CN208673292U - 自电容检测电路和电子装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种自电容检测电路和电子装置，属于电子技术领域，能够提高线性度。该自电容检测电路包括：电荷存储电容；基准电容；预放电模块，用于对所述电荷存储电容进行预放电；预充电模块，用于在所述预放电模块完成所述电荷存储电容的预放电之后，对所述电荷存储电容进行预充电；自电容检测模块，用于在所述预充电模块完成所述电荷存储电容的预充电之后，利用所述基准电容为所述电荷存储电容补充电荷，并交替地进行所述电荷存储电容中的电荷向自电容的转移以及所述自电容中的电荷的泄放，并基于所述自电容中电荷的泄放次数和所述基准电容为所述电荷存储电容补充电荷的次数来确定所述自电容的容值。

Description

自电容检测电路和电子装置

技术领域

本公开涉及电子技术领域，具体地，涉及一种自电容检测电路和电子装置。

背景技术

图1示出了根据现有技术的自电容检测电路的原理图。在图1中，VD为电源电压，VTH为阈值电压，GND为地，SW1～SW7为开关，I为上拉电流源，R和Rb为电阻，Cx为要检测的通道自电容，Cmod为外接电容。

图1所示的自电容检测电路的检测原理如下。首先，给外接电容Cmod进行预放电和预充电，即先把开关SW6闭合，把外接电容Cmod上的电荷放掉，然后断开开关SW6并闭合开关SW5，把外接电容Cmod预充电到VTH附近，其中在预放电和预充电阶段，上拉电流源I一直断开。然后，当外接电容Cmod的预充电和预放电结束后，开关SW5和SW6都断开，此时闭合开关SW4，给外接电容Cmod充电；当外接电容Cmod上的电压高于比较器的参考电压VTH时，下拉电阻Rb接通，外接电容Cmod放电；当外接电容Cmod上的电压低于VTH时，下拉电阻Rb关断，外接电容Cmod上的电荷通过开关SW3转移到自电容Cx上；当开关SW3打开时，外接电容Cmod上的电压被拉低到低于VTH，使得比较器翻转，将下拉电阻Rb关断，此时上拉电流源I给外接电容Cmod充电到使外接电容Cmod上的电压高于VTH，使得比较器翻转，将下拉电阻Rb接通。开关SW2和SW3的控制信号为两相非交叠时钟信号，使得开关SW2闭合时，开关SW3断开，而开关SW2断开时，开关SW3闭合，开关SW2把每次从外接电容Cmod转移到自电容Cx上的电荷放到地。开关SW1为同步开关，在当前的扫描检测通道，开关SW1一直断开。当没触摸和有触摸时，自电容Cx的电容值不同，D触发器输出的矩形波的占空比也会不同，从而计数器的计数值也不同，以此来判断有没有触摸。

图1所示的自电容检测电路的检测原理数学关系为：

I＝Cs*VTH*Freq+VTH*D/Rb

其中，I为上拉电流源的电流值，Freq为开关SW2和SW3的开关频率，D为开关SW7闭合的占空比。

图1所示的自电容检测电路的缺点在于，下拉电阻Rb的开关次数不固定，且下拉电阻Rb与地之间存在电容，因此下拉电阻Rb支路流过的电流与开启占空比严格的成正比，故线性度受到限制。

实用新型内容

本公开的目的是提供一种自电容检测电路和电子装置，能够提高线性度。

为了实现上述目的，本公开提供一种自电容检测电路，该自电容检测电路包括：电荷存储电容；基准电容；预放电模块，用于对所述电荷存储电容进行预放电；预充电模块，用于在所述预放电模块完成所述电荷存储电容的预放电之后，对所述电荷存储电容进行预充电；自电容检测模块，用于在所述预充电模块完成所述电荷存储电容的预充电之后，利用所述基准电容为所述电荷存储电容补充电荷，并交替地进行所述电荷存储电容中的电荷向自电容的转移以及所述自电容中的电荷的泄放，并基于所述自电容中电荷的泄放次数和所述基准电容为所述电荷存储电容补充电荷的次数来确定所述自电容的容值。

可选地，所述预放电模块包括第一开关，所述第一开关一端连接所述电荷存储电容、另一端接地；所述预充电模块包括比较器、与非门、电阻器和第二开关，其中，所述比较器的第一输入端连接到所述第一开关和所述电荷存储电容的公共端，所述比较器的第二输入端用于接收阈值电压VT，所述第二开关的第一端连接电源VCC、第二端连接所述电阻器的第一端，所述电阻器的第二端连接所述比较器的所述第一输入端，所述与非门的第一输入端用于接收预充电控制信号PRE_CH、第二输入端连接所述比较器的输出端，所述与非门的输出端用于控制所述第二开关的断开与闭合；所述自电容检测模块包括二选一开关、第三开关、第四开关、所述比较器、D触发器、与门和计数器，其中，所述第三开关一端连接所述比较器的所述第一输入端、另一端连接所述自电容，所述第四开关一端连接所述自电容、另一端接地，所述基准电容一端连接所述二选一开关的动触点、另一端接地，所述二选一开关的第一静触点连接所述电源VCC，所述二选一开关的第二静触点连接所述比较器的所述第一输入端，所述D触发器的D输入端连接所述比较器的输出端，所述D触发器的输出端连接所述与门的第一输入端，所述与门的输出端用于使能所述计数器并用于控制所述二选一开关，所述D触发器的时钟信号输入端、所述与门的第二输入端均连接时钟控制信号CH_CK。

可选地，所述电荷存储电容的容值远大于所述自电容的容值和所述基准电容的容值。

可选地，所述自电容的容值依据以下公式确定：

VT*Cs*N1＝(VCC-VT)*Cref*N2

其中，VT为所述阈值电压，Cs为所述自电容的容值，N1为所述自电容中电荷的泄放次数，VCC为所述电源的电压，Cref为所述基准电容的容值，N2为所述计数器的计数值。

可选地，要被检测的自电容的数量为多个，所述自电容检测模块包括多个所述第三开关和多个所述第四开关，而且每个所述第三开关的一端连接所述比较器的所述第一输入端、另一端连接与其相对应的所述自电容，每个所述第四开关的一端连接与其相对应的所述自电容、另一端接地。

可选地，在包含所述要被检测的自电容的系统休眠期间，多个所述第三开关和多个所述第四开关同步动作来一次性地判定所述系统是否有手指触摸。

可选地，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述二选一开关为半导体开关或机械开关。

本公开还提供一种电子装置，其包括上述的自电容检测电路。

通过采用上述技术方案，由于基准电容Cref补充给电荷存储电容Cmod的电荷总量与补充电荷的次数成正比，任何寄生效应产生的误差总量也与开关次数成正比，所以相比于现有技术，线性度有所提高。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1示出了根据现有技术的自电容检测电路的原理图。

图2示出了根据本公开一种实施例的自电容检测电路的示意框图。

图3示出了根据本公开一种实施例的自电容检测电路的示意电路图。

图4示出了根据本公开一种实施例的自电容检测电路的另一示意电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

图2示出了根据本公开一种实施例的自电容检测电路的示意框图。如图2所示，该自电容检测电路包括电荷存储电容Cmod、基准电容Cref、预放电模块1、预充电模块2和自电容检测模块3。其中，预放电模块1，用于对所述电荷存储电容Cmod进行预放电；预充电模块2，用于在所述预放电模块1完成所述电荷存储电容Cmod的预放电之后，对所述电荷存储电容Cmod进行预充电；自电容检测模块3，用于在所述预充电模块2完成所述电荷存储电容Cmod的预充电之后，利用所述基准电容Cref为所述电荷存储电容Cmod补充电荷，并交替地进行所述电荷存储电容Cmod中的电荷向自电容Cs的转移以及所述自电容Cs中的电荷的泄放，并基于所述自电容Cs中电荷的泄放次数和所述基准电容Cref为所述电荷存储电容Cmod补充电荷的次数来确定所述自电容Cs的容值。

通过采用上述技术方案，由于基准电容Cref补充给电荷存储电容Cmod的电荷总量与补充电荷的次数成正比，任何寄生效应产生的误差总量也与开关次数成正比，所以相比于现有技术，线性度有所提高。

图3示出了根据本公开一种实施例的自电容检测电路的示意电路图。

如图3所示，预放电模块1包括第一开关S_PR_D，所述第一开关S_PR_D的一端连接所述电荷存储电容Cmod、另一端接地。

还如图3所示，所述预充电模块2包括比较器11、与非门12、电阻器R和第二开关S_PR，其中，所述比较器11的第一输入端VC连接到所述第一开关S_PR_D和所述电荷存储电容Cmod的公共端，所述比较器11的第二输入端用于接收阈值电压VT，所述第二开关S_PR的第一端连接电源VCC、第二端连接所述电阻器R的第一端，所述电阻器R的第二端连接所述比较器11的所述第一输入端VC，所述与非门12的第一输入端用于接收预充电控制信号PRE_CH、第二输入端连接所述比较器11的输出端，所述与非门12的输出端用于控制所述第二开关S_PR的断开与闭合。

进一步参考图3，所述自电容检测模块3包括二选一开关S-MUX、第三开关SA、第四开关SB、所述比较器11、D触发器13、与门14和计数器15，其中，所述第三开关SA的一端连接所述比较器11的所述第一输入端VC、另一端连接所述自电容Cs，所述第四开关SB的一端连接所述自电容Cs、另一端接地，所述基准电容Cref的一端连接所述二选一开关S_MUX的动触点D、另一端接地，所述二选一开关S_MUX的第一静触点J1连接所述电源VCC，所述二选一开关S_MUX的第二静触点J2连接所述比较器11的所述第一输入端VC，所述D触发器13的D输入端连接所述比较器11的输出端，所述D触发器13的输出端连接所述与门14的第一输入端，所述与门14的输出端用于使能所述计数器15并用于控制所述二选一开关S_MUX，所述D触发器13的时钟信号输入端、所述与门14的第二输入端均连接时钟控制信号CH_CK。

优选地，所述电荷存储电容Cmod的容值远大于所述自电容Cs的容值和所述基准电容Cref的容值。这样就能够更好的检测自电容Cs的容值，并有效地提高检测的线性度。

以下详细描述一下图3所示的自电容检测电路的自电容检测过程。

(1)对电荷存储电容Cmod进行预放电阶段。在该阶段中，第一开关S_PR_D闭合；预充电控制信号PRE_CH为逻辑低电平，使得第二开关S_PR断开；二选一开关S_MUX的动触点D与第一静触点J1连接，从而使得二选一开关S_MUX与电源VCC连接；第三开关SA断开。这样，就能够泄放电荷存储电容Cmod上的电荷。

(2)在电荷存储电容Cmod的预放电阶段完成之后，就开始对电荷存储电容Cmod进行预充电的阶段。在该阶段中，第一开关S_PR_D断开；预充电控制信号PRE_CH为逻辑高电平；二选一开关S_MUX的动触点D与第一静触点J1连接，从而使得二选一开关S_MUX与VCC端连接；第三开关SA断开。这样就能够通过比较器11的环路把电荷存储电容Cmod充电至阈值电压VT附近。

(3)在电荷存储电容Cmod预充电阶段完成之后，就可以开始自电容检测阶段了。在自电容检测阶段中，时钟控制信号CH_CK一直都会接收到时钟信号。当比较器11的第一输入端VC的电压低于阈值电压VT时，比较器11输出高电平，D触发器13的Q端输出高电平，所以与门14的输出信号为时钟控制信号CH_CK，在这种情况下，二选一开关S-MUX对电荷存储电容Cmod补充电荷。计数器15对与门14输出的时钟控制信号CH_CK的个数进行计数，二选一开关S-MUX对电荷存储电容Cmod补充一次电荷，计数器15的计数就增加1。比较器11的第一输入端VC的电压高于阈值电压VT时，比较器11输出低电平，D触发器13的Q端输出低电平，所以与门14的输出信号为低电平零，在这种情况下，二选一开关S-MUX保持固定状态，也即使得不对电荷存储电容Cmod补充电荷，因此计数器15的计数不增加。因此，计数器15记录的实际是二选一开关S-MUX对电荷存储电容Cmod补充电荷的次数。

具体而言，在自电容检测阶段中，第一开关S_PR_D断开；预充电控制信号PRE_CH为逻辑低电平，使得第二开关S_PR断开；然后，交替使第三开关SA、第四开关SB闭合与断开，也即第三开关SA闭合时，第四开关SB断开，而第三开关SA断开时，第四开关SB闭合；选择电荷存储电容Cmod的容值远大于自电容Cs的容值，所以每次通过自电容Cs泄放掉的电荷Q＝VT*Cs；如果电荷存储电容Cmod的电压低于阈值电压VT，则二选一开关S_MUX的动触点D交替连接至第一静触点J1(也即电源VCC)和第二静触点J2(也即比较器11的第一输入端VC)，以便为电荷存储电容Cmod补充电荷；选择电荷存储电容Cmod的容值远大于基准电容Cref，所以每次通过基准电容Cref补充给电荷存储电容Cmod的电荷Q＝(VCC-VT)*Cref。这样，就能够使得整个自电容检测系统达到动态平衡。

其中，根据电荷守恒原理，自电容Cs的容值可以依据以下公式来确定：

VT*Cs*N1＝(VCC-VT)*Cref*N2

其中，VT为所述阈值电压，Cs为所述自电容Cs的容值，N1为所述自电容Cs中电荷的泄放次数，VCC为所述电源VCC的电压，Cref为所述基准电容Cref的容值，N2为所述计数器的计数值。另外，在本公开中，自电容Cs中电荷的泄放次数N1可以是预先设定的值，也即在进行自电容检测之前，预先设定需要将自电容中的电荷泄放多少次。

另外，由于在无触摸和有触摸的条件下，自电容Cs的容值是不同的，导致计数器15的计数值N2也不同，因此可以以此来判断有无触摸。

图4示出了根据本公开一种实施例的自电容检测电路的又一示意电路图。图4与图3的区别在于，图4可以对多个自电容进行检测。为此目的，在图4中，自电容检测模块3包括多个第三开关SA和多个第四开关SB，而且每个第三开关SA的一端连接所述比较器11的所述第一输入端VC、另一端连接与其相对应的所述自电容，每个第四开关SB的一端连接与其相对应的所述自电容、另一端接地。

通过采用图4所示的自电容检测电路，能够在包含要被检测的自电容的系统处于休眠模式期间也能检测手指触摸，而且休眠电流低。也即，在进行自电容检测时，S1A、S2A…SnA和S1B、S2B…SnB同步动作，这样只需进行一次扫描即可判定是否有手指触摸，使得休眠时被监测通道的扫描时间减少至1/n,从而有效降低了休眠电流。然后唤醒系统，再分别扫描各个要被检测的通道，判定是哪一通道被手指触摸。

另外，在本公开中，所述第一开关S_PR_D、所述第二开关S_PR、所述第三开关SA、所述第四开关SB和所述二选一开关S_MUX可以为半导体开关或机械开关。

根据本公开的又一实施例，提供一种电子装置，该电子装置包括上面描述的自电容检测电路。该电子装置可以是有触摸屏或触摸按键的装置，例如手机、平板电脑、家电设备等等。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (8)

1.一种自电容检测电路，其特征在于，该自电容检测电路包括：

电荷存储电容；

基准电容；

预放电模块，用于对所述电荷存储电容进行预放电；

预充电模块，用于在所述预放电模块完成所述电荷存储电容的预放电之后，对所述电荷存储电容进行预充电；

自电容检测模块，用于在所述预充电模块完成所述电荷存储电容的预充电之后，利用所述基准电容为所述电荷存储电容补充电荷，并交替地进行所述电荷存储电容中的电荷向自电容的转移以及所述自电容中的电荷的泄放，并基于所述自电容中电荷的泄放次数和所述基准电容为所述电荷存储电容补充电荷的次数来确定所述自电容的容值。

2.根据权利要求1所述的自电容检测电路，其特征在于：

所述预放电模块包括第一开关，所述第一开关一端连接所述电荷存储电容、另一端接地；

所述预充电模块包括比较器、与非门、电阻器和第二开关，其中，所述比较器的第一输入端连接到所述第一开关和所述电荷存储电容的公共端，所述比较器的第二输入端用于接收阈值电压VT，所述第二开关的第一端连接电源VCC、第二端连接所述电阻器的第一端，所述电阻器的第二端连接所述比较器的所述第一输入端，所述与非门的第一输入端用于接收预充电控制信号PRE_CH、第二输入端连接所述比较器的输出端，所述与非门的输出端用于控制所述第二开关的断开与闭合；

所述自电容检测模块包括二选一开关、第三开关、第四开关、所述比较器、D触发器、与门和计数器，其中，所述第三开关一端连接所述比较器的所述第一输入端、另一端连接所述自电容，所述第四开关一端连接所述自电容、另一端接地，所述基准电容一端连接所述二选一开关的动触点、另一端接地，所述二选一开关的第一静触点连接所述电源VCC，所述二选一开关的第二静触点连接所述比较器的所述第一输入端，所述D触发器的D输入端连接所述比较器的输出端，所述D触发器的输出端连接所述与门的第一输入端，所述与门的输出端用于使能所述计数器并用于控制所述二选一开关，所述D触发器的时钟信号输入端、所述与门的第二输入端均连接时钟控制信号CH_CK。

3.根据权利要求2所述的自电容检测电路，其特征在于，所述电荷存储电容的容值大于所述自电容的容值和所述基准电容的容值，使得每次通过所述基准电容补充给所述电荷存储电容的电荷Q＝(VCC-VT)*Cref以及每次通过所述自电容泄放掉的电荷Q＝VT*Cs；

其中，VT为所述阈值电压，Cs为所述自电容的容值，VCC为所述电源的电压，Cref为所述基准电容的容值。

4.根据权利要求3所述的自电容检测电路，其特征在于，所述自电容的容值为：

Cs＝((VCC-VT)*Cref*N2)/(VT*N1)

其中，N1为所述自电容中电荷的泄放次数，N2为所述计数器的计数值。

5.根据权利要求2所述的自电容检测电路，其特征在于，要被检测的自电容的数量为多个，所述自电容检测模块包括多个所述第三开关和多个所述第四开关，而且每个所述第三开关的一端连接所述比较器的所述第一输入端、另一端连接与其相对应的所述自电容，每个所述第四开关的一端连接与其相对应的所述自电容、另一端接地。

6.根据权利要求5所述的自电容检测电路，其特征在于，在包含所述要被检测的自电容的系统休眠期间，多个所述第三开关和多个所述第四开关同步动作来一次性地判定所述系统是否有手指触摸。

7.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的自电容检测电路，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述二选一开关为半导体开关或机械开关。

8.一种电子装置，其特征在于，该电子装置包括根据权利要求1至7中任一权利要求所述的自电容检测电路。