专利名称：电容值测量电路及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种电容值测量电路及其测量方法，且特别涉及一种利用转换单元而 不需额外耦合电容的电容值测量电路及其测量方法。
背景技术：
传统上，多半以机械式开关来实现使用者控制接口。但，传统机械式装置容易坏 损。目前，已发展出触控式开关。触控式开关例如是电容式开关等。为了提高使用上的便利性，目前已研发出的触控面板(touchpanel)或显示触控 面板(同时具有显示与触控的功能)可接受使用者的输入、点选等操作。触控面板或显示 触控面板可应用于各种电子装置当中，例如移动电话中。如此，可让使用者直接在触控面板 或显示触控面板上点选画面来进行操作，由此提供更为便捷且人性化的操作模式。触控面 板或显示触控面板有数种，电容式触控面板，电容式显示触控面板属于其中。当使用者操作电容式触控面板、电容式显示触控面板、或电容式开关时，其内部的 待测电容的电容值会随使用者操作而发生变化。故而，如果能侦测待测电容的电容值与其 变化，即可侦测(感觉)使用者的操作。然而，如何设计出可有效地侦测待测电容的电容值 与其变化的电容值测量电路，以提高电容式触控面板、电容式显示触控面板、或电容式开关 的性能乃为业界不断致力的方向之一。然而，现有电容值测量电路除转换单元外，还需要耦合电容(coupling capacitor)，导致电路面积不易缩小且电路成本不易缩减。
发明内容
本发明的一实例涉及一种电容值测量电路与其方法，其不需要耦合电容，缩小了 电路面积及降低了电路成本。本发明的一实例提出一种电容值测量电路，包括参考电容，具有第一端与第二 端，该第一端选择性连接至第一参考电压或第二参考电压；待测电容，具有第一端与第二 端，该第一端选择性连接至该第一参考电压或该第二参考电压；操作放大器，具有第一输入 端、第二输入端与输出端，该第一输入端连接至该参考电容的该第二端与该待测电容的该 第二端，该第二输入端连接至第三参考电压；逼近单元，具有输入端与输出端，该输入端连 接至该操作放大器的该输出端；以及转换单元，具有输入端与输出端，该输入端连接至该逼 近单元的该输出端，且该输出端直接连接至该操作放大器的该第一输入端。该参考电容与 该待测电容分别耦合第一电荷量与第二电荷量至该操作放大器的该第一输入端，该第一电 荷量与该第二电荷量在该操作放大器的该第一输入端形成输入电压，该转换单元直接耦合 第三电荷量至该操作放大器的该第一输入端或者该转换单元对该操作放大器的该第一输 入端充放电，直到该输入电压趋近于该第三参考电压。根据本发明的电容值测量电路，其中，如果该待测电容与该参考电容的电容值不 同，则该操作放大器的该第一输入端的该输入电压不同于该第三参考值，该操作放大器传送一输出电压给该逼近单元；根据该操作放大器的该输出电压，该逼近单元输出一数字输 出信号至该转换单元；该转换单元根据该逼近单元的该数字输出信号而耦合该第三电荷量 至该操作放大器的该第一输入端，或者，该转换单元根据该逼近单元的该数字输出信号而 对该操作放大器的该第一输入端充放电；以及该逼近单元进行一连续逼近操作直到该输入 电压趋近于该第三参考电压，该逼近单元的该数字输出信号反应该待测电容与该参考电容 间的一电容差值，以得知该待测电容的电容值。根据本发明的电容值测量电路，还包括第一开关，具有第一端与第二端，该第一 端连接至该参考电容的该第一端，该第二端则选择性连接至该第一参考电压或该第二参考 电压；第二开关，具有第一端与第二端，该第一端连接至该待测电容的该第一端，该第二端 则选择性连接至该第一参考电压或该第二参考电压；以及第三开关，具有第一端与第二端， 该第一端连接至该操作放大器的该第一输入端，该第二端则选择性连接至该第三参考电压 或该操作放大器的该输出端。根据本发明的电容值测量电路，其中，在一初始状态下，该第一开关连接至该第二 参考电压；该第二开关连接至该第一参考电压；该第三开关连接该操作放大器的该第一输 入端至该第三参考电压或该操作放大器的该输出端。根据本发明的电容值测量电路，其中，在开始测量时该第一开关由该第二参考电 压切换至该第一参考电压，以耦合该第一电荷量至该操作放大器的该第一输入端；该第二 开关由该第一参考电压切换至该第二参考电压，以耦合该第二电荷量至该操作放大器的该 第一输入端；以及该第三开关断路。本发明的另一实例提出一种电容值测量方法，包括初始化一操作放大器；选择 性切换一参考电容至第一参考电压或第二参考电压，以耦合第一电荷量至该操作放大器的 第一输入端，其中该操作放大器的第二输入端连接至第三参考电压；选择性切换一待测电 容至该第一参考电压或该第二参考电压，以耦合第二电荷量至该操作放大器的该第一输入 端；比较该操作放大器的该第一输入端的输入电压与该第三参考电压；以及根据该比较结 果，用连续逼近方式以直接耦合第三电荷量至该操作放大器的该第一输入端或者对该操作 放大器的该第一输入端充放电，直到该输入电压趋近于该第三参考电压，其中，一连续逼近 结果反应该待测电容的该电容值。根据本发明的电容值测量方法，其中，如果该待测电容与该参考电容的电容值不 同，则该操作放大器的该第一输入端的该输入电压不同于该第三参考值，该操作放大器比 较并传送一输出电压；根据该操作放大器的该输出电压，输出一数字输出信号；根据该数 字输出信号而耦合该第三电荷量至该操作放大器的该第一输入端或对该操作放大器的该 第一输入端充放电；以及进行一连续逼近操作，直到该输入电压趋近于该第三参考电压， 该数字输出信号反应该待测电容与该参考电容间的一电容差值，以得知该待测电容的电容 值。根据本发明的电容值测量方法，在一初始状态下，该方法还包括连接该参考电容 至该第二参考电压，连接该待测电容至该第一参考电压；以及连接该操作放大器的该第一 输入端至该第三参考电压或该操作放大器的一输出端。根据本发明的电容值测量方法，其中，在开始测量时，该方法还包括切换该参考 电容至该第一参考电压，以耦合该第一电荷量至该操作放大器的该第一输入端；切换该待测电容至该第二参考电压，以耦合该第二电荷量至该操作放大器的该第一输入端；以及断 路该操作放大器的该第一输入端于该第三参考电压或该操作放大器的该输出端。为了让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并结合所附附图，作详 细说明如下
图1显示了根据本发明实施例的电容值测量电路的电路示意图。图2 4分别显示了根据本发明第二至第四实施例的电容值测量电路的电路示意 图。
具体实施例方式请参考图1，其显示根据本发明第一实施例的电容值测量电路的电路示意图。如 图ι所示，根据本发明第一实施例的电容值测量电路100包括参考电容CR，待测电容CS， 操作放大器110，连续逼近暂存器(Successive Approximation Register，SAR) 120，数字模 拟转换器(DAC) 130，开关Si、开关S2与开关SC。此外，CP代表此电容值测量电路100的寄 生电容。暂存器140是选择性元件，其可暂存由SAR 120所输出的数字信号，亦可输入参数 至 SAR 120。参考电容CR连接于开关Sl与操作放大器110的反相输入端之间。参考电容CR 的电容值为已知。待测电容CS连接于开关S2与操作放大器110的反相输入端之间。待测 电容CS的电容值为未知，且其电容值可能随着使用者的操作(比如按压)而变化。在本发 明其它实施例中，参考电容CR与待测电容CS则可连接至操作放大器110的非反相输入端。操作放大器110的反相输入端连接至参考电容CR与待测电容CS ；其非反相输入 端连接至参考电压VREF3 ；其输出端则连接至SAR 120。SAR 120接收操作放大器110的模 拟输出电压，并据以输出数字信号给DAC 130。DAC 130接收SAR 120所输出的数字信号， 并据以耦合电荷量至操作放大器110的反相输入端。开关Sl的一端连接至参考电容CR，其另一端则选择性连接至参考电压VREFl与 VREF2之一。原则上，参考电压VREFl与VREF2的电压值不同。开关S2的一端连接至待测 电容CS，其另一端则选择性连接至参考电压VREFl与VREF2之一。开关SC的一端连接至操 作放大器110的反相输入端，其另一端则连接至操作放大器110的输出端(但于本发明其 它实施例中，开关SC的另一端则连接至参考电压VREF3)。参考电压VREFl比如可为操作电 压；参考电压VREF2比如可为接地电压。为求设计方便，参考电压VREF3比如可为操作电压 或接地电压，但本实施例并不受限于此。现说明本实施例的电容值测量电路100的操作原理。首先，在初始状态下，开关 Sl连接至参考电压VREF2 ；开关S2则连接至参考电压VREFl ；开关SC连接至第三参考电 压VREF3或操作放大器110的输出端，对该操作放大器的反相输入端充电或放电至参考电 压VREF3，此时的操作放大器可视为单增益放大器，其两个输入端电压与输出端电压原则上 彼此相等。在下面，VX皆可同时代表节点与节点电压。此操作可称为对该操作放大器初始 化。详细地说，对比较器的反相输入端电压及非反相输入端电压进行初始化，使两端电压相 等。当然，本实施例与其它实施例并不受限于此。此外，本发明的下面实施例与其它实施例也进行初始化操作，使得操作放大器的两输入端电压相等。接着，在开始测量时，开关Sl由参考电压VREF2切换至参考电压VREFl ；开关S2 则由参考电压VREFl切换至参考电压VREF2 ；而开关SC则断路。由于开关Sl由参考电压 VREF2切换至参考电压VREFl，通过参考电容CR的耦合效应，参考电容CR会耦合电荷量QR 至节点VX，其中，电荷量QR如下式(1)所示QR= (VREF1-VREF2) XCR(I)相似地，开关S2由参考电压VREFl切换至参考电压VREF2，通过待测电容CS的耦 合效应，待测电容CS会耦合电荷量QS至节点VX，其中，电荷量QS如下式(2)所示QS= (VREF2-VREF1) XCS(2)如果待测电容CS与参考电容CR的电容值不同，则VX不等于VREF3。视为电压比 较器的操作放大器Iio会比较节点电压VX与VREF3，并将其电压差值传送给SAR 120。根据 操作放大器110的模拟输出电压，SAR 120会逼近/调整其数字输出信号，并将调整后的数 字输出信号送至DAC 130。之后，DAC 130会根据SAR 120的数字输出信号而直接耦合电荷 量QC至操作放大器110的反相输入端；或是DAC 130对电压为VX的节点进行充放电。特 别是，当参考电容CR的电容值大于待测电容CS时且VREFl > VREF2，则VX > VREF3 ；反之 亦然。经由SAR 120的连续逼近，最后将使得节点电压VX接近于VREF3。如此，SAR 120 的输出数字信号会反应待测电容CS与参考电容CR间的差值，以推出得知待测电容CS的电容值。更甚者，在本发明其它实施例中，开关Sl与S2的操作方式可改为，在初始状态下， 开关Sl连接至参考电压VREF1，而开关S2连接至参考电压VREF2。而在开始测量时，开关 Sl由参考电压VREFl切换至参考电压VREF2，而开关S2由参考电压VREF2切换至参考电压 VREF1。也就是说，在初始状态下，开关Sl与开关S2连接至不同电压；在开始测量时，开关 Sl与开关S2连接至不同电压。在开始量测时，切换Sl及S2至不同电压，以利用此切换来 耦合电荷量至节点VX。DAC 130有多种实施方式。下面将分别介绍之。图2显示了根据本发明第二实施例的电容值测量电路100A的电路示意图。如图2 所示，DAC 130A包括多个电容Cl CN与多个开关Bl BN。这些电容Cl CN的电容值 分别为2nC、... 2C、C，其中N为正整数。而这些开关Bl BN分别由控制信号bl bN所 控制，以使这些电容Cl CN连接至参考电压VREFl或参考电压VREF2。DAC 130A 比如为二位数组电荷重分配式(binary-arraycharge-redistributio η)DAC0由图2可以推出DAC 130Α直接耦合至操作放大器的电荷量QC如下式(3)QC = VREFX (bl X 2NC+b2 X 2N_1C+. . . +bNXC) (3)其中，当bi = l(i = 1 N)时，代表开关由参考电压VREF2切换至参考电压VREF 1 ；当bi = -1时，代表开关由参考电压VREF 1切换至参考电压VREF2 ；当bi = 0时，代表开 关的切换状态不变。在连续逼近后，节点电压VX会接近于0。此时的控制信号bN bl (由 SAR120所输出)即可反应待测电容CS与参考电容CR间的差值，以推出得知待测电容CS的 电容值。图3显示了根据本发明第三实施例的电容值测量电路100B的电路示意图。如图3所示，DAC 130B包括多个电阻Rl RN与多个开关Bl BN。这些电阻Rl RN的电容值 分别为2R、4R. . . 2NR，其中N为正整数。而这些开关Bl BN分别由控制信号bl bN所控 制，以使这些电阻Rl RN连接至参考电压VREFl或参考电压VREF2。此外，在第三实施例 中，参考电压VREF3可为参考电压VREFl与VREF2的平均值(VREF3 = 0. 5 X (VREF1+VREF2)。DAC 130B 比如为二位权重电阻式(binary weightedresistor)DAC。也即，DAC 130B对电压为VX的节点充放电，而使得节点电压VX趋近于VREF3。特 别是在VREFl > VREF2,当VX < VREF3 (也就是CR < CS)时，DAC 130B对电压为VX的节点 充电，使节点电压VX接近VREF3 ；反之，当VX > VREF3 (也就是CR > CS)时，DAC130B对电 压为VX的节点放电，使节点电压VX接近VREF3。在连续逼近后，节点电压VX会接近于VREF3。此时的控制信号bN bl (由SAR 120所输出)即可反应待测电容CS与参考电容CR间的差值，以推出得知待测电容CS的电容值。图4显示了根据本发明第四实施例的电容值测量电路100C的电路示意图。如图 4所示，DAC 130C包括多个定电流对与多个开关Bl BN。这些定电流对包括吸收电流 I、I/2. . . 1/2^1的定电流源1_1、2_1、. . .，N_1与送出电流I、I/2. . . 1/2^1的定电流源1_2、 2_2、. . . N_2，其中N为正整数。这些开关Bl BN分别由控制信号bl bN所控制，以使 节点VX连接至参考电压VREFl或参考电压VREF2或浮接。当开关将节点VX连接至定电 流源1_1、2_1、. . . N_1时，节点VX会被放电；反之，当开关将节点VX连接至定电流源1_2、 2_2、. . . N_2时，节点VX会被充电。DAC 130C 比如为二位电流式(binary current)DAC。由图 4 可以推出 DAC 130C 耦合至操作放大器110的电荷量QC如下式(5)QC = AtX (blXI+b2X (1/2)+. . . +bNX (1/2^1)} (4)其中，At代表单位时间。当bi = 1时，代表开关连接至电流源1_2、2_2、. . . N_2 ； 当bi = -1时，代表开关切换至电流源1_1、2_1、. . . N_1 ；当bi = 0时，代表开关为浮接。亦即，DAC 130C通过对电压为VX的节点的充放电操作而使得节点电压VX趋近于 VREF3。特别是在 VREFl > VREF2,当 VX < VREF3 (也就是 CR < CS)时，DAC 130C 对电压为 VX的节点充电，使节点电压VX接近VREF3 ；反之，当VX > VREF3 (也就是CR >⑶)时，DAC 130C对电压为VX的节点放电，使节点电压VX接近VREF3。连续逼近后，节点电压VX接近于VREF3。控制信号bN bl (由SAR 120所输出) 反应待测电容CS与参考电容CR间的差值，以推出得知待测电容CS的电容值。综上所述，本发明上述实施例的优点至少在于，由于不需要额外的耦合电容，故能 缩小电路面积及降低电路成本。综上所述，虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所 属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可以作出各 种更改与修饰。因此，本发明的保护范围应当以随后所附的权利要求所限定的为准。主要元件符号说明100、100A、100B、100C 电容值测量电路CR:参考电容CS:待测电容CP:寄生电容Si、S2、SC:开关
110:操作放大器130 数字模拟转换器Cl CN 电容
120 连续逼近暂存器 140 暂存器 Bl BN 开关。
权利要求
1.一种电容值测量电路，包括参考电容，具有第一端与第二端，所述第一端选择性连接至第一参考电压或第二参考 电压；待测电容，具有第一端与第二端，所述第一端选择性连接至所述第一参考电压或所述 第二参考电压；操作放大器，具有第一输入端、第二输入端与输出端，所述第一输入端连接至所述参考 电容的所述第二端与所述待测电容的所述第二端，所述第二输入端连接至第三参考电压；逼近单元，具有输入端与输出端，所述输入端连接至所述操作放大器的所述输出端；以及转换单元，具有输入端与输出端，所述输入端连接至所述逼近单元的所述输出端，且所 述输出端直接连接至所述操作放大器的所述第一输入端；其中，所述参考电容与所述待测电容分别耦合第一电荷量与第二电荷量至所述操作放 大器的所述第一输入端，所述第一电荷量与所述第二电荷量在所述操作放大器的所述第一 输入端形成输入电压，所述转换单元直接耦合第三电荷量至所述操作放大器的所述第一输 入端或所述转换单元对所述操作放大器的所述第一输入端充放电，直到所述操作放大器的 所述第一输入端的所述输入电压趋近于所述第三参考电压。
2.根据权利要求1所述的电容值测量电路，其中，如果所述待测电容与所述参考电容的电容值不同，则所述操作放大器的所述第一输入 端的所述输入电压不同于所述第三参考值，所述操作放大器传送一输出电压给所述逼近单 元；根据所述操作放大器的所述输出电压，所述逼近单元输出一数字输出信号至所述转换 单元；所述转换单元根据所述逼近单元的所述数字输出信号而耦合所述第三电荷量至所述 操作放大器的所述第一输入端，或者，所述转换单元根据所述逼近单元的所述数字输出信 号而对所述操作放大器的所述第一输入端充放电；以及所述逼近单元进行一连续逼近操作直到所述输入电压趋近于所述第三参考电压，所述 逼近单元的所述数字输出信号反应所述待测电容与所述参考电容间的一电容差值，以得知 所述待测电容的电容值。
3.根据权利要求1所述的电容值测量电路，还包括第一开关，具有第一端与第二端，所述第一端连接至所述参考电容的所述第一端，所述 第二端则选择性连接至所述第一参考电压或所述第二参考电压；第二开关，具有第一端与第二端，所述第一端连接至所述待测电容的所述第一端，所述 第二端则选择性连接至所述第一参考电压或所述第二参考电压；以及第三开关，具有第一端与第二端，所述第一端连接至所述操作放大器的所述第一输入 端，所述第二端则选择性连接至所述第三参考电压或所述操作放大器的所述输出端。
4.根据权利要求3所述的电容值测量电路，其中，在一初始状态下，所述第一开关连接至所述第二参考电压；所述第二开关连接至所述第一参考电压；所述第三开关连接所述操作放大器的所述第一输入端至所述第三参考电压或所述操作放大器的所述输出端。
5.根据权利要求4所述的电容值测量电路，其中，在开始测量时所述第一开关由所述第二参考电压切换至所述第一参考电压，以耦合所述第一电荷量 至所述操作放大器的所述第一输入端；所述第二开关由所述第一参考电压切换至所述第二参考电压，以耦合所述第二电荷量 至所述操作放大器的所述第一输入端；以及 所述第三开关断路。
6.一种电容值测量方法，包括 初始化一操作放大器；选择性切换一参考电容至第一参考电压或第二参考电压，以耦合第一电荷量至所述操 作放大器的第一输入端，其中所述操作放大器的第二输入端连接至第三参考电压；选择性切换一待测电容至所述第一参考电压或所述第二参考电压，以耦合第二电荷量 至所述操作放大器的所述第一输入端；比较所述操作放大器的所述第一输入端的输入电压与所述第三参考电压；以及 根据所述比较结果，用连续逼近方式以直接耦合第三电荷量至所述操作放大器的所述 第一输入端或者对所述操作放大器的所述第一输入端充放电，直到所述输入电压趋近于所 述第三参考电压，其中，一连续逼近结果反应所述待测电容的所述电容值。
7.根据权利要求6所述的电容值测量方法，其中，如果所述待测电容与所述参考电容的电容值不同，则所述操作放大器的所述第一输入 端的所述输入电压不同于所述第三参考值，所述操作放大器比较并传送一输出电压； 根据所述操作放大器的所述输出电压，输出一数字输出信号； 根据所述数字输出信号而耦合所述第三电荷量至所述操作放大器的所述第一输入端 或对所述操作放大器的所述第一输入端充放电；以及进行一连续逼近操作，直到所述输入电压趋近于所述第三参考电压，所述数字输出信 号反应所述待测电容与所述参考电容间的一电容差值，以得知所述待测电容的电容值。
8.根据权利要求6所述的电容值测量方法，在一初始状态下，所述方法还包括 连接所述参考电容至所述第二参考电压，连接所述待测电容至所述第一参考电压；以及连接所述操作放大器的所述第一输入端至所述第三参考电压或所述操作放大器的一 输出端。
9.根据权利要求6所述的电容值测量方法，其中，在开始测量时，所述方法还包括切换所述参考电容至所述第一参考电压，以耦合所述第一电荷量至所述操作放大器的 所述第一输入端；切换所述待测电容至所述第二参考电压，以耦合所述第二电荷量至所述操作放大器的 所述第一输入端；以及断路所述操作放大器的所述第一输入端于所述第三参考电压或所述操作放大器的所 述输出端。
全文摘要
本发明提供了一种电容值测量电路及其测量方法。该电容值测量电路包括参考电容，具有第一端与第二端，该第一端选择性连接至第一参考电压或第二参考电压；待测电容，具有第一端与第二端，该第一端选择性连接至该第一参考电压或该第二参考电压；操作放大器，具有第一输入端、第二输入端与输出端，该第一输入端连接至该参考电容的该第二端与该待测电容的该第二端，该第二输入端连接至第三参考电压；逼近单元，具有输入端与输出端，该输入端连接至该操作放大器的该输出端；以及转换单元，具有输入端与输出端，该输入端连接至该逼近单元的该输出端，且该输出端直接连接至该操作放大器的该第一输入端。
文档编号G01R27/26GK102087318SQ200910211949
公开日2011年6月8日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者光宇, 周世宗, 饶永年 申请人:瑞鼎科技股份有限公司