[发明专利]电容触摸按键信号测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及电容触摸信号测量技术领域，更具体的涉及一种基于平衡或比例平衡电容桥的电容触摸按键信号测量装置及其测量方法。

背景技术

随着电容触摸技术的不断完善，传统的机电式按键正在逐渐被电容触摸感应按键所取代。基于电容触摸感应技术实现的按键(以下简称电容触摸按键)具有成本低，持久耐用，防尘防水等诸多优点，已被广泛应用于家用电器、消费电子、金融、工业控制等领域。

传统的电容触摸按键多是基于自电容原理实现的。触摸信号测量方法主要包括基于RC的测量方法和基于电荷传输的测量方法。其中，基于RC的测量方法包括张弛振荡频率测量方法和RC时间常数测量方法等，基于电荷传输的测量方法包括意法半导体的ProxSense电荷传输电容感应技术和OMRON的串联电容分压比较法等。

下面依次说明上述每一触摸信号测量方法的基本原理。

(1)基于RC的测量方法—张弛振荡频率测量方法

“张弛振荡”(Relaxation Oscillator)触摸检测基本原理就是一个不断地充电和放电的张弛振荡器。如果不触摸开关，张弛振荡器有一个固定的基本充电放电周期(频率)；如果用手指触摸开关，手指和开关之间会产生电场作用而寄生出新的感应电容，感应电容与按键原有自电容叠加，张弛振荡器充电放电周期就变长，频率就会相应减少。使用系统基准时钟确定一个测量时间段，对振荡器输出频率在该基准时间段计数，就可以侦测触摸事件。如图1(a)至图1(c)所示，描述了一种基于“张弛振荡”原理构造的触摸检测电路图，其中C1是电容触摸按键的电容，当比较器的正向端电压Vref高于比较器的负向端电压时，VOUT输出就是高电平，此时比较器输出端VOUT通过电阻R4向电容C1充电，使比较器负向端电压升高；当比较器负向端电压高于正向端电压时，VOUT输出就是低电平，此时电容C1通过电阻R4放电，比较器负向端电压就降低，当负向端电压低于正向端电压时，VOUT输出恢复到高电平。如此反复，就在比较器VOUT端产生矩形振荡波形，当电容触摸按键的电容C1变化(有手指触摸)时，随着RC时间常数的变化，矩形振荡波的频率也会发生变化。图1(b)是没有手指电容触摸按键、电容C1较小时的输出振荡波形，图1(c)是有手指电容触摸按键、电容C1较大时的输出振荡波形。由图1(b)和图1(c)可以看出，当有手指触摸时，振荡器的输出频率会明显下降。

(2)基于RC的测量方法—RC时间常数测量方法

RC时间常数测量方法是通过测量一个串联RC电路的时间常数来确定是否存在触摸事件发生的。下面参考图2(a)和图2(b)对RC时间常数测量方法进行说明：基准电压Vref通过电阻R向电容C充电，假设C是一个电容触摸按键的自电容，无触摸事件时电容值为C1，有触摸事件时电容值为C2(C2>C1)，电容C变化时A点的充电时间常数相应地发生变化(A点的波形上升时间发生变化)，与A点连接的迟滞反向电路有固定检测阈值Vth，用于检测A点电压是否大于Vth。如图2(b)所示，当电容为C1时，A点的电压从0充电到Vth耗时T1；当电容为C2时，A点的电压从0充电到Vth耗时T2；使用基于系统时钟的计数器分别对T1和T2时间进行计数，计数值可以作为C1和C2的量化值，计数值变化量可以作为是否存在触摸事件的检测依据。

(3)基于电荷传输的测量方法—ProxSense电荷传输电容感应技术

ProxSense电荷传输电容感应技术的基本原理可以借助图3(a)进行说明：Cx代表电容触摸按键的电容，首先闭合开关SW1对电容Cx充电；当Cx完全充满电后，打开开关SW1，闭合开关SW2，使电荷在Cx和参考电容Cs之间转移，向参考电容Cs充电。如此重复以上充电和电荷转移动作，参考电容Cs的上极板A点电压就逐渐升高，当A点的电压上升到Vref时，一个Cs的充电周期结束。图3(b)给出了A点电压在整个充电周期的波形图，使用计数器对充电周期内系统基准时钟进行计数(计数结果记录了电荷传输的次数)，计数结果作为Cx的测量结果。通常，Cs的值设定为Cx的数千倍以上，以保证较好的电容分辨率。

(4)基于电荷传输的测量方法—串联电容分压比较法