CN114285398A - 一种电容充电型触摸按键检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容充电型触摸按键检测电路及检测方法，检测电路包括检测接口、固定寄生电容C1、电流源、第一开关、第二开关及ADC模块，固定寄生电容C1连接检测接口，第一开关两端分别连接电流源及检测接口，第二开关两端分别连接地及检测接口，所述ADC模块连接检测接口，ADC模块包括采样开关及时钟产生电路，所述时钟产生电路与第一开关、第二开关及采样开关连接，时钟产生电路用于控制第一开关、第二开关及采样开关的断开与闭合。本发明减弱了干扰源对触摸按键检测的影响，提高了触摸按键检测准确度及效率。

Description

一种电容充电型触摸按键检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种电容充电型触摸按键检测电路及检测方法。

背景技术

电容充电型触摸按键有采样转化快速、硬件消耗少的特点，但是相比其他触摸按键类型，也存在对人体触摸引入的干扰源更为敏感的缺点。

传统的电容充电型触摸按键结构，如图1所示，IO接口的固定电容为C1，触摸按键充电电流源为I1，开关控制电路控制开关SW1,SW2对电容进行充电或者放电，手指触摸等效为一个触摸等效电容C0和一个干扰电流源I2，ADC对IO接口上的电压做量化处理。

如图2，当未触摸按键时，0时刻，通过开关控制电路打开SW1,关闭SW2，电流源对电容C1充电，触摸按键进入充电状态，0到t1时刻，电容C1节点VC1被充电至电压V1=

；t1时刻，通过开关控制电路关闭SW1,关闭SW2，触摸按键进入保持状态；t1到t2时刻，ADC完成将节点VC2电压V1采样并将V1进行量化输出；t2时刻，通过开关控制电路关闭SW1,打开SW2，电流源对电容C1放电，触摸按键进入放电状态，完成当前按键扫描。

当触摸按键时，0时刻，通过开关控制电路打开SW1,关闭SW2，电流源对电容C1和C0充电，触摸按键进入充电状态，0到t1时刻，不考虑干扰电流源I2影响，电容C1节点VC1被充电至电压V2=

；t1时刻，通过开关控制电路关闭SW1,关闭SW2，触摸按键进入保持状态；t1到t2时刻，ADC完成将节点VC2电压V2采样并将V2进行量化输出；t2时刻，通过开关控制电路关闭SW1,打开SW2，电流源对电容C1放电，触摸按键进入放电状态，完成当前按键扫描。通过ADC判断当前输出电压，若V2<V1,可以判断为按键被触摸。

但是在考虑干扰源I2的情况下，触摸阶段，I2将在VC1处引入干扰杂波，充电阶段电容充电电压被充电至V2=

，触摸保持阶段，ADC开关SW3闭合，采样信号V2，采样结束后，ADC开关SW3闭合，ADC进入量化阶段，在量化阶段，由于IO口处SW1、SW2处于关闭状态，IO口为高阻态，假设高阻态电阻为R1,干扰电流将在IO口产生一个很大的干扰电压I2*R1，虽然SW3关闭，但是实际集成电路的开关关断电阻并不是无穷大，假设关断电阻为R2，关断电阻R2与采样电容C2形成一个低通，3dB带宽为BW=

，由于干扰源I2主要来之人体，人体会吸收一般频率为50Hz或60Hz交流电引入的工频干扰，以及其它空中辐射干扰信号，在ADC进行量化阶段，关断电阻R2与采样电容C2形成的低通滤波带宽BW有限，低频的干扰源无法被关断开关完全消除；以上分析，在触摸按键的采样与保持阶段，如图2中t1到t2期间，干扰源都会对ADC量化结果产生影响，有可能存在V2大于V1的情况，从而可能导致触摸按键发生错判。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中电容充电型触摸按键在采样与保持阶段受干扰源影响易导致错判的问题，本发明提供一种电容充电型触摸按键检测电路及检测方法。

技术方案：一种电容充电型触摸按键检测电路，包括检测接口、固定寄生电容C1、电流源、第一开关、第二开关及ADC模块，固定寄生电容C1连接检测接口，第一开关两端分别连接电流源及检测接口，第二开关两端分别连接地及检测接口，所述ADC模块连接检测接口，ADC模块包括采样开关及时钟产生电路，所述时钟产生电路与第一开关、第二开关及采样开关连接，时钟产生电路用于控制第一开关、第二开关及采样开关的断开与闭合。

进一步地，所述时钟产生电路用于产生第一控制信号及第二控制信号，所述第一控制信号与第二控制信号相反，第一控制信号用于控制第一开关及采样开关，第二控制信号用于控制第二开关。

进一步地，ADC模块还包括电压跟随器、电容C2及比较转换电路，所述电压跟随器的同相输入端连接检测接口，电压跟随器的反相输入端连接输出端，采样开关一端连接电压跟随器输出端，另一端接比较转换电路及电容C2。

进一步地，所述ADC模块还包括带通滤波器，所述带通滤波器输入端连接电压跟随器输出端，带通滤波器输出端连接采样开关。

进一步地，所述带通滤波器的截止频率为w1、w2，所述w1、w2满足：

<

<

<

其中，I1为电流源的大小，C0为触摸等效电容。

进一步地，所述带通滤波器包括电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4及放大器，电容C3、电阻R3串联在电压跟随器输出端及放大器反相输入端之间，电容C4、电阻R4均连接在放大器反相输入端与输出端之间，放大器同相输入端接地，固定寄生电容C1、触摸等效电容C0、电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4之间满足以下关系：

<

<

<

其中，I1为电流源的大小，C0为触摸等效电容。

一种如上述所述的电容充电型触摸按键检测电路的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、闭合第一开关及采样开关，同时断开第二开关，固定寄生电容C1充电；

步骤二、断开第一开关及采样开关，同时闭合第二开关，ADC模块采样，同时固定寄生电容C1放电；

步骤三、将ADC模块采样得到的量化值与阈值相比较，若小于阈值，则检测到触摸，否则未检测到触摸。

进一步地，步骤一和步骤二中，通过时钟产生电路发出控制信号闭合和断开开关，第一开关与采样开关的控制信号相同，第二开关与第一开关的控制信号相反。

本发明提供一种电容充电型触摸按键检测电路及检测方法，相比较现有技术，存在以下有益效果：

（1）在保持阶段，可以消除人体触摸时引入的干扰源对触摸按键判断的影响，降低噪声对电容充电型触摸按键检测的影响；

（2）不影响ADC的量化过程，采样开关与电容充电开关同步控制，使得电容充电完成时即可进行ADC采样量化；采样开关与电容放电开关相反控制，在保持阶段同时实现电容放电，省去了单独的放电阶段，设计巧妙，从而减小了一次触摸按键扫描的时间，以提高触摸按键检测效率；

（3）采用ADC本身就有的时钟产生电路，不另外增加电路，使其不仅控制采样开关，也控制第一开关和第二开关，检测方法简单，电路结构简单易于实现，实用性强；

（4）增加带通滤波器，可以在充电阶段消除或减弱带宽以外的噪声影响，包括工频干扰及空中辐射干扰信号等，进一步提高检测精确度。

附图说明

图1是传统电容充电型触摸按键检测电路的结构原理图；

图2是传统电容充电型触摸按键电容充放电过程示意图；

图3是实施例一电容充电型触摸按键检测电路的结构原理图；

图4是实施例一电容充电型触摸按键电容充放电过程示意图；

图5是实施例二电容充电型触摸按键检测电路的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

实施例一：

一种电容充电型触摸按键检测电路，如图3所示，包括检测接口、固定寄生电容C1、电流源、第一开关SW1、第二开关SW2及ADC模块，固定寄生电容C1连接检测接口。SW1为充电开关，其两端分别连接电流源及检测接口。SW2为放电开关，其两端分别连接地及检测接口。

所述ADC模块连接检测接口，ADC模块包括电压跟随器、采样开关SW3、电容C2、时钟产生电路及比较转换电路。所述电压跟随器的同相输入端连接检测接口，电压跟随器的反相输入端连接输出端，采样开关一端连接电压跟随器输出端，另一端接比较转换电路及电容C2。

所述时钟产生电路与SW1、SW2及SW3连接，该时钟产生电路为ADC模块本身自带的，原产生的电路仅用于ADC采样和转换，在本实施例中，对时钟产生电路增加了新的功能，即时钟产生电路除了控制SW3，还用于控制SW1、SW2的断开与闭合。所述时钟产生电路用于产生第一控制信号及第二控制信号，所述第一控制信号与第二控制信号相反，第一控制信号用于控制SW1、SW3，第二控制信号用于控制SW2。

该检测电路可以集成在芯片中，检测接口作为图1中的IO接口，当有触摸发生时，IO接口相当于外接了触摸等效电容C0和干扰电流源I2。

一种使用该电容充电型触摸按键检测电路的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、闭合第一开关及采样开关，同时断开第二开关，固定寄生电容C1充电；

步骤二、断开第一开关及采样开关，同时闭合第二开关，ADC模块采样，同时固定寄生电容C1放电；

步骤三、将ADC模块采样得到的量化值与阈值相比较，若小于阈值，则检测到触摸，否则未检测到触摸。

步骤一和步骤二中，各开关的闭合和断开由ADC模块内的时钟产生电路控制，时钟产生电路发出控制信号闭合和断开开关，第一开关与采样开关的控制信号相同，第二开关与第一开关的控制信号相反。

ADC采样过程，利用ADC模块内部采样保持时钟控制信号，在控制SW3的同时，控制SW1、SW2，且SW3与SW1为同相控制信号，SW3与SW2为反向控制信号。如图4所示，在0到t1时刻的充电阶段，SW1闭合，SW2断开，电流源对IO接口上连接的固定寄生电容C1进行充电。因为SW1与ADC模块内的SW3受同一控制信号的控制，固定寄生电容C1充电的同时，电容C2也进行充电，VC2点跟随VC1点。t1时刻，固定寄生电容C1上的电压达到V2，电压跟随后VC2点电压与VC1点电压相同。此时，断开SW1、SW3，同时闭合SW2。t1~t2的保持阶段，ADC采样t1时刻的电压值V2，并对其量化，同时固定寄生电容C1放电。因为t1时刻之后，固定寄生电容C1的放电开关SW2闭合，干扰电流源信号将随着SW2流入参考地，消除了ADC量化时干扰源对ADC量化参数的影响。所以即使采样开关存在关断电阻，干扰源也不会对采样结果造成影响，降低了噪声对电容充电型触摸按键检测的影响。此外，固定寄生电容C1在t1~t2的保持阶段放电，不再需要额外预留电容放电的时间，即在ADC量化期间，触摸按键已经开始放电，从而减少了一次触摸按键扫描的时间。

实施例二：

实施例二在实施例一的基础上还增加了带通滤波器，如图5，带通滤波器位于ADC模块内，所述带通滤波器输入端连接电压跟随器输出端，输出端连接采样开关。在触摸过程中，带通滤波器不影响VC2节点对VC1节点的电压跟随，同时滤除低频交流电引入的工频干扰，以及无线通信等高频干扰，减少干扰源在触摸按键采样阶段的影响。但是要求带通滤波器无论有没有触摸均不能影响电容正常充电，所以对其截止频率有所要求。

如图5所示，为带通滤波器的一种实现方式，还可以使用其他电路实现相同效果。带通滤波器包括电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4及放大器，电容C3、电阻R3串联在电压跟随器输出端及放大器反相输入端之间，电容C4、电阻R4均连接在放大器反相输入端与输出端之间，放大器同相输入端接地。

图5所示的带通滤波器的传递函数为：

(1)

未触摸按键时，电流源I1对C1充电的斜率为：

=

(2)

触摸按键时，电流源I1对C1和C0充电的斜率为：

(3)

由（1）（2）（3）式，若想要带通滤波器不影响电容充电，需要满足：

<

<

<

（4）

其中，I1为电流源的大小，C0为触摸等效电容。

在触摸过程中，带通滤波器不影响VC2节点对VC1节点的电压跟随，同时可以滤除低频交流电引入的工频干扰，以及无线通信等高频干扰，减少在电容充电过程中所受到的干扰源影响，进一步提高采样的准确度。

Claims (8)

1.一种电容充电型触摸按键检测电路，其特征在于，包括检测接口、固定寄生电容C1、电流源、第一开关、第二开关及ADC模块，固定寄生电容C1连接检测接口，第一开关两端分别连接电流源及检测接口，第二开关两端分别连接地及检测接口，所述ADC模块连接检测接口，ADC模块包括采样开关及时钟产生电路，所述时钟产生电路与第一开关、第二开关及采样开关连接，时钟产生电路用于控制第一开关、第二开关及采样开关的断开与闭合。

2.根据权利要求1所述的电容充电型触摸按键检测电路，其特征在于，所述时钟产生电路用于产生第一控制信号及第二控制信号，所述第一控制信号与第二控制信号相反，第一控制信号用于控制第一开关及采样开关，第二控制信号用于控制第二开关。

3.根据权利要求1或2所述的电容充电型触摸按键检测电路，其特征在于，ADC模块还包括电压跟随器、电容C2及比较转换电路，所述电压跟随器的同相输入端连接检测接口，电压跟随器的反相输入端连接输出端，采样开关一端连接电压跟随器输出端，另一端接比较转换电路及电容C2。

4.根据权利要求3所述的电容充电型触摸按键检测电路，其特征在于，所述ADC模块还包括带通滤波器，所述带通滤波器输入端连接电压跟随器输出端，带通滤波器输出端连接采样开关。

5.根据权利要求4所述的电容充电型触摸按键检测电路，其特征在于，所述带通滤波器的截止频率为w1、w2，所述w1、w2满足：

其中，I1为电流源的大小，C0为触摸等效电容。

6.根据权利要求5所述的电容充电型触摸按键检测电路，其特征在于，所述带通滤波器包括电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4及放大器，电容C3、电阻R3串联在电压跟随器输出端及放大器反相输入端之间，电容C4、电阻R4均连接在放大器反相输入端与输出端之间，放大器同相输入端接地，固定寄生电容C1、触摸等效电容C0、电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4之间满足以下关系：

其中，I1为电流源的大小，C0为触摸等效电容。

7.一种如权利要求1-6任一所述的电容充电型触摸按键检测电路的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、闭合第一开关及采样开关，同时断开第二开关，固定寄生电容C1充电；

步骤二、断开第一开关及采样开关，同时闭合第二开关，ADC模块采样，同时固定寄生电容C1放电；

步骤三、将ADC模块采样得到的量化值与阈值相比较，若小于阈值，则检测到触摸，否则未检测到触摸。

8.根据权利要求7所述的电容充电型触摸按键检测电路的检测方法，其特征在于，步骤一和步骤二中，通过时钟产生电路发出控制信号闭合和断开开关，第一开关与采样开关的控制信号相同，第二开关与第一开关的控制信号相反。

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