專利名稱：電容值測量電路及應(yīng)用其的電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容值測量電路與應(yīng)用其的電子裝置，其用于 測量4寺測電容的電容值。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，大多以機(jī)械式開關(guān)來實(shí)現(xiàn)使用者控制界面。由于使用 者需直4妄4妄觸到傳統(tǒng)才幾械開關(guān)，傳統(tǒng)枳4戒開關(guān)才可響應(yīng)4吏用者的控 制指令而進(jìn)行操作，傳統(tǒng)機(jī)械式裝置容易在使用者操作過程中發(fā)生 損壞。目前，已發(fā)展出觸控式開關(guān)。觸控式開關(guān)例如是電容式開關(guān)等。
為了提升使用上的便利性，已研發(fā)出觸控面板(touchpanel)或顯 示觸控面板(同時(shí)具有顯示與觸控的功能)。觸控面板或顯示觸控面 板可接受使用者的輸入、點(diǎn)選等操作。觸控面板或顯示觸控面板可 應(yīng)用于各種電子裝置中，例如移動(dòng)電話中。這樣，可使4吏用者直接 在觸控面板或顯示觸控面板上點(diǎn)選畫面來進(jìn)行搡作，由此提供更為 《更捷且人性化的才喿作才莫式。觸控面板或顯示觸控面板有多種，電容 式觸控面板或顯示觸控面板是其中的 一種。
當(dāng)使用者操作電容式觸控面板、電容式顯示觸控面板、或電容 式開關(guān)時(shí)，其內(nèi)部的待測電容的電容值會(huì)隨使用者操作而發(fā)生變 化。由此，可才企測到〗吏用者的l乘作。然而，如何i殳計(jì)出可有效地才企 測待測電容的電容值變化的電容值測量電路，以提升電容式觸控面
5板、電容式顯示觸控面板、或電容式開關(guān)的性能是本領(lǐng)域不斷致力 的方向之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及 一種電容值測量電路，與傳統(tǒng)電容值測量電路相 比，該電容值測量電^各可更準(zhǔn)確地測量出待測電容的電容值與其電 容值變化量。
本發(fā)明涉及一種電子裝置，其內(nèi)部的觸控屏幕與傳感器可共享
同一個(gè)才莫擬^t字轉(zhuǎn)換器(ADC),以減少該電子裝置的電^各面積與 成本。
本發(fā)明提供一種電容值測量電路，包括電容式分壓電3各，其 包括開關(guān)電路、第一電容與第二電容，開關(guān)電路耦接至第一與第 二電容，開關(guān)電路受控于第一時(shí)鐘信號(hào)與第二時(shí)鐘信號(hào)，第二時(shí)鐘 信號(hào)為第一時(shí)鐘信號(hào)的反相信號(hào)，開關(guān)電路的導(dǎo)通狀態(tài)使得第一電 容的第一端的電壓變化量耦合至第二電容的第一端；才莫擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 器，耦接至電容式分壓電路，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將第二電容的第一端 的電壓轉(zhuǎn)換成第一數(shù)字信號(hào)；以及處理模塊，耦接至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 器，處理模塊根據(jù)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第一數(shù)字信號(hào)與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 器的參數(shù)，以檢測出第二電容的電容值及其變化量。
在本發(fā)明的電容值測量電^各中，在一種實(shí)施方式中，該電容式 分壓電路的開關(guān)電路包括第一開關(guān)，其第一端耦接至第一電壓源， 其第二端耦接至該第二電容的第一端，該第一開關(guān)的導(dǎo)通受控于第 一時(shí)鐘信號(hào)；第二開關(guān)，其第一端耦接至第一電壓源，其第二端耦 接至該第一電容的第一端，該第二開關(guān)的導(dǎo)通受控于第一時(shí)鐘信 號(hào)；以及第三開關(guān)，其第一端耦接至第二電壓源，其第二端耦接至 該第一電容的第一端，該第三開關(guān)的導(dǎo)通受控于該第二時(shí)鐘信號(hào)；其中，該第一電容的第二端耦接至第二電容的該第一端，該第二電 容的第二端耦接至第三電壓源。
本發(fā)明的電容值測量電路，在一種實(shí)施方式中，該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)
換器的參數(shù)包括該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率與轉(zhuǎn)換電壓區(qū)間；以及 該處理才莫塊進(jìn)一步依據(jù)該第 一 電壓源的電壓值、該第二電壓源的電 壓值與該第一電容的電容值、該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率、該模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器的該轉(zhuǎn)換電壓區(qū)間與該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第 一數(shù)字信 號(hào)，以檢測出該第二電容的電容值及其變化量。
本發(fā)明的電容值測量電路，在一種實(shí)施方式中，進(jìn)一步包括偏 壓電^各，耦接至該電容式分壓電^各與該才莫擬lt字轉(zhuǎn)換器，該偏壓電 路用于施加偏壓至第一節(jié)點(diǎn)上，使得該第一節(jié)點(diǎn)的電壓與該偏壓與 該第二電容的第一端的電壓有關(guān)。
本發(fā)明的電容值測量電路，在一種實(shí)施方式中，該模擬數(shù)字轉(zhuǎn) 換器包括開關(guān)-取樣-電容電路、操作放大器、比較器、鎖存器(栓 鎖器，latch )、反相器、計(jì)數(shù)器以及開關(guān)-電容電路，其中，開關(guān)-取樣-電容電路具有耦接至該電容式分壓電路的該第二電容的第一 端的第一輸入端以及輸出端，該開關(guān)-取樣-電容電路受控于該第一 時(shí)鐘信號(hào)與該第二時(shí)鐘信號(hào)，以取樣該電容式分壓電^各的該第二電 容的該第一端的電壓；操作放大器具有耦接至該開關(guān)-取樣電容電路 的豐命出端的第一專敘入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端； 比較器具有耦接至該操作放大器的第 一輸出端的第 一輸入端、耦接 至該操作放大器的第二輸出端的第二輸入端，以及輸出第二數(shù)字信 號(hào)的輸出端；鎖存器，接收比較器所輸出的第二數(shù)字信號(hào)，在該第 一時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)下，該鎖存器將第二數(shù)字信號(hào)輸出成第三數(shù)字信 號(hào)；將第三數(shù)字信號(hào)反相的反相器；計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)該第三數(shù)字信號(hào)， 以產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)；以及開關(guān)-電容電路，其耦接至該操作放大器的第二輸入端，受控于第一時(shí)鐘信號(hào)、第二時(shí)鐘信號(hào)、第三數(shù)字信 號(hào)與第三數(shù)字信號(hào)的反相信號(hào)。
本發(fā)明還提供一種電子裝置，包括待測電容，用于輸出待測 電壓；傳感器，用于輸出感測信號(hào)；多工器，耦接至待測電容與傳 感器，以輸出待測電壓與感測信號(hào)之一；以及才莫擬凄t字轉(zhuǎn)換器，耦 接至多工器，用于將待測電壓或感測信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)，數(shù) 字輸出信號(hào)代表待測電容的電容值及其變化量，或者代表該傳感器 的感測結(jié)果。
本發(fā)明的電子裝置，在一種實(shí)施方式中進(jìn)一步包括觸控屏幕， 其中，該待測電容位于觸控屏幕內(nèi)。
為使本發(fā)明的上述內(nèi)容能夠更加明顯易懂，下文特別列舉實(shí)施 例，并結(jié)合附圖，作詳細(xì)i兌明如下


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電容值測量電路的電路示 意圖。
圖2示出了圖1的相關(guān)波形圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電容值測量電路的電路示 意圖。
圖4示出了圖3的相關(guān)波形圖。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的電子裝置的功能模塊示意圖。
8
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電容值測量電路可用于測量待測電容的 電容值，并將電容值轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)。這樣，即可檢測出待測 電容的電容值是否有變化。此外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子裝置，
其內(nèi)部的觸控屏幕與傳感器可共享同 一個(gè)ADC ，以減少該電子裝置 的電^各面積、與成本。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電容值測量電路的電路示 意圖。圖2示出了圖1的相關(guān)波形圖。
如圖1所示，該電容值測量電路包括才莫擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器110、 電容式分壓電路120與處理模塊130。該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器110例如 是具有取樣-保持(S/H)功能的三角積分模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(sigma-delta ADC)。電容式分壓電路120包括開關(guān)121 123、電容Cs與Cx。 在本實(shí)施例中，VI、 V2與Vc為電壓源，且，支設(shè)VKV2，且時(shí)鐘 4言號(hào)phl與ph2互為反相。
開關(guān)121的一端津禹4妻至電壓源V2，其另一端井禹4妻至節(jié)點(diǎn)nx。 節(jié)點(diǎn)nx的電壓為Vx。開關(guān)121的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)phl。 比如，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)phl為高電位時(shí)，開關(guān)121為導(dǎo)通；反之亦然。 當(dāng)開關(guān)121導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓Vx等于V2。
開關(guān)122的一端井禹4秦至電壓源V2,其另一端津禹4妻至節(jié)點(diǎn)ns。 節(jié)點(diǎn)ns的電壓為Vs。開關(guān)122的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)phl。 比如，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)phl為高電位時(shí)，開關(guān)122為導(dǎo)通；反之亦然。 當(dāng)開關(guān)122導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓Vs等于V2。開關(guān)123的一端井禺4妾至電壓源VI，其另一端l禺4妄至節(jié)點(diǎn)ns。 開關(guān)123的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)ph2。比如，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)ph2 為高電位時(shí)，開關(guān)123為導(dǎo)通；反之亦然。當(dāng)開關(guān)123導(dǎo)通時(shí)，節(jié) 點(diǎn)電壓Vs等于VI。
電容Cs耦接于節(jié)點(diǎn)ns與nx之間。電容Cs的電容值則是已知 的。電容Cx耦接于節(jié)點(diǎn)nx與電壓源Vc之間。電容Cx的電容值 是未知的，此電容值測量電路可用于測量電容Cx的電容值。
現(xiàn)在請同時(shí)參照圖1與圖2,以了解第一實(shí)施例的電容值測量 電3各的才喿作。
當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)phl為高電位時(shí)(也就是時(shí)鐘信號(hào)ph2為低電位)， 開關(guān)121與122均為導(dǎo)通，使得節(jié)點(diǎn)電壓Vx與Vs均等于V2。
當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)phl由高電位轉(zhuǎn)態(tài)為低電位時(shí)(也就是時(shí)鐘信號(hào)ph2 由低電位轉(zhuǎn)態(tài)為高電位)，開關(guān)123會(huì)導(dǎo)通，使得節(jié)點(diǎn)電壓Vs等于 VI。這樣，將使得電容Cs的一端(也為節(jié)點(diǎn)電壓Vs)的電壓變化為 (Vl-V2)。該電壓變化量(V1-V2)將通過電容Cs而耦接至接點(diǎn)nx， 使得節(jié)點(diǎn)電壓Vx發(fā)生變化。節(jié)點(diǎn)電壓Vx的電壓變化量如以下公 式(l)所示
(n-F2) &
(Cs + Cx) (1)
在時(shí)鐘信號(hào)phl發(fā)生轉(zhuǎn)態(tài)前的一瞬間，節(jié)點(diǎn)電壓Vx為V2。在 時(shí)鐘信號(hào)phl發(fā)生轉(zhuǎn)態(tài)后的一瞬間，節(jié)點(diǎn)電壓Vx如以下公式(2)所 示
(2)
(Cy + Cx)
10節(jié)點(diǎn)電壓Vx經(jīng)過ADC 120的取樣并保持后，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸 出值BOUT[N:l]。凄t字輸出值BOUT[N:l]的十進(jìn)制值表示為 DOUT。
才艮據(jù)DOUT、電容Cs的電容值、VI、 V2、 ADC120的轉(zhuǎn)換電 壓區(qū)間(Full Scale)及分辨率，處理模塊130可計(jì)算出電容Cx的電容 值及其變化量。
例如，如果ADC 120的轉(zhuǎn)換電壓區(qū)間為V2至VI,其分辨率 (resolution)為n位(n為正整數(shù))，貝'J Cx、 VI、 V2、 Cs、 DOUT及n 間的關(guān)系如公式(3)所示
(Cs + Cx) 2" (3)
將公式(3)簡化后可得Cx如公式(4)所示
rx = ~~2--Cs
2" (4)
這樣，即可求得電容Cx的電容值。
第 一 實(shí)施例的電容值測量電3各可應(yīng)用于電容式開關(guān)、電容式觸 控面板、電容式顯示觸控面板等。當(dāng)使用者操作電容式開關(guān)時(shí)，其
內(nèi)部的待測電容Cx的電容值會(huì)隨著使用者的操作而改變；通過電 容值測量電路來測量電容Cx的電容值與其變化量，即可得知〗吏用 者是否按下電容式開關(guān)。此外，當(dāng)使用者操作電容式觸控面板或電 容式顯示觸控面板時(shí)，其內(nèi)部的待測電容Cx的電容值會(huì)隨著使用 者的按下而改變；通過電容值測量電路來測量電容Cx的電容值與 其變化量，即可得知4吏用者的按壓位置。
ii[第二實(shí)施例]
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電容值測量電路的電路示 意圖。圖4示出了圖3的相關(guān)波形圖。
如圖1所示，該電容值測量電路包括才莫擬tt字轉(zhuǎn)換器 (ADC)305、電容式分壓電路380與偏壓電路390。該才莫擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 器(ADC)305例如是具有取樣-保持(S/H)功能的三角積分模擬數(shù)字 轉(zhuǎn)換器(sigma-delta ADC)。
ADC 305包括才喿作;改大器(OP)310、比較器(CMP)320、鎖存 器330、反相器340、計(jì)數(shù)器350、開關(guān)361~370、電容371 375。
操作放大器310具有正輸入端i叩，耦接至開關(guān)368與電容 374;負(fù)輸入端inn,耦4妾至開關(guān)370與電容373;正|命出端outp, 耦接至比較器320的正輸入端與電容373;以及負(fù)輸出端outn，耦 接至比較器320的負(fù)輸入端與電容374。
比較器320具有正輸入端，耦接至操作放大器310的正輸出 端outp;負(fù)輸入端，l禺4妄至才喿作》支大器310的負(fù)專俞出端outn;以及 輸出端，耦接至鎖存器330。比較器320的輸出信號(hào)C一OUT輸入 至鎖存器330。
鎖存器330接收比較器320的輸出信號(hào)C—OUT，以輸出數(shù)字 信號(hào)D1。鎖存器330受控于時(shí)鐘信號(hào)phl。
反相器340將數(shù)字信號(hào)Dl反相成另一數(shù)字信號(hào)D1B。也就是， 婆丈字4言號(hào)Dl與D1B互為反相。
計(jì)數(shù)器350對(duì)數(shù)字信號(hào)Dl計(jì)數(shù)，以產(chǎn)生計(jì)數(shù)結(jié)果BOUT[N:l]。開關(guān)361的一端耦接至電壓源(V1+V2)/2，其另一端耦4妄至電 容371與開關(guān)362。開關(guān)361的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)phl。
開關(guān)362的一端|禹*接至電壓源V2，其另一端l禹4姿至電容371 與開關(guān)361。開關(guān)362的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)ph2。
開關(guān)363的一端耦接至電壓源(V1+V2)/2，其另一端耦4妄至電 容372與開關(guān)366。開關(guān)363的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)phl。
開關(guān)364的一端井禹4妄至電壓源VI，其另一端井馬4妄至開關(guān)365 與366。開關(guān)364的導(dǎo)通狀態(tài)受控于數(shù)字信號(hào)D1B。
開關(guān)365的一端茅禺4妾至電壓源V2,其另一端并禺4妄至開關(guān)364 與366。開關(guān)365的導(dǎo)通狀態(tài)受控于數(shù)字信號(hào)Dl。
開關(guān)366的一端耦4妄至電容372與開關(guān)363，其另一端耦4妄至 開關(guān)364與365。開關(guān)366的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)ph2。開關(guān) 364 366用于一夸電壓源VI與V2之一傳送至電容372。
開關(guān)367的一端井禹4妄至電壓源V3,其另一端井禹4妄至開關(guān)368、 電容371與372。開關(guān)367的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)phl。
開關(guān)368的一端耦4妄至開關(guān)367、電容371與372，其另一端 耦4妄至才喿作方文大器310的正豐俞入端inp與電容374。開關(guān)368的導(dǎo) 通習(xí)犬,態(tài)受4空于日寸4中4言號(hào)ph2。 ot匕夕卜，開關(guān)361~368 ^乂^電容371 372 也可稱為開關(guān)-電容電路，其耦接至操作放大器310的輸入端inp。 該開關(guān)-電容電路受控于時(shí)鐘信號(hào)phl、時(shí)鐘信號(hào)ph2、數(shù)字信號(hào)D1 與D1B。
開關(guān)369的一端津禺4妾至電壓源V3，其另一端津禺4妻至節(jié)點(diǎn)nr。 開關(guān)369的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)phl。
13開關(guān)370的一端耦接至節(jié)點(diǎn)nr,其另 一端耦接至操作放大器310 的負(fù)輸入端inn與電容373。開關(guān)370的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào) ph2。
電容371的一端耦4妄至開關(guān)361與362，其另一端耦接至開關(guān) 367、 368與電容372。
電容372的一端津禺4妄至開關(guān)363與366，其另一端壽禺4妄至開關(guān) 367、 368與電容371。
電容373耦接于才喿作放大器310的負(fù)輸入端inn與正f命出端 outp之間，以作為回4受電^各。
電容374耦接于操作放大器310的正輸入端inp與負(fù)輸出端 outn之間，以4乍為回4受電路。
電容375的一端l禺4妄于節(jié)點(diǎn)nx,其另一端庫禺4妄至開關(guān)369、370。
電容371， 372與375的電容值為Cl;而電容373與374的電
容^f直為C2。
此夕卜，電容375與開關(guān)369 370也可稱為開關(guān)-取樣-電容電^各， 其具有輸入端，耦接至電容式分壓電路380的Cs電容的一端nx; 以及輸出端，耦接至操作放大器的輸入端inn。該開關(guān)-耳又樣-電容電 ^各受控于時(shí)新M言號(hào)phl與ph2，以取^羊電容Cx的端點(diǎn)電壓Vx。
電容式分壓電路380包括開關(guān)381-383與電容Cs與Cx。電 容式分壓電^各380相同或相似于第 一 實(shí)施例的電容式分壓電^各120 ， 因而在本文中省略其細(xì)節(jié)。偏壓電路390用于產(chǎn)生電荷變化量(V2-V1)C1，以將該電荷變化量耦合到節(jié)點(diǎn)nr上。也就是，在一個(gè)完整的時(shí)鐘周期時(shí)間后，電容式分壓電路380和偏壓電路390會(huì)將(Vx-Vl)Cl的電荷變化量耦合至節(jié)點(diǎn)nr。偏壓電路390包括開關(guān)391 392，以及電容393。電容393的電容^f直為Cl。
開關(guān)391的一端耦接至電壓源VI,其另一端耦接至電容393。開關(guān)391的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)phl。
開關(guān)392的一端耦接至電壓源V2，其另一端耦接至電容393。開關(guān)392的導(dǎo)通狀態(tài)受控于時(shí)鐘信號(hào)ph2。
電容393的一端井禺4秦至開關(guān)391與392,其另一端津禺4妻至節(jié)點(diǎn)電壓Vr。
現(xiàn)在請同時(shí)參照圖3與圖4,以了解本實(shí)施例的電容值測量電路的操作。
在本實(shí)施例中，開關(guān)的切換會(huì)導(dǎo)致電壓Vx產(chǎn)生變化。電壓Vx輸入至ADC 305以得到數(shù)字值BOUT[N:l]。由此得知待測電容Cx的電容值。
現(xiàn)在將說明如何得知輸入至ADC 305的電壓值Vx。
在時(shí)鐘信號(hào)phl轉(zhuǎn)態(tài)前后(也就是時(shí)鐘信號(hào)ph2轉(zhuǎn)態(tài)前后)，節(jié)點(diǎn)nx的電荷應(yīng)相等。因此，節(jié)點(diǎn)nx的電荷滿足y厶式(5):
(72 - F3)C1 + (72 - F2)Cy+(F2 - Fc)Cx = (「x(s) - K3)C1 + (, - n)Cs + (啤)-Fc)Cc (5 )在公式(5)中，等式左邊代表的是時(shí)鐘信號(hào)phl轉(zhuǎn)態(tài)前在節(jié)點(diǎn)
nx的電荷，而等式右邊代表的是時(shí)鐘信號(hào)phl轉(zhuǎn)態(tài)后在節(jié)點(diǎn)nx的
15電荷。其中，Vx(s)代表當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)ph2為致能時(shí)的電壓Vx。也即，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)ph2為致能時(shí)，在本實(shí)施例中，ADC 305會(huì)對(duì)電壓Vx進(jìn)行取樣-保持，以得到電壓Vx(s)。 Vx(s)如公式(6)所表示
Fx (s) = ~^-^-
(6)
當(dāng)比較器320的輸出信號(hào)C_OUT為0時(shí)，數(shù)字信號(hào)Dl為非致能(低電位)，且數(shù)字信號(hào)D1B為致能(高電位)。當(dāng)比較器320的輸出信號(hào)C—OUT為0時(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)phi轉(zhuǎn)態(tài)前后(也即時(shí)鐘信號(hào)ph2轉(zhuǎn)態(tài)前后)，操作放大器310的輸入端inn的電荷應(yīng)相等。因而輸入端inn的電荷可表示為/^式(7):C2 + (F3 — F2)C1 + [F3 -帥)]C1
其中，voutp(i-0."與voutp(i)分別代表在第(i-0.5)個(gè)時(shí)鐘與第i個(gè)時(shí)4中的節(jié)點(diǎn)電壓voutp 。
相似地，當(dāng)比較器320的輸出信號(hào)C—OUT為0時(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)phi轉(zhuǎn)態(tài)前后(也即時(shí)鐘信號(hào)ph2轉(zhuǎn)態(tài)前后)，纟喿作i文大器310的輸入端inp的電荷應(yīng)相等。因此llr入端inp的電荷可表示為/^式(8):
「n (" + K2)]C1 +F3 —(Kl + 「2)_
_ 2 _2 _C2+ F3-、'…"C1+ 、'…"Cl=[73 - v她(/)]C2 + (73 - K2)C1 + (F3 - ")C1
(8)
其中，voutn(i-0.5)與voutn(i)分別代表在第(i-0.5)個(gè)時(shí)鐘與第i個(gè)時(shí)4中的節(jié)點(diǎn)電壓voutn。
將(7)和(8)兩式相減后得到公式(9):
16<formula>formula see original document page 17</formula>
因?yàn)椴?作;改大器310的差動(dòng)車lr出電壓vout為正l敘出電壓voutp和負(fù)輸出電壓voutn的差值，7>式(9)可改寫成7>式(10):<formula>formula see original document page 17</formula>
其中，△ vout(+)代表當(dāng)D1=0時(shí)的操作放大器310的輸出電壓vout的電壓變化量。由公式(10)可知，△ vout(+)為正值(因?yàn)閂l〉Vx(s))。也即，當(dāng)D1二0時(shí)，輸出電壓vout會(huì)變高。
同理，可推得當(dāng)Dl=l時(shí)的才喿作》文大器310的輸出電壓vout的電壓變4匕量△ vout(-)如^^式(1 l)所示
<formula>formula see original document page 17</formula>
由7>式(11)可知，Avout(-)為負(fù)值(因?yàn)閂2<Vx(s))。也即，當(dāng)Dl=l時(shí)，輸出電壓vout會(huì)變4氐。
在k個(gè)時(shí)鐘周期(k為正整數(shù))內(nèi)，若數(shù)字信號(hào)Dl為1的時(shí)鐘周期數(shù)為m而Dl為0的時(shí)鐘周期數(shù)為n(m+n=k, m與n均為正整數(shù))，則操作放大器310的差動(dòng)輸出電壓vout可表示為/>式(12):
<formula>formula see original document page 17</formula>
此時(shí)操作放大器310的差動(dòng)輸出電壓vout(k)也可表示為原始電壓vout(0)力口上差《直電壓 verr, 如公式(13)所示
<formula>formula see original document page 17</formula>將公式(10)和(11)代入公式(12),解公式(12)和(13)可得
<formula>formula see original document page 18</formula>
若C2 ，則Vx(s)可近4以于
<formula>formula see original document page 18</formula>
將公式(6)代入公式(15),可得待測電容Cx、已知電容Cs、 n,m和Cl的關(guān)系式力口下
附<formula>formula see original document page 18</formula>
(16)
這樣，本實(shí)施例的電容值測量電路可根據(jù)數(shù)值m、 n及已知電容Cs、 Cl,而測量出待測電容Cx及其變化量。
在圖4中，Tclk代表時(shí)鐘信號(hào)周期，而(i-0.5)Tclk與(i)Tclk分別代表第(i-0.5)個(gè)時(shí)鐘周期與第(i)個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)ph2為致能時(shí)，會(huì)對(duì)電壓Vx進(jìn)行取樣。該取樣結(jié)果會(huì)對(duì)操作放大器310的輸出電壓vout產(chǎn)生影響。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)ph2為致能時(shí)，電壓Vx會(huì)變大，并將電荷變化量(Vx-V2)Cl耦合到節(jié)點(diǎn)nr，同時(shí)偏壓電路390也將電荷變化量(V2-V1)C1耦合到節(jié)點(diǎn)nr上。也就是，節(jié)點(diǎn)nr在一個(gè)完整的時(shí)鐘周期時(shí)間后^皮耦合的電荷變化量為(Vx-Vl)Cl。因?yàn)閂l〉Vx,所以，節(jié)點(diǎn)nr的節(jié)點(diǎn)電荷變^匕量為負(fù)^"直，電壓Vr會(huì)變小。因而，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)ph2為致能時(shí)，輸出電壓vout會(huì)有正積分效應(yīng)(也即升高)以維持節(jié)點(diǎn)nr的電荷守恒，如圖4的時(shí)序點(diǎn)410與420
18所示。時(shí)序點(diǎn)410代表對(duì)電壓Vx進(jìn)4亍取才羊，而時(shí)序點(diǎn)420則代表輸出電壓vout^皮升高(其電壓變化量為Avout(+))。
當(dāng)操作放大器310的輸出電壓vout高于臨界值(0V)時(shí)，將使得比較器320的輸出信號(hào)C—OUT變?yōu)?,如時(shí)序點(diǎn)430所示。由于比較器320的輸出信號(hào)C—OUT變?yōu)?，所以，鎖存器的輸出信號(hào)Dl也會(huì)變?yōu)閘，如時(shí)序點(diǎn)440所示。由于輸出信號(hào)Dl為l(輸出信號(hào)D1B為0)，如上述那樣，輸出電壓vout會(huì)降低(其電壓變化量為Avout(-)),且會(huì)小于O,如時(shí)序點(diǎn)450所示。
由于在時(shí)序點(diǎn)450時(shí)，l俞出電壓vout會(huì)小于0,所以，隨后，比較器320的輸出信號(hào)C—OUT會(huì)轉(zhuǎn)態(tài)為0而數(shù)字信號(hào)Dl也轉(zhuǎn)態(tài)為0,使得輸出電壓vout再次被正積分。依此方式，即可得知數(shù)字信號(hào)Dl為1的時(shí)鐘周期數(shù)與數(shù)字信號(hào)Dl為0的時(shí)鐘周期數(shù)，并乂人而4,出電容Cx的電容<直。
第二實(shí)施例的電容值測量電路可應(yīng)用于電容式開關(guān)、電容式觸控面板、電容式顯示觸控面板等。當(dāng)使用者操作電容式開關(guān)時(shí)，其內(nèi)部的待測電容Cx的電容值會(huì)隨著使用者的操作而改變；通過電容值測量電路來測量電容Cx的電容值變化，即可得知使用者是否按下電容式開關(guān)。此外，當(dāng)使用者操作電容式觸控面板或電容式顯示觸控面板時(shí)，其內(nèi)部的待測電容Cx的電容值會(huì)隨著使用者的按下而改變；通過電容值測量電路來測量電容Cx的電容值變化，即可得知使用者的按壓位置。
此外，在本發(fā)明第一與第二實(shí)施例中，由于三角積分ADC具有耳又樣-保持的功能，因而，在本發(fā)明第一與第二實(shí)施例的電容值測量電路中，并不需要取樣-保持電^各。然而，本發(fā)明并不局限于此。如果電容值測量電i 各所用的ADC并不具有:f又樣-保持的功能，則在電容值測量電路中，需要取樣-保持電路。該取樣-保持電路對(duì)電壓
Vx(或是電壓Vl-Vx)取樣-保持后，將取樣-保持結(jié)果送至ADC。
此外，在本發(fā)明第一與第二實(shí)施例中，由于操作放大器為差動(dòng)
;故大器，因此可抑制共才莫，噪聲(common noise)。 [第三實(shí)施例]
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的電子裝置的功能模塊示意 圖。該電子裝置例如但不局限于，具有觸控屏幕的凄t碼相才幾。該電 子裝置包括傳感器510、多工器520與ADC530。
傳感器510例如但不限于，光傳感器、傾斜傳感器(tilt sensor)、 溫度傳感器與濕度傳感器。傳感器510可感測外界環(huán)境，并將其轉(zhuǎn) 換為模擬電壓。該模擬電壓通過ADC530轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由后 端的處理才莫塊判斷該如何依據(jù)ADC的輸出信號(hào)來控制電子裝置。
例如，傳感器510包括光傳感器。如果光傳感器感測到外界光 源為黑暗，則后端處理模塊可令電子裝置進(jìn)入低耗量模式。但當(dāng)光 傳感器感測到外界光源為明亮?xí)r，光傳感器的輸出電壓有變化，因 此，后端處理一莫塊可使電子裝置進(jìn)入正常操作模式。
再例如，傳感器510包括傾斜傳感器。如果傾斜傳感器感測到 電子裝置被傾斜/旋轉(zhuǎn)某個(gè)角度(比如，使用者將電子裝置傾斜/旋轉(zhuǎn) 90度)，則其所輸出的電壓會(huì)有所變化，則后端處理4莫塊可^f吏電子 裝置的屏幕顯示畫面配合該傾斜/旋轉(zhuǎn)角度，以方使/使用者觀看屏幕 顯示畫面。
20又例如，傳感器510包括溫度傳感器或濕度傳感器。根據(jù)溫度 傳感器或濕度傳感器對(duì)外界環(huán)境的感測結(jié)果，后端處理模塊可令電 子裝置進(jìn)行最佳化調(diào)整。
可根據(jù)需要，將所需的傳感器加入到電子裝置內(nèi)。這樣，電子 裝置具有智能(smart)操作的優(yōu)點(diǎn)。
多工器520用于從電壓Vx或傳感器的輸出信號(hào)中擇一地輸出 給ADC 530。
ADC 530可相同或相似于第一實(shí)施例或第二實(shí)施例的ADC, 因而在此不重述其細(xì)節(jié)。在第三實(shí)施例中，Vx即為第一或第二實(shí) 施例的待測電容Cx的電壓，其可用于檢測使用者的觸控點(diǎn)位置。 在本發(fā)明第三實(shí)施例中，由于觸控屏幕與傳感器共享ADC，因而， 電子裝置具有電路面積縮小的優(yōu)點(diǎn)。
此夕卜，第 一 實(shí)施例或第二實(shí)施例的電容值測量電路的內(nèi)部元件 可根據(jù)情況需要而加入至第三實(shí)施例的電子裝置內(nèi)，這些均在本發(fā) 明范圍內(nèi)。
綜上所述，雖然本發(fā)明已以實(shí)施例纟皮露如上，然而其并非用于 限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā) 明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)可作各種變化與4奮改。因此，本發(fā)明的保 護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以所附權(quán)利要求限定的范圍為準(zhǔn)。
主要組件符號(hào)說明
110:模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 120:電容式分壓電路
121 123:開關(guān) 130:處理才莫塊
21Cs、 Cx: 電容 310:，喿作^:大器 330:鎖存器 350:計(jì)數(shù)器 371~375:電容 381 383:開關(guān) 391 392:開關(guān) 410 450:時(shí)序點(diǎn) 520:多工器
305:模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 320:比纟交器 340:反相器 361-370:開關(guān) 380:電容式分壓電3各 390:偏壓電路 393:電容 510:傳感器
530: ADC。
權(quán)利要求
1.一種電容值測量電路，包括電容式分壓電路，包括開關(guān)電路、第一電容與第二電容，所述開關(guān)電路耦接至所述第一電容與所述第二電容，所述開關(guān)電路受控于第一時(shí)鐘信號(hào)與第二時(shí)鐘信號(hào)，所述第二時(shí)鐘信號(hào)為所述第一時(shí)鐘信號(hào)的反相信號(hào)，所述開關(guān)電路的導(dǎo)通狀態(tài)使得所述第一電容的第一端的電壓變化量耦合至所述第二電容的第一端；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，耦接至所述電容式分壓電路，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將所述第二電容的第一端的電壓轉(zhuǎn)換成第一數(shù)字信號(hào)；以及處理模塊，耦接至所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，所述處理模塊根據(jù)所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第一數(shù)字信號(hào)與所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的參數(shù)，以檢測出所述第二電容的電容值及其變化量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容值測量電路，其中，所述電容式分 壓電路的所述開關(guān)電路包括第一開關(guān)，其第一端耦接至第一電壓源，其第二端耦接 至所述第二電容的第一端，所述第一開關(guān)的導(dǎo)通受控于所述第 一時(shí)鐘信號(hào)；第二開關(guān)，其第一端耦接至所述第一電壓源，其第二端 耦接至所述第一電容的第一端，所述第二開關(guān)的導(dǎo)通受控于所 述第一時(shí)鐘信號(hào)；以及第三開關(guān)，其第一端耦接至第二電壓源，其第二端耦接 至所述第一電容的第一端，所述第三開關(guān)的導(dǎo)通受控于所述第 二時(shí)鐘信號(hào)；其中，所述第一電容的第二端耦接至所述第二電容的第 一端，所述第二電容的所述第二端耦接至第三電壓源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容值測量電路，其中所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的參數(shù)包括所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 的分辨率與轉(zhuǎn)換電壓區(qū)間；以及所述處理才莫塊進(jìn)一步依據(jù)所述第一電壓源的電壓值、所 述第二電壓源的電壓值與所述第 一 電容的電容值、所述沖莫擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換器的分辨率、所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換電壓區(qū)間與所 述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第一數(shù)字信號(hào)，以檢測出所述第二電容的 電容值及其變化量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容值測量電路，進(jìn)一步包括偏壓電^各，耦接至所述電容式分壓電^各與所述才莫擬凄t字 轉(zhuǎn)換器，所述偏壓電路用于施加偏壓至第一節(jié)點(diǎn)上，使得所述 第 一節(jié)點(diǎn)的電壓與所述偏壓與所述第二電容的第 一端的電壓 有關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容值測量電路，其中，所述模擬數(shù)字 轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)-取樣-電容電路，具有第一輸入端，耦接至所述電 容式分壓電if各的所述第二電容的第一端；以及輸出端；所述開 關(guān)_取樣_電容電路受控于所述第一時(shí)鐘信號(hào)與所述第二時(shí)鐘信號(hào)，以取樣所述電容式分壓電路的所述第二電容的第一端的 電壓；操作放大器，具有第一輸入端，耦接至所述開關(guān)-取樣 電容電^各的llr出端；第二llr入端；第一llr出端與第二l餘出端；比較器，具有第一輸入端，耦接至所述操作放大器的 第一輸出端；第二輸入端，耦接至所述操作放大器的第二輸出 端；以及輸出端，輸出第二數(shù)字信號(hào)；鎖存器，接收所述比較器所輸出的所述第二數(shù)字信號(hào)， 在所述第一時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)下，所述鎖存器將所述第二數(shù)字信 號(hào)輸出成第三數(shù)字信號(hào)；反相器，將所述第三數(shù)字信號(hào)反相；計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)所述第三數(shù)字信號(hào)，以產(chǎn)生所述第一數(shù)字 信號(hào)；以及開關(guān)-電容電路，耦接至所述操作放大器的第二輸入端， 受控于所述第一時(shí)鐘信號(hào)、所述第二時(shí)鐘信號(hào)、所述第三數(shù)字 信號(hào)與所述第三數(shù)字信號(hào)的反相信號(hào)。
6. —種電子裝置，包括待測電容，用于輸出4寺測電壓； 傳感器，用于輸出感測信號(hào)；多工器，耦接至所述待測電容與所述傳感器，以輸出所 述待測電壓與所述感測信號(hào)之一；以及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，耦接至所述多工器，用于將所述待測 電壓或所述感測信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)，所述數(shù)字輸出信號(hào) 代表所述待測電容的電容值及其變化量，或者代表所述傳感器 的感測結(jié)果。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子裝置，進(jìn)一步包括觸控屏幕，其中，所述待測電容位于所述觸控屏幕內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電容值測量電路，包括電容式分壓電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)與處理模塊。電容式分壓電路包括開關(guān)電路、已知電容與待測電容。開關(guān)電路受控于第一與第二時(shí)鐘信號(hào)。開關(guān)電路的導(dǎo)通狀態(tài)使得已知電容的第一端的電壓變化量耦合至待測電容的第一端。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將待測電容的第一端的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。處理模塊根據(jù)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的參數(shù)，以檢測出待測電容的電容值及其變化量。本發(fā)明還涉及應(yīng)用該電容值測量電路的電子裝置，其用于測量待測電容的電容值。
文檔編號(hào)G01R27/26GK101666830SQ20081021397
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月1日
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