[发明专利]一种具有快速响应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0V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。

附图说明

图1检测电路的系统框图

图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图

图4检测电路在滤波电容充放电阶段的等效电路图

图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t0~t1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t1~t2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ΔV＝(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。