CN203535119U - 电容检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及检测电路，公开了一种电容检测电路。该电容检测电路，包含积分电容Ci、待检测电容Cs、电流源A、运算放大器A0和信息处理芯片；待检测电容Cs、积分电容Ci和电流源A的一端分别与运算放大器A0的正输入端相连，待检测电容Cs和电流源A的另一端接地，积分电容Ci的另一端与运算放大器A0的输出端相连，运算放大器A0的负输入端接地，这样接通电路后，待检测电容Cs上的电荷将一部分通过一个电流源A转移，另一部分电荷则转移至积分电容Ci上，这样就可以在不额外增加积分电容Ci面积的前提下减小一次电荷转移过程中运算放大器A0输出端电压变化的大小△Vout，进而增大检测的电容值范围，由于在检测过程中并不降低检测电压，也不会引起信噪比的下降。

Description

电容检测电路

技术领域

本实用新型涉及电子领域，特别涉及电容检测电路。 

背景技术

目前，电容触摸技术发展迅速，给人们生活带来了很大便利，该技术首先将触控检测区域划分为若干横竖相交的格点，再通过检测格点电容值的变化，得出的触摸点的位置信息。 

电容触摸技术如果按照具体实现来分类，则包括电容按键，自感电容屏，互感电容屏。其中电容按键和自感电容屏中，其待测电容大小变换范围很大，一些小的触摸电路板中，自感电容容值只有几皮法，而在一些大的电容触摸屏，或者大的电容按键中，其自感电容值可能达到上百皮法。 

传统的检测方式的检测原理为：当积分开始时，在第一个阶段，如图1所示，积分电容Ci进行清零复位，待检测电容Cs则被充电至参考电压Vref，这个阶段可以称之为采样阶段。在第二个阶段，通过开关将Cs上端与运算放大器A0的正输入端相连，如图2所示。假设运算放大器理想，则在第二个阶段结束时，运算放大器输入端电压相等；此时，采样电容Cs两端电位均为零，即待检测电容Cs上的电荷全部转移至了积分电容Ci，此阶段称为电荷转移阶段或积分阶段。这两个阶段合起来称为一个电荷转移周期或者称为积分周期，在实际使用中，会根据需要进行反复的电荷转移，即实现积分，值得注意的是，积分电容的清零只有在积分开始的第一个积分周期发生。根据电荷守恒原理，可以得出每次电荷转移后，运放输出电压的变化为： 

$\mathrm{Vref}*\mathrm{Cs}=\mathrm{\ΔVout}*\mathrm{Ci}\⇒\mathrm{\ΔVout}=\mathrm{Vref}\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Ci}}$

其中ΔVout为一次电荷转移引起运算放大器的输出电压的变化大小。该电压大小通过模数转换器检测送往数字电路处理，便可判断出待检测电容Cs的电容值。 

然而，在实际应用中，为提高抗干扰能力，Vref尽可能取高，为方面描述，假定电容检测电路的电源为3.3V，Vref也为3.3V，这在常规应用中是很普遍的，假设待检测电容为100皮法，积分电容为20皮法，则每个转移周期引起的运算放大器的输出电压变化为16.5V，这严重超过了电源电压值3.3V。如果通过增大积分电容的方式去减少每次转移引起的输出电压变化，则需要100皮法以上的积分电容才能保证一次转移不会超出运算放大器的承受范围，然而，实现100皮法的电容在集成电路中需要很大的面积。即使是20皮法电容的面积也相当可观，而且如果通过增大积分电容的方式去解决输出电压变化太大的问题，则该电路应用于外部待检测电容Cs很小的情况时，每次转移引起运放输出电压的变化将会非常微小，这样会降低运放输出的信噪比。 

由此可见，采用传统的电容检测技术，待检测电容值的范围将被限制在大约3皮法～30皮法的范围。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电容检测电路，通过在电路中额外添加电流源，使该电容检测电路可以在待检测电容很大的情况下也可以对其进行检测。 

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电容检测电路，包含积分电容、待检测电容、电流源、运算放大器和信号处理芯片； 

所述待检测电容的一端与所述运算放大器的正输入端相连，另一端接地； 

所述积分电容的一端与所述运算放大器的正输入端相连，另一端与所述运算放大器的输出端相连； 

所述电流源的一端与所述运算放大器的正输入端相连，另一端接地； 

所述运算放大器的负输入端接地； 

所述信号处理芯片的一端与所述运算放大器的输出端相连，另一端输出所述电容检测电路检测到的电容值。 

与现有技术相比，本实用新型中的电容检测电路增加了一个电流源，该电流源可以吸取或灌送Cs上的部分电荷，Cs上的另一部分电荷则转移至Ci上，这样就可以在不额外增加积分电容Ci面积的前提下减小△Vout，进而增大检测的电容值范围。并且在检测过程中并不降低检测电压，因此也不会引起信噪比的下降。 

优选地，本实用新型中的电流源在电荷转移过程中可以根据应用情况合理设置该电流源的电流大小和开通时间，使△Vout始终保持在运算放大器A0的承受范围之内，进一步准确地检测出大范围的电容值。 

另外，本实用新型根据电荷转移理论，利用以下公式计算所述待检测电容的电容值： 

Vref*Cs＝ΔVout*Ci+I*T 

其中，所述ΔVout为一次电荷转移后所述运算放大器的输出端电压变化的大小，所述Vref为所述待检测电容在采样阶段中被充至的参考电压，所述Cs为所述待检测电容的电容值，所述Ci为所述积分电容的电容值，所述I为所述电流源的电流值，所述T为所述电流源开通的时间。 

由于上述公式中的ΔVout、Vref、Ci、I、T均为已知数，因此可以很方便的计算出待检测电容Cs的电容值。 

进一步，本实用新型中的电容检测电路有两种工作模式，一种是Cs向Ci灌送电荷的反向积分模式，一种是Cs从Ci吸取电荷的正向积分模式，适用范围更加广泛。 

此外，本实用新型中电容检测电路中的信号处理芯片还包含模数转换器和 数字电路处理器，该模数转换器将运算放大器的输出端电压进行模数转换，得到该输出端电压的数字信号，并将该数字信号输送给数字电路处理器，该数字电路处理器再根据公式Vref*Cs＝ΔVout*Ci+I*T，计算出待检测电容的电容值。 

附图说明

图1是根据现有技术中电容检测电路的采样阶段示意图； 

图2是根据现有技术中电容检测电路的电荷转移阶段示意图； 

图3是根据本实用新型第一实施方式的电容检测电路的采样阶段示意图； 

图4是根据本实用新型第一实施方式的电容检测电路示意图； 

图5是根据本实用新型第二种实施方式的电容检测电路示意图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。 

本实用新型的第一实施方式涉及一种电容检测电路。具体如图3和图4所示。 

该电容检测电路包含积分电容Ci、待检测电容Cs、电流源A、运算放大器A0和信号处理芯片； 

待检测电容Cs的一端与运算放大器A0的正输入端相连，另一端接地； 

积分电容Ci的一端与运算放大器A0的正输入端相连，另一端与运算放大器 A0的输出端相连； 

电流源A的一端与运算放大器A0的正输入端相连，另一端接地； 

运算放大器A0的负输入端接地； 

信号处理芯片的一端与运算放大器A0的输出端相连，另一端输出电容检测电路检测到的电容值。 

具体的说本实施方式中电容的检测过程分两个阶段： 

第一个阶段，如图3所示，积分电容Ci进行清零复位，而待检测电容Cs被充电至参考电压Vref，这与传统的方法一致； 

第二个阶段，如图4所示，通过开关将待检测电容Cs、积分电容Ci和电流源A的一端分别与运算放大器A0的正输入端相连，将待检测电容Cs和电流源A的另一端接地，将积分电容Ci的另一端与运算放大器A0的输出端相连，并将运算放大器A0的负输入端接地，这样接通电路后，待检测电容Cs上的电荷将一部分通过一个电流源A转移，另一部分电荷则转移至积分电容Ci上，此阶段称为电荷转移阶段或积分阶段。 

假设运算放大器A0理想，则在第二个阶段结束时，运算放大器A0输入端与输出端电压相等，此时，待检测电容Cs两端电位均为零，即待检测电容Cs上的电荷全部转移至积分电容Ci和电流源A上； 

上述第二阶段中两部分的电荷转移引起运算放大器A0输出端电压Vout的变化，经运算放大器A0放大后输出，由信号处理芯片中的模数转换器接收一次电荷转移过程中运算放大器A0输出端电压变化的大小ΔVout，经模数转换后传送给信号处理芯片中的数字电路处理器处理，该数字电路处理器再根据电荷转移理论，由表达式Vref*Cs＝ΔVout*Ci+I*T方便地得到待测试电容Cs的电容值。 

上述第一阶段和第二阶段合起来称为一个电荷转移周期或者称为积分周期，在实际使用中，会根据需要进行反复的电荷转移，即实现积分，值得注意的是，积分电容的清零只有在积分开始的第一个积分周期发生。 

由于本实施例中的电容检测电路增加了一个电流源A，该电流源A可以吸取或灌送待测试电容Cs上的部分电荷，待测试电容Cs上的另一部分电荷则转移至积分电容Ci上，这样就可以在不额外增加积分电容Ci面积的前提下减小一次电荷转移过程中运算放大器A0输出端电压变化的大小△Vout，进而增大待测试电容Cs的电容值范围，并且在检测过程中并不降低检测电压，因此也不会引起信噪比的下降。 

为方便描述，此处假设电流源的电流为I，电流源开通的时间为T，根据电荷转移理论，得到如下表达式： 

$\mathrm{Vref}*\mathrm{Cs}=\mathrm{\ΔVout}*\mathrm{Ci}+I*T\⇒\mathrm{\ΔVout}=\frac{\mathrm{Vref}*\mathrm{Cs}-I*T}{\mathrm{Ci}}$

表达式中ΔVout代表一次电荷转移过程中运算放大器A0输出电压变化的大小。假设待测电容Cs为100pf，积分电容Ci为20pf，参考电压Vref为3.3V,电流源A电流值I取为150uA,电流源A开启时间T取为2us，则可以得到： 

$\mathrm{\ΔVout}=\frac{3.3*100-2*150}{20}=1.5$

这是一个合理的电压值。另一方面，如果待测试电容Cs较小时，我们可以适当降低电流源A的电流值I或者开通时间T，使△Vout始终保持在运算放大器A0的承受范围之内，进一步准确地检测出大范围的电容值。 

在实际的电容测量过程中，由于上述公式中的ΔVout、Vref、Ci、I、T均为已知数，因此可以很方便的计算出待检测电容Cs的电容值。 

本实用新型第二种实施方式涉及一种电容检测电路，如图5。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，Cs是向Ci灌送电荷的，称为反向积分模式；而在本实用新型第二实施方式中，Cs是从Ci吸取电荷的，称为正向积分模式。也就是说，在本实施方式中， 积分电容Ci上的部分电荷灌送到待测试电容Cs上，另一部分电荷被电流源A分担。其工作原理与第一实施方式相同，在此不再赘述。 

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。 

Claims (4)

1.一种电容检测电路，其特征在于，包含积分电容Ci、待检测电容、电流源Cs、运算放大器A0和信号处理芯片； 

所述待检测电容Cs的一端与所述运算放大器A0的正输入端相连，另一端接地； 

所述积分电容Ci的一端与所述运算放大器A0的正输入端相连，另一端与所述运算放大器A0的输出端相连； 

所述电流源A的一端与所述运算放大器A0的正输入端相连，另一端接地； 

所述运算放大器A0的负输入端接地； 

所述信号处理芯片的一端与所述运算放大器A0的输出端相连，另一端输出检测到的待检测电容Cs的电容值。 

2.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述电流源A的电流大小和开通时间可实时调整。 

3.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路有两种工作模式，一种是Cs向Ci灌送电荷的反向积分模式，另一种是Cs从Ci吸取电荷的正向积分模式。 

4.根据权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述信号处理芯片包含模数转换器和数字电路处理器； 

所述模数转换器的一端与所述运算放大器的输出端相连，另一端与所述数字电路处理器的输入端相连，所述模数转换器对所述运算放大器输出的电压进行模数转换后，输出给所述数字电路处理器； 

所述数字电路处理器用于根据经所述模数转换器转换后的数字信号，计算所述待检测电容的电容值。 

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