CN114301439A - 一种用于电容触摸按键检测的振荡器电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电容触摸按键检测的振荡器电路及检测方法，所述振荡器电路包括：与触摸按键连接的外部电容、给所述外部电容充电的第一电流镜电路、给所述外部电容放电的第二电流镜电路、控制所述第一电流镜电路和所述第二电流镜电路工作状态的第一开关电路、以及根据所述外部电容的电压调节所述第一开关电路控制状态的比较器电路，所述比较器电路的输出信号作为所述外部电容是否触碰的检测信号，当所述检测信号的频率发生变化时，所述外部电容发生触碰。与现有技术相比，本发明克服了传统的时钟产生振荡器电路的缺点，大大提高了抗干扰能力，同时对电源电压不敏感，电路结构简单，易于实现，节省了芯片版图面积。

Description

一种用于电容触摸按键检测的振荡器电路及检测方法

技术领域

本发明涉及振荡器电路技术领域，特别是一种用于电容触摸按键检测的振荡器电路及检测方法。

背景技术

电容式触摸按键是一种较新的技术，兼具灵敏度、稳定性、可靠性。和传统的机械按键对比，电容式触摸按键的寿命更长，灵敏度更高。而且电容式触摸按键不需要人体直接接触金属，可以杜绝安全隐患，不受按键材质影响，所以在按键方案上，能为产品带来整体的外观档次提升。

电容式触摸按键的原理：两个导体之间总会存在着感应电容，一个按键即一个焊盘与地即可构成一个感应电容，在周围环境不变的情况下，该感应电容值是一个固定值。但是当有人体手指靠近触摸按键时，人体手指与大地构成的感应电容并联焊盘与大地构成的感应电容，会使总感应电容值增加。电容式触摸按键就是在检测到按键的感应电容值发生改变后，产生对应的信号。电容式触摸按键检测的电量是微小的变化，所以对检测电路的抗干扰和精度要求比较高。

现有的检测方法主要包括两种：（1）把外部的电容触摸按键与一个电阻和施密特触发器组成RC振荡电路，通过检测振荡频率的变化来判断是否有人触碰电容按键；（2）建立一个恒流源对外部电容进行反复充放电，通过检测单位时间内充放电次数或者每次充电时抵达固定参考电压值的时间来判断外部电容值是否发生变化。但是这两种方法都存在不好的地方，如方法（1）的缺点是发生误触的几率比较大，而且目前还没有较好的办法避免，方法（1）的主体结构虽然简单，但是如果要获得稳定的振荡频率，还需要添加额外的滤波电路，和一些带隙基准，稳压电路等，实际上电路规模也不小。方法（2）的缺点则是会受到外部电磁环境的干扰，尤其是低频率的干扰下，会使电容发生充放电失衡，还有对检测电路内部的电源电压比较敏感等等。

因此，如何设计一种用于电容触摸按键检测的振荡器电路及检测方法，能克服传统的时钟产生振荡器电路的缺点，提高抗干扰能力，是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种用于电容触摸按键检测的振荡器电路及检测方法。

本发明的技术方案为，提出了一种用于电容触摸按键检测的振荡器电路，包括：与触摸按键连接的外部电容、给所述外部电容充电的第一电流镜电路、给所述外部电容放电的第二电流镜电路、控制所述第一电流镜电路和所述第二电流镜电路工作状态的第一开关电路、以及根据所述外部电容的电压调节所述第一开关电路控制状态的比较器电路，所述比较器电路的输出信号作为所述外部电容是否触碰的检测信号，当所述检测信号的频率发生变化时，所述外部电容发生触碰。

进一步，还包括与所述第一电流镜电路和第二电流镜电路连接的分压电路、以及连接所述分压电路与所述比较器电路的第二开关电路，所述分压电路可输出两不同的电压信号作为所述比较器电路的基准电压，所述第二开关电路用于切换输出给所述比较器电路的电压信号。

进一步，所述第一电流镜电路与所述第二电流镜电路的放大倍数相同，使所述第一电流镜电路对所述外部电容的充电时间等于所述第二电流镜电路对所述外部电容的放电时间，所述检测信号为占空比等于50%的时钟信号。

进一步，所述第一开关电路包括连接于所述第一电流镜电路与外部电容之间的第一开关、以及连接于所述第二电流镜电路与外部电容之间的第二开关，所述比较器电路包括同相输入端与所述外部电容连接的比较器、以及连接于所述比较器输出端的反相器，所述比较器的反相输入端接入基准电压，所述第一开关的控制端与所述反相器的输出端连接，所述第二开关的控制端与所述比较器的输出端连接。

进一步，所述第一电流镜电路为PMOS电流镜结构，所述第二电流镜电路为NMOS电流镜结构。

进一步，所述第二开关电路包括与所述分压电路连接的第一传输门和第二传输门，所述第一传输门的输入端连接于所述分压电路的高压侧，所述第二传输门的输入端连接于所述分压电路的低压侧，所述第一传输门与所述第二传输门的输出端相互连接后与所述比较器电路连接。

进一步，所述分压电路采用符合欧姆定律的元器件，且所述元器件的两侧分别为高压侧和低压侧。

进一步，所述振荡器电路包括：MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM3、MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3、外部电容C0、比较器COMP、反相器INV、传输门TG1、传输门TG2、电阻R0；

所述MOS管PM1的第一端连接电源AVDD、第二端连接所述MOS管PM3的第一端、第三端与所述MOS管PM2的第三端连接，所述MOS管PM3的第二端与所述MOS管NM3的第二端连接，所述MOS管NM3的第一端与所述MOS管NM1的第二端连接，所述MOS管NM1的第一端接地，所述MOS管NM1的第三端与所述MOS管NM2的第三端连接，所述MOS管PM2的第一端连接电源AVDD、第二端与所述电阻R0连接，所述电阻R0的另一端与所述MOS管NM2的第二端连接，所述MOS管NM2的第一端接地，所述传输门TG1的输入端连接于所述MOS管PM2与电阻R0之间，所述传输门TG2的输入端连接于所述MOS管NM2与电阻R0之间，所述传输门TG1与传输门TG2的输出端相互连接后与接入所述比较器COMP的反相输入端，所述比较器COMP的同相输入端串联外部电容C0后接地、输出端分别连接到所述MOS管PM3的第三端和所述MOS管NM3的第三端。

进一步，所述检测信号的周期为：T=2RC/n；

其中，T为所述检测信号的周期，R为所述电阻R0的阻值，C为所述外部电容C0的容值，n为所述外部电容C0充放电电流相比于所述电阻R0上电流的比值。

本发明还提出了一种振荡器电路的检测方法，其包括：

开启所述振荡器电路；

获取所述比较器电路输出的检测信号；

根据所述检测信号判断外部电容是否发生按键触摸行为。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明使用三角波来生成时钟，克服了传统的时钟产生振荡器电路的缺点，大大提高了抗干扰能力，同时对电源电压变化不敏感，电路结构简单，易于实现，节省芯片版图面积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明的振荡器电路的电路原理示意图；

图2为本发明振荡器电路的连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。

电容式触摸按键现有的检测方法主要包括：（1）把外部的电容触摸按键与一个电阻和施密特触发器组成RC振荡电路，通过检测振荡频率的变化来判断是否有人触碰电容按键；（2）建立一个恒流源对外部电容进行反复充放电，通过检测单位时间内充放电次数或者每次充电时抵达固定参考电压值的时间来判断外部电容值是否发生变化。但是这两种方法都存在不好的地方，如方法（1）的缺点是发生误触的几率比较大，而且目前还没有较好的办法避免，方法（1）的主体结构虽然简单，但是如果要获得稳定的振荡频率，还需要添加额外的滤波电路，和一些带隙基准，稳压电路等，实际上电路规模也不小。方法（2）的缺点则是会受到外部电磁环境的干扰，尤其是低频率的干扰下，会使电容发生充放电失衡，还有对检测电路内部的电源电压比较敏感等等。

本发明的思路在于，提出一种振荡器电路，其通过一个比较器电路、两个开关电路、两个电流镜电路和一个分压电路对外部电容进行充放电，以生成稳定的三角波信号，通过直接通过检测该三角波的频率确定外部电容是否发生按键触摸行为，克服了传统方案的缺陷，提高了抗干扰能力。

具体的，本发明提出的振荡器电路，包括：与触摸按键连接的外部电容、给外部电容充电的第一电流镜电路、给外部电容放电的第二电流镜电路、控制第一电流镜电路和第二电流镜电路工作状态的第一开关电路、以及根据外部电容的电压调节第一开关电路控制状态的比较器电路，其比较器电路的同相输入端与外部电容连接，用于接入外部电容上的电压，反相输入端接入一基准电压，随着第一电流镜电路和第二电流镜电路对外部电容的充放电，比较器电路的输出信号也随之改变，当无人触碰外部电容时，该信号的频率稳定不变，当有人触碰外部电容时，该信号的频率也会发生改变，通过检测该频率的变化可以确定是否发生了触碰形为。

进一步的，为降低电源电压的影响，本发明的振荡器电路还包括有与第一电流镜电路和第二电流镜电路连接的分压电路、以及连接分压电路与比较器电路的第二开关电路，分压电路的两端可以分别输出两不同的电压信号，该信号作为基准信号输出给比较器电路的反相输入端，第二开关电路用于切换接入的电压信号，使得外部电容的电压工作与分压电路的两电压信号之间，此外，分压电路还可以给第一电流镜电路和第二电流镜电路提供参考电流，分压电路满足欧姆定律，V/I=β，则输入给电流镜的参考电流I1=（V2-V1）/β，提供给电容的充放电电流I2=α(V2-V1)/β。因为充放电电流的大小相同，所以充放电所需的时间也是一致的，所以充电放电周期为T=2(V2-V1)/I2，代入I2的表达式，可得T=2β/α，所以充放电周期只与分压电路的电压电流相关系数和两个电流镜的放大倍数二者有关，这使本发明提出的电路结构对电源电压变化不敏感。

优选的，本发明中第一电流镜电路和第二电流镜电路的放大倍数相同，使第一电流镜电路对外部电容的充电时间等于第二电流镜电路对外部电容的放电时间，比较器电路可以输出占空比等于50%的时钟信号，以便于检测。在本发明其他实施例中，如检测时钟需要特定的占空比，也可以使其充放电时间不相等，这样会生成占空比不等于50%的时钟。

请参见图1，电流镜1为第一电流镜电路，电流镜2为第二电流镜电路，第一开关电路由开关1和开关2组成，比较器电路包括一与外部电容连接的比较器、以及一连接与该比较器输出端的反相器，第二开关电路采用单刀双掷开关。

其中，电流镜1的输出电流方向从电流镜1流出，为外部电容充电时使用，其通常采用PMOS电流镜结构，电流镜2的输出电流方向是流入电流镜，给外部电容放电时使用，其通常采用NMOS电流镜结构。需要指出的是，PMOS电流镜和NMOS电流镜的结构可根据实际情况选择，也可以使用其他具有充放电功能的电路代替，本发明不做限定；

分压电路使用符合欧姆定律的器件构成，其至少具有高压侧和低压侧用作比较器电路的基准电压，其可以通过第二开关电路切换高压侧或低压侧用作基准电压，此外，分压电路还需要与两个电流镜电路分别连接，以提供参考电流；

单刀双掷开关的结构可以选择两个传输门，将其中一端连接在一起来实现，也可以采用其他结构的单刀双掷开关电路，只需要保证电容充电时选通分压电路的高压侧，电容放电时选通分压电路的低压侧即可，单刀双掷开关的具体结构本发明不做限定；

开关1和开关2可分别采用单个PMOS管和NMOS管实现，并把栅极作为控制端，由于PMOS管和NMOS管作为开关器件使用时，其两者本身就是相对自带反相器的开关器件，因此，该实施例下可以将开关1和开关2的栅极一同连接到比较器的输出端而不需要反相器的参与，该情况下，当比较器输出高电平信号时，开关1的栅极接收到高电平信号，处于截止状态，开关2的栅极接收到高电平信号，处于导通状态，此时，外部电容放电，当比较器输出低电平信号时，开关1的栅极接收到低电平信号，处于导通状态，开关2的栅极接收到低电平信号，处于截止状态，此时外部电容充电。

在本发明其他实施例中，开关1和开关2也可以均采用NMOS管，为保证该情况下开关1和开关2的导通时序相反，需要将反相器的输出端连接到开关1的栅极，以达到相同的控制效果。

本发明通过两个电流镜电路、比较器电路、第一开关电路、第二开关电路、分压电路与外部电容的配合，克服了传统的时钟产生振荡器电路的缺点，大大提高了抗干扰能力。

具体的，请参见图2，本发明提出的振荡器电路，包括：MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM3、MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3、外部电容C0、比较器COMP、传输门TG1、传输门TG2、电阻R0；

MOS管PM1的第一端连接电源AVDD、第二端连接MOS管PM3的第一端、第三端与MOS管PM2的第三端连接，MOS管PM3的第二端与MOS管NM3的第二端连接，MOS管NM3的第一端与MOS管NM1的第二端连接，MOS管NM1的第一端接地，MOS管NM1的第三端与MOS管NM2的第三端连接，MOS管PM2的第一端连接电源AVDD、第二端与电阻R0连接，电阻R0的另一端与MOS管NM2的第二端连接，MOS管NM2的第一端接地，传输门TG1的输入端连接于MOS管PM2与电阻R0之间，传输门TG2的输入端连接于MOS管NM2与电阻R0之间，传输门TG1与传输门TG2的输出端相互连接后与接入比较器COMP的反相输入端，比较器COMP的同相输入端串联外部电容C0后接地、输出端分别连接到所述MOS管PM3的第三端和所述MOS管NM3的第三端；

该实施例下，反相器INV的输入端连接到比较器COMP的输出端、输出端可以分别连接到传输门TG1的N控制端和传输门TG2的P控制端，此外，比较器COMP的输出端还分别连接到传输门TG1的P控制端和传输门TG2的N控制端。通过该连接方式，可以实现比较器COMP对两传输门的控制，实现基准电压的切换，具体的，当比较器COMP输出低电平信号时，传输门TG1导通，当比较器COMP输出高电平信号时，传输门TG2导通。

其工作原理为，（1）在初始状态下，外部电容C0的电荷量为0，即外部电容C0上的电压为0，VC处电压为0，比较器COMP输出低电平信号，传输门TG1导通，接入电阻R0高压侧电压V2作为比较器COMP的基准电压，MOS管PM3的栅极接收到低电平信号，处于导通状态，MOS管NM3的栅极接收到低电平信号，处于截止状态，此时电源AVDD流出的电流依次通过MOS管PM3、MOS管NM3后流入外部电容C0，对外部电容C0充电；

（2）外部电容C0充电一段时间后，当其电压高于V2时，VC处电压高于V2，比较器COMP同相输入端电压高于反相输入端的基准电压，输出高电平信号，MOS管PM3的栅极接收到高电平信号，处于截止状态，MOS管NM3的栅极接收到高电平信号，处于导通状态，该情况下，外部电容C0进行放电，其流出的电流依次经过MOS管PM3、MOS管NM1后导向地。同时，由于比较器COMP输出高电平信号，使得传输门TG1关闭、传输门TG2导通，接入电阻R0低压侧的电压V1作为基准电压，由于电压V1小于电压V2，比较器COMP同相输入端的电压依然高于反相输入端，输出高电平信号，外部电容C0持续放电；

（3）外部电容C0放电一段时间后，当其电压低于V1时，比较器COPM同相输入端的电压再次低于反相输入端的基准电压，比较器COPM输出低电平信号，MOS管PM3的栅极接收到低电平信号，处于导通状态，MOS管NM3的栅极接收到低电平信号，处于截止状态，此时电源AVDD流出的电流依次通过MOS管PM3、MOS管NM3后流入外部电容C0，对外部电容C0充电，其电压从V1开始上升。同时，由于比较器COMP输出低电平信号，使得传输门TG1再次导通、传输门TG2截止，接入电阻R0的高压侧的电压V2作为基准电压，由于电压V2高于电压V1，比较器COMP同相输入端的电压依然低于反相输入端，输出低电平信号，外部电容C0持续充电；

（4）外部电容C0充电一段时间后，当其电压高于V2时，重复（2）过程；并经过（2）过程放电一段时间后进入（3）过程，并此后一直重复（2）、(3）过程，外部电容C0在电压V1和电压V2之间充电。

此外，MOS管PM2、电阻R0、MOS管NM2形成一个直流通道，该支路的电流值为I1=（V2-V1）/R，根据MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管NM1、MOS管NM2的宽长比，流过PM1和NM1的电流绝对值都是I2，且I2=nI1。

由于充放电电流都是恒定的，电流值都是I2，所以VC相对于时间t的变化过程是线性的，即VC=a*t+b，充电时a>0，放电时a<0。如果忽略比较器失调误差，那么在VC大于V2瞬间和VC小于V1瞬间，比较器的输出就会马上开始响应，输出电压从低变高或者从高变低，使充放电状态马上切换，所以可以认为VC只在V1到V2间变化。那么除去上电和使能前的不稳定状态以及第一次VC从0爬升到V2的过程，其余每次充放电过程的时间之和（即充放电周期）可以求得：T=2C(V2-V1)/I2 ，再代入I2=nI1和I1=（V2-V1）/R，化简得T=2RC/n；其中，T为检测信号的周期，R为电阻R0的阻值，C为外部电容C0的容值，n为外部电容C0充放电电流相比于所述电阻R0上电流的比值。

所以只要电路的R和n确定了，充放电周期就只与外部电容的变化有关，这样的好处是降低了电路对电源电压的变化的敏感度。当外部电容变化时，就会直接作用在充放电周期上，通过检测固定时间内充放电次数是否发生改变就可以判断外部电容是否发生了变化。

比较器COPM的结果可以视为一个时钟信号，可用作检测。如果无人触碰，该时钟信号是一个恒定的频率，当有人触碰电容按键时，外部电容C0的容值就会发生变化，此时时钟信号的频率也会发生改变，通过检测该频率的变化可以确认是否发生了触碰行为。

基于上述振荡器电路，本发明还提出了一种振荡器电路的检测方法，其包括：

开启振荡器电路；

获取比较器电路输出的检测信号；

根据检测信号判断外部电容是否发生按键触摸行为；

其中，根据检测信号判断外部电容是否发生按键触摸行为，包括：获取检测信号的频率，判断其频率是否发生改变，若是，则判定外部电容发生了按键触摸行为，若否，则判定外部电容并未发生按键触摸行为。

本发明的方案相比于传统的方案，其克服了传统的时钟产生振荡器电路的缺点，大大提高了抗干扰能力，同时对电源电压变化不敏感，电路结构简单，易于实现，节省芯片版图面积。

上述实施例仅用于说明本发明的具体实施方式。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变化，这些变形和变化都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于电容触摸按键检测的振荡器电路，其特征在于，包括：与触摸按键连接的外部电容、给所述外部电容充电的第一电流镜电路、给所述外部电容放电的第二电流镜电路、控制所述第一电流镜电路和所述第二电流镜电路工作状态的第一开关电路、以及根据所述外部电容的电压调节所述第一开关电路控制状态的比较器电路，所述比较器电路的输出信号作为所述外部电容是否触碰的检测信号，当所述检测信号的频率发生变化时，所述外部电容发生触碰。

2.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，还包括与所述第一电流镜电路和第二电流镜电路连接的分压电路、以及连接所述分压电路与所述比较器电路的第二开关电路，所述分压电路可输出两不同的电压信号作为所述比较器电路的基准电压，所述第二开关电路用于切换输出给所述比较器电路的电压信号。

3.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，所述第一电流镜电路与所述第二电流镜电路的放大倍数相同，使所述第一电流镜电路对所述外部电容的充电时间等于所述第二电流镜电路对所述外部电容的放电时间，所述检测信号为占空比等于50%的时钟信号。

4.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，所述第一开关电路包括连接于所述第一电流镜电路与外部电容之间的第一开关、以及连接于所述第二电流镜电路与外部电容之间的第二开关，所述比较器电路包括同相输入端与所述外部电容连接的比较器、以及连接于所述比较器输出端的反相器，所述比较器的反相输入端接入基准电压，所述第一开关的控制端与所述反相器的输出端连接，所述第二开关的控制端与所述比较器的输出端连接。

5.根据权利要求1所述的振荡器电路，其特征在于，所述第一电流镜电路为PMOS电流镜结构，所述第二电流镜电路为NMOS电流镜结构。

6.根据权利要求2所述的振荡器电路，其特征在于，所述第二开关电路包括与所述分压电路连接的第一传输门和第二传输门，所述第一传输门的输入端连接于所述分压电路的高压侧，所述第二传输门的输入端连接于所述分压电路的低压侧，所述第一传输门与所述第二传输门的输出端相互连接后与所述比较器电路连接。

7.根据权利要求2所述的振荡器电路，其特征在于，所述分压电路采用符合欧姆定律的元器件，且所述元器件的两侧分别为高压侧和低压侧。

8.根据权利要求2所述的振荡器电路，其特征在于，所述振荡器电路包括：

MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM3、MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3、外部电容C0、比较器COMP、传输门TG1、传输门TG2、电阻R0；

所述MOS管PM1的第一端连接电源AVDD、第二端连接所述MOS管PM3的第一端、第三端与所述MOS管PM2的第三端连接，所述MOS管PM3的第二端与所述MOS管NM3的第二端连接，所述MOS管NM3的第一端与所述MOS管NM1的第二端连接，所述MOS管NM1的第一端接地，所述MOS管NM1的第三端与所述MOS管NM2的第三端连接，所述MOS管PM2的第一端连接电源AVDD、第二端与所述电阻R0连接，所述电阻R0的另一端与所述MOS管NM2的第二端连接，所述MOS管NM2的第一端接地，所述传输门TG1的输入端连接于所述MOS管PM2与电阻R0之间，所述传输门TG2的输入端连接于所述MOS管NM2与电阻R0之间，所述传输门TG1与传输门TG2的输出端相互连接后与接入所述比较器COMP的反相输入端，所述比较器COMP的同相输入端串联外部电容C0后接地、输出端分别连接到所述MOS管PM3的第三端和所述MOS管NM3的第三端。

9.根据权利要求8所述的振荡器电路，其特征在于，所述检测信号的周期为：T=2RC/n；

其中，T为所述检测信号的周期，R为所述电阻R0的阻值，C为所述外部电容C0的容值，n为所述外部电容C0充放电电流相比于所述电阻R0上电流的比值。

10.根据权利要求1至9任意一项权利要求所述的振荡器电路的检测方法，其特征在于，包括：

开启所述振荡器电路；

获取所述比较器电路输出的检测信号；

根据所述检测信号判断外部电容是否发生按键触摸行为。

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