一种高灵敏度电容触控按键的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种高灵敏度电容触控按键，包括与并联的感应电容及分布电容电性相连的发生器及整流电路，还包括稳压器、电源单元以及放大器、模数转换器、数模转换器和滤波器，其特征在于：发生器与电源单元之间通过稳压器建立连接；整流电路与模数转换器以及整流电路与数模转换器之间均通过放大器建立连接，同时模数转换器与数模转换器之间通过滤波器建立连接，藉由前述构造，解决了高灵敏度电容触控按键的技术问题，达成了灵敏度高、可靠性和抗震性强以及降低生产成本的良好效果。
【专利说明】
-种高灵敏度电容触控按键
技术领域
[0001] 本实用新型设及电子技术领域，尤指提供一种高灵敏度电容触控按键。
【背景技术】
[0002] 电容触控按键的基本工作原理是通过检测电容式触控感应按键的上分布电容的 变化来判断是否有手指按压在触控按键上。如果不触摸开关，触控按键分布电容有一个固 定的电容值，如果我们用手指接触开关，就会增加触控按键的分布电容。所W，我们测量触 控按键上分布电容的变化，就可W侦测触摸动作。
[0003] 电容式触摸感应按键的基本原理是：当人体(手指)接触金属感应片的时候，由于 人体相当于一个接大地的电容，因此会在感应片和大地之间形成一个电容，感应电容量通 常有几 pF到几十pF。利用运个最基本的原理，在外部搭建相关电路，就可W根据运个电容量 的变化，检测是否有人体接触金属感应片。但是在多数家电产品的应用中由于有安全和美 观等方面的因素，在金属感应片上会放置一层玻璃等绝缘覆盖物，人体通过覆盖物与金属 感应片进行禪合，运样就使得感应电容量下降到几 pF。不过，有些应用由于电路板上有数码 显示器和Lm)等零部件而不能在覆盖层下直接安置印刷电路板，也不能将印制电路板连接 到设备外壳上，利用弹黃构建电容式感应器电容式感应相对于传统机械开关而言是一种稳 健的替代方案。运类应用包括炉灶、洗衣机、电冰箱、微波炉等家用电器。
[0004] 目前，应用在家电产品中的电容触控按键主要有Ξ种实现方式：
[0005] 第一种，在触控按键上施加一个振幅和频率固定的方波，通过测试方波的平均电 流而得到触控按键上的分布电容值；
[0006] 第二种，搭建一个多谐振荡电路，使得触控按键上的分布电容为谐振电容，通过测 试多谐振荡电路的振荡频率而得到触控按键上的分布电容值；
[0007] 第Ξ种，在触控按键上施加一个阶跃信号，通过测量该信号的上升或下降时间而 得到触控按键上的分布电容值。
[000引目前，已有的电容式触控按键检测技术存在一个普遍问题是对电容检测的灵敏度 不高，能够稳定检测到的触控按键分布电容的最小变化量大致在几 pF的范围。在运样的(检 测灵敏度)条件下对触控按键的结构就会有比较大的限制，例如在电磁炉和油烟机等家电 产品的应用中，由于电路板上有数码显示器和Lm)等零部件不能在覆盖层下直接安置印刷 电路板，也不能将印制电路板连接到设备外壳上，为了保证在人的手指触摸时有足够大的 电容变化，必须在PCB板上安装金属弹黃，在实际应用中采用金属弹黃感应器的方式也存在 者诸多缺点，例如由于每个按键都要装一个弹黃，而弹黃的成本较高，在生产过程中弹黃的 安装及焊接均较复杂，导致生产成本较高。另外在产品的实际使用过程中如果受到大的震 动或冲击，还容易使得弹黃脱离其安装的位置，导致触控功能失效。由于现有方案对触控按 键分布电容的检测灵敏度不够，当需要的触控按键的键数较多时，就比较难采用矩阵扫描 的方式进行按键扫描，或者在组成矩阵扫描形式的触控按键阵列时要通过减小覆盖物的厚 度等措施W保证触控按键分布电容检测的灵敏度，在实际应用中会碰到较大的限制。
[0009] 由于现有方案对触控按键分布电容的检测灵敏度不够高，在智能开关等应用中无 法做到远距离人体感应的接近感应的功能。
【发明内容】
[0010] 为解决上述技术问题，本实用新型的主要目的在于提供一种高灵敏度电容触控按 键。
[0011] 为达成上述目的，本实用新型应用的技术方案是：提供一种高灵敏度电容触控按 键，包括与并联的感应电容及分布电容电性相连的发生器及整流电路，还包括稳压器、电源 单元W及放大器、模数转换器、数模转换器和滤波器，其中：发生器与电源单元之间通过稳 压器建立连接;整流电路与模数转换器W及整流电路与数模转换器之间均通过放大器建立 连接，同时模数转换器与数模转换器之间通过滤波器建立连接。
[0012] 在本实施例中优选，感应电容为可感应人体手指触摸的电容，分布电容为触控按 键感应片电容。
[0013] 在本实施例中优选，发生器为高频恒流脉冲发生器，包括分频器、多路选择器和恒 流开关，分频器为可预置分频器。
[0014] 在本实施例中优选，放大器为可变增益放大器，包括正输入端和负输入端W及输 出端。
[0015] 在本实施例中优选，滤波器为可变带宽低通滤波器，包括中央处理器、预存器，其 中：正输入端与模数转换器相连，负输入端与数模转换器相连。
[0016] 在本实施例中优选，模数转换器采用16位模数转换器，数模转换器采用8位数模转 换器。
[0017] 在本实施例中优选，整流电路为同步整流电路。
[0018] 本实用新型与现有技术相比，其有益的效果是：
[0019] 本实用新型通过大幅提高电容式触控按键的检测灵敏度，使得触控按键的机械结 构大幅简化，整体的电气性能大幅提高，将使得家电行业的触控按键的应用范围得W大幅 的拓展，从而获得此项技术的各类厂商取得巨大的经济效益，具体地讲:通过提高触控按键 电容检测的灵敏度，使得触控按键可W省去金属弹黃感应器而成为一种能够实现隔空感应 的电容触控按键，并可很容易地实现矩阵扫描按键和隔空感应按键，使得触控按键的硬件 和生产成本大幅降低、整个系统的可靠性和抗冲击震动大幅提高。
【附图说明】
[0020] 图1是本实用新型实施例的方框结构示意图。
[0021] 图2是图1的电路板结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型的技术方案，而不应当理解为对 本实用新型的限制。
[0023] 在本实用新型的描述中，术语"内"、"外"、"纵向"、"横向"、"上"、"下"、"顶"、"底" 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新 型而不是要求本实用新型必须W特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型 的限制。
[0024] 请参阅图1并结合参阅图2所示，本实用新型提供了包括一种高灵敏度电容触控按 键，包括：与并联的感应电容Cf及分布电容Cd电性相连的高频恒流脉冲发生器下简称 "发生器"）及同步整流电路下简称"整流电路"），还包括低压差线性稳压器LD0(W下简 称"稳压器"）、电源单元VCC W及可变增益放大器PGAm下简称"放大器"）、模数转换器ADC、 数模转换器DAC和可变带宽低通滤波器下简称"滤波器"），其中：发生器与电源单元VCC 之间通过稳压器LD0建立连接;整流电路与模数转换器ADCW及整流电路与数模转换器DAC 之间均通过放大器PGA建立连接，同时模数转换器ADC与数模转换器DAC之间通过滤波器建 立连接。在本实施例中，感应电容Cf为人体手指触摸时的感应电容，分布电容Cd为触控按键 感应片的分布电容。
[0025] 请再参阅图2所示，本实用新型提供了一种高灵敏度电容触控按键的方法，包括： [00%]电源单元VCC经过稳压器LD0产生一个稳定的电压作为发生器的电源，发生器产生 一个频率为1~8MHz高电平时输出电流恒定的连续脉冲信号并将此脉冲信号作为触控按键 的激励信号，由此可得到公式：
[0027] C=It/U；
[00%]其中C=Cf+Cd，I、t分别为发生器的电流和高电平时间，U为触控按键端口的电压 值，也就是电容C上的电压值。由于I和t为常量，只要测得电压U的值就可W得出电容C的大 小，由此人体手指触摸时的感应电容Cf为：
[0029]
[0030] 当Cd〉Cf时，Δυ和ACf分别为两次不同时间的U和Cf的差值，然而，普通型触控 按键其Cf的电容变化量大约在5~50pf之间，而隔空触控按键及矩阵或人体接近感应等应用 的Cf电容变化量一般小于0.5pf，而且Cd的电容容量也会随着溫度和时间的变化发生变化， 其电容的变化量一般在0.1~Ipf左右。所W为了能够稳定地检测出〇.5pfW下的电容变化， 不能通过简单地提高电路的放大器增益，因为运样会导致放大器出现饱和问题。
[0031 ]于是，在本实用新型中，高灵敏度电容触控的检测方法是，电路由整流电路、放大 器PGA、模数转换器ADC、滤波器和数模转换器DAC构成。从输入端输入的交流电压信号经过 整流电路转换成直流信号，经过放大器PGA放大并经过模数转换器ADC转换成数字信号，为 了避免放大器PGA饱和，需要在数字信号中提取分布电容Cd的分量，并将它经过数模转换器 DAC转成模拟量后送到放大器PGA的负端，藉此避免放大器PGA饱和的技术问题，放大器PGA 的增益增加使得触控检测的灵敏度大幅提高。
[0032]为了在模数转换器ADC输出的数字信号中有效地分离出分布电容Cd的分量，滤波 器通过对感应电容Cf和分布电容Cd的变化进行频谱分析而获得。在本实施例中，人体手指 感应导致的感应电容Cf变化的频率一般大于5Hz，而触控按键分布电容Cd会因环境影响导 致的分布电容Cd变化的频率一般小于IHz，因此采用一个频谱特性较好的滤波器就可W把 分布电容Cd的分量提取出来，并可通过数模转换器DAC转换成模拟信号后送到放大器PGA的 负输入端，如此即可有效地提取出感应电容Cf的分量。经过W上处理后最终模数转换器ADC 输出的数字信号值可由下列公式表示：
[0033] VADC=k*Cf=G(U-kl*Cd);
[0034] 其中VADC为模数转换器ADC的输出值，k为整个触控检测电路的增益，G为放大器 PGA的增益，kl为触控电路输入端经过放大器PGA及滤波器到放大器PGA负端的增益。运样通 过检测模数转换器ADC的输出值就能够得到触控按键的电容值及其变化值，由于整个回路 的增益可W达到普通触控检测电路增益的10倍W上，因此采用运种检测方法可W实现高灵 敏度的触控检测功能。
[0035] 为了增进了解，下面再简单说明各组件功能(如图2):
[0036] 低压差线性稳压器LD0,用于产生一个稳定的电压，此电压作为高频恒流脉冲发生 器的电源；
[0037] 高频恒流脉冲发生器由可预置分频器、8输出多路选择器和不同输出电流的8个恒 流开关组成;可预置分频器将忍片内部的系统时钟根据预设值分频为设定频率的触控扫描 时钟信号，时钟信号分别送给8输出多路选择器和由模拟乘法器组成的同步整流电路;8输 出多路选择器根据中央处理器CPU的设定将触控扫描时钟信号输出到被选定的恒流开关的 控制端，如此即可在恒流开关的输出端输出一个频率和电流受CPU控制的高频恒流脉冲，此 脉冲通过忍片的引脚输出到触控按键感应片并作为触控电容检测的激励源;可预置分频器 和8输出多路选择器的参数设定由CPU通过8位预存器3和8位预存器4进行控制；
[003引高频恒流脉冲将会在触控按键感应片上产生一个交流电压，其电压值跟感应电容 Cf、分布电容Cd之和成反比，运个信号经过由模拟乘法器组成的同步整流电路后在电容 Cmod上产生一个直流电压U。
[0039] 可变增益放大器PGA有两个输入端(正输入端和负输入端)和一个输出端，其放大 增益由中央处理器CPU通过8位预存器1进行控制。可变增益放大器的正输入端与模拟乘法 器的输出相连，其输入电压即为电压U，可变增益放大器的负输入端接到8位数模转换器DAC 的模拟输出端，可变增益放大器的输出接到16位模数转换器的模拟输入端，即可得Vin=G 化-V0UT)，其中G为PGA的放大增益；
[0040] 16位模数转换器ADC将模拟输入电压转换成16位数字量，此数字信号被送到CPU进 行处理。
[0041] 可变带宽低通滤波器包括CPU, CPU读到ADC输出的数字信号后即开始根据设定的 带宽和增益进行IIR低通滤波计算，滤除采样信号中的高频分量后输出到8位预存器2作为 DAC的数字输入。CPU进行数字低通滤波计算的带宽和增益参数可根据不同的应用场合灵活 配置；
[0042] 8位数模转换器DAC将输入的数字量转换为模拟电压输出到PGA的负输入端。
[0043] W上各电路模块即构成一个闭环的触控电容检测系统。
【主权项】
1. 一种高灵敏度电容触控按键，包括与并联的感应电容及分布电容电性相连的发生器 及整流电路，还包括稳压器、电源单元以及放大器、模数转换器、数模转换器和滤波器，其特 征在于:发生器与电源单元之间通过稳压器建立连接;整流电路与模数转换器以及整流电 路与数模转换器之间均通过放大器建立连接，同时模数转换器与数模转换器之间通过滤波 器建立连接。2. 如权利要求1所述的高灵敏度电容触控按键，其特征在于:感应电容为可感应人体手 指触摸的电容，分布电容为触控按键感应片电容。3. 如权利要求2所述的高灵敏度电容触控按键，其特征在于:发生器为高频恒流脉冲发 生器，包括分频器、多路选择器和恒流开关，分频器为可预置分频器。4. 如权利要求3所述的高灵敏度电容触控按键，其特征在于：放大器为可变增益放大 器，包括正输入端和负输入端以及输出端。5. 如权利要求4所述的高灵敏度电容触控按键，其特征在于:滤波器为可变带宽低通滤 波器，包括中央处理器、预存器，其中：正输入端与模数转换器相连，负输入端与数模转换器 相连。6. 如权利要求5所述的高灵敏度电容触控按键，其特征在于:模数转换器采用16位模数 转换器，数模转换器采用8位数模转换器。7. 如权利要求1至6任一项所述的高灵敏度电容触控按键，其特征在于:整流电路为同 步整流电路。
【文档编号】G06F3/044GK205620981SQ201620320963
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】程君健, 翟冠杰, 李含民, 陈应雁, 吕文君
【申请人】深圳市赛元微电子有限公司