[发明专利]一种具有高精度低功耗的互电容变化测量电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高精度低功耗的互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。尤其适用于多指触摸检测。 

背景技术

传统的互电容触摸检测的基本原理就是利用脉冲发生器对被测互电容进行周期性的充放电，并使用电流转换电路将此充放电电流复制到内部一个滤波电容上，并通过检测这个滤波电容的电压值进行判断被测互电容的变化。如果没有触摸时候，其电压为V1。如果用手指或者触摸笔等接触被测互电容，由于许多磁力线将会停留在手指上，故被测互电容将会减少，其脉冲发生器充电放电电流就会相应减少，最终滤波电容上的电压也会相应降低。通过测量其电压的变化，就可以侦测触摸动作。 

传统的检测方法的缺点是：1)需要较大的芯片内部滤波电容来保证其稳定性，而芯片实现这些滤波电容又需要占用较大的面积使得最终芯片面积变大，成本增高；2)芯片内电压的检测必须使用一个高速高精度的ADC，这又会增加芯片的面积与功耗。3)由于实际应用中被测互电容以及PCB的参数一致性难以保证，这导致被测电压会较大变化范围甚至超出电源电压的约束使得测量失败，所以量产的控制调整困难。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度低功耗的高生产可靠性的互电容变化检测方法，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： 

被测互电容围绕参考电压Vref附近变化，通过脉冲发生器对被测互电容进行周期性的充放电，利用一个放电电流源和一对开关在时钟高周期对被测互电容放电，利用一个电压跟随器和另一对开关在时钟低周期稳定被测互电容电压使其避免脉冲发生器下降沿放电的影响，由一个比较器控制放电电流源放电过程，利用不同的被测互电容将改变放电时间的方法来检测电容的变化。 

假设被测互电容(1)的电压在参考电平Vref附近，通过脉冲发生器对被测互电容进行周期性的充放电，可以在被测电容(1)的检测端上产生一个充电电流，其大小是： 

Isc＝Fsc＊Cc＊Vtx            (公式1) 

其中，Fsc是脉冲发生器A(4)施加到被测互电容(1)上的开关频率，Cc是被测互电容(1)的互电容值，Vtx是脉冲发生器A(4)的输出电平。 

该电流每周期会对被测互电容注入一定的电荷，其大小是： 

Q1＝Isc/Fsc＝Vtx＊Cc             (公式2) 

同时通过一个放电电流源(7)，对被测互电容进行放电的放电电流Icc，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。 

该放电电流源每周期会对被测互电容对地放掉一定的电荷，其大小是： 

Q2＝Icc＊T                 (公式3) 

其中T为放电电流源开启的时间长度。 

在开始检测阶段，对被测互电容(1)进行快速预充电，使检测端的初始电压建立在参考电压Vref上。然后在脉冲发生器的时钟高周期，导通开关(3)，断开开关(2)，这时脉冲发生器的上升沿将对被测互电容进行充电，使得检测端的电压超过Vref，并使得电压比较器(6)输出电平发生变化，产生一个使能信号启动放电电流源对被测互电容(1)对地进行放电，经过一定时间T后，被测互电容(1)上检测端的电压下降到Vlow且Vlow＜Vref以下，并使得电压比较器(6)输出电平发生变化，关闭放电电流源。在脉冲信号发生器的时钟低周期，使开关(2)闭合，开关(3)断开，这时脉冲发生器的下降沿将对被测互电容进行放电，使得检测端的电压远低于Vref，但是电压跟随器将会使得检测端电压回到时钟下降沿之前的电压Vlow。如此往复直到检测停止。 

从以上描述我们可以看出经过N个周期后电压比较器(6)始终会使得脉冲发生器(4)对被测互电容(1)的充电电流所产生的总充电电荷与通过放电电流源进行放电的电流所产生的总放电电荷达到平衡，即： 

N＊Q1＝Q2＊Tn             (公式4) 

由公式1，公式2，公式3，公式4可以得到 

Cc＝Icc＊Tn/(N＊Vtx)            (公式5) 

公式5中Icc，Vtx，N都是预先设定的系统常量，我们可以看到被检测互电容完全线性取决于Tn这个放电时间变量，通过使用计数器检测这个时间变量就可以实现对互电容的精准测量。具体实现中可以简单的调整Icc，Vtx，N这些预设定的系统常量就可以对测量系统进行精度，速度或功耗的调整。