CN113970671A - 电容检测电路、检测方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

一种电容检测电路、检测方法及电子设备，电路包括控制模块、可变电容模块和积分模块；所述控制模块，包括控制输入端和控制输出端，所述控制输入端与所述积分模块的输入端连接，所述控制输出端与所述积分模块的输出端连接，用于根据所述积分模块上的积分电荷输出与待检测电容的电容值相对应的信号；所述可变电容模块，包括至少一开关电容，所述开关电容的一端与所述控制输入端连接，另一端均根据电容控制信号连接电源电压或地；所述积分模块的输入端还与所述待检测电容的输出端连接，用于实现对待测电容极板上的电荷积分。通过增加可变电容模块可以增大电容检测电路中的电容值，降低电容检测电路的反馈系数，提高电路的稳定性。

Description

电容检测电路、检测方法及电子设备

技术领域

本申请涉及电子技术领域，具体涉及一种电容检测电路、检测方法及电子设备。

背景技术

电容检测电路通常应用在SAR SENSOR(电磁波吸收比值传感器)、触摸检测以及入耳检测等产品中，用于测量电容值的变化。不同的产品中，待测量的电容的容值变化范围较大，比如，小的触摸电路板中，待测量的自感电容的容值只有几皮法，大的触摸屏中，待测量的自感电容的容值可以达到几百皮法。

由于电容检测电路的反馈系数与待检测电容的电容值成反比例关系，在外部输入的待检测电容的电容值随具体产品的变化范围较大时，电容检测电路的反馈系数变化也较大，导致系统性能表现不一致，稳定性较差。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种电容检测电路、检测方法及电子设备，以解决现有的电容检测电路由于待检测电容的电容值随具体产品的变化范围较大，导致系统性能表现不一致，稳定性较差的问题。

本申请提供的一种电容检测电路，包括：控制模块、可变电容模块和积分模块；所述控制模块，包括控制输入端和控制输出端，所述控制输入端与所述积分模块的输入端连接，所述控制输出端与所述积分模块的输出端连接，用于根据所述积分模块上的积分电荷输出与待检测电容的电容值相对应的信号；所述可变电容模块，包括至少一开关电容，所述开关电容的一端与所述控制输入端连接，另一端均根据电容控制信号连接电源电压或地；所述积分模块的输入端还与所述待检测电容的输出端连接，用于实现对待测电容极板上的电荷积分。

可选的，所述可变电容模块，还包括至少一电容控制开关，所述电容控制开关的数量与所述开关电容的数量相对应并一一对应连接，所述电容控制开关的第一端连接所述开关电容的一端，所述电容控制开关的第二端根据所述电容控制信号连接电源电压或地。

可选的，所述电容控制开关中第一数量的所述电容控制开关的第二端连接电源电压，第二数量的所述电容控制开关的第二端连接地，以使得所述可变电容模块的等效电容抵消所述待检测电容的寄生电容，所述电容控制开关的总数量等于所述第一数量与所述第二数量的相加和。

可选的，所述积分模块包括至少一积分电容，所述控制模块包括放大器；所述积分电容的一端连接至所述放大器的第一输入端，另一端连接至所述放大器的输出端，所述放大器的第二输入端接地；所述放大器用于将所述积分电容上的积分电荷转换成与所述待检测电容的电容值相对应的检测电压。

可选的，所述控制模块还包括控制器，所述控制器的输入端连接所述放大器的输出端，所述控制器用于根据所述检测电压计算出所述待检测电容的电容值。

可选的，所述电容检测电路还包括以下各个控制开关中的至少一个：第一控制开关，所述第一控制开关的一端连接至所述放大器的第一输入端，另一端分别与所述放大器的第二输入端和地连接，用于根据开关控制信号在电容检测的采样阶段时闭合以将所述积分电容上的电荷清零；第二控制开关，所述第二控制开关的一端与所述放大器的第一输入端连接，另一端与所述待检测电容的输出端连接，用于根据开关控制信号在电容检测的采样阶段时断开以防止电荷转移，在电容检测的积分阶段时闭合以提供电荷转移通路；第三控制开关，所述第三控制开关的一端连接所述待检测电容的一端，另一端连接电源电压，所述待检测电容的另一端接地；用于根据开关控制信号在电容检测的采样阶段闭合，在电容检测的积分阶段断开以实现所述待检测电容的电荷采样；第四控制开关，所述第四控制开关的一端与所述放大器的输出端连接，另一端接地，用于根据开关控制信号在电容检测的采样阶段闭合以控制所述检测电压的值为预设电压值。

可选的，所述可变电容模块还包括至少一通断控制开关，至少一所述开关电容通过对应的所述通断控制开关与所述控制模块的控制输入端连接；所述通断控制开关的通断状态受通断控制信号的控制。

可选的，所述可变电容模块为可变电容矩阵，所述可变电容矩阵包括若干并联的开关电容和对应的电容控制开关，所述开关电容的一端均与所述控制输入端连接，另一端通过对应的所述电容控制开关根据所述电容控制信号连接电源电压或地，所述可变电容矩阵的等效电容满足以下公式：

其中，所述C_off为所述可变电容矩阵的等效电容，所述C_p为所述待检测电容的寄生电容，所述C为所述开关电容、所述N为所述开关电容的数量、所述a_i为所述电容控制信号。

可选的，所述放大器的反馈系数满足以下公式：

其中，所述β为放大器的反馈系数、所述C_fb为积分电容、所述C_x为待检测电容、所述C_p为待检测电容的寄生电容、所述C为所述开关电容、所述N为所述开关电容的数量。

可选的，所述放大器的反馈系数的变化范围为：

其中，所述C_fb为积分电容、所述C为开关电容、所述N为开关电容的数量、所述β为放大器的反馈系数。

一种电容检测方法，包括：提供一电容检测电路，所述电容检测电路至少包括：可变电容模块，所述可变电容模块包括至少一开关电容，所述开关电容的一端与所述电容检测电路的输入端连接，另一端均根据电容控制信号连接电源电压或地；在电容检测的采样阶段，将待检测电容连接电源电压以进行电荷采样，并根据电容控制信号控制第一数量的所述开关电容接电源电压，第二数量的所述开关电容接地，所述开关电容的数量大于或等于所述第一数量与所述第二数量之和；在电容检测的积分阶段，将所述待检测电容采集的电荷转移到所述电容检测电路，并根据所述电容控制信号控制在所述采样阶段接电源电压的所述开关电容接地，在所述采样阶段接地的所述开关电容接电源电压；将所述电容检测电路上的积分电荷转换成检测电压，并根据所述检测电压计算出所述待检测电容的电容值。

可选的，所述检测方法还包括：在所述采样阶段时，调整所述电容控制信号的值为预设控制值以抵消所述待检测电容的寄生电容，所述预设控制值为所述检测电压值为预设电压值时所述电容控制信号对应的值。

可选的，所述电容检测电路还包括至少一通断控制开关，所述开关电容通过对应的所述通断控制开关与所述电容检测电路的输入端连接；所述电容检测电路还包括：根据通断控制信号控制所述通断控制开关闭合以实现将对应的所述开关电容接入所述电容检测电路。

可选的，所述电容检测电路的反馈系数的变化范围为：

其中，所述C_fb为积分电容、所述C为开关电容、所述N为开关电容的数量、所述β为电容检测电路的反馈系数。

一种电子设备，包括所述的电容检测电路。

本发明的电容检测电路，通过增加可变电容模块，可变电容模块包括至少一开关电容，开关电容的一端与控制模块的控制输入端连接，另一端均根据电容控制信号连接电源电压或地，由于电容检测电路的反馈系数与电路中的电容成反比例关系，通过增加可变电容模块可以增大电容检测电路中的电容值，因此可以降低电容检测电路的反馈系数，提高电路的稳定性。

进一步的，通过电容控制开关，根据电容控制信号控制开关电容在均接入电容检测电路，进一步降低电容检测电路的反馈系数。

进一步的，通过第一数量的所述电容控制开关的第二端连接电源电压，第二数量的所述电容控制开关的第二端连接地，以使得所述可变电容模块的等效电容抵消所述待检测电容的寄生电容，提高电容检测电路的检测准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为一实施例的电容检测电路的结构示意图；

图2为一实施例的可变电容模块的电路图；

图3为图1中的电容检测电路在交流工作状态下的等效电路图；

图4为本发明一实施例的电容检测电路的结构示意图；

图5为本发明一实施例的可变电容模块的电路图；

图6为本发明一实施例的电容检测电路的结构示意图；

图7为本发明一实施例的可变电容模块的电路图；

图8为本发明一实施例的电容检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

请参看图1，一实施例的电容检测电路的结构示意图。

其中，C_x为外部输入的待检测电容，C_p为待检测电容C_x固有的寄生电容，也包括线路上的寄生电容，C_fb为积分电容，也是电容检测的量程，C_off为可变电容阵列，用于抵消寄生电容C_p。寄生电容C_p和待检测电容C_x通过开关m3连接到电源电压VCC，电容检测电路通过开关m2与待检测电容C_x的输出端连接，可变电容阵列C_off的一端与放大器的第一输入端连接，可变电容阵列C_off的另一端通过连接开关m5连接电源电压VCC或地，放大器的第二输入端接地，并通过开关m1与放大器的第一输入端连接，积分电容C_fb的两端连接在放大器的第一输入端和输出端之间，放大器输出的输出端通过开关m4接地，放大器输出的检测电压V_o与待检测电容C_x相对应。放大器的第一输入端为放大器的负输入端，放大器的第二输入端为放大器的正输入端。

图1中电容检测电路进行电容检测的检测原理为：

在采样阶段，开关m1、m3、m4闭合，开关m2断开，开关m5接电源电压VCC，可变电容阵列C_off的下极板接到VCC，此时电容C_fb、C_x、C_p以及C_off上的电荷和为(电容C_fb上的电荷为0)：

Q₁＝VCC·(C_x+C_p)-VCC·C_off

在积分阶段，开关m2闭合，开关m1、m3、m4断开，开关m5接地，可变电容阵列C_off下极板接到地，此时电容C_fb、C_x、C_p以及C_off上的电荷(放大器第一输入端通过运放虚短为地，电容C_x与C_off上的电荷均为0)为：

Q₂＝-Vo·C_fb

根据电荷守恒定律可知，Q1＝Q2，可以得到第二阶段输出电压Vo为：

由此得出，待检测电容C_x的电容值为：

请参看图2，一实施例的可变电容模块的结构示意图。

可变电容模块包括可变电容矩阵C_off。其中，s₀、s₁、s₂、s₃...s_N-3、s_N-2和s_N-1是通断控制开关，C是开关电容，通断控制开关s₀、s₁、s₂、s₃...s_N-3、s_N-2和s_N-1一端连接放大器的负输入端，另一端连接开关电容C的一端，开关电容C的另一端通过开关m5连接电源电压VCC或地、通过电容控制信号控制闭合或断开。通断控制开关s₀、s₁、s₂、s₃...s_N-3、s_N-2和s_N-1通过通断控制信号Code控制闭合以实现将对应的所述开关电容C接入所述电容检测电路，通断控制信号Code是一组多比特位的字码，每一比特位对应一个通断控制开关。

请参看图3，为图1中的电容检测电路在交流工作状态下的等效电路图。

在交流工作状态下，放大器和积分电容C_fb构成闭环系统，放大器的反馈系数即为电容检测电路的反馈系数，电容检测电路的反馈系数β满足以下公式：

由于在闭环系统中，反馈系数越大，对应的系统越不稳定，尤其在待检测电容C_x与寄生电容C_p较小的情况下，问题尤为突出。

由图2可知，在通断控制开关s₀、s₁、s₂、s₃...s_N-3、s_N-2和s_N-1断开时，对应的开关电容C并不接入电路。又由于，寄生电容C_p的大小在不同的应用场合下变化范围较大(会在几皮法至几百皮法之间变化)，待检测电容C_x的变化范围不会超过积分电容C_fb。所以图1中的电容检测电路的反馈系数β变化范围为：

当寄生电容C_p很大的时候(C_p>>C_fb)，反馈系数β接近0，但寄生电容C_p很小的时候(C_p<<C_fb)，反馈系数接近1，反馈系数近似在0～1之间变化。对于放大器，反馈系数越接近1，反馈系统稳定性越差。所以对于寄生电容C_p较小的情况下，电容检测电路的反馈系统会存在稳定性的问题。而且反馈系数变化范围较大，会导致不同输入待检测电容C_x和寄生电容C_p下的电容检测电路的性能存在较大差异。

针对上述问题，本申请对上述的电容检测电路进行进一步改进。

请参看图4，本发明一实施例的电容检测电路的结构示意图。

本实施例中，电容检测电路包括可变电容模块1、积分模块2和控制模块3。

可变电容模块1，包括至少一开关电容，所述开关电容的一端与所述控制模块3的控制输入端连接，另一端均根据电容控制信号a_i连接电源电压VCC或地，可变电容模块1用于降低所述电容检测电路的反馈系数。开关电容的一端可以全部与控制模块3的控制输入端连接，也可以通过通断控制开关控制是否接入检测电路。电容控制信号a_i可以通过电容检测电路的其他模块产生，也可通过外部提供。

在其他可选的实施例中，可变电容模块1中还可以包括其他电容或其他电路元件，如开关器件，该电容或开关器件可以与开关电容相并联或串联。

积分模块2，连接于所述控制模块3的控制输入端和控制输出端之间，所述积分模块2的输入端还与待检测电容C_x的输出端连接，用于实现电荷积分。积分模块2包括至少一积分电容，当积分电容的数量为多个时，各个积分电容可以通过并联或串联的方式连接。

在其他可选的实施方式中，积分模块2也可包括积分电容和其他电子元器件，如开关器件。

控制模块3，用于根据所述积分模块2上的积分电荷输出与所述待检测电容的电容值相对应的信号。控制模块3包括数模转换器、数字处理器和放大器或比较器中的一种，放大器优选为放大器。

比如，可变电容模块1包括一可变电容阵列，积分模块2包括至少一积分电容，控制模块3包括放大器。

请参看图5，本发明一实施例的可变电容模块的电路图。

图5中，可变电容模块包括N个开关电容C、2¹C、2²C、2³C...2^N-3C、2^N-2C和2^N-1C，以及对应的电容控制开关b₀、b₁、b₂、b₃...b_N-3、b_N-2和b_N-1。开关电容C、2¹C、2²C、2³C...2^N-3C、2^N-2C和2^N-1C的一端与控制模块的控制输入端连接，另一端与对应的电容控制开关b₀、b₁、b₂、b₃...b_N-3、b_N-2和b_N-1的第一端连接，电容控制开关b₀、b₁、b₂、b₃...b_N-3、b_N-2和b_N-1的第二端根据电容控制信号a₀、a₁、a₂、a₃...a_N-3、a_N-2和a_N-1连接电源电压VCC或地，由于开关电容2¹C、2²C、2³C...2^N-3C、2^N-2C和2^N-1C接电源电压VCC或接地，即开关电容2¹C、2²C、2³C...2^N-3C、2^N-2C和2^N-1C均接入电容检测电路中，通过将所有开关电容C均接入电容检测电路，可以降低电容检测电路的反馈系数，提高电路的稳定性。

请参看图6，本发明一实施例的电容检测电路的结构示意图。

本实施例的电容检测电路还包括第一控制开关K1、第二控制开关K2、第三控制开关K3和第四控制开关K4，控制模块3包括放大器31和控制器32，可变电容模块包括可变电容阵列C_off。各控制开关可以采用开关晶体管、二极管、三极管等具有开关特性的电子元件实现。

可变电容阵列C_off的具体电路实现方式如图5所示。可变电容阵列C_off的一端连接至放大器31的第一输入端，另一端根据电容控制信号a_i控制电容控制开关b_i接电源电压VCC或地。

积分电容C_fb的一端连接至放大器31的第一输入端，另一端连接至放大器31的输出端，放大器31的第二输入端接地，放大器31的输出端连接至控制器32；放大器31用于将积分电容C_fb上的电荷转换成检测电压V0，控制器32用于根据检测电压V0计算出所述待检测电容C_x的电容值。

第一控制开关K1的一端连接至放大器31的第一输入端，另一端分别与放大器31的第二输入端和地连接，用于根据开关控制信号在所述采样阶段时闭合以将所述积分电容C_fb上的电荷清零。在可选的一实施方式中，放大器31的第二输入端可以连接一固定参考电压，第一控制开关K1可以省略。

第二控制开关K2的一端与放大器31的第一输入端连接，另一端与所述待检测电容C_x的一端连接，用于根据所述开关控制信号在所述采样阶段断开，在所述积分阶段闭合以提供电荷转移通路。在可选的一实施方式中，可以通过手动或自动连接的装置实现待检测电容接入电容检测电路，第二控制开关K2可以省略。

第三控制开关K3的一端连接待检测电容C_x的一端，另一端连接电源电压VCC，待检测电容C_x的另一端接地；第三控制开关K3用于根据开关控制信号在所述采样阶段闭合，在所述积分阶段断开以实现待检测电容C_x的电荷采样。在可选的一实施方式中，可以通过手动或自动连接的装置实现待检测电容充电，第三控制开关K3可以省略。

第四控制开关K4的一端与放大器31的输出端连接，另一端接地，用于根据所述开关控制信号在所述采样阶段闭合以控制所述检测电压V0的值为预设电压值。预设电压值为0或为其他数值。在可选的一实施方式中，检测电压V0的值可以为其他固定电压值，第四控制开关K4可以省略。

待检测电容C_x的固有寄生电容C_p的两端分别与待检测电容C_x的两端连接。该寄生电容C_p包括信号通路上的寄生电容。

图6中电容检测电路进行电容检测的具体检测过程包括采样阶段和积分阶段。采样阶段是将待检测电容充电至电源电压，实现电荷采样。积分阶段是将待测电容上的电荷全部转移到积分电容上，根据电荷守恒原理，可以得出电荷转移后放大器的输出电压，通过获取该输出电压可以计算出待检测电容的容值，具体过程如下：

在电容检测的采样阶段，根据开关控制信号控制第一控制开关K1、第三控制开关K3和第四控制开关K4闭合，第二控制开关K2断开，根据电容控制信号a_i控制电容控制开关b_i的第二端连接电源电压VCC，该电容控制信号a_i的值为预设控制值。此时，由于第二控制开关K2断开且第三控制开关K3闭合，待测电容C_x和寄生电容C_p开始充电。由于第一控制开关K1闭合，使得放大器31的第一输入端接地，电容控制开关的第二端连接电源电压后，可变电容矩阵C_off开始充电。由于第四控制开关K4闭合，积分电容C_fb的两端均接地，所以，积分电容C_fb上的电荷为0。所以，待测电容C_x、寄生电容C_p、可变电容阵列C_off和积分电容C_fb上的电荷叠加和为：

其中，Q₁为所述待检测电容、所述待检测电容的寄生电容和所述开关电容上的电荷叠加和，VCC为所述电源电压，C_x为所述待检测电容，C_p为所述待检测电容的寄生电容，a_i为所述电容控制信号，C为所述开关电容，所述N为所述开关电容的数量。当a_i的值为1时，对应的电容控制开关b_i连接电源电压VCC，对应的开关电容C开始充电，其上存在电荷，当a_i的值为0时，对应的电容控制开关b_i连接地，对应的开关电容C不进行充电，其上没有电荷。

在电容检测的积分阶段，根据开关控制信号控制第一控制开关K1、第三控制开关K3和第四控制开关K4断开，第二控制开关K2闭合，将电容控制信号的值取为预设控制值减去1，使得在采样阶段中电容控制开关b_i第二端原来连接电源电压的转为连接地，在采样阶段中电容控制开关b_i第二端原来连接地的转为连接电源电压。在其他可选的实施方式中，也可以将电容控制信号的值取为预设控制值取反或为一固定值，使得在采样阶段中电容控制开关b_i第二端原来连接电源电压的转为连接地，在采样阶段中电容控制开关b_i第二端原来连接地的转为连接电源电压。

此时，由于第二控制开关K2闭合且第三控制开关K3断开，待测电容C_x和寄生电容C_p上的电荷开始转移到电容检测电路。由于第一控制开关K1断开，使得积分电容C_fb开始充电，可变电容矩阵C_off中电容控制开关的第二端连接电源电压的开关电容开始充电。由于第四控制开关K4断开，积分电容C_fb上的电荷开始转换为放大器31输出的检测电压V0。在积分阶段结束时，待测电容C_x和寄生电容C_p上的电荷全部转移到电容检测电路上，其上电荷为0。此时，积分电容C_fb和可变电容阵列C_off上的电荷叠加和为：

其中，Q₂为所述积分电容和所述开关电容上的电荷叠加和，Vo为所述放大器输出的检测电压，C_fb为所述积分电容，VCC为所述电源电压，a_i为所述电容控制信号，C为所述开关电容，N为所述开关电容的数量。

根据电荷守恒定律可知，Q1＝Q2，由上述公式(1)和(2)可以得到在电容检测的积分阶段放大器输出的检测电压Vo为：

其中，V_o为放大器输出的检测电压、a_i为电容控制信号、C为所述开关电容、N为所述开关电容的数量、C_fb为所述积分电容、C_x为所述待检测电容、C_p为所述待检测电容的寄生电容、VCC电源电压。

又由于，

因此可以得出可变电容阵列的等效电容值：

令，d_i＝2a_i-1 (6)

其中，di的取值为±1，因此上述公式(5)可以变换成：

因此，可变电容阵列C_off可以看成是由正、负电容叠加后的结果，ai＝0时(即di＝-1)，对应的电容为负电容；ai＝1时(即di＝1)，对应的电容为正电容，即可生成一种有符号电容。

图6中，可变电容阵列C_off的电容控制信号a_i的值为0或1，当为1时，对应的电容控制开关b_i的第二端连接电源电压VCC，为0时，电容控制开关b_i的第二端连接地，即，无论电容控制信号a_i，包括a₀、a₁、a₂、a₃...a_N-3、a_N-2和a_N-1的值为0或1，所有的开关电容C、2¹C、2²C、2³C...2^N-3C、2^N-2C和2^N-1C均接入到电容检测电路中。由于，可变电容阵列C_off中的所有开关电容对应的电容控制开关的第二端要么接电源电压要么接地，使得所有开关电容均接入电容检测电路，所以，对应交流信号而言，可变电容阵列C_off的电容值为固定值，即为

C_off＝(2^N-1)·C (8)

放大器的反馈系数需满足以下公式：

其中，β放大器的反馈系数。

由公式(8)和(9)可以得出，放大器的反馈系数β为：

由于，电容检测电路中(2^N-1)·C是远远大于积分电容C_fb的，所以由公式(10)可以推出，放大器的反馈系数β远小于1，即降低了电容检测电路的反馈系数值，提高了电容检测电路的稳定性。

放大器的反馈系数β的变化范围满足以下公式：

由公式(11)可看出，放大器的反馈系数β的变化量仅有待测电容C_x和寄生电容C_p，由于，可变电容阵列的等效电容值(2^N-1)·C是远远大于积分电容C_fb的，使得放大器的反馈系数β远小于1，即使，待测电容C_x变化范围较大，放大器的反馈系数β变化范围也较小，因此，电容检测电路不会因为待测电容C_x和寄生电容C_p值较小而出现稳定性问题，也不会因为待测电容C_x和寄生电容C_p变化范围较大而出现较大差异，提高了电容检测电路性能的一致性。

在可选的一实施方式中，可变电容模块1还可以通过调节电容控制信号a₀、a₁、a₂、a₃...a_N-3、a_N-2和a_N-1的值以控制所述可变电容模块1的等效电容，该等效电容可以抵消外部待检测电容的寄生电容。

可选的，在进行电容检测之前，先调整所述电容控制信号的值为预设控制值，该预设控制值为所述第二控制开关断开且所述放大器输出的检测电压值为预设电压值时所述电容控制信号对应的值。预设电压值为0。

具体的，先将第二控制开关K2断开，控制待测电容C_x不接入电容检测电路，利用二分法，将控制电容控制信号a₀、a₁、a₂、a₃...a_N-3、a_N-2和a_N-1中的最高位a_N-1设为1，其余位a₀、a₁、a₂、a₃...a_N-3、a_N-2均设置为0，当a_i的值为1时，对应的电容控制开关连接电源电压，对应的开关电容开始充电，当a_i的值为0时，对应的电容控制开关连接地，对应的开关电容不进行充电，所以通过电容控制信号a_i可以实现在采样阶段时，可变电容阵列中的开关电容部分或全部接地。通过电荷转移周期后，判断放大器31输出的检测电压值是否接近0，若否，依次调整控制电容控制信号a₀、a₁、a₂、a₃...a_N-3、a_N-2中次高位a_N-2的值，依次循环，直到找出一组数值，可以使得放大器31输出的检测电压值接近0，该组数值即为所述电容控制信号的预设控制值。该预设控制值下，可变电容阵列等效的电容值与待检测电容C_x的寄生电容C_p的值接近相等，即

其中，a_i值为0或1，a₁到a_i构成的一组数值为预设控制值。

由上述公式(1)和(12)可得出采样阶段结束后，流入电容检测电路的电荷实际上为：

Q₁＝VCC·C_x (13)

可见，通过调整电容控制信号的预设值，可以使得可变电容阵列C_off产生的等效电容值与待检测电容C_x的固有寄生电容C_p的值相等，以抵消寄生电容C_p，消除寄生电容C_p的影响，提高电容检测电路输出结果的准确性。

将电容控制信号的值取为预设控制值取反，此时，积分电容C_fb和可变电容阵列C_off上的电荷叠加和为：

其中，a`_i为预设控制值的取反。

根据电荷守恒定律可知，Q1＝Q2，可以得到在待检测电容C_x为：

由于，检测电压Vo通过检测可以得到，积分电容C_fb、电源电压VCC、a`_i值为预设控制值的取反、开关电容C都是已知量，所以可以得到待检测电容C_x的值。

本实施例的电容检测电路，通过可变电容阵列抵消待检测电容C_x上的寄生电容，该寄生电容C_p包括信号通路上的寄生电容，可以提高检测结果的准确性。

在可选的一实施例中，所述可变电容模块还包括至少一通断控制开关，部分所述开关电容通过对应的所述通断控制开关与所述控制模块的控制输入端连接。

请参看图7，本发明一实施例的可变电容模块的电路图。

本实施例中，可变电容模块中还包括通断控制开关s_N-3、s_N-2和s_N-1，所述通断控制开关s_N-3、s_N-2和s_N-1的一端与所述放大器的第一输入端连接，另一端与对应的所述开关电容2^N-3C、2^N-2C和2^N-1C一端连接，所述开关电容2^N-3C、2^N-2C和2^N-1C的另一端与对应的所述电容控制开关的第一端连接，所述通断控制开关s_N-3、s_N-2和s_N-1用于根据通断控制信号控制对应的开关电容接入电路。在其他可选的实施例中，通断控制开关的数量可以等于开关电容的数量，比如，可变电容模块中包括通断控制开关s₀到s_N-1，所述通断控制开关s₀到s_N-1的一端与所述放大器的第一输入端连接，另一端与对应的所述开关电容C、2¹C、2²C、2³C...2^N-3C、2^N-2C和2^N-1C一端连接，所述C、2¹C、2²C、2³C...2^N-3C、2^N-2C和2^N-1C的另一端与对应的所述电容控制开关b₀、b₁、b₂、b₃...b_N-3、b_N-2和b_N-1的第一端连接，所述通断控制开关s₀到s_N-1用于根据通断控制信号控制对应的开关电容接入电路。通过增加通断控制开关可以实现有符号电容和无符合电容的混合使用。比如，使用与通断控制开关连接的开关电容实现无符号电容，通过没有与通断控制开关连接的开关电容实现无符号电容，以增大电容检测电路的应用场景，方便控制可变电容模块的等效电容值。

本发明的实施例还提供一种电容检测方法。

请参看图8，为本发明一实施例的电容检测方法的流程示意图。

本实施例的电容检测方法包括如下步骤：

步骤S1、提供一电容检测电路，所述电容检测电路至少包括：可变电容模块，所述可变电容模块包括至少一开关电容，所述开关电容的一端与所述电容检测电路的输入端连接，另一端均根据电容控制信号连接电源电压或地。比如，可变电容模块具体实现方式如图2、图5或图7所示。

步骤S2、在电容检测的采样阶段，将待检测电容连接电源电压以进行电荷采样，并根据电容控制信号控制第一数量的所述开关电容接电源电压，第二数量的所述开关电容接地，所述开关电容的数量大于或等于所述第一数量与所述第二数量之和。

在电容检测的采样阶段，待检测电容通过与电源电压连接以实现电荷采样，具体的，可通过开关控制待检测电容一端连接电源电压，另一端接地。第一数量的所述开关电容接电源电压，也会进行电荷采样，此时，采样的电荷量Q1为，

其中，Q₁为采集的电荷量、C_x为所述待检测电容，C_p为所述待检测电容的寄生电容，a_i为所述电容控制信号，C为所述开关电容，所述N为所述开关电容的数量。当a_i的值为1时，对应的电容控制开关b_i连接电源电压VCC，对应的开关电容C开始充电，进行电荷采样，当a_i的值为0时，对应的电容控制开关b_i连接地，对应的开关电容C不进行充电，不进行电荷采样，其上没有电荷。第一数量为a_i的值为1对应的开关电容数量，第二数量为a_i的值为0对应的开关电容数量。

电容控制信号可以通过外部电路提供也可以通过额外增加电路模块产生，第一数量可以大于第二数量，也可以小于第二数量，第一数量和第二数量可以为0，也可以为所述开关电容的总数量。

S3、在电容检测的积分阶段，将所述待检测电容采集的电荷转移到所述电容检测电路，并根据所述电容控制信号控制在所述采样阶段接电源电压的所述开关电容接地，在所述采样阶段接地的所述开关电容接电源电压。

具体的，在电容检测的积分阶段，通过将待检测电容与电源电压断开，并将其输出端连接到电容检测电路的输入端，以实现待检测电容上的电荷转移到电容检测电路中。此时，将原来接电源电压的开关电容接地，将原来接地的开关电容接电源电压。比如，通过将电容控制信号取反、取为原来的数值减去1或其他固定值，以实现将原来接电源电压的开关电容接地，将原来接地的开关电容接电源电压。

S4、将所述电容检测电路上的积分电荷转换成检测电压，并根据所述检测电压计算出所述待检测电容的电容值。

具体的，可以使用积分电容和放大器实现将电容检测电路上的积分电荷转换成检测电压，使用模数转换器加处理器，或数字信号处理器、或其他带运算功能的处理器将根据所述检测电压计算出所述待检测电容的电容值。在可选的其他实施例中，也可以通过预存电荷量-电容值的映射表，通过查找该映射表得出待检测电容的电容值。

具体的，在积分阶段结束后，待检测电容和寄生电容上的电荷量为0，电荷积分完成后的电荷量为：

其中，Q₂为电荷积分完成后的电荷量、Vo为检测电压，C_fb为积分电容、a`_i为电容控制信号a_i值的取反，C为所述开关电容，所述N为所述开关电容的数量。

根据电荷守恒定律可知，Q1＝Q2，可以得到在待检测电容C_x为：

可见，根据本实施例的电容检测方法，可以计算出待检测电容C_x的电容值。

由于，电容检测电路的反馈系数与待检测电容C_x的电容值成反比例关系，待检测电容C_x的在不同的应用场合下变化范围较大，当待检测电容C_x的值较小时，或寄生电容C_p较小的情况下，放大器的反馈系数值较大，导致电容检测电路的稳定性较差，并进一步导致放大器的反馈系数变化范围也较大，导致不同待检测电容C_x的电容检测性能存在较大差异。

电容检测电路的反馈系数公式为：

可以看出，通过将在电容检测电路中增加可变电容模块，可变电容模块中的开关电容通过接电源电压或接地接入电容检测电路中，可变电容模块的等效电容会使得电容检测电路的反馈系数降低，提高了电容检测电路的稳定性。

当所述开关电容的数量大于所述第一数量与所述第二数量之和时，可变电容模块可以使用图2或图7中的电路结构，当使用图2中的可变电容模块电路时，根据通断控制信号控制第一数量的所述开关电容接电源电压，第二数量的所述开关电容接地，具体实现过程与上述类似，此处不再赘述。

当使用图7中的可变电容模块电路时，根据电容控制信号控制第一数量的所述开关电容接电源电压，第二数量的所述开关电容接地，其余的开关电容通过通断控制开关根据通断控制信号选择是否接入电路，具体实现过程与上述类似，此处不再赘述。

当所述开关电容的数量等于所述第一数量与所述第二数量之和时，即所有开关电容均接入电容检测电路，此时，可变电容模块的电路如图5所示，具体实现过程与上述类似，此时，电容检测电路的反馈系数β为：

由于，电容检测电路中(2^N-1)·C是远远大于积分电容C_fb的，所以可以推出，放大器的反馈系数β远小于1，即降低了电容检测电路的反馈系数值，提高了电容检测电路的稳定性。

放大器的反馈系数β的变化范围满足以下公式：

可看出，电容检测电路的反馈系数β的变化量仅有待测电容C_x和寄生电容C_p，由于，可变电容阵列的等效电容值(2^N-1)·C是远远大于积分电容C_fb的，使得放大器的反馈系数β远小于1，即使，待测电容C_x变化范围较大，放大器的反馈系数β变化范围也较小，因此，电容检测电路不会因为待测电容C_x和寄生电容C_p值较小而出现稳定性问题，也不会因为待测电容C_x和寄生电容C_p变化范围较大而出现较大差异，提高了电容检测电路性能的一致性。

在可选的一实施方式中，所述检测方法还包括：在所述采样阶段时，调整所述电容控制信号的值为预设控制值以抵消所述待检测电容的寄生电容，所述预设控制值为所述检测电压值为预设电压值时所述电容控制信号对应的值。

比如，预设电压值为0。控制待测电容C_x不接入电容检测电路时，利用二分法，将控制电容控制信号a₀、a₁、a₂、a₃...a_N-3、a_N-2和a_N-1中的最高位a_N-1设为1，其余位a₀、a₁、a₂、a₃...a_N-3、a_N-2均设置为0，当a_i的值为1时，对应的开关电容开始充电，当a_i的值为0时，对应的开关电容不进行充电，所以通过电容控制信号a_i可以实现在采样阶段时，可变电容模块中的开关电容部分或全部接地。通过电荷转移周期后，判断检测电压值是否接近0，若否，依次调整控制电容控制信号a₀、a₁、a₂、a₃...a_N-3、a_N-2中次高位a_N-2的值，依次循环，直到找出一组数值，可以使得检测电压值接近0，该组数值即为所述电容控制信号的预设控制值。该预设控制值下，可变电容模块等效的电容值与待检测电容C_x的寄生电容C_p的值接近相等，即

其中，a_i值为0或1，a₁到a_i构成的一组数值为预设控制值。

所以，采样阶段结束后，流入电容检测电路的电荷实际上为：

Q₁＝VCC·C_x

可见，通过调整电容控制信号的预设值，可以使得可变电容阵列C_off产生的等效电容值与待检测电容C_x的固有寄生电容C_p的值相等，以抵消寄生电容C_p。

将电容控制信号的值取为预设控制值取反，此时，积分电容C_fb和可变电容阵列C_off上的电荷叠加和为：

其中，a`_i为预设控制值的取反。

根据电荷守恒定律可知，Q1＝Q2，可以得到在待检测电容C_x为：

由于，检测电压Vo通过检测可以得到，积分电容C_fb、电源电压VCC、a`_i值为预设控制值的取反、开关电容C都是已知量，所以可以得到待检测电容C_x的值。

本实施例的电容检测方法，通过抵消待检测电容C_x上的寄生电容，该寄生电容C_p包括信号通路上的寄生电容，可以提高检测结果的准确性。

在可选的一实施例中，可所述电容检测电路还包括至少一通断控制开关，所述开关电容通过对应的所述通断控制开关与所述电容检测电路的输入端连接。通断控制开关的数量为第三数量，第三数量的范围大于或等于0，小于或等于所有开关电容的数量。

电容检测方法还包括：根据通断控制信号控制所述通断控制开关闭合以实现将对应的所述开关电容接入所述电容检测电路，根据通断控制信号控制所述通断控制开关断开以防止对应的所述开关电容接入所述电容检测电路。通断控制开关在电容检测电路中的连接关系如图7所示。

在可选的一实施例中，电容检测方法还包括：根据通断控制信号控制所述通断控制开关闭合或断开以调整所述电容控制信号的值为预设控制值。比如，通过通断控制信号控制部分开关电容不接入电容检测电路，再按照上述方法调整所述电容控制信号的值为预设控制值，以提高控制的方便性。

本发明的实施例还提供一种包括上述电容检测电路的电子设备，例如电容式传感器、检测器等。该电子设备采用上述的电容检测电路，降低了电子设备的反馈系数，提高了电子设备的稳定性。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种电容检测电路，其特征在于，包括：控制模块、可变电容模块和积分模块；

所述控制模块，包括控制输入端和控制输出端，所述控制输入端与所述积分模块的输入端连接，所述控制输出端与所述积分模块的输出端连接，用于根据所述积分模块上的积分电荷输出与待检测电容的电容值相对应的信号；

所述可变电容模块，包括至少一开关电容，所述开关电容的一端与所述控制输入端连接，另一端均根据电容控制信号连接电源电压或地；

所述积分模块的输入端还与所述待检测电容的输出端连接，用于实现对待测电容极板上的电荷积分。

2.如权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述可变电容模块，还包括至少一电容控制开关，所述电容控制开关的数量与所述开关电容的数量相对应并一一对应连接，所述电容控制开关的第一端连接所述开关电容的一端，所述电容控制开关的第二端根据所述电容控制信号连接电源电压或地。

3.如权利要求2所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容控制开关中第一数量的所述电容控制开关的第二端连接电源电压，第二数量的所述电容控制开关的第二端连接地，以使得所述可变电容模块的等效电容抵消所述待检测电容的寄生电容，所述电容控制开关的总数量等于所述第一数量与所述第二数量的相加和。

4.如权利要求1或2所述的电容检测电路，其特征在于，所述积分模块包括至少一积分电容，所述控制模块包括放大器；

所述积分电容的一端连接至所述放大器的第一输入端，另一端连接至所述放大器的输出端，所述放大器的第二输入端接地；

所述放大器用于将所述积分电容上的积分电荷转换成与所述待检测电容的电容值相对应的检测电压。

5.如权利要求4所述的电容检测电路，其特征在于，所述控制模块还包括控制器，所述控制器的输入端连接所述放大器的输出端，所述控制器用于根据所述检测电压计算出所述待检测电容的电容值。

6.如权利要求4所述的电容检测电路，其特征在于，还包括以下各个控制开关中的至少一个：

第一控制开关，所述第一控制开关的一端连接至所述放大器的第一输入端，另一端分别与所述放大器的第二输入端和地连接，用于根据开关控制信号在电容检测的采样阶段时闭合以将所述积分电容上的电荷清零；

第二控制开关，所述第二控制开关的一端与所述放大器的第一输入端连接，另一端与所述待检测电容的输出端连接，用于根据开关控制信号在电容检测的采样阶段时断开以防止电荷转移，在电容检测的积分阶段时闭合以提供电荷转移通路；

第三控制开关，所述第三控制开关的一端连接所述待检测电容的一端，另一端连接电源电压，所述待检测电容的另一端接地；用于根据开关控制信号在电容检测的采样阶段闭合，在电容检测的积分阶段断开以实现所述待检测电容的电荷采样；

第四控制开关，所述第四控制开关的一端与所述放大器的输出端连接，另一端接地，用于根据开关控制信号在电容检测的采样阶段闭合以控制所述检测电压的值为预设电压值。

7.如权利要求1或2所述的电容检测电路，其特征在于，所述可变电容模块还包括至少一通断控制开关，至少一所述开关电容通过对应的所述通断控制开关与所述控制模块的控制输入端连接；所述通断控制开关的通断状态受通断控制信号的控制。

8.如权利要求3所述的电容检测电路，其特征在于，所述可变电容模块为可变电容矩阵，所述可变电容矩阵包括若干并联的开关电容和对应的电容控制开关，所述开关电容的一端均与所述控制输入端连接，另一端通过对应的所述电容控制开关根据所述电容控制信号连接电源电压或地，所述可变电容矩阵的等效电容满足以下公式：

其中，所述C_off为所述可变电容矩阵的等效电容，所述C_p为所述待检测电容的寄生电容，所述C为所述开关电容、所述N为所述开关电容的数量、所述a_i为所述电容控制信号。

9.如权利要求8所述的电容检测电路，其特征在于，所述放大器的反馈系数满足以下公式：

其中，所述β为放大器的反馈系数、所述C_fb为积分电容、所述C_x为待检测电容、所述C_p为待检测电容的寄生电容、所述C为所述开关电容、所述N为所述开关电容的数量。

10.如权利要求9所述的电容检测电路，其特征在于，所述放大器的反馈系数的变化范围为：

其中，所述C_fb为积分电容、所述C为开关电容、所述N为开关电容的数量、所述β为放大器的反馈系数。

11.一种电容检测方法，其特征在于，包括：

提供一电容检测电路，所述电容检测电路至少包括：可变电容模块，所述可变电容模块包括至少一开关电容，所述开关电容的一端与所述电容检测电路的输入端连接，另一端均根据电容控制信号连接电源电压或地；

在电容检测的采样阶段，将待检测电容连接电源电压以进行电荷采样，并根据电容控制信号控制第一数量的所述开关电容接电源电压，第二数量的所述开关电容接地，所述开关电容的数量大于或等于所述第一数量与所述第二数量之和；

在电容检测的积分阶段，将所述待检测电容采集的电荷转移到所述电容检测电路，并根据所述电容控制信号控制在所述采样阶段接电源电压的所述开关电容接地，在所述采样阶段接地的所述开关电容接电源电压；

将所述电容检测电路上的积分电荷转换成检测电压，并根据所述检测电压计算出所述待检测电容的电容值。

12.如权利要求11所述的电容检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括：

在所述采样阶段时，调整所述电容控制信号的值为预设控制值以抵消所述待检测电容的寄生电容，所述预设控制值为所述检测电压值为预设电压值时所述电容控制信号对应的值。

13.如权利要求12所述的电容检测方法，其特征在于，所述电容检测电路还包括至少一通断控制开关，所述开关电容通过对应的所述通断控制开关与所述电容检测电路的输入端连接；

所述电容检测电路还包括：根据通断控制信号控制所述通断控制开关的导通或关断。

14.如权利要求11-13中任意一项所述的电容检测方法，其特征在于，所述电容检测电路的反馈系数的变化范围为：

其中，所述C_fb为积分电容、所述C为开关电容、所述N为开关电容的数量、所述β为电容检测电路的反馈系数。

15.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-10中任意一项所述的电容检测电路。

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