一种基于电容移相效应的微弱电容检测电路及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于电容移相效应的微弱电容检测电路及方法，该电路包括一充放电电路、相位差值提取模块及可调高频发生模块；可调高频发生模块输出分别与充放电电路输入、相位差值提取模块一输入连接；充放电电路输出与相位差值提取模块另一输入连接；可调高频发生模块产生的方波通过待检测微小电容CP时产生充放电现象，然后将充放电后的信号与原始波形对比；通过取相位差模块，最终产生受控于待检测微小电容的相对于原信号发生相位偏移的方波；根据相位差与方波频率即可得到待检测的微小电容的电容值。本发明解决现有电容触摸按键实现方式的器件多，控制繁琐，成本高的缺点，简化了现有技术手段，提高了应用的便利性，实现了触摸按键的可靠感应功能。
【专利说明】
一种基于电容移相效应的微弱电容检测电路及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种基于电容移相效应的微弱电容检测电路及方法。
【背景技术】
[0002] 微弱电容检测与处理方法是目前广泛应用的触摸设备中最为重要的基础。其检测 可靠性直接影响了整个系统的工作稳定性。随着使用触摸感应技术的人机交互设备的不断 增加，可靠触摸感应方式的需求愈加强烈。如家电领域的微波炉触控面板、安防领域的门禁 系统等。触摸输入方式采用非直接接触式技术，相对于传统的直接接触式按键而言，使用寿 命长，用户体验好，且可靠性不会随着时间的增加而降低。触摸方式中，电容感应触摸方式 使用最为广泛。电容感应触摸方式中最基础，最关键的技术为触摸时产生的微弱感应电容 的检测。目前，针对微弱感应电容的处理方法包括采用预置的片外高精度校准电容进行对 比；使用两路电容感应后通过差分运算后再行处理;使用对片外电容充放电后通过AD转换 模块进行电压采样比较等等技术手段，甚至采用更为复杂的PSoC(Programmable System-On-Chip，片上可编程系统)来进行处理。这些处理手段均不同程度存在着电路复杂、控制繁 琐、成本高、不利于在芯片中集成等缺点。因此，需要寻找更为合理和简便的方法来解决微 弱电容检测与处理。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于电容移相效应的微弱电容检测电路及方法。
[0004] 本发明采用以下技术方案实现:一种基于电容移相效应的微弱电容检测电路，其 特征在于:包括一充放电电路、相位差值提取模块及可调高频发生模块;所述可调高频发生 模块输出分别与充放电电路输入、相位差值提取模块一输入连接;充放电电路输出与相位 差值提取模块另一输入连接;所述充放电电路包括一电阻R、待检测微小电容C P及第一非 门；所述电阻R-端接可调高频发生模块输出，另一端分别接待检测微小电容Cp与第一非门 输入;第一非门输出接相位差值提取模块另一输入;相位差值提取模块包括第二非门、异或 门及第三非门；所述第二非门输入接可调高频发生模块输出；所述第二非门输出接异或门 一输入;异或门另一输入接第一非门输出；异或门输出接第三非门输入;第三非门输出为相 位差。
[0005] 本发明还提供一种上述的基于电容移相效应的微弱电容检测电路的方法，其特征 在于：
[0006] 所述可调高频发生模块产生的方波通过待检测微小电容Cp时产生充放电现象，然 后将充放电后的信号与原始波形对比；通过取相位差模块，最终产生受控于待检测微小电 容的相对于原信号发生相位偏移的方波;根据相位差与方波频率即可得到待检测的微小电 容的电容值。
[0007] 具体的，可调高频发生模块产生的第一波形周期T，占空比50%，幅度为E，该方波 通过R对Cp进行充放电，在一个周期内，Cp上的电压为Cp上的电压为
v(0_)为电压为初始值，Vcp为第二波形，，第二波形波 通过取相位差模块中的反相器后，得到第三波形;对比第一波形和第二波形，发现两者的波 形已经存在一定的相位差;将第一波形和第二波形通过取相位差模块的异或门通过两个波 形的异或运算取得两者的相位差，产生受控于待检测微小电容的相对于原信号发生相位偏 移的方波;根据相位差与方波频率即可得到待检测的微小电容的电容值。
[0008] 本发明主要针对电容触摸感应技术的实际需求，结合应用环境，引入一种基于电 容移相效应的微弱电容检测方法，解决现有电容触摸按键实现方式的器件多，控制繁琐，成 本高的缺点，简化了现有技术手段，提高了应用的便利性，实现了触摸按键的可靠感应功 能。
[0009] 本发明具有如下的优点：
[0010] 1.感应分辨率高。
[0011] 在触摸按键领域，待检测电容的有效最小变化量在5pF左右，本发明中涉及的方案 利用方波通过电容时产生充放电现象，然后将充放电后的信号与原始波形对比，通过取相 位差模块，最终产生受控于待检测微小电容的相对于原信号发生相位偏移的方波，通过两 者的相位差值结合输入的方波频率，即得到待检测的微小电容的电容值。本发明中涉及的 方案最小有效分辨率为0.5PF，足够满足触摸按键领域的分辨率需求。
[0012] 2.感应动态范围大。
[0013] 本发明中涉及的方法通过改变方波发生器的频率，可以适应不同应用领域的电容 检测。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明所涉及应用环境的原理图。
[0015] 图2是本发明所涉及一种基于电容移相效应的微弱电容检测方法的未触摸状态原 理框图。
[0016] 图3是本发明所涉及一种基于电容移相效应的微弱电容检测方法的触摸状态原理 框图。
[0017] 图4是本发明一具体实施例的波形示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0019] -种基于电容移相效应的微弱电容检测电路，其包括一充放电电路、相位差值提 取模块及可调高频发生模块;所述可调高频发生模块输出分别与充放电电路输入、相位差 值提取模块一输入连接;充放电电路输出与相位差值提取模块另一输入连接;所述充放电 电路包括一电阻R、待检测微小电容Cp及第一非门；所述电阻R-端接可调高频发生模块输 出，另一端分别接待检测微小电容&与第一非门输入;第一非门输出接相位差值提取模块 另一输入;相位差值提取模块包括第二非门、异或门及第三非门；所述第二非门输入接可调 高频发生模块输出;所述第二非门输出接异或门一输入;异或门另一输入接第一非门输出； 异或门输出接第三非门输入;第三非门输出为相位差。
[0020] 进一步的，可调高频方波发生模块可以采用由RC等阻容器件构成的张弛振荡器实 现的高频方波发生模块，也可以采用高频脉冲发生器。本发明中的可调高频方波发生模块 实现方法很多，并没有太多的约束。
[0021] 本发明还提供一种上述的基于电容移相效应的微弱电容检测电路的方法，包括以 下步骤:所述可调高频发生模块产生的方波通过待检测微小电容Cp时产生充放电现象，然 后将充放电后的信号与原始波形对比；通过取相位差模块，最终产生受控于待检测微小电 容的相对于原信号发生相位偏移的方波;根据相位差与方波频率即可得到待检测的微小电 容的电容值。
[0022] 图1是本发明所涉及应用环境的原理图。图la中为触摸焊盘在未触摸状态下的等 效电容;图lb为触摸焊盘在手指触摸情况下的等效电容。
[0023] 本发明中涉及的待检测微小电容为电路的PCB焊盘所提供，其等效电容为Cp;当手 指触摸焊盘时，外接焊盘的容值发生微弱改变，等效电容为Cp+C，其中Cp为触摸焊盘的基础 电容，C为人体触摸焊盘后产生的额外电容，为图1 b所示的Cf的叠加总和，。电容的变化引起 对其充放电方波的相位变化(相对于之前的相位变化产生了更大的变化）；继而信号通过取 相位差模块后得到相位变化值与待检测电容变化相当的一个方波。最后根据相位差与方波 频率即可得到待检测微小电容的电容值。
[0024] 本发明具体电路参见图2、3。图2为本发明所涉及一种基于电容移相效应的微弱电 容检测方法的原理框图（未触摸状态，对应图la)。图3为本发明所涉及一种基于电容移相效 应的微弱电容检测方法的原理框图（触摸状态，对应图lb)。图2和图3中，复选框1为受待检 测电容影响的充放电电路，复选框2为相位差值提取模块。
[0025]微小电容的电容值具体求取过程:方波周期T，占空比50%，幅度为E，如图4中波形 一所示，其函数为e(t)，该方波通过R对Cp进行充放电，在一个周期内，CP上的电压为
为如图4中波形2所示。该波通过取相位差模块中的 .， 反相器后，得到如图4波形3所示波形，对比波形1和波形3,可发现两者的波形已经存在一定 的相位差。此后，波形1和波形3通过取相位差模块的异或门通过两个波形的异或运算取得 两者的相位差，如图4中波形4所示，产生受控于待检测微小电容的相对于原信号发生相位 偏移的方波;根据相位差与方波频率即可得到待检测的微小电容的电容值。本领域人员易 知方波频率
.，相位差A妒二 arclari arclan(C/厂
[0026]以上是本发明的具体实施例，凡依上述构思所作的相类似改变，理应属本发明的 范围。
【主权项】
1. 一种基于电容移相效应的微弱电容检测电路，其特征在于:包括一充放电电路、相位 差值提取模块及可调高频发生模块;所述可调高频发生模块输出分别与充放电电路输入、 相位差值提取模块一输入连接;充放电电路输出与相位差值提取模块另一输入连接； 所述充放电电路包括一电阻R、待检测微小电容Cp及第一非口；所述电阻R-端接可调高 频发生模块输出，另一端分别接待检测微小电容Cp与第一非口输入;第一非口输出接相位 差值提取模块另一输入； 相位差值提取模块包括第二非口、异或口及第=非口；所述第二非口输入接可调高频 发生模块输出；所述第二非口输出接异或口一输入;异或口另一输入接第一非口输出；异或 口输出接第=非口输入;第=非口输出为相位差。2. -种基于权利要求1所述的基于电容移相效应的微弱电容检测电路的方法，其特征 在于： 所述可调高频发生模块产生的方波通过待检测微小电容Cp时产生充放电现象，然后将 充放电后的信号与原始波形对比；通过取相位差模块，最终产生受控于待检测微小电容的 相对于原信号发生相位偏移的方波;根据相位差与方波频率即可得到待检测的微小电容的 电容值。3. 根据权利要求2所述的基于电容移相效应的微弱电容检测方法，其特征在于:可调高 频发生模块产生的第一波形周期T，占空比50%，幅度为E，该方波通过R对Cp进行充放电，在 一个周期内，Cp上的电压为3电压为初始值， Vcp为第二波形，第二波形波通过取相位差模块中的反相器后，得到第=波形;对比第一波形 和第二波形，发现两者的波形已经存在一定的相位差;将第一波形和第二波形通过取相位 差模块的异或口通过两个波形的异或运算取得两者的相位差，产生受控于待检测微小电容 的相对于原信号发生相位偏移的方波。
【文档编号】G01R27/26GK105911362SQ201610254795
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】江典棋, 施隆照, 朱宇耀
【申请人】福州福大海矽微电子有限公司