[发明专利]快速电容感应装置及电容信号检测方法

权利要求书

1.一种快速电容感应装置，其特征在于，包括：

信号共模补偿和积分电路，信号转移电路，信号测量电路；

所述信号共模补偿和积分电路包括积分电容Ci及其开关阵列、运算放大电路、采样电容Cx及其开关阵列，

所述积分电容Ci及其开关阵列包括积分电容Ci，开关SiL的第一端设置在积分电容Ci第一端，开关SiR的第一端设置在积分电容Ci第二端，

所述采样电容Cx及其开关阵列包括采样电容Cx，开关SxL的第一端、开关ScomL的第一端、开关SmL的第一端皆设置在采样电容Cx第一端，开关SxR的第一端、开关ScomR的第一端、开关SmR的第一端皆设置在采样电容Cx第二端；

所述运算放大电路的负输入端同时连接开关SiL的第二端和开关SxL的第二端，所述运算放大电路的输出端同时连接开关SiR的第二端和开关SxR的第二端，所述运算放大电路的正输入端连接参考电压源RefRx，所述运算放大电路的负输入端还连接外部电容传感器；

所述信号转移电路复用所述采样电容Cx及其开关阵列；开关ScomL的第二端和开关ScomR的第二端连接所述参考电压源RefRx，开关SmL的第二端和SmR的第二端连接所述信号测量电路的第一端；

所述信号测量电路的第二端连接所述参考电压源RefRx。

2.根据权利要求1所述的快速电容感应装置，其特征在于：所述运算放大电路包括第一运算放大器opa1，所述第一运算放大器opa1的正输入端即运算放大电路的正输入端，所述第一运算放大器opa1的负输入端连接开关Sinn的第一端，开关Sinn的第二端即运算放大电路的负输入端，所述第一运算放大器opa1的输出端即运算放大电路的输出端，开关Swresi跨接在所述运算放大器的负输入端和输出端之间，开关Sresi跨接在所述开关Sinn的第二端和所述运算放大器的输出端之间。

3.根据权利要求2所述的快速电容感应装置，其特征在于：开关SxL实现采样电容Cx与开关Sinn的第二端的连接，开关SxR实现采样电容Cx与第一运算放大器opa1输出端的连接，开关ScomL和ScomR实现所述参考电压源RefRx施加在采样电容Cx的两端，开关ScomL和ScomR实现采样电容Cx与信号测量电路的第二运算放大器opa2负输入端相连。

4.根据权利要求2所述的快速电容感应装置，其特征在于：所述积分电容Ci及其开关阵列还包括开关S0L和开关S0R，开关S0L的第一端设置在积分电容Ci第一端，开关S0R的第一端设置在积分电容Ci第二端，开关SiL实现积分电容Ci与开关Sinn的第二端的连接，开关SiR实现积分电容Ci与第一运算放大器opa1输出端的连接，开关S0L的第二端和开关S0R的第二端接地，开关S0L和S0R实现积分电容Ci的两端接地。

5.根据权利要求4所述的快速电容感应装置，其特征在于：所述积分电容Ci及其开关阵列还包括开关S1L和开关S1R，开关S1L的第一端设置在积分电容Ci第一端，开关S1R的第一端设置在积分电容Ci第二端，所述开关S1L的第二端和开关S1R的第二端连接补偿驱动电压源VCOM，实现补偿驱动电压源VCOM对积分电容Ci的预充电。

6.根据权利要求3所述的快速电容感应装置，其特征在于：所述信号测量电路包括所述第二运算放大器opa2，积分电容Cmea和开关Sresm皆跨接在所述第二运算放大器opa2的负输入端和输出端，所述第二运算放大器opa2的输出端连接ADC，所述第二运算放大器opa2的正输入端连接所述参考电压源RefRx，所述第二运算放大器opa2的负输入端还连接开关SmL和SmR的第二端。

7.根据权利要求2所述的快速电容感应装置，其特征在于：还包括电流补偿电路，连接所述运算放大电路的负输入端和外部电容传感器。

8.根据权利要求7所述的快速电容感应装置，其特征在于：所述电流补偿电路包括电流源Icm0和Icm1，分别通过开关Sc0和Sc1连接到开关SRxen和第一运算放大器opa1的负输入端，所述开关SRxen连接至外部电容传感器。

9.一种电容信号检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任意一项所述的快速电容感应装置，包括：

（1）复位和预充电过程，在外部电容传感器的复位期间，同时对积分电容Ci预充电；

（2）共模补偿及积分阶段，积分电容Ci上的预充电荷可用作外部电容传感器的电荷补偿，调整积分电容Ci所连接开关阵列的打开和关闭顺序，使得积分电容Ci能够以更高的电压差对外部电容传感器进行电荷分享；

（3）电荷转移及正电荷预充过程，总电荷量的一部分通过信号转移电路中采样电容Cx及其开关阵列和信号测量电路转换成电压信号输出至ADC，在采样电容Cx进行电荷转移的同时，积分电容Ci又进入电荷预充阶段，同时运算放大电路进入复位外部电容传感器阶段。