CN209250603U - 一种电容式触摸按键的判键系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电容式触摸按键的判键系统，涉及电容式触摸按键技术领域，包括开关电路、比较单元、信号处理单元，其特征在于：还包括开关信号产生器；所述开关信号产生器用于提供变化频率的方波信号，用于控制所述开关电路内的充电开关电路两个逻辑控制开关的交替打开与关闭，给参考基准电容Cref充电；在应用分时复用IO的功能时，通过变频来控制充电开关电路的两个逻辑控制开关的交替打开与闭合，能够缩短了参考基准电容Cref每次充满电的时间，同时也提高了在一个固定的时间内触摸按键的寄生电容Cx充放电次数计数值，提高触摸按键扫描时间的有效利用率，从而最终提高触摸按键的触摸灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及电容式触摸按键技术领域，特别是涉及一种电容式触摸按键的判键系统。
背景技术
电容式触摸按键一般分为两种，其中一种是基于振荡器型的结构；另一种是基于电荷式的充放电结构。基于电荷式的充放电结构如图1所示，其基本原理是，图1中Cx为触摸按键的寄生电容，通过控制第一逻辑控制开关SW1关闭、第二逻辑控制开关SW2打开，对触摸按键的寄生电容Cx进行充电，充电充到电源电压VDD后，再控制第一逻辑控制开关SW1打开、第二逻辑控制开关SW2关闭，然后触摸按键寄生电容Cx的电荷和参考基准电容Cref进行电荷转移，直到触摸按键寄生电容Cx和参考基准电容Cref上的电压一致。按照这样的方式，依次对触摸按键寄生电容Cx充电，电荷转移，再充电，再转移，直到参考基准电容Cref上的电压达到比较器输出的参考电压Vref，这样就完成了参考基准电容Cref一个充电周期的充电；再控制第三逻辑控制开关SW3关闭，对参考基准电容Cref的电荷进行放电操作。在参考基准电容Cref的一个充电周期内，用高频时钟来计给参考基准电容Cref充电的次数即第一逻辑控制开关SW1和第二逻辑控制开关SW2交替打开关闭的次数，当手触摸后触摸按键的寄生电容Cx会变大，给参考基准电容Cref充电的一个充电周期内其充电的次数变少，通过记录参考电容Cref充电的次数来区别触摸按键上是否有触摸。
通过上面描述，由于只是记录了给参考基准电容Cref充电的次数，并没有记录参考基准电容Cref充电的时间，而且由于触摸按键的寄生电容Cx越大和手指触摸电容越大，对参考基准电容Cref的容值要求更大，同时对参考基准电容Cref放电的时间会更长。假设触摸按键10pF，为了达到千分之一的电容检测精度，需要参考基准电容Cref是10nF以上，对于一个10nF电容放电，由于是在芯片内部设计，放电电阻不能太小，太小会导致比较大的电流，放电电阻大会导致放电时间也会很长。
现有技术参考基准电容Cref充电过程中第一逻辑控制开关SW1与第二逻辑控制开关SW2以相同频率固定时间交替打开关闭。如图2所示，参考基准电容Cref的一个充电周期内：
参考基准电容Cref的第一次充电：触摸按键的寄生电容Cx的充电是从0电压建立到电源电压VDD后，与参考基准电容Cref进行电荷转移，对参考基准电容Cref充电，直至二者电压一致，均为V1；此时触摸按键的寄生电容Cx的放电是从VDD降为V1；
参考基准电容Cref的第二次充电：触摸按键的寄生电容Cx的充电是从电压V1建立到电源电压VDD后，与参考基准电容Cref进行电荷转移，对参考基准电容Cref充电，直至二者电压一致，均为V2；此时触摸按键的寄生电容Cx的放电是从VDD降为V2；
按照此方式，直到参考电容Cref的电压达到参考电压Vref，触摸按键的寄生电容Cx充电至VDD。由上述可知，在参考基准电容Cref的一个充电周期内，随着对参考基准电容Cref充电次数的增加，触摸按键的寄生电容Cx的充电时间以及放电时间都是逐渐减少的，但是由于采用了固定的频率，即每回参考基准电容Cref充电的时间设定为一样，在触摸按键的寄生电容Cx电压达到VDD，以触摸按键的寄生电容Cx与参考基准电容Cref电荷转移完成后都会有一定的等待时间，并且随着充电次数的增加，等待的时间会增加，因此造成了时间的浪费。
一般的应用中触摸按键情况下，触摸按键都是有若干个，这也就是会有触摸按键和其他功能口复用IO口的时候。比较常见的一种复用情况是分时，也就是某一个时间段，这个IO口应用作推矩形方波，也许是推一些LED灯之类；但下一个时间段，这个IO口也需要做为触摸按键进行按键检测。由于针对某些IO口是分时复用的应用，分给触摸按键的时间是有限的，所以如何合理利用有限时间内完成更多次对触摸按键的寄生电容Cx的充电或者放电的计数统计，成为了这种结构下的触摸按键设计的关键。
对于基于电荷式充放电结构的充电时间利用率优化，比较直接的方案是把每次对触摸按键的寄生电容Cx的充电时间减小，减小的效果是，在同样总的充电时间内，对的寄生电容Cx的充电次数变得更多。但是这样的方式有其本身的局限：首先是充电越快，需要将充电电阻的阻值变得越小，意味着面积成本更高，芯片内电源的波动更大，这样就有可能会导致参考基准电容Cref的电压出现误差，从而同参考电压Vref进行比较结果不准确，使整个判键系统判键的准确性降低；其次充电越快控制充电开关的频率越高，就需要充电充满并且稳定的时间越短，也要求充电电阻的阻值更低。
实用新型内容
本实用新型提供一种电容式触摸按键的判键系统，能够有效的优化了参考基准电容Cref的充电时间，提高了时间的利用率。
为实现上述目的，本实用新型采用以下的技术方案：
一种电容式触摸按键的判键系统，包括：
开关电路，包括充电开关电路与放电开关电路，所述充电开关电路包括第一逻辑控制开关与第二逻辑控制开关，所述放电开关电路包括第三逻辑控制开关；
比较单元，其第一输入端藕接一参考基准电容Cref；所述第一输入端通过第二逻辑控制开关与第一逻辑控制开关藕接一电源供应端；第一输入端藕接所述第三逻辑控制开关后接地；第一输入端还通过第二逻辑控制开关藕接多个触摸按键端；所述比较单元用于判断参考基准电容Cref是否充电完成；
信号处理单元，其输入信号连接所述比较单元的输出端；
其特征在于：还包括开关信号产生器，其输入端连接所述信号处理单元的输出端，输出端分别连接第一逻辑控制开关与第二逻辑控制开关的控制端；所述开关信号产生器产生变频的方波信号，控制所述第一逻辑控制开关和第二逻辑控制开关以变化的频率交替呈现闭合和断开状态，所述变频的方波信号的频率随时间保持或增大。
作为改进的技术方案，所述开关信号产生器为数字信号产生器。
作为改进的技术方案，所述比较单元为一个比较器，比较器的负向输入端为所述比较单元的所述第一输入端，正向输入端连接一参考电压，输出端连接所述信号处理单元的输入端。
作为改进的技术方案，所述充电开关电路还包括电阻R1，所述电阻R1与所述第一逻辑控制开关串联；所述放电开关电路还包括电阻R2，所述电阻R2与所述第三逻辑控制开关串联。
作为改进的技术方案，所述第二逻辑控制开关为传输门开关，所述第一逻辑控制开关为PMOS管，所述第三逻辑控制开关为NMOS管；每个触摸按键端与所述第二逻辑控制开关与之间均设置有一个传输门开关；所述参考基准电容Cref通过一个常闭合的传输门开关藕接到所述第二逻辑控制开关与所述比较单元的第一输入端。
作为改进的技术方案，所述开关信号产生器产生的变频方波信号的频率随时间阶梯状变化，后一阶梯的频率高于前一阶梯频率。
作为改进的技术方案，所述开关信号产生器产生的变频方波信号的后一阶梯的频率为前一阶梯频率的2倍或4倍。
作为改进的技术方案，所述开关信号产生器产生的变频方波信号为其频率随着时间线性变化，随时间的增大而变大。
本实用新型在充放电荷结构下，在应用分时复用IO的功能时，通过变频来控制充电开关电路的两个逻辑控制开关的交替打开与闭合，减少了触摸按键的寄生电容Cx的电压稳定的时间，从而缩短了参考基准电容Cref每次充满电的时间，同时也提高了在一个固定的时间内触摸按键的充放电次数计数值，提高触摸按键扫描时间的有效利用率，从而最终提高触摸按键的触摸灵敏度。
附图说明
图1是现有技术中电容式触摸按键的判键系统的结构框图。
图2是现有技术中参考基准电容Cref一个充电/放电周期内触摸按键端寄生电容Cx电压的理想波形。
图3是现有技术中参考基准电容Cref一个充电/放电周期内触摸按键端寄生电容Cx电压的实际波形。
图4是本实用新型实施例提供的一种电容式触摸按键的判键系统的结构框图。
图5是本实用新型实施例提供的参考基准电容Cref一个充电/放电周期内触摸按键端寄生电容Cx电压的理想波形。
图6是本实用新型实施例一提供的开关信号产生器产生的变频波形及其频率时间曲线。
图7是本实用新型实施例二提供的开关信号产生器产生的变频波形及其频率时间曲线。
具体实施方式
为了更加清楚地理解本实用新型的技术方案，以下结合附图与具体实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例一，如图4所示，一种电容式触摸按键的判键系统，包括：开关电路、比较单元和信号处理单元。其中开关电路，包括充电开关电路以及放电开关电路，其中充电开电路包括第一逻辑控制开关SW1、第二逻辑控制开关SW2以及电阻R1；第二逻辑控制开关SW2一端通过传输门100藕接一个参考基准电容Cref后接地，另一端通过第一逻辑控制开关SW1连接电源供应端VDD；电阻R1与第一逻辑控制开关SW1串联，设置在第一逻辑控制开关SW1与第二逻辑控制开关SW2之间；传输门100为常导通状态。所述充电开关电路用于给参考基准电容Cref充电。电阻R1的作用是为了防止充电电流太大，因为是在芯片内部完成电荷充放电，没有电阻限流，充电时间虽然变短，但是瞬时电流会很大，容易导致干扰或者金属过流过热。
所述放电开关电路包括第三逻辑控制开关SW3以及电阻R2；第三逻辑控制开关SW3一端接地，另外一端通过电阻R2、传输门100连接参考基准电容Cref后接地；所述放电开关电路用于给参考基准电容Cref放电。电阻R2的作用是为防止放电时电流太大，如果没有R2，在放电开关闭合瞬间电流会很大，有可能会导致连线烧毁等影响。
所述比较电路为一比较器，其正向输入端藕接一参考电压Vref；负向输入端通过传输门100藕接一参考基准电容Cref后接地；负向输入端还通过第二逻辑控制开关SW2、电阻R1及第一逻辑控制开关SW1连接电源供电端VDD，负向输入端通过第二逻辑控制开关SW2耦接多个触摸按键端，负向输入端通过电阻R2连接第三逻辑控制开关。
由于需要复用IO功能，所以每个触摸按键的IO都需要加传输门开关，开关外部才是金属PAD位置，多个通道在触摸按键使能条件下，只会有其中一个通道选通打开。
所述比较器正输入端接入的参考电压Vref，该电压可以确定参考基准电容Cref上电压的上限范围，在能够确保所述比较器能够正常工作的条件下，可以提高参考电压Vref，从而使参考基准电容Cref充电次数增加，计数次数增加，提高触摸灵敏度。
信号处理单元，其输入信号连接所述比较器的输出端；所述信号处理单元用高频时钟计数得到基准参考电容Cref的充电次数，得到若干次的计数值后，由所述信号处理单元进行滤波/去毛刺/阈值判断等操作，最终得到是否有按键触摸动作的判断信号。
还包括开关信号产生器，其输入端连接所述信号处理单元的输出端，输出端分别连接第一逻辑控制开关SW1与第二逻辑控制开关SW2的控制端，所述开关信号产生器产生变频的方波信号，使第一逻辑控制开关SW1和第二逻辑控制开关SW2以变化的频率交替呈现闭合和断开状态，所述变频的方波信号的频率随时间保持或增大。
第一逻辑控制开关SW1为PMOS开关管，源极连接电源供应端VDD一侧，漏极连接电阻R1的一端，栅极为控制端，连接开关信号产生器的输出端；第三逻辑控制开关SW3为NMOS开关管，源极接地，漏极连接电阻R3的一端，栅极为控制端。
当参考基准电容Cref的电压达到Vref，所述比较器输出的高电平，信号处理单元检知到高电平，从而控制第三逻辑控制开关SW3导通，给参考基准电容Cref放电；当参考基准电容Cref放电结束，所述信号处理单元控制所述开关信号产生器重新给出变频的充电开关方波，控制使第一逻辑控制开关SW1和第二逻辑控制开关SW2以变化的频率交替呈现闭合和断开状态，给参考基准电容Cref充电，如此反复。
如图5所示，在参考基准电容Cref的一个充电周期内，随着充电次数的增加，每次给触摸按键的寄生电容Cx的充电的时间会缩短，逐步增大触摸按键的寄生电容Cx充放电的频率，缩短每一次触摸按键的寄生电容Cx充放电的时间，能够有效的节省参考基准电容Cref的充电时间，对于频率的变化采取了如下的方法：
如图6所示，在本实施例中，频率随时间呈阶梯状变化；每一阶梯跳变时间点tx为固定设置的，每一个阶梯的频率的变化幅度可以为前一个阶梯频率的2倍或者4倍；每一个跳变时间点tx及频率的变化幅度的确定是在测试中经过试验取最优值，在确保跳变过程中每次都能充满触摸按键的寄生电容Cx的同时又能够达到节约时间的目的。
实施例二、如图7所示，在本实施例中，开关信号产生器给出变频的充电开关方波的频率随时间呈线性变化，F＝kt；频率随着时间t线性递增，斜率k为固定设置的；本实施例中斜率k的确定是在测试中经过试验取最优值，在确保频率随时间的变化使得每一次都能充满触摸按键的寄生电容Cx的同时又能够达到节约时间的目的。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，未经创造性劳动所作的等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电容式触摸按键的判键系统，包括：
开关电路，包括充电开关电路与放电开关电路，所述充电开关电路包括第一逻辑控制开关与第二逻辑控制开关，所述放电开关电路包括第三逻辑控制开关；
比较单元，其第一输入端藕接一参考基准电容Cref；所述第一输入端通过第二逻辑控制开关与第一逻辑控制开关藕接一电源供应端；第一输入端藕接所述第三逻辑控制开关后接地；第一输入端还通过第二逻辑控制开关藕接多个触摸按键端；所述比较单元用于判断参考基准电容Cref是否充电完成；
信号处理单元，其输入信号连接所述比较单元的输出端；
其特征在于：还包括开关信号产生器，其输入端连接所述信号处理单元的输出端，输出端分别连接第一逻辑控制开关与第二逻辑控制开关的控制端；所述开关信号产生器产生变频的方波信号，控制所述第一逻辑控制开关和第二逻辑控制开关以变化的频率交替呈现闭合和断开状态，所述变频的方波信号的频率随时间保持或增大。
2.如权利要求1所述的电容式触摸按键的判键系统，其特征在于：所述开关信号产生器为数字信号产生器。
3.如权利要求1所述的电容式触摸按键的判键系统，其特征在于：所述比较单元为一个比较器，比较器的负向输入端为所述比较单元的所述第一输入端，正向输入端连接一参考电压，输出端连接所述信号处理单元的输入端。
4.如权利要求1所述的电容式触摸按键的判键系统，其特征在于：所述充电开关电路还包括电阻R1，所述电阻R1与所述第一逻辑控制开关串联；所述放电开关电路还包括电阻R2，所述电阻R2与所述第三逻辑控制开关串联。
5.如权利要求1所述的电容式触摸按键的判键系统，其特征在于：所述第二逻辑控制开关为传输门开关，所述第一逻辑控制开关为PMOS管，所述第三逻辑控制开关为NMOS管；每个触摸按键端与所述第二逻辑控制开关与之间均设置有一个传输门开关；所述参考基准电容Cref通过一个常闭合的传输门开关藕接到所述第二逻辑控制开关与所述比较单元的第一输入端。
6.如权利要求1～5任意一项所述的电容式触摸按键的判键系统，其特征在于：所述开关信号产生器产生的变频方波信号的频率随时间阶梯状变化，后一阶梯的频率高于前一阶梯频率。
7.如权利要求6所述的电容式触摸按键的判键系统，其特征在于：所述开关信号产生器产生的变频方波信号的后一阶梯的频率为前一阶梯频率的2倍或4倍。
8.如权利要求1～5任意一项权利要求所述的电容式触摸按键的判键系统，其特征在于：所述开关信号产生器产生的变频方波信号为其频率随着时间线性变化，随时间的增大而变大。
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| CN109274363A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-01-25 | 珠海巨晟科技股份有限公司 | 一种电容式触摸按键的判键系统 |
| CN112039512A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-12-04 | 上海东软载波微电子有限公司 | 电容式触摸按键系统及其按键检测方法 |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20211015 Address after: 528000 room a312-29, block a, Nanhai industrial think tank City, Taoyuan Road, software park, Shishan town, Nanhai District, Foshan City, Guangdong Province (residence declaration) Patentee after: Foshan Jusheng Microelectronics Co.,Ltd. Address before: 519000 unit Q, room 620, 6th floor, main building, No. 10, Keji 1st Road, Gangwan Avenue, Tangjiawan Town, Xiangzhou District, Zhuhai City, Guangdong Province Patentee before: ZHUHAI JUSHENG TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230811 Granted publication date: 20190813 Pledgee: Guangdong Shunde Rural Commercial Bank Co.,Ltd. science and technology innovation sub branch Pledgor: Foshan Jusheng Microelectronics Co.,Ltd.|Guangzhou Jusheng Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: Y2021980014276 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |