[发明专利]一种具有高精度高稳定性的自电容变化测量电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高精度高稳定度的自电容测量电路及其实现方法。该方法可以用于触摸控制应用，例如触摸按键，电容式触摸屏，鼠标触摸板等。

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。如果用手指或者触摸笔等接触被测物，将会增加电容器的介电常数，电容的充电放电周期就变长，频率就会相应减少。通过测量周期的变化，就可以侦测触摸动作。这种方法易受到电磁干扰，测量的精确度和稳定度差，容易产生误动作。

传统的检测方法的缺点是：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)由于实际应用中电容以及PCB的参数一致性难以保证，所以量产的控制调整困难4)容易受电源的电压波动，时钟源抖动等因素影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高抗干扰，高精度的高生产可靠性的电容变化检测方法，可广泛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：

一个滤波电容围绕参考电压Vref附近变化，通过被测电容和一对开关等效成一个放电电路对滤波电容放电，利用一个耦合电容和另外一对开关等效成一个充电电路对滤波电容充电，由一个比较器控制充放电过程，利用不同的被测电容将改变充放电时间的方法来检测电容的变化。

假设滤波电容(1)的电压在参考电平Vref附近，通过交替导通/断开接到被测电容(2)两端的开关(3)和开关(4)，可以在被测电容(2)上产生一个放电电流，这个电流是滤波电容对地的放电电流，其大小是：

Isc＝Fsc*Csc*Vref                    (公式1)

其中，Fsc是脉冲发生器A(7)施加到开关(3)和开关(4)上的开关频率，Csc是被测电容(2) 的电容值，Vref是比较器(10)的输入的参考电平。

同时通过一个耦合电容(9)，脉冲发生器B(8)施加到开关(5)和开关(6)上面，产生一个对滤波电容充电的耦合电流，这个电流的大小是：

Icc＝Fcc*Ccc*Vcc                                    (公式2)

其中，Fcc是脉冲发生器B(8)施加到耦合电容上的脉冲信号频率，Ccc是耦合电容的电容值，Vcc是脉冲发生器B(8)的脉冲电压，Vref是比较器(10)的输入的参考电平。

通过适当设置，并保证Icc＞Isc，这也是本测量方法的一个重要前提。

在开始检测阶段，导通开关(5)，开关(6)和开关(4)，对被测电容(2)和滤波电容(1)进行快速预充电，使Vin的初始电压建立在参考电压Vref上。然后通过交替导通开关(3)和开关(4)，此时，被测电容(2)、开关(3)和开关(4)可以等效为一个电阻，其阻值大小和开关的脉冲频率与被测电容(2)的电容值乘积的倒数相关。在这段时间内，滤波电容(1)对地进行放电，经过一定时间T1后，滤波电容(1)上的电压Vin会下降到Vref以下，并使得电压比较器(10)输出电平发生变化，产生一个使能信号启动脉冲发生器B(8)输出脉冲施加到耦合电容(9)上。在脉冲信号的上升沿，使开关(6)闭合，开关(5)断开，产生耦合电荷注入到滤波电容(1)上。而在脉冲信号的下降沿时，开关(6)断开，开关(5)闭合，从Vref上吸收电荷回到耦合电容(9)上。这个过程等效于产生一个耦合电流注入到滤波电容(1)上。由于这个耦合电流大于滤波电容(1)对地的放电电流，所以经过一段时间T2后滤波电容(1)上的电压会逐渐回升到Vref以上。此时，电压比较器(10)输出翻转，并关闭脉冲发生器B(8)，使之无法产生耦合电流。此时放电电流仍然持续进行，所以，再经过一段时间T1后，滤波电容(1)上的电压再次会下降到Vref以下，电压比较器(10)再次翻转，同时开启脉冲发生器B(8)。如此往复直到检测停止。

从以上描述我们可以看出电压比较器(10)最终会使得滤波电容(1)通过被测电容(2)的放电电荷和通过耦合电容(9)注入的耦合电荷达到平衡，即：

Isc*(T1+T2)＝Icc*T2                            (公式3)

令充放电系数

D＝T2/(T1+T2)                                  (公式4)