采用电荷补偿的自电容感测电路及方法技术

本发明专利技术公开一种采用电荷补偿的自电容感测电路及方法，感测电路包括：被测电容Cs、采样控制电路、恒流补偿模块、电荷补偿控制模块、过零检测模块及时间记录模块；感测方法包括初始化阶段、采样阶段和电荷补偿阶段。本发明专利技术的有益效果在于：1、电路结构简单，常规器件搭设便可以实现，设计巧妙但不复杂；2、无需外部元件，降低了器件成本；3、电荷补偿控制模块可灵活实现，加入滤波功能，实现抗干扰性提高；4、由于不需要模数转换器（ADC），因而大大降低了电路面积，节约了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子电路及感测
，具体涉及一种自电容感测电路及方法。
技术介绍
相对于传统的机械(按键)操控方式，电容触摸具有明显的优点，如耐久性好、界面友好等，因而在各个领域尤其是人机交互领域有着越来越广泛的应用。传统的自电容感测方法，通常是利用张弛振荡器原理或将电容值转换为电压值继而利用模数转换器(ADC)将其转换成数字量。前者通过对被测电容不停的充放电来测量它的振荡周期，当被测电容大小变化时，振荡周期也会相应变化，因而可以此为根据来感测被测电容的变化；而后者通常通过被测电容的电荷转移效应，通过某种方法将电容大小转化成相应的电压，之后用8位(或更高精度)的模数转换器(ADC)对该电压值进行采样将其量化，从而可以通过量化值得变化来感测被测电容。前者电路的核心通常是一个比较器和充放电电路；后者则通常包括一个开关电容运放和一个模数转换器(ADC)。相比较而言，前者电路结构简单，但是感测时间较长、抗干扰性较差；后者速度较快、抗干扰性较好，但是由于模块复杂，尤其是需要一个专门的模数转换器(ADC)，导致除芯片面积增大外，其动态功耗也较高。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种自电容感测的低功耗方案，用于对外部被测电容的大小(或变化)进行测量，并且具有成本低、结构简单的特点。结合图1所示，实现上述目的的技术方案如下:一种采用电荷补偿的自电容感测电路，其特征在于，包括: 被测电容Cs，其第一端连接固定电位电压VO，第二端连接采样控制电路的输入； 采样控制电路①，其第一端连接被测电容的第二端，第二端连接固定电位电压VI，第三端连接电荷补偿控制模块；用于将被测电容Cs第二端初始化到固定电位Vl，还用于将被测电容Cs上的电荷注入给电荷补偿控制模块； 恒流补偿模块②，受控下以恒定速率提供补偿电荷给电荷补偿控制模块，对由被测电容Cs注入电荷补偿控制模块的电荷进行补偿； 电荷补偿控制模块③，初始化到工作零点后接收通过采样控制电路注入的被测电容Cs上的电荷、同时输出偏离零点，或者接收恒流补偿模块提供的补偿电荷、同时输出回归零占.过零检测模块④，连接电荷补偿控制模块的输出，并根据电荷补偿控制模块的输出产生反转信号；及 时间记录模块⑤，连接过零检测模块④的输出，记录所述反转信号的时间周期。作为具体的技术方案，所述采样控制电路①由初始化开关和采样开关构成，通过闭合初始化开关将被测电容Cs的第二端连接并初始化到固定电位VI，通过闭合采样开关将使被测电容Cs的第二端连接电荷补偿控制模块③的输入并注入电荷。作为具体的技术方案，所述恒流补偿模块②由一恒流源和其控制开关组成，控制开关的开合用于控制利用该恒流源进行电荷补偿的时间。作为具体的技术方案，所述恒流源是一个恒定电流源、或者是一个固定频率的开关电容电路、或者是一个串接的电阻。作为具体的技术方案，所述的电荷补偿控制模块③由第一运算放大器0ΡΑ、积分电容Cint和复位开关构成；第一运算放大器OPA的输入端连接米样控制电路的输出，其积分电容Cint和复位开关跨接第一运算放大器OPA的正输入端-Vkefci ;复位开关用于在采样补偿前将第一运算放大器OPA的输入端-输出端电压初始化至Vkefci,当被测电容Cs的第二端连接至电荷补偿控制模块③的输入时，被测电容Cs上的电荷转移到积分电容Cint上，并导致第一运算放大器OPA的输出偏离初始值Vkefci。作为具体的技术方案，所述过零检测模块④由一个第二运算放大器CMP构成，其第一端连接至基准电SVkefi，第二端连接至电荷补偿控制模块③的输出，用于在电荷补偿阶段对电荷补偿控制模块③的输出进行过Vkefi点监测，当电荷补偿控制模块③的输出跨过Veefi时，过零检测模块④的输出反转。作为具体的技术方案，所述时间记录模块⑤由数字计数器构成，并以过零检测模块④的输出作为输入，用于记录从恒流源开始补偿到过零检测模块④输出反转整个过程的时间。一种基于上述采用电荷补偿的自电容感测电路的感测方法，其特征在于，包括初始化阶段、采样阶段和电荷补偿阶段； 初始化阶段:通过采样控制电路①将被测电容Cs第二端初始化到固定电位VI，同时电荷补偿控制模块③被初始化到工作零点； 采样阶段:控制被测电容Cs上的电荷通过采样控制电路①注入到电荷补偿控制模块③，使得电荷补偿控制模块③的输出偏离零点； 电荷补偿阶段:控制恒流补偿模块②以恒定速率对注入到电荷补偿控制模块③的电荷进行补偿，使得电荷补偿控制模块③的输出回归零点，并触发过零检测模块④的输出反转，通过分析时间记录模块⑤所记录的反转信号的时间周期，得到被测电容Cs的大小及其变化。本专利技术提供的方法及电路可用于自电容的感测，进而可用于触摸按键、电容触摸屏及接近感应等控制应用中。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于: 1、电路结构简单，常规器件搭设便可以实现，设计巧妙但不复杂； 2、无需外部元件，降低了器件成本； 3、电荷补偿控制模块可灵活实现，加入滤波功能，实现抗干扰性提高； 4、由于不需要模数转换器(ADC)，因而大大降低了电路面积，节约了成本。附图说明图1为本专利技术提供的自电容感测电路的的系统原理框图。图2为实施例提供的自电容感测电路的具体实现电路。图3为具体实现电路处于初始化阶段的电路状态。图4为具体实现电路处于采样阶段的电路状态。图5为具体实现电路处于补偿阶段的电路状态。具体实施例方式如图2所示，本实施例给出了图1所示自电容感测电路的一种具体实现电路。其中，采样控制电路①由采样开关SI及初始化开关S2构成；恒流补偿模块②由恒流源i0和控制开关S4组成；补偿控制模块③由第一运算放大器OPA及积分电容Cint和复位开关S3组成；过零点检测电路④由第二运算放大器CMP构成；补偿时间记录电路⑤由一简单的计数器实现。为方便说明，将整个测量阶段分为初始化阶段、采样阶段和电荷补偿阶段，如下详述:如图3所示，在初始化阶段，通过闭合开关S2被测电容Cs的第二端被初始化到某固定电位VI，通过闭合开关S3第一运算放大器OPA的输入端和输出端初始化到工作零点，即基准电压VKEra。待初始化完成后进入采样阶段。如图4所示，在采样阶段，断开复位开关S3，闭合采样开关SI。被测电容Cs上的电荷将会转移注入到积分电容Cint上。其中，SI闭合前Cs上携带电荷量:QO=Cs* (V1-V0)；SI闭合后Cs上携带电荷将会共享注入到积分电容Cint上，电路稳定后，转移到积分电容Cint上的电荷量:S Q=(Vl-VREFO) *Cs*CINT/(Cs+CINT);将在第一运算放大器OPA的输出引起电压变化δ V= δ Q/Cint=Cs (Vl-VREFO) / (Cs+CINT)。采样完成后进入电荷补偿阶段。如图5所示，在电荷补偿阶段，断开采样开关SI，恒流补偿模块②的控制开关S4闭合，恒流源iO开始对积分电容Cint注入符号相反的电荷以对被测电容Cs注入的电荷进行补偿(补偿的电荷极性与被测电容Cs注入电荷的极性相反)。随着补偿的进行，第一运算放大器OPA的输出电压逐渐向Vkefci方向回归,被测电容Cs上的电荷也将会持续的注入到积分电容CINT，当OPA的输出电压回归到Vkefi时过零检测模块④的输出反转。开始补偿时，时间记录本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用电荷补偿的自电容感测电路，其特征在于，包括：被测电容Cs，其第一端连接固定电位电压V0，第二端连接采样控制电路的输入；采样控制电路，其第一端连接被测电容的第二端，第二端连接固定电位电压V1，第三端连接电荷补偿控制模块；用于将被测电容Cs第二端初始化到固定电位V1，还用于将被测电容Cs上的电荷注入给电荷补偿控制模块；恒流补偿模块，受控下以恒定速率提供补偿电荷给电荷补偿控制模块，对由被测电容Cs注入电荷补偿控制模块的电荷进行补偿；电荷补偿控制模块，初始化到工作零点后接收通过采样控制电路注入的被测电容Cs上的电荷、同时输出偏离零点，或者接收恒流补偿模块提供的补偿电荷、同时输出回归零点；过零检测模块，连接电荷补偿控制模块的输出，并根据电荷补偿控制模块的输出产生反转信号；及时间记录模块，连接过零检测模块的输出，记录由恒流源开始补偿至所述反转信号的时间周期。

【技术特征摘要】
1.一种采用电荷补偿的自电容感测电路，其特征在于，包括: 被测电容Cs，其第一端连接固定电位电压VO，第二端连接采样控制电路的输入； 采样控制电路，其第一端连接被测电容的第二端，第二端连接固定电位电压Vi，第三端连接电荷补偿控制模块；用于将被测电容Cs第二端初始化到固定电位Vl，还用于将被测电容Cs上的电荷注入给电荷补偿控制模块； 恒流补偿模块，受控下以恒定速率提供补偿电荷给电荷补偿控制模块，对由被测电容Cs注入电荷补偿控制模块的电荷进行补偿； 电荷补偿控制模块，初始化到工作零点后接收通过采样控制电路注入的被测电容Cs上的电荷、同时输出偏离零点，或者接收恒流补偿模块提供的补偿电荷、同时输出回归零占.过零检测模块，连接电荷补偿控制模块的输出，并根据电荷补偿控制模块的输出产生反转信号；及 时间记录模块，连接过零检测模块的输出，记录由恒流源开始补偿至所述反转信号的时间周期。2.根据权利要求1所述的采用电荷补偿的自电容感测电路，其特征在于，所述采样控制电路由初始化开关和采样开关构成，通过闭合初始化开关将被测电容Cs的第二端连接并初始化到固定电位VI，通过闭合采样开关将使被测电容Cs的第二端连接电荷补偿控制模块的输入并注入电荷。3.根据权利要求2所述的采用电荷补偿的自电容感测电路，其特征在于:所述恒流补偿模块由一恒流源和恒流源控制开关组成，控制开关控制利用该恒流源进行电荷补偿的时间。4.根据权利要求3所述的采用电荷补偿的自电容感测电路，其特征在于:所述恒流源是一个恒定电流源、或者是一个固定频率的开关电容电路、或者是一个串接的电阻。5.根据权利要求2或3所述的采用电荷补偿的自电容感测电路，其特征在于:所述的电荷补偿控制模块由第一运算放大器OPA、积分电容Cint和复位开关构成；第一运算放大器OPA的输入端连接米样控制电路的输出，积分电容Cint和第一运算放大器OPA共同构成一个能将注入电荷转化为电压输出的电路；复位开关用于在采样补偿前将第一运算放大器OPA的输入端-输出端电压初始化至Vkefci,当被测电容Cs的第二端连接至电荷补偿控制模块的输入时，被测电容Cs上的电荷转移到积分电容Cint上,并导致第...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱定飞，朱家训，
申请(专利权)人：珠海中慧微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：