基于互电容的触摸按键信号检测方法及其检测电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种互电容式触摸按键信号检测方法，包括初始化阶段，得到初始化阶段A点的电荷量；测量阶段，根据A点电荷守恒得到A点电压；根据电容耦合点A点电压VA2是否大于电容耦合点A初始化电压判断参考电容及寄生互电容的大小关系；根据判断结果得到是否有触摸信号。与现有技术相比，本发明采用参考电容比较法在一个周期内完成了触摸信号的检测，检测速度比传统的“张弛振荡”方法快很多；单周期检测不需要频繁地对触摸按键的电容进行充放电，从而大大地节省了系统功耗。另外，该方法使得系统具有非常低的动态功耗，而且可以灵活改变工作频率，使得触摸按键可以用在功耗要求苛刻的低功耗待机模式下，为全触摸人机交互接口提供了硬件保障。本发明同时公开了一种针对该触摸按键信号检测方法的检测电路。
【专利说明】基于互电容的触摸按键信号检测方法及其检测电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及触摸按键信号检测【技术领域】，更具体地涉及一种基于互电容的触摸按 键信号检测方法及其检测电路。
【背景技术】
[0002] 传统的触摸按键信号检测方法，一般采用基于自电容的"张弛振荡"的方法来实 现。"张弛振荡"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充电放电周期，频率是可以测量的。如果用手指或者触摸笔 接触开关，就会增加电容器的介电常数，充电放电周期就变长，频率就会相应减少，所以测 量周期的变化，就可以侦测触摸动作。
[0003] 请参考图la，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 触摸按键的自电容，当比较器的正向端电压高于比较器负向端电压时，V0UT输出就是高，此 时比较器输出端V0UT通过电阻R4向C1充电，比较器负向端电压就升高。当比较器负向端 电压高于正向端电压时，V0UT输出就是低，此时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，V0UT输出恢复到高。如此反复，就在比较器V0UT端 产生矩形振荡波形，当触摸按键的电容C1变化时（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。其中，图lb是没有手指触摸按键，C1较小时的振荡 波形；图lc是有手指触摸按键，C1较大时的振荡波形。从图lb及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。
[0004] "张弛振荡"方法虽然可以检测出触摸信号，但是其存在以下缺点：
[0005] (1)检测速度低；"张弛振荡"是通过检测频率变化来检测触摸信号的，检测电路 需要经过数个时钟周期后才能确定频率的变化量，无法实现单周期触摸信号检测。
[0006] (2)功耗较大；因为需要经过数个时钟周期才能检测到触摸信号，反复地对触摸 按键的自电容充放电，增加了系统的动态功耗。
[0007] (3)难以实现低功耗待机模式；在"休眠"后，一般的系统会通过降低工作频率来 减少动态功耗，而"张弛振荡"方法的触摸按键如果改变频率，会导致信号误检测，因此在待 机模式和工作模式下，所消耗的功耗几乎是相同的，无法满足电池供电条件下的长待机时 间要求。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种基于互电容的触摸按键信号检测方法及其检测电路，以 提高检测速度、降低系统功耗，并易于实现低功耗的待机模式。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于互电容的触摸按键信号检测方法，包 括：
[0010] 初始化阶段，初始化第一驱动信号为系统最低电压（地电压0V)，同时初始化第二 驱动信号为系统最高电压（电源电压VCC)，初始化A点电压VA1为系统最低电压（地电压 ον)，使得在初始化阶段A点存储适量电荷，第二驱动信号与触摸按键的参考电容连接，A点 与电压比较器的正向输入端连接，其中，第一驱动信号为触摸按键的驱动信号，第二驱动信 号为参考电容的驱动信号，A点为触摸按键的寄生互电容与参考电容的电容耦合点；
[0011] 测量阶段，将第一驱动信号驱动到系统最高电压（电源电压VCC)，同时将第二驱 动信号驱动到系统最低电压（地电压0V)，使得初始化阶段A点的存储电荷在触摸按键寄生 互电容和参考电容之间重新分配，根据A点电荷守恒得到A点电压VA2 ;
[0012] 根据电容耦合点A点电压VA2是否大于电容耦合点A初始化电压（地电压0V)判 断参考电容及寄生互电容的大小关系，触摸按键的寄生互电容的一端连接第一驱动信号， 另一端连接比较器的正向输入端，参考电容的一端连接第二驱动信号，另一端连接电压比 较器的正向输入端；
[0013] 根据判断结果得到是否有触摸信号。
[0014] 与现有技术相比，本发明的方法先对第一驱动信号、第二驱动信号以及与电压比 较器正向输入端连接的电容耦合A点的电压进行初始化，再进入测量阶段，对第一驱动信 号和第二驱动信号进行重新驱动，驱动电压的改变会促使参考电容及寄生互电容初始化阶 段存储的电荷进行重新分配（电荷传输），在电荷守恒的条件下，A点电压会发生变化以满 足新的驱动条件下的电荷守恒。而A点电压变化量是与触摸按键互电容和参考电容之差线 性相关的，故可以依据A点电压与初始化电压的大小关系，判断是否有手指触摸导致触摸 按键寄生互电容相对于参考电容发生变化，从而确定手指触摸信号。当A点电压VA1大于 0V时，判断出参考电容小于寄生互电容，则电压比较器输出结果为1，表明无触摸信号，反 之，当A点电压VA1小于0V时，判断出参考电容大于寄生互电容，则输出结果为0,表明有触 摸信号；即，本发明采用参考电容比较法在一个周期内完成了触摸信号的检测，检测速度比 传统的"张弛振荡"方法快很多；单周期检测不需要频繁地对触摸按键的电容进行充放电， 从而大大地节省了系统功耗。另外，该方法使得系统具有非常低的动态功耗，而且可以灵活 改变工作频率，使得触摸按键可以用在功耗要求苛刻的低功耗待机模式下，为全触摸人机 交互接口提供了硬件保障。
[0015] 具体地，根据判断结果得到是否有触摸信号具体包括：
[0016] 当A点电压VA1大于0V时，判断出参考电容小于寄生互电容，比较器的输出端输 出为1，表明无触摸信号；
[0017] 当A点电压VA1小于0V时，判断出参考电容大于寄生互电容，比较器的输出端输 出为〇,表明有触摸信号。
[0018] 较佳地，在进行初始化阶段之前还包括：
[0019] 确定参考电容的值。
[0020] 具体地，确定参考电容的值具体包括：
[0021] 无触摸时测量出触摸按键的寄生互电容值；
[0022] 有触摸时测量出触摸按键的寄生互电容值；
[0023] 根据无触摸和有触摸时的寄生互电容值得到寄生互电容值的变化量；
[0024] 根据无触摸时的寄生互电容值和寄生互电容值的变化量确定参考电容的值。
[0025] 具体地，第一驱动信号与第二驱动信号为一对具有互补极性的驱动信号。
[0026] 相应地，本发明还提供了一种用于实现如上所述的信号检测方法的检测电路，包 括互电容式触摸按键的寄生互电容、参考电容、互补驱动源以及电压比较器。所述互补驱动 源用于产生极性互补的第一驱动信号和第二驱动信号，寄生互电容的一端由第一驱动信号 驱动，寄生互电容的另一端连接电压比较器的正向输入端，参考电容的一端连接电压比较 器的正向输入端，参考电容的另一端由第二驱动信号驱动，电压比较器还具有一输出端。
[0027] 通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图la为"张弛振荡"方法的电路图。
[0029] 图lb为没有手指触摸按键，C1较小时的振汤波形。
[0030] 图lc为有手指触摸按键，C1较大时的振汤波形。
[0031] 图2为本发明的原理图。
[0032] 图3为本发明互电容式触摸按键信号检测方法的主要流程图。
[0033] 图4为互电容式触摸按键信号检测方法一实施例的流程图。
[0034] 图5为用于实现互电容式触摸按键信号检测方法的检测电路图。
【具体实施方式】
[0035] 现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
[0036] 为了便于更好地理解本发明，请参考图2以对本发明的工作原理描述如下：
[0037] 本发明是先设置一参考电容作为互电容式触摸按键信号检测的参照物；测量时将 触摸按键的寄生互电容与参考电容（参照物）进行对比，若触摸按键互电容小于参考电容 值，则检测到触摸信号，否则代表无触摸信号检测到。
[0038] 具体地，利用电荷守恒原理和电荷传输的方法，通过对参考电容和触摸按键互电 容进行互补驱动，使得初始阶段的存储电荷在按键互电容、参考电容及电容耦合点自电容 之间重新分配，从而使得电容耦合点电压与触摸按键互电容和参考电容之差值线性相关， 进而将参考电容和触摸按键互电容之差量转换为电容耦合点电压相对于初始存储电压之 差（将电容差分量转换为电压差分量），最终能够通过电压比较器判断电容耦合点电压和 初始存储电压的关系，以区分是否有触摸信号存在。
[0039] 请参考图3,本发明互电容式触摸按键信号检测方法主要包括：
[0040] S101，初始化阶段，初始化第一驱动信号的电压为0V(最低电压），同时初始化第 二驱动信号为VCC (最高电压），初始化A点的电压VA1为0V (最低电压），使得在初始化 阶段A点存储电荷，第二驱动信号与触摸按键的参考电容连接，A点与电压比较器的正向输 入端连接，其中，第一驱动信号为触摸按键的驱动信号，第二驱动信号为参考电容的驱动信 号，A点为触摸按键的寄生互电容与参考电容的电容耦合点，且第一驱动信号与第二驱动信 号为一对具有互补极性的驱动信号；
[0041] S102,测量阶段，将第一驱动信号驱动到电压VCC(最高电压），同时将第二驱动信 号驱动到电压0V (最低电压），使得初始化阶段A点所存储电荷在寄生互电容和参考电容之 间重新分配，A点电压VA2发生变化，根据A点电荷守恒得到A点电压VA2 ;
[0042] S103,根据电容耦合点A点电压VA2是否大于电容耦合点A初始化电压（0V)判断 参考电容及寄生互电容的大小关系，触摸按键寄生互电容的一端连接第一驱动信号，另一 端连接比较器的正向输入端，参考电容的一端连接第二驱动信号，另一端连接电压比较器 的正向输入端；
[0043] S104,根据判断结果确定是否有触摸信号。
[0044] 与现有技术相比，本发明的方法先对第一驱动信号、第二驱动信号以及与电压比 较器正向输入端连接的A点的电压进行初始化，再进入测量阶段，对第一驱动信号和第二 驱动信号进行重新驱动，驱动电压的改变会促使参考电容及寄生互电容初始化阶段存储的 电荷进行重新分配（电荷传输），在电荷守恒的条件下，A点电压会发生变化以满足新的驱 动条件下的电荷守恒。而A点电压变化量是与触摸按键互电容和参考电容之差线性相关 的，故可以依据A点电压与初始化电压（本专利实例中为0V)的大小关系，判断是否有手指 触摸导致触摸按键寄生互电容相对于参考电容发生变化，从而确定手指触摸信号。当A点 电压大于0时，判断出参考电容小于寄生互电容，则电压比较器输出结果为1，表明无触摸 信号，反之，当A点电压VA1小于0V时，判断出参考电容大于寄生互电容，则输出结果为0， 表明有触摸信号；即，本发明采用参考电容比较法在一个周期内完成了触摸信号的检测，检 测速度比传统的"张弛振荡"方法快很多；单周期检测不需要频繁地对触摸按键的电容进行 充放电，从而大大地节省了系统功耗。另外，该方法使得系统具有非常低的动态功耗，而且 可以灵活改变工作频率，使得触摸按键可以用在功耗要求苛刻的低功耗待机模式下，为全 触摸人机交互接口提供了硬件保障。
[0045] 再请参考图4及图5,本发明互电容式触摸按键信号检测方法可采用如图5所示 的电路来实现和说明。使用C M代表触摸按键寄生互电容，使用(；代表电容耦合点A的寄生 自电容，使用CKEF代表参考电容。C M的一端由驱动信号VPP驱动（第一驱动信号），另一端 连接电压比较器CMP的正向输入端。CKEF是一个用于信号检测的参考电容，其一端与寄生互 电容C M以及电压比较器CMP的正向输入端相连，另一端由驱动信号VPN驱动（第二驱动信 号）。VPP与VPN是一对具有互补极性的驱动信号，由互补驱动源DR产生。互补极性的含 义是当VPP信号从"低"变换到"高"时，VPN信号同时从"高"变换到"低"，且VPP与VPN的 "高"和"低"具有相同的幅度定义。
[0046] 具体地，如图4所示，该方法包括：
[0047] S201，确定参考电容的值；在触摸按键设计完成后，可根据互电容CM、自电容Cs以 及电压比较器CMP设计出图5中去除参考电容C KEF后的电路图；在无手指触摸的情况下，采 用软件逐次逼近的方法，先测得无手指触摸时的按键寄生互电容值C M1，之后在有手指触摸 的情况下，测得寄生互电容值CM2,以得到寄生互电容的变化量Λ Q，因此，我们设计时取参 考电容
【权利要求】
1. 一种互电容式触摸按键信号检测方法，其特征在于，包括： 初始化阶段，初始化第一驱动信号为系统最低电压（0V)，同时初始化第二驱动信号为 系统最高电压（VCC)，初始化A点的电压为VA1为系统最低电压（0V)，使得在初始化阶段A 点存储电荷，所述第二驱动信号与所述触摸按键的参考电容连接，A点与电压比较器的正向 输入端连接，其中，所述第一驱动信号为所述触摸按键的驱动信号，所述第二驱动信号为所 述参考电容的驱动信号，A点为所述触摸按键的寄生互电容与参考电容的电容耦合点； 测量阶段，将所述第一驱动信号驱动为系统最高电压（VCC)，同时将所述第二驱动信号 驱动为系统最低电压（0V)，使得所述初始化阶段A点所存储的电荷在所述互电容和参考电 容之间重新分配，根据A点电荷守恒得到A点电压VA2 ; 根据所述电容耦合点A点电压VA2是否大于所述电容耦合点A初始化电压（0V)判断 所述参考电容及所述寄生互电容的大小关系，所述寄生互电容的一端连接所述第一驱动信 号，另一端连接所述比较器的正向输入端，所述参考电容的一端连接所述第二驱动信号，另 一端连接所述电压比较器的正向输入端； 根据判断结果得到是否有触摸信号。
2. 如权利要求1所述的信号检测方法，其特征在于，根据判断结果得到是否有触摸信 号具体包括： 当电容耦合A点电压VA1大于0时，判断出所述参考电容小于所述寄生互电容，所述比 较器的输出端输出为1，表明无触摸信号； 当电容耦合A点电压VA1小于0时，判断出所述参考电容大于所述寄生互电容，所述比 较器的输出端输出为〇,表明有触摸信号。
3. 如权利要求1或2所述的信号检测方法，其特征在于，在进行初始化阶段之前还包 括： 确定所述参考电容的值。
4. 如权利要求3所述的信号检测方法，其特征在于，确定所述参考电容值具体包括： 无触摸时测量出所述触摸按键的寄生互电容值； 有触摸时测量出所述触摸按键的寄生互电容值； 根据无触摸和有触摸时的寄生互电容值得到所述寄生互电容值的变化量； 根据无触摸时的所述寄生互电容值和所述寄生互电容值的变化量确定所述参考电容 的值。
5. 如权利要求1所述的信号检测方法，其特征在于，所述第一驱动信号与第二驱动信 号为一对具有互补极性的驱动信号。
6. -种用于实现如权利要求1至5任一项所述的信号检测方法的检测电路，其特征在 于，包括互电容式触摸按键的寄生互电容、所述互电容式触摸按键的参考电容、互补驱动源 以及电压比较器，所述互补驱动源用于产生第一驱动信号和第二驱动信号，所述寄生互电 容的一端由所述第一驱动信号驱动，所述寄生互电容的另一端连接所述电压比较器的正向 输入端，所述参考电容的一端由所述第二驱动信号驱动，所述参考电容的另一端连接所述 电压比较器的正向输入端，所述电压比较器还具有一输出端。
7. 如权利要求6所述的检测电路，其特征在于，所述第一驱动信号与第二驱动信号为 一对具有互补极性的驱动信号。
【文档编号】H03K17/975GK104092458SQ201410327963
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】汪玉龙, 李博 申请人:东莞市乐升电子有限公司