专利名称：一种具有快速响应的自电容变化测量电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有快速响应的自电容变化测量电路，以及在集成电路中的实现方法。该方法可以用于触摸控制应用中，例如触摸按键，电容式触摸屏，鼠标触摸板等广泛应用中。
背景技术：
传统的电容式触摸感应按键的基本原理就是一个不断地充电和放电的张弛振荡器。如果没有触摸时候，张弛振荡器有一个固定的充电放电周期，频率是可以测量的。如果用手指或者其它物体触摸按键区域，就会增加按键的分布电容的介电常数，充电放电周期就变长，频率就会相应减少。测量周期的变化，就可以侦测触摸动作。原有技术方法没有电压缓冲放大器，采用比较器，定时器测量振荡器的振荡周期， 或者采用单斜率电压模拟-数字转换器对振荡周期变化进行检测。其缺点是1)电压模拟-数字转换器的输入信号从零开始变化，需要较长时间稳定，从而影响到每次检测所需要的时间；2)滤波电容不能任意加大，否则单斜率电压模拟-数字转换器会溢出，从而限制了抗干扰能力。3)这种方法容易受到电磁干扰，产生误动作。

发明内容
本发明的目的在于提供一种快速响应的电容变化检测方法，可用于触摸控制等应用中。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是通过一个电压缓冲器，在开始检测阶段对被测量的电容和滤波电容进行快速预充电，使电容初始电压建立在参考电压Vref上；然后利用一个电流源和一对由脉冲发生器控制的开关，对滤波电容充放电；经过一定时间达到或者接近平衡后，利用一个反相开关电容放大器，将滤波电容上的电压对参考电压Vref的差值进行放大，并利用一个快速的模拟-数字转换器(ADC)获取电压值转换值。当被测量电容发生变化时候，滤波电容上的电压会发生变化，通过对电压值变化的判断，可以分析出被测量电容的瞬时变化，以便后续处理。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点1)每次检测电容变化的时间短，减少系统等待时间；2)抗干扰能力强，利用滤波电容以减小外部瞬时噪声对测量结果的干扰；3)利用反相开关电容放大器将一个相对于Vref参考电压的输入电压放大并转换到相对于地一个输出电压，从而充分利用了 OV到电源电压的有效电压工作范围；4)电路简单， 容易在集成电路上实现。只需要一个外部的滤波电容，其余全部可以集成在集成电路上。


图1检测电路的系统框2反相开关电容放大器内部电路
图3检测电路在预充电阶段的等效电路4检测电路在滤波电容充放电阶段的等效电路5反相开关电容放大器的信号输入端和输出端在测量周期的电压变化图6电容变化时引起的输入信号电压的变化
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。图1是测量电路的基本系统电路图。本测量电路的一个测量周期可以分为三个步骤，分别是1)滤波电容电容预充电阶段在图1中，断开开关(5)和开关(3)，闭合开关(4)和开关(7)，由电压缓冲器对滤波电容和被测电容进行快速充电至参考电压Vref的电平。其等效电路如图3所示，反相开关电容放大器的信号输入端和输出端的电压波形变化如图5中所示的t(Ttl阶段。此时并不关心反相开关电容放大器的输出值。2)滤波电容连续充放电阶段在图1中，断开开关(7)，闭合开关(5)，由脉冲发生器产生的互补脉冲输出驱动开关(4)和开关(3)，同时反相开关电容放大器继续工作。在一定频率的脉冲输出驱动下，开关(3)，开关(4)及被测量电容(2)可以等效成一个电阻(R)，其阻值大小和脉冲频率及被测电容大小的乘积的倒数相关。通过调整脉冲发生器的开关频率，可以调整等效电阻的阻值大小，从而适应不同的被测电容。其等效电路如图4所示，反相开关电容放大器的信号输入端和输出端的电压波形变化如图5中所示的tl、2阶段。此时仍不关心反相开关电容放大器的输出值。通过调整电流源(6)，相当于调整流过等效电阻的电流，从而可以调整在滤波电容上的电压，得到正确的放大器输入电压范围。3)电压测量阶段经过一段时间后，即图5所示的t3点，当开关(5)和开关(4)连接点，即反相开关电容放大器的信号输入端，其电压Vin达到或者接近稳定值Va，此时电压变化趋势比较平坦。Va与参考电压的差值AV= (Vref-Va)，经过放大器的倍数(N)放大后，在输出端得到N*(Vref-Va)的电压。这个电压被送入到快速的模拟-数字转换器进行测量，得到被测电容读数。反相开关电容放大器输出电压值Vout为Vout = N 氺(Vref-Va)其中Va为放大器输入信号电压值，N为放大器的放大倍数。图5是反相开关电容放大器的信号输入端和输出端在一个测量周期内的电压变化情况。由于采用以下方法，本电路具有快速的电容变化响应1)采用电压缓冲器对滤波电容和被测电容进行快速充电至参考电压Vref，缩短预充电阶段的时间。然后在此基础上，通过放电电路，使滤波电容上的电压仅仅下降几百毫伏就到达稳定电压，从而缩短了放电阶段的时间。2)采用快速模拟-数字转换器对经过放大的信号进行快速的模数转换，避免了采用单斜率电压模拟-数字转换器所需的较长的转换时间。具体在做触摸检测时，由于外部电路存在一定的分布电容，这个分布电容是相对稳定的。因此，在给定的脉冲发生器的频率，恒流源输出值及滤波电容大小等条件下，放大器的信号输入端的电压在放电阶段达到平衡时候，电压值稳定在Va附近。如果外部电路发生变化，例如有手指接触使得分布电容发生改变，此时外部电路的等效电容将增加，在放电阶段达到平衡时候，放大器的输入信号电压值将变为Va’，参看图6。从ADC的读数结果可以反映出来外部电路的电容瞬时变化，从而检测到手指的接触等变化。通过在后接的处理器上做一定的数据处理(例如数字滤波)，并设置合理的门限值，当读取的ADC结果的数据变化大于门限值的时候，可以判断为外部物体的接触。应当理解的是，对本发明所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等同改变或替换，而所有这些改变或替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。本发明除了可以使用在触摸检测的应用中以外，也可以用于接近检测，液体位置检测等其它传感器的应用中。这些应用都在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种具有快速响应的自电容变化测量电路，用于对外部被测试电路上的电容变化进行快速检测。本发明的电路包括滤波电容(1)、脉冲发生器(11)及相应的开关电路、可调电流源(6)、反相电容放大器(9)和快速的模拟-数字转换器(10)，其特征是通过一个电压缓冲器(8)，在开始检测阶段对被测电容(2)和滤波电容⑴进行快速预充电，使电容初始电压建立在参考电压Vref上；然后利用电流源(6)对滤波电容(1)充电。同时通过被测电容( 及一对由脉冲发生器(11)控制的互补开关进行放电。经过一段时间后滤波电容⑴上电压达到稳定值，利用反相开关电容放大器(9)，对滤波电容⑴上的电压和参考电压Vref的差值进行放大，并利用快速的模拟-数字转换器(10)获取放大器输出电压值。 当被测电容(2)发生变化时，滤波电容(1)上的电压也会发生变化，ADC得到的结果也会不同。通过对ADC结果变化的分析，可以得到被测电容的瞬时相对变化量。
2.根据权利要求1所述的方法，其电路包括一个电流源(6)，输出端顺序经过开关(5)、 开关⑷和开关⑶接到地电平。其特征是1)开关(5)和开关⑷的连接点也接到一个滤波电容⑴的非地端。2)开关⑷和开关(3)的连接点也接到被测电容(2)的非地端。3)电流源输出值可以在一定范围内调整，以适应不同的被测电容大小的测量需要。
3.根据权利要求1所述的方法，其电路包括一个电压缓冲器，其特征是1)电压缓冲器的输出端经过开关(7)接入开关(5)和开关(4)的连接点；2)电压缓冲器的输入端接到参考电压Vref上。可以很快将滤波电容上的电压建立到 Vref 上。
4.根据权利要求1所述的方法，其电路包括一个反相开关电容放大器(9)，其特征在于1)反相开关电容放大器(9)用于对滤波电容⑴上的电压和参考电平Vref的差值进行放大；2)反相开关电容放大器(9)的放大倍数可以调整3)反相开关电容放大器(9)的输出端可以直接或者通过缓冲器接入一个快速模拟-数字电压转换器(10)；
5.根据权利要求1所述的方法，其电路包括一个脉冲发生器，其特征在于1)其输出为两路互补的信号，分别驱动开关(4)和开关(3)。2)通过对开关(3)和开关⑷的交替导通，可以控制滤波电容⑴的放电。3)其脉冲频率可以调整，通过调整其频率可以调整放电电流大小。
6.根据权利要求1所述的方法，其电路包括一个快速的模拟-数字转换器(10)，其特征在于ADC的输入直接或者间接接到反相开关电容放大器(9)的输出上，可以对反相电容放大器(9)的输出电压进行快速的检测。
7.根据权利1所述方法，电容变化的测量过程其特征如下1)在开始检测阶段时，并联被测电容和滤波电容，或仅仅连接滤波电容，利用缓冲器进行快速预充电，使其初始电压建立在参考电压Vref上2)然后断开电压缓冲器，利用一个电流源和一个脉冲发生器，使被测电容交替接到滤波电容和地电平，使得滤波电容做充放电动作3)当滤波电容上电压达到或者接近稳定时，利用一个反相开关电容放大器，对滤波电容上的电压和参考电压Vref的差值进行放大4)同时利用一个快速的模拟-数字转换器(ADC)获取放大器输出电压值。5)然后利用后续硬件或者用处理器对ADC结果变化进行分析，可以得到被测电容的瞬时相对变化量。
全文摘要
本发明涉及一种用于电容变化进行快速检测的方法。检测电路在开始时对被测电容(2)和滤波电容(1)快速充电，使电容初始电压建立在参考电压Vref。然后利用电流源(6)对滤波电容(1)充电，同时通过被测电容(2)及开关(3)和开关(4)组成的开关电容电路放电。经一段时间后滤波电容(1)上电压达到稳定值，利用反相开关电容放大器(9)，对滤波电容(1)的电压和参考电压Vref的差值进行放大，并利用模拟-数字转换器(10)获取放大器输出电压值。当被测电容(1)发生变化时，滤波电容(1)上的电压也会发生变化，ADC得到的结果也会不同。通过对ADC结果变化的分析，可以得到被测电容(1)的瞬时相对变化。
文档编号G01F23/26GK102193033SQ20101011893
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月8日 优先权日2010年3月8日
发明者贾朝辉 申请人:上海海栎创微电子有限公司