电容触摸按键信号测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电容触摸信号测量技术领域，更具体的设及一种基于平衡或比例平衡 电容桥的电容触摸按键信号测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着电容触摸技术的不断完善，传统的机电式按键正在逐渐被电容触摸感应按键 所取代。基于电容触摸感应技术实现的按键（W下简称电容触摸按键）具有成本低，持久 耐用，防尘防水等诸多优点，已被广泛应用于家用电器、消费电子、金融、工业控制等领域。
[0003] 传统的电容触摸按键多是基于自电容原理实现的。触摸信号测量方法主要包括 基于RC的测量方法和基于电荷传输的测量方法。其中，基于RC的测量方法包括张弛振 荡频率测量方法和RC时间常数测量方法等，基于电荷传输的测量方法包括意法半导体的 ProxSense电荷传输电容感应技术和OMRON的串联电容分压比较法等。
[0004] 下面依次说明上述每一触摸信号测量方法的基本原理。
[0005] (1)基于RC的测量方法一张弛振荡频率测量方法
[0006] "张弛振荡"巧elaxationOscillator)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基本充电放电周期（频 率）；如果用手指触摸开关，手指和开关之间会产生电场作用而寄生出新的感应电容，感应 电容与按键原有自电容叠加，张弛振荡器充电放电周期就变长，频率就会相应减少。使用系 统基准时钟确定一个测量时间段，对振荡器输出频率在该基准时间段计数，就可W侦测触 摸事件。如图1(a)至图1(c)所示，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是电容触摸按键的电容，当比较器的正向端电压Vref高于比较器的负向端电压 时，V0UT输出就是高电平，此时比较器输出端V0UT通过电阻R4向电容C1充电，使比较器负 向端电压升高；当比较器负向端电压高于正向端电压时，V0UT输出就是低电平，此时电容 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 出恢复到高电平。如此反复，就在比较器V0UT端产生矩形振荡波形，当电容触摸按键的电 容C1变化（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。 图1化）是没有手指电容触摸按键、电容C1较小时的输出振荡波形，图1(C)是有手指电容 触摸按键、电容C1较大时的输出振荡波形。由图1(b)和图1(c)可W看出，当有手指触摸 时，振荡器的输出频率会明显下降。
[0007] (2)基于RC的测量方法一RC时间常数测量方法
[000引 RC时间常数测量方法是通过测量一个串联RC电路的时间常数来确定是否存在触 摸事件发生的。下面参考图2(a)和图2(b)对RC时间常数测量方法进行说明：基准电压 化ef通过电阻R向电容C充电，假设C是一个电容触摸按键的自电容，无触摸事件时电容值 为C1，有触摸事件时电容值为C2 (C2〉C1)，电容C变化时A点的充电时间常数相应地发生变 化（A点的波形上升时间发生变化），与A点连接的迟滞反向电路有固定检测阔值Vth，用于 检测A点电压是否大于Vth。如图2(b)所示，当电容为C1时，A点的电压从0充电到Vth 耗时T1 ;当电容为C2时，A点的电压从0充电到Vth耗时T2 ;使用基于系统时钟的计数器 分别对T1和T2时间进行计数，计数值可W作为C1和C2的量化值，计数值变化量可W作为 是否存在触摸事件的检测依据。
[0009] (3)基于电荷传输的测量方法一ProxSense电荷传输电容感应技术
[0010] ProxSense电荷传输电容感应技术的基本原理可W借助图3(a)进行说明；Cx代 表电容触摸按键的电容，首先闭合开关SW1对电容Cx充电；当Cx完全充满电后，打开开关 SW1，闭合开关SW2,使电荷在Cx和参考电容Cs之间转移，向参考电容Cs充电。如此重复W 上充电和电荷转移动作，参考电容Cs的上极板A点电压就逐渐升高，当A点的电压上升到 化ef时，一个Cs的充电周期结束。图3化）给出了A点电压在整个充电周期的波形图，使用 计数器对充电周期内系统基准时钟进行计数（计数结果记录了电荷传输的次数），计数结 果作为Cx的测量结果。通常，Cs的值设定为Cx的数千倍W上，W保证较好的电容分辨率。
[0011] (4)基于电荷传输的测量方法一串联电容分压比较法
[0012] 串联电容分压比较法的基本原理可W借助图4(a)来说明。如图4(a)所示，测量 前先将开关SW0和SW2闭合，将电容化和Cx上的电荷泄放掉；然后闭合开关SW1，通过电 阻R将电容Cc充电到VDD;测量时，将开关SW0和SW2闭合一个很短的时间，然后断开，使 Cc泄放掉很少量电荷（部分放电），然后比较化和Cx的分压电压是否小于参考电压Vref， 如果分压电压大于Vref，继续执行前面的Cc泄放电荷操作，直到Cr和Cx的分压电压小于 化ef。该个测量过程中Cc电容的上极板电压Vc及分压电压Vx变化如图4(b)所示。串联 电容分压比较法使用Cc电荷泄放次数作为电容Cx的量化值，有触摸事件时，电容电容触摸 按键的电容Cx增大，Cc电荷泄放次数减少；无触摸事件时，电容触摸按键的电容Cx减小， Cc电荷泄放次数增多。
[0013] 然而，上述基于RC的张弛振荡频率测量方法，触摸事件的单次检测需要通过计量 一个基准时间段内的波形振荡的次数来实现，测量速度较慢；测量时需要额外的时钟信号 作为基准时间度量，使得系统复杂度和功耗增加；且振荡器容易受到外部其它频率噪声的 干扰，抗干扰能力较差。RC时间常数测量方法也需要额外的时钟信号作为基准时间度量， 确定RC常数下如果要实现较高的测量分辨率，需要较高的基准时钟频率，增加了系统复杂 度和功耗；且测量速度受到测量电路的RC时间常数限制（人为引入RW增加时间常数）， 较小的RC时间常数会降低系统的分辨率，而较大的RC时间常数会使测量速度变慢，要保 证合理的测量分辨率会导致测量时间增加；且RC时间常数测量容易受到实现电路的寄生 效应和禪合噪声的干扰，抗干扰能力较差。基于电荷传输的ProxSense电荷传输电容感应 技术使得单次外部噪声干扰值小于1/N倍的参考基准电容值，大大提高了系统的抗干扰能 力，但测量时间与触摸感应电容值大小相关，测量时间不确定；使用触摸感应电容的线性充 电方式，也使得测量时间较长，测量速度慢；电路实现较复杂。基于电荷传输的串联电容分 压比较法虽然可W将单次外部噪声干扰值限制在1/N倍的参考基准电容值内，但线性放电 方式导致的测量时间较长；且泄放电荷的量难W控制或是需要使用较高频率的高精度时钟 才能实现精确的电荷泄放量控制，实现难度较大，实现电路较复杂。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于提供一种基于平衡或比例平衡电容桥的电容触摸按键信号测 量装置，w提高测量速度，降低噪声敏感度，同时降低电路复杂度。
[0015] 本发明的另一目的在于提供一种基于平衡或比例平衡电容桥的电容触摸按键信 号测量方法，W提高测量速度，降低噪声敏感度。
[0016] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于平衡或比例平衡电容桥的电容触摸按键 信号测量装置，包括：
[0017] 电容桥，所述电容桥包括四个按照四边形拓扑连接的可变电容器，四个所述可变 电容器按照拓扑位置分别记为左上臂、左下臂、右上臂及右下臂电容器，所述电容桥的四个 顶点分别记为左顶点、右顶点、上顶点和下顶点，且所述左上臂、左下臂、右上臂及右下臂电 容器的电容值使所述电容桥平衡或比例平衡；
[001引待测电容触