二输出通道与激励信号产生模块200中的电压转换器220相连接，数模转换器DAC的第三输出通道与放大比较电路320相连接。数模转换器DAC根据测试需求，通过第一输出通道、第二输出通道和第三输出通道输出不同的电信号至不同的功能模块，以满足不同功能模块工作时所需的工作电压。

电压转换器220可以根据转换电平对激励信号的电压幅值进行调节，直至激励信号的电压幅值调节至预设的最大电压值V_m，以此来保证充电时间的可调。放大比较电路320可以根据放大比较信号将脉冲响应信号转换为方波信号。

在其中一个实施例中，将待测电容C1的第一端与第一电阻R1的第一端的连接点定义为第一连接点，放大比较电路320可以如图2所示包括反相放大器U2、第二电阻R2、滤波电容C2和比较器U3。

反相放大器U2的反相输入端与第一连接点相连接，反相放大器U2的正相输入端与信号产生模块U1的输出端相连接，反相放大器U2的输出端与比较器U3的正相输入端相连接，比较器U3的反相输入端与信号产生模块U1的输出端相连接，比较器U3的输出端与激励信号产生模块200中的FPGA相连接。

第二电阻R2的第一端与第一连接点相连接，第二电阻R2的第二端与反相放大器U2的输出端相连接。滤波电容C2的第一端与第一连接点相连接，滤波电容C2的第二端与反相放大器U2的输出端相连接。

在本实施例中，反相放大器U2、第一电阻R1、第二电阻R2、滤波电容C2组成了一个反相放大电路。信号产生模块U1输出的放大基准电压，通过反相放大器U2的正相输入端输入反相放大电路中，用于提供反相放大电路进行放大处理时所需的工作电信号。通过将输出信号的一部分返回到输入，来利用负反馈技术对实现对脉冲响应信号的反相放大。反相放大电路在将输出信号的一部分返回到输入的同时，还可以利用滤波电容C2滤除脉冲响应信号中的高频噪声部分，来滤除高频干扰信号，从而提高电容测量结果的准确度及测试精度。

RC微分电路输出的脉冲响应信号通过反相放大器U2的反相输入端输入反相放大电路中，反相放大电路根据放大系数对脉冲响应信号进行放大处理，经放大后的脉冲响应信号则通过反相放大器U2的输出端输出至下一功能模块中。利用反相放大电路对脉冲响应信号进行处理，可以实现放大输入信号并反相输出的目的。

在本公开的一些实施例中，反相放大电路对脉冲响应信号的放大系数为(R1+R2)/R1。在实际应用中，可以通过调整第一电容R1、第二电容R2的阻值来调整RC反相放大电路对脉冲响应信号的放大情况。

在本实施例中，信号产生模块U1输出的比较电压，通过比较器U3的反相输入端输入比较器U3中，用于提供比较器U3进行比较处理时所需的工作电信号。经放大后的脉冲响应信号通过比较器U3的正相输入端输入比较器U3中进行电压比较。比较器U3可以将经放大后的脉冲响应信号转换为方波信号的脉冲输出，便于FPGA进行捕获计数。

在其中一个实施例中，本发明还提供了一种电容测量方法。图3为本发明其中一实施例的电容测量方法的方法流程示意图，电容测量方法应用于上述任意一项所述的电容测量电路中，所述方法包括如下步骤S100至步骤S600。

步骤S100：将待测电容与脉冲响应模块中的电阻模块相连接，以构成RC微分电路。

在使用上述电容测试电路进行电容值测试时，可以将待测电容与电容测试电路相连接，将待测电容C1的第一端与电阻模块310相连接，将待测电容C1的第二端与激励信号产生模块200相连接。待测电容C1可以与电阻模块310构成一个RC微分电路。利用待测电容C1与电阻模块310构成的RC微分电路可以将激励信号转换成脉冲响应信号。

步骤S200：控制模块输出激励指令至激励信号产生模块。

步骤S300：激励信号产生模块根据激励指令输出激励信号。

控制模块100输出激励信号至激励指令产生模块200，激励信号产生模块200则根据激励指令输出合适的激励信号至脉冲响应模块300。在本实施例中，控制模块100为MCU，激励指令产生模块200为FPGA。

FPGA可以与MCU通信，FPGA根据接收到的激励指令输出指定频率和个数的矩形波激励信号。例如，可以配合RC常量参数，控制FPGA输出的矩形波激励信号的频率、占空比，改变待测电容的测量范围。

步骤S400：脉冲响应模块根据激励信号产生脉冲响应信号。

激励信号输入脉冲响应模块300中的RC微分电路后，RC微分电路输出脉冲响应信号。本实施例通过对RC微分电路的零状态响应进行分析，发现对零状态响应的计算式经过变换后，可以将待测电容C1的值转换为一个与时间t相关的线性关系，从而可以根据RC微分电路输出的脉冲响应信号来计算获取待测电容C1的电容值。与现有的技术相比，本实施例中的电容测试方法可以实现更高的测试精度，同时实现更短的测试时间。测试人员在实际应用中，还可以通过修改电路中元件的器件参数、FPGA的运行时钟来提高测试精度和缩短测试时间。

步骤S500：激励信号产生模块采集脉冲响应信号，并根据预设电压值和脉冲响应信号获取时间参数。

步骤S600：根据脉冲响应信号的时间参数计算待测电容的电容值。

由于当V_t的值固定时，待测电容C1的值与时间t成线性相关的关系。因此，可以预先设定好V_t的值，令V_t的值为预设电压值。利用激励信号产生模块200采集脉冲响应信号，根据预设电压值截取脉冲响应信号的脉宽从而获取时间参数，进而控制模块100可以根据激励信号产生模块200采集到的时间参数，利用相关算法对待测电容C1的电容值进行计算。

经实际电路测试，本公开的电容测量方法可以兼顾测试精度高与测试时间短的测试需求。上述电容测量方法利用RC微分电路来将电容与时间关联起来，从而可以通过获取RC微分电路的脉冲响应信号的时间参数，来计算待测电容的电容值，从而转换了对电容的测量方法。

上述电容测量方法的测量精度主要取决于激励信号产生模块200的计数精度，极大地减少了误差干扰量，测试时间则主要取决于激励信号的频率和个数。因此，可以通过修改电路参数以及提升激励信号产生模块200的运行时钟来提高测试精度和降低测试时间，从而使得电容测量电路能够同时满足对于测试精度与测试时间的要求。

图4为本发明其中一实施例的对电容测量电路进行校准的方法流程示意图，在其中一个实施例中，在将待测电容与脉冲响应模块中的电阻模块相连接，以构成RC微分电路之前，所述方法还包括如下步骤S10至步骤S30。

步骤S10：控制模块激励信号产生模块产生预设激励信号，并根据脉冲响应信号对信号产生模块输出的放大比较信号进行校准。

在对放大比较信号进行校准时，需要令电容测量电路处于空载状态，即，将用于与待测电容进行连接的连接线与电容测量电路相连接，但是不接入实际需要测量的电容。待测电容C1是一个等效待测电容。在实际测量时由一个固定电容和被测电容构成，而在空载时，电容测量电路中的待测电容C1则只包括固定电容。

由于电容测试电路在应用时不会总是针对处于同一测试线路、电路结构中的待测电容进行测试，然而不同的连接线FPC（Flexible Printed Circuit，柔性电路板）和压接结构会导致电路中的寄生电容不同。

控制模块100输出激励指令，令激励信号产生模块200输出预设激励信号。该预设激励信号经过RC微分电路后，将被转换为脉冲响应信号。根据此时RC微分电路输出的脉冲响应信号的情况对信号产生模块U1输出的放大比较信号进行调整。

通过对信号产生模块U1输出的放大比较信号进行调整，可以保证在寄生电容发送变化时，测量参数的线性化的方法在量程范围内不畸变；还可以保持脉宽恒定，从而实现阶跃信号发生之后t时刻在电阻两端的电压V_t恒定不变。

步骤S20：激励信号产生模块获取完成对放大比较信号的校准后脉冲响应信号的第一时间参数，并对第一时间参数进行存储。

为保证元器件、PCB布线、焊接、安装、压接、连接线等造成的设备间总寄生电容差异被消除，因此，在每一次电容测试电路的硬件环境出现变更时均需要进行自校准操作。在完成对放大比较信号的校准后，获取此时脉冲响应信号的第一时间参数，并对第一时间参数进行存储。通过对不同touch（触摸）点位的寄生电容进行自校准测量，来提高测试精度。

步骤S30：利用标准电容板对电容测量电路进行线性插值标定。

由于时间与电容之间的关系为线性的，因此在电容测试电路第一次投入使用之间需要对时间与电容之间的关系为线性关系进行标定。可以通过将电容测试电路与标准电容板相连接，采用线性插值的方式利用标准电容板对测量电路进行标定。

图5为本发明其中一实施例的对放大比较信号进行校准的方法流程示意图，在其中一个实施例中，控制模块控制激励信号产生模块产生预设激励信号，并根据脉冲响应信号对信号产生模块U1输出的放大比较信号进行校准包括如下步骤S11至S15。

步骤S11：控制模块控制激励信号产生模块产生N个预设参数的方波信号；其中，N为大于0的正整数。

控制模块100输出激励指令，令激励信号产生模块200输出预设激励信号。例如，控制模块100可以令激励信号产生模块200输出频率为50kHz、占空比为50%、个数为N个的方波信号。同时，控制模块100还可以令信号产生模块U1输出预设的放大比较信号。例如，可以令输入至反相放大器U2中的放大基准电压为第一预设值，令输入至比较器U3中的比较电压为第二预设值。第一预设值的取值可以在一个范围区间0~Vmax中任意取值。在本实施例中，第一预设值的初始取值为0。在调整时，对第一预设值和/或第二预设值从高到低或从低到高向合理值逼近。

步骤S13：将激励信号产生模块采集到的脉冲响应信号与标准响应信号进行对比。

步骤S15：根据比较结果对放大比较信号进行调节，直至采集到的脉冲响应信号与标准响应信号的误差在预设误差范围内，对调节后的放大比较信号进行存储。

步骤S11中输出的方波信号经过RC微分电路后，将被转换为脉冲响应信号。激励信号产生模块200实时对RC微分电路输出的脉冲响应信号进行采集。

放大比较信号包括放大基准电压和比较电压，因此在本实施例中，可以根据实时采集到脉冲响应信号与标准响应信号分别对放大基准电压和比较电压进行调整。

根据实时采集到脉冲响应信号与标准响应信号分别对放大基准电压进行调整包括：

对此时的脉冲响应信号进行判断，判断此时的脉冲响应信号的响应计数是否为N。当此时的脉冲响应信号的响应计数不为N时，则对输入至反相放大器U2中的放大基准电压的取值从0开始调整。若此时的脉冲响应信号的响应计数小于N，则增加放大基准电压的取值；若此时的脉冲响应信号的响应计数大于N，则减小放大基准电压的取值，直至调整后的脉冲响应信号的响应计数为N。

当此时的脉冲响应信号的响应计数为N时，则判断N个响应计数之间的时间计数是否满足在预设值以内波动。例如，预设值可以为10，当N个响应计数之间的时间计数不满足在10以内波动时，则对令脉冲响应信号的响应计数为N的放大基准电压的取值继续进行调整，直至调整后N个响应计数之间的时间计数满足在10以内波动。此时，视为完成了对放大基准电压取值的调整。

对调整后放大基准电压的取值进行存储，以便后续在对相同测试治具和连接线时可以直接使用该放大基准电压的取值无需重新调整。

根据实时采集到脉冲响应信号与标准响应信号分别对比较电压进行调整包括：

对比脉冲计数的脉宽与阈值，若脉宽小于阈值则增大比较电压的取值；若脉宽大于阈值则减小比较电压的取值。同样地，对调整后比较电压的取值进行存储，以便后续在对相同测试治具和连接线时可以直接使用该比较电压的取值无需重新调整。通常在更换测试治具或连接线等可能影响测量结果时，才需要执行上述对比较放大比较信号的调试过程，其他情况下只有在第一次使用测试治具或连接线时执行。通过对放大比较信号进行校准，选择合适的放大基准信号和比较信号才可以防止信号出现削顶、振荡等问题；同时初始的截取电平还可以保证量程充足，精度一致。

在其中一个实施例中，上述自校正流程包括在电容测量电路的线路空载情况下，在完成上述实施例的放大比较信号校准流程后，获取此时激励信号产生模块200采集到的脉冲响应信号，根据此时的脉冲响应信号获取此时的截取脉宽，即第一时间参数，对第一时间参数进行存储。

在其中一个实施例中，激励信号产生模块200对脉冲响应信号的时间参数进行采集包括从激励信号产生模块200输出激励信号的时刻开始计时，直至脉冲响应模块300完成脉冲响应信号的输出的时刻结束计时，计时结果为第一时间参数。截取脉宽是指FPGA从激励信号发出的时刻开始计数，即激励方波的第一个上升沿开始计数，到比较器U3截取的方波响应信号最后一个边沿结束计数，即响应方波第二个边沿结束计数，FPGA在这期间的时间计数结果即为第一时间参数。

根据脉冲响应信号的时间参数计算待测电容的电容值还可以包括，根据第一时间参数和脉冲响应信号的时间参数计算待测电容的电容值。

由于等效待测电容C1=C_u+C_m，其中，C_m为寄生电容，C_u为实际需要测量的电容。由

可知，

为一个常量，

，t_m为寄生电容的测量时间，因此，在实际测量时等效待测电容的截取脉宽减去空载时寄生电容的截取脉宽，即可消除电路中的寄生电容，从而有效提高电容测试电路的测试精度。

图6为本发明其中一实施例的对电容测量电路进行线性插值标定的方法流程示意图，标准电容板包括已知电容值的标准电容。在其中一个实施例中，利用标准电容板对电容测量电路进行线性插值标定包括如下步骤S31至S33。

步骤S31：在接入标准电容板后，激励信号产生模块获取脉冲响应信号的第二时间参数。

在本实施例中，可以利用标准电容版对电容测量电路进行出厂标定。标准电容板指的是具有一组标准电容的电路板，标准电容的容值是已知的。出厂标定是指标定脉宽时间与电容值之间的对应关系，只有在第一次使用电容测量电路时需要进行出厂标定。对电容测试电路加载标定配置，在完成自校正流程后，将电容测试电路接入标准电容板中，进入出厂标定模式。

FPGA从激励信号发出的时刻开始计数，即激励方波的第一个上升沿开始计数，到比较器U3截取的方波响应信号最后一个边沿结束计数，即响应方波第二个边沿结束计数，FPGA在这期间的时间计数结果即为第二时间参数。

步骤S33：控制模块根据第一时间参数、第二时间参数获取标准电容的测试电容值。

对第二时间参数进行记录，并退出出厂标定模式。由于第一时间参数、第二时间参数已测得，且标准电容的电容值是已知的，因此控制模块100可以通过已知的数值进行反推，以获取时间参数与电容值之间的对应关系。

图7为本发明其中一实施例的对出场标定参数进行验证的方法流程示意图，在其中一个实施例中，在控制模块根据第一时间参数、第二时间参数获取时间参数与电容值之间的对应关系后，所述方法还包括如下步骤S35至步骤S37。

步骤S35：测试获取标准电容的测试电容值，将测试电容值与已知电容值进行比较。

再次利用电容测试电路对标准电容进行测试，以获取标准电容的测试电容值。判断完成出厂标定后的电容测试电路是否能够完成对标准电容的正常测试。将获取的标准电容的测试电容值与标准电容的已知电容值进行比较，判断取得的标准电容的测试电容值与标准电容的已知电容值之间误差是否在合适的误差范围内。

步骤S37：当测试电容值与已知电容值的误差小于预设阈值，则判断完成对电容测量电路的线性插值标定。

当测试电容值与已知电容值的误差小于预设阈值时，即利用电容测试电路测试得到的电容值是正常的，因此判断完成了对电容测量电路的线性插值标定。

在其中一个实施例中，在将测试电容值与已知电容值进行比较后，所述方法还包括当测试电容值与已知电容值的误差大于等于预设阈值时，则判断标定失败。当测试电容值与已知电容值的误差大于等于预设阈值，即表明电路中存在线路问题或故障，判断标定失败。测试人员需要重新对电路的其他硬件进行检查与调试。完成对电路硬件的检查与调试后，再重新对电容测试电路进行出厂标定。

图8为本发明其中一实施例的响应信号脉宽截取说明图。如图8所示，左右两部分分别为矩形波激励信号上升和下降时的响应曲线，两条曲线均为5pF被测响应曲线，t1为上半部脉宽截取宽度。实际电路中从0转换到1的状态需要一定的上升时间。因为激励的上升时间是固定的，所以计算t1时可以包含上升时间，依据

可知，

为常量，可见，当t增加一个固定偏移量时，就会导致C增加一个固定常量，通过出厂标定过程中可以确定该部分固定偏移量，并抵消该部分固定偏移量对测试结果的影响。

在完成对电容测试电路的校准过程后，控制模块100控制信号产生模块U1产生校准之后的合适的电压输出。控制模块100控制激励信号产生模块200产生激励信号，激励信号经过电压转换器220后将激励信号转换成最大电压幅值V_m为预设数值的激励信号。激励信号经过待测电容C1与第一电阻R1组成的微分电路后，将产生如图7所示的响应波形。将响应波形经过反相放大器U2、第一电阻R1、第二电阻R2、滤波电容C2组成的反相放大电路后，输出的信号输入比较器U3中进行电压比较。比较器U3将响应信号转为脉冲输出。激励信号产生模块200记录下脉冲发生至结束的时刻，控制模块100从激励信号产生模块200中获取采样信息，计算出脉宽信息即此时的时间参数。通过消除自校准流程中获取的第一时间参数对此时获取的时间参数进行校准，可以得到待测电容实际对应的脉宽信息，再通过出厂标定流程中获取时间参数与电容值之间的对应关系，即可计算出待测电容实际的电容值。

应该理解的是，虽然图3-图7的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3-图7中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种电容测量电路，其特征在于，包括：

控制模块，用于输出激励指令；

激励信号产生模块，与所述控制模块相连接，用于根据所述激励指令输出激励信号；

脉冲响应模块，分别与待测电容和所述激励信号产生模块相连接，所述脉冲响应模块包括电阻模块，所述电阻模块用于与所述待测电容构成RC微分电路，所述RC微分电路用于根据所述激励信号产生脉冲响应信号；

所述激励信号产生模块还用于采集所述脉冲响应信号，并根据预设电压值截取所述脉冲响应信号的脉宽以获取时间参数；

所述控制模块还用于根据所述时间参数计算所述待测电容的电容值。

2.根据权利要求1所述的电容测量电路，其特征在于，所述激励信号产生模块包括：

现场可编程逻辑门阵列单元，分别与所述控制模块和所述脉冲响应模块相连接，用于根据所述激励指令输出所述激励信号，还用于采集所述脉冲响应信号的时间参数；

电压转换器，与所述现场可编程逻辑门阵列单元相连接，用于对所述激励信号进行电平转换。

3.根据权利要求1或2所述的电容测量电路，其特征在于，所述电阻模块包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述待测电容的第一端相连接，所述第一电阻的第二端接地，所述待测电容的第二端与所述激励信号产生模块相连接，所述第一电阻与所述待测电容构成RC微分电路，所述RC微分电路根据所述激励信号产生所述脉冲响应信号。

4.根据权利要求3所述的电容测量电路，其特征在于，所述脉冲响应模块还包括：

放大比较电路，用于将所述脉冲响应信号转换为方波信号，通过所述激励信号产生模块采集所述方波信号的时间参数。

5.根据权利要求4所述的电容测量电路，其特征在于，所述电容测量电路还包括：

信号产生模块，分别与所述控制模块、所述激励信号产生模块和所述放大比较电路相连接，用于在所述控制模块的控制下输出转换电平至所述激励信号产生模块，还用于在所述控制模块的控制下输出放大比较信号至所述放大比较电路。

6.根据权利要求5所述的电容测量电路，其特征在于，将所述待测电容的第一端与所述第一电阻的第一端的连接点定义为第一连接点，所述放大比较电路包括反相放大器、第二电阻、滤波电容和比较器，

所述反相放大器的反相输入端与所述第一连接点相连接，所述反相放大器的正相输入端与所述信号产生模块相连接，所述反相放大器的输出端与所述比较器的正相输入端相连接，所述比较器的反相输入端与所述信号产生模块相连接，所述比较器的输出端与所述激励信号产生模块相连接；

所述第二电阻的第一端与所述第一连接点相连接，所述第二电阻的第二端与反相放大器的输出端相连接；所述滤波电容的第一端与所述第一连接点相连接，所述滤波电容的第二端与所述反相放大器的输出端相连接。

7.一种电容测量方法，应用于权利要求1-6任意一项所述的电容测量电路，所述电容测量电路包括控制模块、激励信号产生模块和脉冲响应模块，所述脉冲响应模块包括电阻模块，其特征在于，所述方法包括：

将待测电容与所述脉冲响应模块中的电阻模块相连接，以构成RC微分电路；

所述控制模块输出激励指令至所述激励信号产生模块；

所述激励信号产生模块根据所述激励指令输出激励信号；

所述脉冲响应模块根据所述激励信号产生脉冲响应信号；

所述激励信号产生模块采集所述脉冲响应信号，并根据预设电压值截取所述脉冲响应信号的脉宽以获取时间参数；

所述控制模块根据所述脉冲响应信号的时间参数计算待测电容的电容值。

8.根据权利要求7所述的电容测量方法，所述电容测量电路还包括信号产生模块，其特征在于，在将待测电容与所述脉冲响应模块中的电阻模块相连接，以构成RC微分电路之前，所述方法还包括：

所述控制模块控制所述激励信号产生模块产生预设激励信号，并根据脉冲响应信号对所述信号产生模块输出的放大比较信号进行校准；

所述激励信号产生模块获取完成对所述放大比较信号的校准后脉冲响应信号的第一时间参数，并对所述第一时间参数进行存储；

利用标准电容板对所述电容测量电路进行线性插值标定。

9.根据权利要求8所述的电容测量方法，其特征在于，所述控制模块控制所述激励信号产生模块产生预设激励信号，并根据脉冲响应信号对所述信号产生模块输出的放大比较信号进行校准包括：

所述控制模块控制所述激励信号产生模块产生N个预设参数的方波信号；其中，N为大于0的正整数；

将所述激励信号产生模块采集到的脉冲响应信号与标准响应信号进行对比；

根据比较结果对所述放大比较信号进行调节，直至所述采集到的脉冲响应信号与所述标准响应信号的误差在预设误差范围内，对调节后的放大比较信号进行存储。

10.根据权利要求8所述的电容测量方法，其特征在于，所述激励信号产生模块对所述脉冲响应信号的时间参数进行采集包括：

从所述激励信号产生模块输出激励信号的时刻开始计时，直至所述脉冲响应模块完成脉冲响应信号的输出的时刻结束计时，计时结果为所述第一时间参数；

所述根据所述脉冲响应信号的时间参数计算所述待测电容的电容值包括：

根据所述第一时间参数和所述脉冲响应信号的时间参数计算所述待测电容的电容值。

11.根据权利要求9所述的电容测量方法，其特征在于，所述标准电容板包括已知电容值的标准电容，所述利用标准电容板对所述电容测量电路进行线性插值标定包括：

在接入标准电容板后，所述激励信号产生模块获取脉冲响应信号的第二时间参数；

所述控制模块根据所述第一时间参数、所述第二时间参数获取所述时间参数与电容值之间的对应关系。

12.根据权利要求11所述的电容测量方法，其特征在于，在所述控制模块根据所述第一时间参数、所述第二时间参数获取所述时间参数与电容值之间的对应关系后，所述方法还包括：

测试获取标准电容的测试电容值，将所述测试电容值与所述已知电容值进行比较；

当所述测试电容值与所述已知电容值的误差小于预设阈值时，则判断完成对所述电容测量电路的线性插值标定。

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