一种用于电容测量系统的非线性校准电路和方法与流程

本发明涉及电容测量校准，特别涉及一种用于电容测量系统的非线性校准电路和方法。

背景技术：

1、电容触控技术凭借其结构简单，功耗低，响应速度快以及抗干扰能力强等优势，被广泛应用于家电，工业类产品以及手机等消费类产品中。而电容测量系统的基本原理是对被测量电容上的电荷进行测量和处理，而pcb板上的寄生电容一般都是很大的，远高于需要测量电容的变化范围，因此需要补偿技术将大的寄生电容补偿掉，只测量少量和变化范围内的电容值。

2、现有的方案给出三种补偿的方式：

3、（1）电流补偿，每次引入一定量的电流噪声，对于大的寄生电容累计起来的电流噪声占比也是很大的，并且对于系统上有速度的要求，补偿电流需要一个很大的电流才能快速补偿完成，这对于功耗的消耗也很大；

4、（2）电阻补偿，采取的是放电的方式，rc放电过程本身就是非线性的，并且没有完全稳定的时间，而且放电时间也会随着时钟抖动产生影响等，不利于应用；

5、（3）电容补偿，在无源积分器应用下，电容补偿在电荷共享的过程中与电压相关，因此会存在非线性，尤其是在待测量电容并没有远小于无源积分电容的情况下。

6、综合考虑以上三种补偿方式，电容补偿的方案功耗最小，速度也是最快的，非线性相比与电阻补偿要小很多，但是这种方式目前只能应用在有片外无源积分器的条件下。

技术实现思路

1、本发明的目的在于本方案的电容补偿的方式都可以引入到片外有源积分器和片内有源积分器的方案中，来获取其优势，并给出相应的校准方案，解决在本方案中电容补偿的非线性问题，提供一种用于电容测量系统的非线性校准电路和方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

3、一种用于电容测量系统的非线性校准电路，包括：初始电容、待测量电容、量化单元、电容补偿单元、比较器、计数单元、校准电容，其中，

4、所述初始电容的第一端与量化单元连接，初始电容的第二端连接地，量化单元与比较器的第一输入端连接，比较器的输出端与计数单元的输入端连接；

5、所述待测量电容的第一端分别与量化单元、电容补偿单元连接，待测量电容的第二端连接地；

6、所述校准电容的第一端与待测量电容的第一端连接，校准电容的第二端连接地。

7、更进一步地，还包括放大器，所述放大器的第一输入端与量化单元连接，放大器的输出端分别与量化单元和比较器的第一输入端连接。

8、更进一步地，所述初始电容、待测量电容、校准电容的第一端均通过开关ck_cg连接基准电压vref。

9、更进一步地，所述量化单元包括开关ck_s1、电流检测器；所述开关ck_s1的第一端与比较器的第一输入端连接，开关ck_s1的第二端与电流检测器的第一端连接，电流检测器的第二端连接地。

10、更进一步地，所述电容补偿单元包括开关ck_comp_n、开关ck_comp_p、补偿电容cd；

11、所述开关ck_comp_n的第一端与待测量电容的第一端连接，开关ck_comp_n的第二端分别与开关ck_comp_p的第一端、补偿电容cd的第一端连接，开关ck_comp_p的第二端、补偿电容cd的第二端均连接地。

12、更进一步地，所述放大器还连接有反馈电容cint，所述反馈电容cint的第一端与放大器的第一输入端连接，反馈电容cint的第二端与放大器的输出端连接；所述反馈电容cint并联有开关k6，当开关k6断开时，放大器接入校准电路。

13、一种用于电容测量系统的非线性校准方法，应用于上述任一项的校准电路，包括以下步骤：

14、步骤1，将初始电容接入校准电路，对初始电容进行量化，得到初始次数，所述初始次数为对初始电容的电荷进行量化的次数；

15、步骤2，将初始电容换为待测量电容接入校准电路，对待测量电容尝试不同的补偿次数，使得对补偿后的待测量电容进行量化时，得到的量化次数小于初始次数，所述量化次数为对补偿后的待测量电容的电荷进行抽取的次数；同时获得量化次数小于初始次数时对待测量电容的补偿次数n；

16、步骤3，将放大器接入校准电路的第一输入端，对待测量电容进行n次补偿后，对补偿后的待测量电容进行量化，当放大器积分电容上的电荷量为0时，完成本次量化，得到第一计数；

17、步骤4，分别在待测量电容处并入第一校准电容、第二校准电容，重复步骤3，分别得到第二计数、第三计数；

18、步骤5，将第一计数、第二计数、第三计数分别带入校准曲线y=ax2+bx+c，得到校准曲线的系数a、b、c，完成对电容测量系统的非线性校准。

19、更进一步地，所述步骤1得到初始次数的步骤，具体包括：

20、基准电压vref对初始电容c进行充电，充电完成后初始电容c上存储的电荷为q，通过量化单元对初始电容c上的电荷q进行量化，直到初始电容c上的电压为共模电压vcm，所述共模电压vcm为比较器第二输入端的接入电位；

21、量化单元对初始电容c上的电荷q进行量化的过程包括：重复将开关ck_s1持续闭合∆t时长后断开，直到初始电容c上的电压为共模电压vcm，将计数单元的计数值记为初始次数n1。

22、更进一步地，所述步骤2得到量化次数的步骤，包括：

23、基准电压vref对待测量电容cs进行充电；

24、电容补偿电路对待测量电容cs进行补偿；

25、量化单元对进行n次补偿后待测量电容cs上剩余的电荷qn进行量化，直到待测量电容cs上的电压为共模电压vcm，完成量化过程；

26、量化单元对进行n次补偿后待测量电容cs上剩余的电荷qn进行量化的过程包括：重复将开关ck_s1持续闭合∆t时长后断开，直到待测量电容cs上的电压为共模电压vcm，将计数单元的计数值记为量化次数n2；

27、若n2大于n1，则重新调整补偿次数n的大小，使得待测量电容cs进行n次补偿后剩余的电荷qn，经过量化单元完成量化后，得到的量化次数n2小于初始次数n1；同时获得量化次数n2小于初始次数n1时对待测量电容cs的补偿次数n。

28、更进一步地，所述步骤3中得到第一计数的步骤，包括：

29、对待测量电容cs进行n次补偿后，待测量电容cs中剩余电荷为qn1；将放大器接入校准电路，量化单元对放大器积分电容上的电荷量qt1进行量化，其中qt1=qn1-vcm，vcm为放大器第二输入端电压，且vcm=vref/2，直到放大器积分电容上的电荷量qt1为0；

30、量化单元对放大器积分电容上的电荷量qt1进行量化的过程包括：重复将开关ck_s1持续闭合∆t时长后断开，直到放大器积分电容上的电荷量qt1为0，将计数单元的计数值记为第一计数m1。

31、更进一步地，所述步骤4中得到第二计数的步骤，包括：

32、将第一校准电容c1与待测量电容cs并联，构成电容组cs1，基准电压vref对电容组cs1进行充电，充电完成后电容组cs1上存储的电荷为q02；电容补偿电路对电容组cs1进行n次补偿后，电容组cs1上剩余的电荷为qn2；

33、量化单元对放大器积分电容上的电荷量qt2进行量化，其中qt2=qn2-vcm*cs1，直到放大器积分电容上的电荷量qt2=0；

34、量化单元对放大器积分电容上的电荷量qt2进行量化的过程包括：重复将开关ck_s1持续闭合∆t时长后断开，直到放大器积分电容上的电荷量qt2为0，将计数单元的计数值记为第二计数m2。

35、更进一步地，所述步骤4中得到第三计数的步骤，包括：

36、将与待测量电容cs并联的第一校准电容c1换为第二校准电容c2，构成电容组cs2，基准电压vref对电容组cs2进行充电，充电完成后电容组cs2上存储的电荷为q03；电容补偿电路对电容组cs2进行n次补偿后，电容组cs2上剩余的电荷为qn3；

37、量化单元对放大器积分电容上的电荷量qt3进行量化，其中qt3=qn3-vcm*cs2，直到放大器积分电容上的电荷量qt3=0；

38、对放大器积分电容上的电荷量qt3进行量化的过程包括：重复将开关ck_s1持续闭合∆t时长后断开，直到放大器积分电容上的电荷量qt3为0，将计数单元的计数值记为第三计数m3。

39、更进一步地，所述步骤5中完成对电容测量系统的非线性校准的步骤，包括：

40、将第一计数m1作为校准曲线的y=ax2+bx+c的y值，此时x=0，计算得到系数c；

41、将第二计数m2作为校准曲线y=ax2+bx+c的y值，此时x为第一校准电容c1的容值；再将第三计数m3作为校准曲线y=ax2+bx+c的y值，此时x为第二校准电容c2的容值，计算得到系数a、b。

42、更进一步地，还包括步骤6，去除待测量电容处并联的第一校准电容或第二校准电容，在检测待测量电容cs上的电荷量时，重复步骤3，得到待测计数mf；将待测计数mf作为校准曲线y=ax2+bx+c的y值，计算得到的x即为待测量电容cs上的电荷量。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果：

44、本发明可应用在有源积分器的方案中，补偿cpb板上的寄生电容，并对补偿后的待测量电容进行非线性校准，在实际应用中只对补偿后待测量电容中的可变化电容进行测量，从而提高测量量化的速度和精度，并减小功耗。