CN117310555B - 一种片上集成短路检测电路及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种片上集成短路检测电路及检测方法，将数模转换器输出的电流通过选择开关配置于被测电极上，根据电流值与被测电极对屏蔽电极的寄生电阻值计算得到一检测电压；并将检测电压输入至所述比较模块，与接入所述比较模块的参考电压进行比较，数模转换器输出的电流不断变换，直到比较模块的输出结果发生变化，再根据此时电信号转换装置输出的电流值和参考电压值，计算寄生电阻的阻值，并根据寄生电阻阻值判断短路程度，实现了短路状态的判断。该电路结构简单，无需使用精度很高的外部电阻和SoC控制芯片，降低了电极状态的检测成本，也可以在传感器模组安装完成之后检测出由于机械应力或碰撞造成的传感器电极损坏而导致的各种短路现象。

Description

一种片上集成短路检测电路及检测方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种片上集成短路检测电路及检测方法。
背景技术
通常地，在传感器的生产制造过程中，传感器电极的布线会由于制造的原因出现与屏蔽电极短路或者微短路的现象，屏蔽电极一般为地，因此传感器电极会表现出对地阻抗过小的现象。此外还会出现电极断开，导致电极开路的现象。通过正常通道扫描可检测电极开路现象，例如在修改外部激励电压和扫描条件的情况下，扫描无数据变化，则表明传感器相应电极出现制造开路。而传感器电极对附近屏蔽电极出现短路和微短路，尤其是微短路，和传感器的正常数据变化方向存在一致的可能性，有时难以判别是真实数据还是制造出现的微短路故障。这种电极和屏蔽电极出现的微短路，需要检测并给出结果判定，且需要在产品安装之前和安装完毕之后，甚至应用过程中都需要能够实时执行。
传统的外部传感器电极状态检测，尤其是电容触摸屏激励电极的短路检测，通常采用外部硬件信号检测设计方案。如现有技术CN115656876A中提出的方案，利用上拉电阻与激励电极的等价电阻形成分压串，然后使用ADC（模式转换器）对电极的电压状态进行模拟数字转换，由于上拉电阻的电阻值已知，根据采样到的电极电压即可推导出电极对地的寄生电阻。如果该电阻小于某个设定值，即可判定该传感器激励电极对地短路。该方法需要精度很高的外部电阻，一个至少10bit（位数）的单片ADC，还需要一个用于计算的单片机。检测成本较高。此外，传统的检测只能在传感器组装前期检测，当触摸屏或者传感器组装完成后，再由于其他原因导致的电极损坏和短路，将不能由该方案完成电极的状态检测。
发明内容
本发明提供一种片上集成短路检测电路及检测方法，实现实时对于前端传感器电极状态高精度的检测以及短路程度的判断，降低对于电极状态的检测成本，提高了检测电路的使用范围。
本发明提供一种片上集成短路检测电路，包括：阵列电极、选择开关、数模转换器和比较模块；
所述阵列电极包括被测电极和屏蔽电极；
将所述数模转换器输出的电流通过所述选择开关配置于所述被测电极上，根据所述电流以及所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻得到一检测电压；
所述检测电压输入至所述比较模块，并与接入所述比较模块的参考电压进行比较；
预设比较模块的初始输出结果，当所述比较模块的输出结果相对于所述初始输出结果发生变化时，记录数模转换器输出的电流值，根据所述参考电压以及所述电流值计算所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值；
根据所述寄生电阻值判断所述被测电极对所述屏蔽电极的短路程度。
进一步的，所述数模转换器为电流型数模转换器、电阻型数模转换器或混合型数模转换器。
进一步的，还包括电阻；
任一被测电极与所述电阻相连后，通过所述选择开关与所述数模转换器的输出端相连，所述数模转换器的输出端接入所述比较模块。
进一步的，所述比较模块包括比较器；所述比较器的正极接所述参考电压，负极接所述检测电压。
进一步的，还包括模拟总线；
所述被测电极通过所述选择开关与所述模拟总线相连，所述数模转换器的输出端也与所述模拟总线相连，所述模拟总线接入所述比较器的负极。
进一步的，所述被测电极包括接收电极和发射电极；
将所述数模转换器输出的电流通过所述选择开关配置于所述接收电极上，并计算所述接收电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值。
进一步的，所述寄生电阻值的大小为或/>；
其中，VREF为参考电压，IDAC为所述比较器的输出结果相对初始输出结果发生变化时，数模转换器输出的电流值，VDD为芯片的供电电压。
进一步的，所述检测信号的大小为所述寄生电阻值与数模转换器输出的电流值的乘积。
本发明还提供一种片上集成短路检测方法，采用上述的一种片上集成短路检测电路，所述方法包括：
将所述数模转换器输出的电流通过所述选择开关配置于所述被测电极上，根据所述电流以及所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值得到一检测电压；
所述检测电压输入至所述比较模块，并与接入所述比较模块的参考电压进行比较；
预设比较模块的初始输出结果，当所述比较模块的输出结果相对于所述初始输出结果发生变化时，记录数模转换器输出的电流值，根据所述参考电压以及所述电流值计算所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值；
根据所述寄生电阻值判断所述被测电极对所述屏蔽电极的短路程度。
进一步的，所述数模转换器输出的电流值与寄生电阻最小设定值的乘积大于参考电压。
相比于现有技术，本发明至少具有以下技术效果：
本发明通过将数模转换器输出的电流通过选择开关配置于被测电极上，根据电流值与被测电极对屏蔽电极的寄生电阻值计算得到一检测电压；并将检测电压输入至所述比较模块，与接入所述比较模块的参考电压进行比较，数模转换器输出的电流不断变换，直到比较模块的输出结果发生变化，根据此时电信号转换装置输出的电流值和参考电压值，计算寄生电阻的阻值，并根据寄生电阻阻值判断短路程度，从而实现对于微短路现象的判断。该电路结构简单，无需使用精度很高的外部电阻和SoC（System-on-a-Chip 系统芯片）控制芯片，降低对于电极状态的检测成本，此外，传感器模组在安装完成之后，若处于机械应力或碰撞损坏的情况下也可通过上述片上集成短路检测电路进行电极检测，提高了检测电路的使用范围。
附图说明
图1为本发明实施例一中片上集成短路检测电路的结构示意图；
图2为本发明实施例一中另一片上集成短路检测电路的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的一种片上集成短路检测电路及检测方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本实施例提供一种片上集成短路检测电路，包括：阵列电极、选择开关、数模转换器和比较模块。
所述阵列电极包括被测电极和屏蔽电极（Shield electrode）。
将所述数模转换器输出的电流通过所述选择开关配置于所述被测电极上，根据所述电流以及所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻得到一检测电压。
所述检测电压输入至所述比较模块，并与接入所述比较模块的参考电压进行比较。
预设比较模块的初始输出结果，当所述比较模块的输出结果相对于所述初始输出结果发生变化时，记录数模转换器输出的电流值，根据所述参考电压以及所述电流值计算所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值；
根据所述寄生电阻值判断所述被测电极对所述屏蔽电极的短路程度。
具体的，请参考图1与图2，阵列电极包括n行和n列被测电极以及n行和n列屏蔽电极。在一具体示例中，所述被测电极为传感器电极，屏蔽电极可以为地，也可以为电源，还可以根据实际情况选择不同的被测电极和屏蔽电极。在另一具体示例中，每一行被测电极为传感器接收电极（RX electrode_0-RX electrode_n），每一列被测电极为传感器发射电极（TX electrode_0-TX electrode_n）。n行传感器接收电极、n行屏蔽电极与n列被测电极、n列传感器发射电极之间垂直交叉设置，被测电极与屏蔽电极之间间隔设置。具体的被测电极以及屏蔽电极的行数和列数可根据实际情况进行设置。
在本示例中，需要测试传感器接收电极与屏蔽电极之间的寄生电阻（R_para）的大小来判断接收电极对所述屏蔽电极的短路程度。正常情况下，寄生电阻应该为兆欧姆级别，但出现短路或微短路情况时，寄生电阻的值将会变小。为了筛选出此类寄生电阻，设置了如下短路检测电路的连接方式。
每一行接收电极均连接一选择开关（Sw_0-Sw_n），并通过所述选择开关与所述模拟总线（Ana_bus）相连，所述数模转换器也与所述模拟总线相连，模拟总线的数量可以为一条，也可以是多条复用，通过模拟总线，数模转换器与被测电极之间形成电源地回路，所述检测电压的大小反应在模拟总线上。比较模块检测模拟总线上的电平，并将该电平与接入所述比较模块的参考电压进行比较。在此过程中，通过顺序扫描数模转换器的输入数字码，改变数模转换器的输出电流值，直到比较模块的输出结果发生变化时，计算接收电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值。
在本示例中，请参考图1和图2，所述数模转换器可以为电流型数模转换器（IDAC），也可以是其他类型的数模转换器，例如：电阻型数模转换器（RDAC）或混合型数模转换器。数模转换器输入输出的范围一般大于等于10bit（位数），以提供充分的分辨率精确地检测20K-2Meg的寄生电阻值，提高测量的精确程度。具体位数可根据实际需要进行选择。
进一步的，为了使得比较器的输入缓慢跳变，避免测量毛刺的干扰，进一步提高测量的精确程度，本实施例在设计比较器时会加入一定的输入迟滞，迟滞时间根据预期的测量误差和信号跳变速度等因素决定。
优选的，每一行被测电极与一电阻（Resd_0-Resd_n）相连后，再通过选择开关将被测电极与数模转换器的输出端相连。接收检测通道（Rx_0-Rx_n）通过信号接入开关连接在选择开关和电阻之间，用于接收和检测外部输入信号。
根据本实施例提供的片上集成短路检测电路，可实现对于前端传感器电极状态高精度的检测，且本实施例提供的电路成本低，无需采用高精度电阻和单片机，而是根据比较器输出结果的翻转，根据此时电信号转换装置输出的电流值和参考电压值，计算寄生电阻的阻值并判断短路程度，降低对于电极状态的检测成本。
进一步的，本实施例提供的片上集成短路检测电路可以对在传感器模组安装完成之后由于机械应力或碰撞造成的传感器电极损坏而导致的短路现象进行检测，提高了检测电路的使用范围。
实施例二
本实施例提供一种片上集成短路检测方法，采用实施例一中的片上集成短路检测电路，具体方法包括：
S1、将所述数模转换器输出的电流通过所述选择开关配置于所述被测电极上，根据所述电流以及所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻得到一检测电压；
S2、所述检测电压输入至所述比较模块，并与接入所述比较模块的参考电压进行比较；
S3、预设比较模块的初始输出结果，当所述比较模块的输出结果相对于所述初始输出结果发生变化时，记录数模转换器输出的电流值；
S4、根据所述寄生电阻值判断所述被测电极对所述屏蔽电极的短路程度。
在S1步骤中，通过顺序扫描数模转换器的输入数字码（例如：从大到小顺序扫描），改变数模转换器的输出电流值，通过系统配置，控制所述电流值通过选择开关加载至被测电极上，在该电极上形成一检测电压。
具体的，所述检测电压的大小为所述寄生电阻值与数模转换器输出的电流值的乘积。
在S2与S3步骤中，以比较器为例，所述比较器的正极接所述参考电压，负极接所述检测电压，当数字码的扫描顺序为从大到小时，一开始比较器的负输入端的检测电压应大于比较器正输入端的参考电压，则比较器的初始输出结果为低电平。当数模转换器输出的电流值随扫描逐渐越小，一直到正输入端的参考电压大于检测电压时，比较器翻转，输出高电平，此时，根据参考电压和此时数模转换器的数字码对应的输出的电流值计算被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值。
其中，寄生电阻值的大小为或/>。
VREF为参考电压，大小可根据实际情况进行设置；IDAC为所述比较器的输出结果相对初始输出结果发生变化时，数模转换器输出的电流值，VDD为芯片的供电电压。
如果数字码的扫描顺序为从大到小，且一开始比较器的负输入端的检测电压就小于比较器正输入端的参考电压，比较器输出高电平，而非低电平，说明寄生电阻已经小于或/>。其中，VREF为参考电压，IDAC_max为数模转换器输出的最大电流值，VDD为芯片的供电电压。例如：IDAC_max为（6*127）/32uA，数模转换器为10bit，VREF为1.1v，可以测得最小寄生电阻为6.6K，如果扫描电流为最大值时，比较器依旧输出高电平，则说明寄生电阻的阻值小于6.6K，此时电路中的寄生电阻值远小于微短路时的寄生电阻值，可以判断电路短路。
可以理解的是，根据需要检测的寄生电阻值的大小配置不同大小的输出电流值，例如：需要检测的寄生电阻值越小，则配置更大的输出电流值，反之则可以配置较小的输出电流值。
如果被测电极与屏蔽电极之间存在明显的短路现象，即便数模转换器输出的电流值很高，由于被测电极与屏蔽电极之间的阻抗太小，一开始比较器的输出电平为高电平，表明被测电极与屏蔽电极之间的阻抗小于最小阻抗设定值，此时，将无法确定被测电极与屏蔽电极之间的阻抗。为了精确测试每一个传感器电极于屏蔽电极之间的寄生电阻值，设计要求数模转换器输出的电流值与寄生电阻最小设定值大于参考电压的一定百分比，例如：大于等于参考电压的120%，防止出现一开始比较器就翻转为高电平而无法检测寄生电阻值的情况，提高检测精准度，实现对于各种短路情况的检测。可以理解的是，寄生电阻最小设定值可以根据传感器本身的设计参数以及工作环境等影响因素进行设定。
可以理解的是，参考电压与检测电压的接入方式不仅限于上述，也可以在比较器的正输入端输入检测电压，负输入端输入检测电压。数模转换器的输入数字码的扫描顺序也不仅限于上述，也可以是从小到大，能够实现在比较器发生偏转时计算被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值这一技术效果即可。
本实施例提供的片上集成短路检测方法实现了在产品安装之前和安装完毕之后，以及产品应用过程中实时对于前端传感器电极状态高精度的检测，且实现方法简单，能够快速计算被测电极对于屏蔽电极的阻值，从而判断传感器的短路程度，提高了计算效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种片上集成短路检测电路，其特征在于，包括：阵列电极、选择开关、数模转换器和比较模块；
所述阵列电极包括被测电极和屏蔽电极；
通过顺序扫描数模转换器的输入数字码，改变所述数模转换器的输出电流；
所述数模转换器输出的电流通过所述选择开关配置于所述被测电极上，根据所述电流以及所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻得到一检测电压；
所述检测电压输入至所述比较模块，并与接入所述比较模块的参考电压进行比较；
预设比较模块的初始输出结果，当所述比较模块的输出结果相对于所述初始输出结果发生变化时，记录数模转换器输出的电流值，根据所述参考电压以及所述电流值计算所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值；
根据所述寄生电阻值判断所述被测电极对所述屏蔽电极的短路程度。
2.如权利要求1所述的片上集成短路检测电路，其特征在于，所述数模转换器为电流型数模转换器、电阻型数模转换器或混合型数模转换器。
3.如权利要求1所述的片上集成短路检测电路，其特征在于，还包括电阻；
任一被测电极与所述电阻相连后，通过所述选择开关与所述数模转换器的输出端相连，所述数模转换器的输出端接入所述比较模块。
4.如权利要求1所述的片上集成短路检测电路，其特征在于，所述比较模块包括比较器；所述比较器的正极接所述参考电压，负极接所述检测电压。
5.如权利要求4所述的片上集成短路检测电路，其特征在于，还包括模拟总线；
所述被测电极通过所述选择开关与所述模拟总线相连，所述数模转换器的输出端也与所述模拟总线相连，所述模拟总线接入所述比较器的负极。
6.如权利要求1所述的片上集成短路检测电路，其特征在于，所述被测电极包括接收电极和发射电极；
将所述数模转换器输出的电流通过所述选择开关配置于所述接收电极上，并计算所述接收电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值。
7.如权利要求1所述的片上集成短路检测电路，其特征在于，所述寄生电阻值的大小为或/>；
其中，VREF为参考电压，IDAC为所述比较模块的输出结果相对初始输出结果发生变化时，数模转换器输出的电流值，VDD为芯片的供电电压。
8.如权利要求7所述的片上集成短路检测电路，其特征在于，所述检测电压的大小为所述寄生电阻值与数模转换器输出的电流值的乘积。
9.一种片上集成短路检测方法，采用如权利要求1-8中的任一项所述的片上集成短路检测电路，其特征在于，所述方法包括：
通过顺序扫描数模转换器的输入数字码，改变所述数模转换器的输出电流；
将所述数模转换器输出的电流通过所述选择开关配置于所述被测电极上，根据所述电流以及所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值得到一检测电压；
所述检测电压输入至所述比较模块，并与接入所述比较模块的参考电压进行比较；
预设比较模块的初始输出结果，当所述比较模块的输出结果相对于所述初始输出结果发生变化时，记录数模转换器输出的电流值，根据所述参考电压以及所述电流值计算所述被测电极对所述屏蔽电极的寄生电阻值；
根据所述寄生电阻值判断所述被测电极对所述屏蔽电极的短路程度。
10.如权利要求9所述的片上集成短路检测方法，其特征在于，所述数模转换器输出的电流值与寄生电阻最小设定值的乘积大于参考电压。
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