用于电容感应识别系统的装置和方法与流程

本发明涉及用于电容感应识别系统的装置和方法，更具体地，涉及用于调节电容感应识别系统的动态范围的装置和方法。

背景技术：

目前，电容感应识别系统广泛应用于投射电容式触摸屏、触摸板以及指纹识别等人机交互应用中，其原理是通过前端检测电路将电容值转化为电信号量(电压、电流等)。对于触摸屏应用来说，手指按压会引起相应位置感应电容的大小发生变化，前端检测电路输出的电信号大小也相应地与无触摸时不同，从而判断是否发生触摸及其位置信息。对于电容式指纹识别传感器来说，指纹谷和脊与传感器形成的电容大小不同，前端检测电路检测到的电信号输出也不相同。

电容感应识别系统在无触摸时会存在一个固有电容，本发明中称为“背景电容”。发生触摸后，感应电容的电容值会在固有电容的基础上发生相应的变化。从以上原理可以看出，电容感应识别系统的有效动态范围为检测电容的变化量。触摸屏系统为触摸前后电容的差值，而指纹识别系统为指纹谷和脊电容的差值。提高前端检测电路的增益可以增大系统的有效动态范围。

在某些应用下，前端检测电路会先后检测不同状态下的电容值，即分别检测背景电容和触摸发生后引入的感应电容，并且通过后续处理电路或者软件进行差值处理。

在另一些应用下，前端检测电路会同时检测不同条件下的电容值，即同时检测背景电容和触摸发生后引入的感应电容。

假设背景电容为C_b,需要检测的电容变化量为C_Δ,前端检测电路将电容转换为电压的转换关系可以简单表示为：

VOUT＝A*(C_b+C_Δ) (1)

由于前端检测电路输出幅值受限，VOUT<＝V_{h_limit},因此前端检测电路的转换增益A的最大值为：

$A_{\max }=\frac{V_{h\_\lim it}}{C_b+C_{\mathrm{\&Delta;}}}---\left(2\right)$

可以看到，由于存在“背景电容”，前端检测电路并不能直接放大检测电容的变化量，如果仅仅增加前端检测电路的增益，会使前端检测电路饱和。在检测电容的变化量相对于电容的绝对值很小的时候，这通常会使得系统有效动态范围变小，前端检测电路无法有效地通过增大增益来提高系统的输入信号量。

因此，需要调节电容感应识别系统的动态范围的新的装置和方法。

技术实现要素：

为此，本发明的实施例提供了一种用于电容感应识别系统的装置和方法，可以有效地调节电容感应识别系统的动态范围。

根据本发明的一方面，提供了一种用于电容感应识别系统的装置，包括：

放大器模块，具有第一输入端、第二输入端和输出端；

激励信号源，用于经由电容感应识别系统的感应电容向放大器模块的第一输入端提供激励信号；

前端反馈电容器，连接在所述放大器模块的第一输入端与输出端之间；以及

补偿模块，连接在所述放大器模块的第二输入端与输出端之间，用于向放大器模块的第二输入端提供输入差电压，从放大器模块的输出端接收输出电压，并且在放大器模块的输出端提供的输出电压不在预定范围内时，根据电容感应识别系统中的背景电容的大小来调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压。

在一些实施例中，所述补偿模块包括：

模拟数字转换器，连接到所述放大器模块的输出端；

数字模拟转换器，连接到所述放大器模块的第二输入端；以及

数字控制单元，连接在模拟数字转换器与数字模拟转换器之间，用于经由数字模拟转换器向放大器模块的第二输入端提供输入差电压，经由模拟数字转换器从放大器模块的输出端接收输出电压，并且在接收到的输出电压不在预定范围内时，根据背景电容的大小来调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压。

在一些实施例中，所述补偿模块还用于在调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压的同时，调整前端反馈电容器的电容。

在一些实施例中，所述调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压是在背景电容量化阶段进行的。

在一些实施例中，用于电容感应识别系统的装置，还包括：复位开关，与所述前端反馈电容器并联，用于在复位时使所述放大器模块输出所述输入差电压。

在一些实施例中，所述电容感应识别系统用于指纹识别装置，在所述背景电容量化阶段将指纹谷与指纹识别装置的触摸表面之间的电容量化为背景电容。

在一些实施例中，所述电容感应识别系统用于触摸屏，在所述背景电容量化阶段将触摸屏的触摸表面在未被触摸时的耦合电容量化为背景电容。

在一些实施例中，所述输入差电压是输入参考电压与系统失调电压之差。

在一些实施例中，所述第一输入端为负输入端，所述第二输入端为正输入端。

在一些实施例中，所述第一输入端为正输入端，所述第二输入端为负输入端。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于电容感应识别系统的方法，包括：

经由电容感应识别系统的感应电容向放大器模块的第一输入端提供激励信号，并且向放大器模块的第二输入端提供输入差电压，其中在所 述放大器模块的第一输入端与输出端之间连接有前端反馈电容器；

从放大器模块的输出端接收输出电压；以及

在放大器模块的输出端提供的输出电压不在预定范围内时，根据电容感应识别系统中的背景电容的大小来调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压。

在一些实施例中，该用于电容感应识别系统的方法，还包括：在向放大器模块的第二输入端提供输入差电压之前进行数模转换，并且在从放大器模块的输出端接收输出电压之后进行模数转换。

在一些实施例中，在放大器模块的输出端提供的输出电压不在预定范围内时，根据背景电容的大小来调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压的步骤，包括：

在放大器模块的输出端提供的输出电压的最小值不在预定范围内时，根据背景电容的大小来调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压。

在一些实施例中，该用于电容感应识别系统的方法还包括：在调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压的同时，调整前端反馈电容器的电容。

在一些实施例中，在调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压的同时，调整前端反馈电容器的电容的步骤包括：

在放大器模块的输出端提供的输出电压的最大值不在预定范围内时，根据背景电容的大小来调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压，并且相应地调整前端反馈电容器的电容。

在一些实施例中，所述调整提供给放大器模块的第二输入端的输入差电压是在背景电容量化阶段进行的。

在一些实施例中，所述输入差电压是输入参考电压与系统失调电压之差。

在一些实施例中，所述第一输入端为负输入端，所述第二输入端为正输入端。

在一些实施例中，所述第一输入端为正输入端，所述第二输入端为负输入端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1示出了用于电容感应识别系统的装置的结构示意图。

图2示出了用于电容感应识别系统的装置的信号时序图。

图3示出了根据本发明实施例的用于电容感应识别系统的装置的结构图。

图4示出了根据本发明实施例的用于电容感应识别系统的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了用于电容感应识别系统的装置100的结构示意图。

如图1所示，装置100包括第一信号源101、第二信号源102、前端反馈电容器103、放大器模块104。在一些实施例中，前端反馈电容器103还并联有复位开关105。

第一信号源101用于提供激励信号VTX，激励信号VTX经由电容感应识别系统的感应电容Cs到达放大器模块104的第一输入端。第二信号源102包括串联连接至放大器模块104的第二输入端的输入参考电压源1021和系统失调电压源1022，其中输入参考电压源1021和系统失调电压源1022彼此反向连接，以向放大器模块104提供输入参考电压VREF与系统失调电压VOS之差。前端反馈电容器103连接在放大器模块104的第一输入端与输出端之间，并且具有前端反馈电容C_f。在本实施例中，放大器模块的第一输入端可以为负输入端，第二输入端可以为 正输入端。在一些实施例中，放大器模块的第一输入端可以为正输入端，第二输入端可以为负输入端。

图2示出了用于电容感应识别系统的装置的信号时序图。

如图2所示，VREF为输入参考电压，VOS为系统失调电压，VTX为激励信号，本实施例中其为方波，低电平为VREF，高电平为VTX；RST为复位开关的控制信号，Cs为感应电容，C_f为前端反馈电容。前端检测电路在RST信号为高时复位，放大器模块的输出电压VOUT为输入差电压VREF-VOS；当RST信号为低时，电路在VTX信号发生变化时进行电荷传输，从而引起输出电压VOUT发生变化。

以下参照图1和图2，说明本发明实施例的工作原理。

具体而言，首先假设系统失调电压VOS为0，在复位信号RST为高时，两个电容上的电荷为：

(VTX-VREF)*C_s (3)

激励信号VTX由高到低变化时，电荷在两个电容上重新分配，两个电容上的电荷为：

(VREF-VREF)*C_s+(VOUT-VREF)*C_f (4)

根据电荷守恒原理，可以求出输出电压VOUT：

$VOUT=VREF+\frac{C_s}{C_f}(VTX-VREF)---\left(5\right)$

如果考虑系统失调电压VOS非零，则可以得到：

$VOUT=VREF+\frac{C_s}{C_f}(VTX-VREF)-VOS---\left(6\right)$

对于电容式感应识别系统，我们假设背景电容为C_b，需要检测的电容变化量为C_Δ,则等式(6)可以改写为：

$VOUT=VREF+\frac{C_b+C_{\mathrm{\&Delta;}}}{C_f}(VTX-VREF)-VOS---\left(7\right)$

由等式(7)可以看到，由于存在背景电容C_b，为了避免前端检测电路饱和，反馈电容C_f必须取得足够大，从而使得电容变化量C_Δ引起的前端输出电压变化量减小。

对此，如果针对等式(7)，使得

$\frac{C_b}{C_f}(VTX-VREF)=VOS---\left(8\right)$

则背景电容C_b的效应将被完全抵消掉。

更进一步，如果我们使得

$\frac{C_b}{C_f}(VTX-VREF)-VOS=-VREF---\left(9\right)$

可以得出，系统在仅存在背景电容时输出电压为VOUT＝0，而在触摸引入电容变化量C_Δ后，输出电压VOUT变为：

$VOUT=\frac{C_{\mathrm{\&Delta;}}}{C_f}(VTX-VREF)---\left(10\right)$

由等式(10)可以得到，通过取较小的反馈电容C_f值，可以提高前端增益，进而提高系统的动态范围。

基于以上原理，本发明提出了一种用于电容感应识别系统的装置和方法，可以通过反馈机制根据背景电容来有效地调节电容感应识别系统的动态范围。

图3示出了根据本发明一实施例的用于电容感应识别系统的装置300的图。如图3所示，该装置300包括激励信号源301、放大器模块302、前端反馈电容器303、以及补偿模块304。在一些实施例中，装置300还可以包括复位开关305。

放大器模块302具有第一输入端、第二输入端和输出端。例如，放大器模块302可以为普通的差分放大器，其第一输入端可以为负输入端， 第二输入端可以为正输入端，反之亦可。

激励信号源301用于经由电容感应识别系统的感应电容Cs向放大器模块302的负输入端提供激励信号VTX。感应电容Cs可以是触摸面板上的感应电容，触摸会导致感应电容Cs发生变化。

前端反馈电容器303连接在放大器模块302的负输入端与输出端之间。前端反馈电容器303可以提供反馈电容C_f。

补偿模块304连接在放大器模块302的正输入端与输出端之间，用于向放大器模块302的正输入端提供输入差电压VDAC(亦即，输入参考电压VREF与系统失调电压VOS之差VREF-VOS)，从放大器模块302的输出端接收输出电压VOUT，并且在放大器模块302的输出端提供的输出电压VOUT不在预定范围内时，根据背景电容的大小来调整提供给放大器模块的正输入端的输入差电压VDAC。

在一些实施例中，补偿模块304可以包括模拟数字转换器ADC3041、数字模拟转换器DAC 3042和数字控制单元3043。模拟数字转换器ADC 3041连接到所述放大器模块302的输出端，数字模拟转换器DAC 3042连接到所述放大器模块302的正输入端，数字控制单元3043连接在模拟数字转换器ADC 3041与数字模拟转换器DAC 3042之间。

数字控制单元3043用于经由数字模拟转换器DAC 3042向放大器模块的正输入端提供输入差电压VDAC，经由模拟数字转换器ADC 3041从放大器模块的输出端接收输出电压VOUT，并且在接收到的输出电压VOUT不在预定范围内时，根据背景电容的大小来调整提供给放大器模块的正输入端的输入差电压VDAC。例如，可将输入差电压VDAC设定成满足以上等式(9)。此时，虽然理论上输出电压VOUT应当满足以上等式(10)，然而实际情况中输出电压VOUT可能仍然无法在期望的范围内，因此可以然后对输入电压差VDAC进行微调，例如递增或递减一定的值，从而最终将输出电压VOUT调整到期望的范围内。

在一些实施例中，数字控制单元3043还可以用于在调整提供给放大器模块302的正输入端的输入差电压VDAC的同时，调整前端反馈电容器的电容C_f。例如，当通过调整输入电压差VDAC使得输出电压VOUT 的最小值在预定范围内之后，可以通过在输入差电压VDAC的同时调整前端反馈电容C_f来进一步使输出电压VOUT的最大值也落入预定范围内。例如根据等式(10)，通过减小前端反馈电容可以提高输出电压VOUT。作为示例，输入差电压VDAC的调节与前端反馈电容器的电容C_f的调节可以同比例进行。作为另一示例，输入差电压VDAC的调节与前端反馈电容器的电容C_f的调节可以不同比例进行。前端反馈电容C_f的调整可以可以采用多种方式来实现，例如，通过电容阵列和开关选择来实现，在此不再赘述。

在一些实施例中，对输入差电压VDAC的调整可以在背景电容量化阶段进行。例如，对“背景电容”的补偿可以在手指按下时和量化感应电容的过程中进行。背景电容的量化可以采用多种方式来实现。例如，对于指纹识别，在无触摸发生时感应电容为零，在手指接触传感器表面后指纹谷和脊与传感器形成的电容不同，因此可以将指纹谷与指纹识别装置的触摸表面之间的电容量化为背景电容。作为另一示例，对于触摸屏，可以将触摸屏的触摸表面在未被触摸时的耦合电容量化为背景电容。本领域技术人员可以认识到，对于其他应用，背景电容的量化可以以各种其他方式来实现。

复位开关305与前端反馈电容器303并联，用于在复位时使所述放大器模块302输出所述输入差电压VREF-VOS。作为示例，装置300在RST信号为高时复位，放大器模块的输出电压VOUT为输入差电压VREF-VOS；当RST信号为低时，装置300在VTX信号发生变化时进行电荷传输，从而引起输出电压VOUT发生变化。

图4示出了根据本发明另一实施例的用于电容感应识别系统的方法400的流程图。该方法400可以在上述装置300中执行。

步骤S401：执行初始化。例如可以将提供给放大器模块的输入差电压VDAC初始化为等于输入参考电压VREF。

在步骤S402，向放大器模块的第一输入端提供激励信号，向放大器模块的第二输入端提供输入差电压，并从放大器模块的输出端接收输出电压。

步骤S403：检测是否有触摸，如果是，则执行步骤S403，否则返回步骤S401。例如，可以根据来自放大器模块的输出电压确定感应电容Cs的变化，从而判断是否有触摸。该步骤可以由上述装置300的数字控制单元来执行，也可以由外部的控制单元来执行。

步骤S404：如果发生触摸，则统计输出电压的最大值和最小值。例如，可以统计采集图像输出的最大值Dmax、最小值Dmin及其分布。

步骤S405：确定输出电压的最小值在所需范围内，如果否，则执行步骤S406，如果是，则进行到步骤S407。例如，可以确定最小值Dmin是否在范围{Dminl，Dminh}内，其中Dminl为最小值下限，Dminh为最小值上限。

在步骤S406，根据背景电容的大小来调整提供给放大器模块的正输入端的输入差电压VDAC，然后返回步骤S404。例如，可将输入差电压VDAC设定成满足以上等式(9)，然后对输入电压差VDAC进行微调，例如递增或递减一定的值，从而最终将输出电压VOUT调整到期望的范围内。

在步骤S407，调整前端反馈电容C_f的大小并且相应地调节输入差电压VDAC，以使输出电压VOUT的最大值在所需范围内。例如根据等式(10)，通过减小前端反馈电容可以提高输出电压VOUT，从而使最大值Dmax在范围{Dmaxl，Dmaxh}内，其中Dmaxl为最大值下限，Dmaxh为最大值上限。作为示例，输入差电压VDAC的调节与前端反馈电容器的电容C_f的调节可以同比例进行。作为另一示例，输入差电压VDAC的调节与前端反馈电容器的电容C_f的调节可以不同比例进行。

在步骤S408中，确定上述最小值及最大值是否均在所需范围内。如果否，则返回到步骤S405；如果是，则结束。

以上描述的对输入差电压VDAC的调整可以在背景电容量化阶段进行。例如，对“背景电容”的补偿可以在手指按下时和量化感应电容的过程中进行。背景电容的量化可以采用多种方式来实现。例如，对于指纹识别，在无触摸发生时感应电容为零，在手指接触传感器表面后指纹谷和脊与传感器形成的电容不同，因此可以将指纹谷与指纹识别装置的触摸表面之间的电容量化为背景电容。作为另一示例，对于触摸屏， 可以将触摸屏的触摸表面在未被触摸时的耦合电容量化为背景电容。本领域技术人员可以认识到，对于其他应用，背景电容的量化可以以各种其他方式来实现。

根据本发明示例的方法可以与其他动态范围调整机制结合。例如，在优先根据本发明示例的方法完成背景电容的补偿后，可以进行后续的ADC增益等动态调整机制。

本发明的实施例通过反馈机制根据电容感应识别系统中的背景电容来调整向放大器模块的输入，可以补偿背景电容对输出的影响，从而有效地调节电容感应识别系统的动态范围，使得能够有效检测感应电容的变化量。

本发明的实施例可以通过仅调整输入差电压VDAC来补偿背景电容，也可以通过在调整输入差电压VDAC的同时调整前端反馈电容C_f来补偿背景电容，二者可以同比例调整，也可以不同比例调整，调整方式灵活，并且精度高。

本发明的实施例可以应用于各种电容感应识别系统，例如对于指纹识别、触摸控制等均能实现对输出信号动态范围的有效控制。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。