本發(fā)明涉及用于電容感應(yīng)識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種感應(yīng)電容測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

目前，電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于投射電容式觸摸屏、觸摸板以及指紋識(shí)別等人機(jī)交互應(yīng)用中，其原理是通過(guò)感應(yīng)電容測(cè)量裝置將電容值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)量(電壓、電流等)。對(duì)于觸摸屏應(yīng)用來(lái)說(shuō)，手指按壓會(huì)引起相應(yīng)位置感應(yīng)電容的大小發(fā)生變化，感應(yīng)電容測(cè)量裝置輸出的電信號(hào)大小也相應(yīng)地與無(wú)觸摸時(shí)不同，從而判斷是否發(fā)生觸摸及其位置信息。對(duì)于電容式指紋識(shí)別傳感器來(lái)說(shuō)，指紋谷和脊與傳感器形成的電容大小不同，感應(yīng)電容測(cè)量裝置檢測(cè)到的電信號(hào)輸出也不相同。

電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)在無(wú)觸摸時(shí)會(huì)存在一個(gè)固有電容，本發(fā)明中稱為“背景電容”。發(fā)生觸摸后，感應(yīng)電容的電容值會(huì)在固有電容的基礎(chǔ)上發(fā)生相應(yīng)的變化。從以上原理可以看出，電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)的有效動(dòng)態(tài)范圍為檢測(cè)電容的變化量。觸摸屏系統(tǒng)為觸摸前后電容的差值，而指紋識(shí)別系統(tǒng)為指紋谷和脊電容的差值。提高感應(yīng)電容測(cè)量裝置的增益可以增大系統(tǒng)的有效動(dòng)態(tài)范圍。

在某些應(yīng)用下，感應(yīng)電容測(cè)量裝置會(huì)先后檢測(cè)不同狀態(tài)下的電容值，即分別檢測(cè)背景電容和觸摸發(fā)生后引入的感應(yīng)電容，并且通過(guò)后續(xù)處理電路或者軟件進(jìn)行差值處理。

在另一些應(yīng)用下，感應(yīng)電容測(cè)量裝置會(huì)同時(shí)檢測(cè)不同條件下的電容值，即同時(shí)檢測(cè)背景電容和觸摸發(fā)生后引入的感應(yīng)電容。

圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)電容測(cè)量裝置100的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，所述感應(yīng)電容測(cè)量裝置100包括放大器11、前端反饋電容cf、第一開關(guān)s1以及第一脈沖信號(hào)vdrv。所述放大器11包括第一輸入端、第二輸入端以及輸出端。電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)的感應(yīng)電容cs與所述放大器11的第一輸入端相連；第一脈沖信號(hào)與所述放大器11的第二輸入端相連。前端反饋電容cf和第一開關(guān)s1并聯(lián)連接在所述放大器11的第一輸入端與輸出端之間。假設(shè)背景電容為cb，需要檢測(cè)的電容變化量為cδ，a為感應(yīng)電容測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)換增益，感應(yīng)電容測(cè)量裝置將電容轉(zhuǎn)換為電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以簡(jiǎn)單表示為：

vout＝a*(cb+cδ)

vout＝a*(cb+cδ)

由于感應(yīng)電容測(cè)量裝置輸出幅值受限，vout<＝vh_limit,因此感應(yīng)電容測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)換增益的最大值amax為：

可以看到，由于存在“背景電容”，感應(yīng)電容測(cè)量裝置并不能直接放大檢測(cè)電容的變化量，如果僅僅增加感應(yīng)電容測(cè)量裝置的增益，會(huì)使感應(yīng)電容測(cè)量裝置飽和。在檢測(cè)電容的變化量相對(duì)于電容的絕對(duì)值很小的時(shí)候，這通常會(huì)使得系統(tǒng)有效動(dòng)態(tài)范圍變小，感應(yīng)電容測(cè)量裝置無(wú)法有效地通過(guò)增大增益來(lái)提高系統(tǒng)的輸入信號(hào)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種感應(yīng)電容測(cè)量裝置，以提高電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種感應(yīng)電容測(cè)量裝置，用于檢測(cè)電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)的感應(yīng)電容，包括：放大器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端；前端反饋電容，連接在所述放大器的第一輸入端和輸出端之間；第一開關(guān)，連接在所述放大器的第一輸入端和輸出端之間；第一脈沖信號(hào)，與所述放大器的第二輸入端連接；補(bǔ)償電路，與所述放大器的第一輸入端連接，在所述第一開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，給所述感應(yīng)電容提供電荷。

優(yōu)選地，所述第一脈沖信號(hào)的控制周期包括第一時(shí)間周期和第二時(shí)間周期；所述第一脈沖信號(hào)在控制周期內(nèi)進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)時(shí)，所述第一開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài)；所述第一脈沖信號(hào)在第一時(shí)間周期以及第二時(shí)間周期結(jié)束時(shí)，所述第一開關(guān)從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述補(bǔ)償電路包括第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、補(bǔ)償電容以及第二脈沖信號(hào)；所述第二脈沖信號(hào)經(jīng)由串聯(lián)連接的所述第二開關(guān)和所述補(bǔ)償電容提供給所述放大器的第一輸入端；第一電壓經(jīng)由第三開關(guān)提供給所述第二開關(guān)和所述補(bǔ)償電容的公共點(diǎn)；

所述第四開關(guān)連接在在所述第二開關(guān)和所述補(bǔ)償電容之間的公共點(diǎn)與接地端之間，所述第二脈沖信號(hào)與所述第一脈沖信號(hào)同步。

優(yōu)選地，所述第一開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所述第二開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；所述第一開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，所述第二開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述第一脈沖信號(hào)在控制周期內(nèi)從低電平翻轉(zhuǎn)到高電平時(shí)，所述第三開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài)，在控制周期結(jié)束時(shí)，所述第三開關(guān)從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換成導(dǎo)通狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述第三開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所述第四開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；所述第三開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，所述第四開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述感應(yīng)電容測(cè)量裝置還包括：補(bǔ)償校準(zhǔn)模塊，用于根據(jù)所述放大器的輸出端的信號(hào)對(duì)所述補(bǔ)償電路的第二脈沖信號(hào)或補(bǔ)償電容進(jìn)行調(diào)整以調(diào)整補(bǔ)償電路的補(bǔ)償量。

優(yōu)選地，所述補(bǔ)償校準(zhǔn)模塊包括：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，連接到所述放大器的輸出端；以及數(shù)字控制單元，連接在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器與所述補(bǔ)償電路之間，用于經(jīng)由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器從放大器的輸出端接收輸出電壓，根據(jù)背景電容的大小來(lái)調(diào)整第二脈沖信號(hào)或補(bǔ)償電容以調(diào)整補(bǔ)償電路的補(bǔ)償量。

優(yōu)選地，所述補(bǔ)償電路的補(bǔ)償量是在背景電容量化階段進(jìn)行的。

優(yōu)選地，所述電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)用于指紋識(shí)別裝置，在所述背景電容量化階段將指紋谷或指紋脊與指紋識(shí)別裝置的觸摸表面之間的電容量化為背景電容。

優(yōu)選地，所述電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)用于觸摸屏，在所述背景電容量化階段將觸摸屏的觸摸表面在未被觸摸時(shí)的耦合電容量化為背景電容。

優(yōu)選地，所述第一輸入端為負(fù)輸入端，所述第二輸入端為正輸入端。

優(yōu)選地，所述第一輸入端為正輸入端，所述第二輸入端為負(fù)輸入端。

本發(fā)明提供的感應(yīng)電容測(cè)量裝置，用于檢測(cè)電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)的感應(yīng)電容，通過(guò)在放大器的輸入端設(shè)置一補(bǔ)償電路對(duì)背景電容進(jìn)行補(bǔ)償，使放大器只量化/放大感應(yīng)電容的變化量，極大的提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例的附圖作簡(jiǎn)單介紹，顯而易見(jiàn)地，下面的描述中的附圖僅涉及本發(fā)明的一些實(shí)施例，而非對(duì)本發(fā)明的限制。

圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)電容測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的感應(yīng)電容測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的感應(yīng)電容測(cè)量裝置的信號(hào)時(shí)序圖。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例提供的感應(yīng)電容測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。顯然所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；谒枋龅谋景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的感應(yīng)電容測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的感應(yīng)電容測(cè)量裝置的信號(hào)時(shí)序圖。如圖2和圖3所示，所述感應(yīng)電容測(cè)量裝置200包括放大器21、前端反饋電容cf、第一開關(guān)s1、第一脈沖信號(hào)vdrv以及補(bǔ)償電路22。

其中，所述放大器21包括第一輸入端、第二輸入端以及輸出端。例如，放大器21可以為普通的差分放大器，其第一輸入端可以為負(fù)輸入端，第二輸入端可以為正輸入端，反之亦可。

電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)的感應(yīng)電容cs與所述放大器21的第一輸入端相連；第一脈沖信號(hào)vdrv與所述放大器21的第二輸入端相連。前端反饋電容cf和第一開關(guān)s1并聯(lián)連接在所述放大器21的第一輸入端與輸出端之間。感應(yīng)電容cs可以是觸摸面板上的感應(yīng)電容，觸摸會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電容cs發(fā)生變化。第一脈沖信號(hào)vdrv在整個(gè)控制周期tctrl內(nèi)都能重復(fù)利用系統(tǒng)電壓的滿量程。

補(bǔ)償電路22與所述放大器21的第一輸入端連接，在所述第一開關(guān)s1處于斷開狀態(tài)時(shí)，給所述感應(yīng)電容cs提供電荷。

在本實(shí)施例中，所述第一脈沖信號(hào)vdrv的控制周期tctrl包括第一時(shí)間周期ts1(即t0～t2時(shí)間段)和第二時(shí)間周期ts2(即t2～t4時(shí)間段)。所述第一脈沖信號(hào)vdrv在控制周期tctrl內(nèi)進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)時(shí)，所述第一開關(guān)s1從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài)。所述第一脈沖信號(hào)vdrv在第一時(shí)間周期ts1以及第二時(shí)間周期ts2結(jié)束時(shí)，所述第一開關(guān)s1從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。

具體地，在t1時(shí)刻，第一脈沖信號(hào)vdrv從低電平翻轉(zhuǎn)到高電平，此時(shí)，第一開關(guān)s1從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài)。

在t2時(shí)刻，即第一時(shí)間周期ts1結(jié)束時(shí)，第一開關(guān)s1從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。

在t3時(shí)刻，第一脈沖信號(hào)vdrv從高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，此時(shí)，第一開關(guān)s1從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài)。

在t4時(shí)刻，即第二時(shí)間周期ts2結(jié)束時(shí)，第一開關(guān)s1從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。

在本實(shí)施例中，所述補(bǔ)償電路22包括第二開關(guān)s2、第三開關(guān)s3、第四開關(guān)s4、補(bǔ)償電容cb以及第二脈沖信號(hào)vcb；所述第二脈沖信號(hào)vcb經(jīng)由串聯(lián)連接的所述第二開關(guān)s2和所述補(bǔ)償電容cb提供給所述放大器21的第一輸入端；第一電壓vdda經(jīng)由所述第三開關(guān)s3提供給所述第二開關(guān)s2和所述補(bǔ)償電容cb之間的公共點(diǎn)m；所述第四開關(guān)s4連接在在所述第二開關(guān)s2和所述補(bǔ)償電容cb之間的公共點(diǎn)m與接地端gnd之間，所述第二脈沖信號(hào)vcb與所述第一脈沖信號(hào)vdrv同步。所述第二脈沖信號(hào)vcb與所述第一脈沖信號(hào)vdrv的幅度相同或不同。

在本實(shí)施例中，所述第一開關(guān)s1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所述第二開關(guān)s2處于關(guān)斷狀態(tài)；所述第一開關(guān)s1處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，所述第二開關(guān)s2處于導(dǎo)通狀態(tài)。

其中，所述第一脈沖信號(hào)vdrv在控制周期tctrl內(nèi)從低電平翻轉(zhuǎn)到高電平時(shí)，所述第三開關(guān)s3從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài)，在控制周期tctrl結(jié)束時(shí)，所述第三開關(guān)s3從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換成導(dǎo)通狀態(tài)。

所述第三開關(guān)s3處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所述第四開關(guān)s4處于關(guān)斷狀態(tài)；所述第三開關(guān)s3處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，所述第四開關(guān)s4處于導(dǎo)通狀態(tài)。

該感應(yīng)電容測(cè)量裝置在第一脈沖信號(hào)vdrv的上升沿(t1時(shí)刻)和下降沿(t3時(shí)刻)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)后續(xù)處理對(duì)上升沿/下降沿(t1時(shí)刻/t3時(shí)刻)的檢測(cè)結(jié)果做差分處理，從而能夠?qū)ο到y(tǒng)的共模噪聲或低頻噪聲有效地抑制。

參照?qǐng)D2和圖3說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的工作原理。

具體而言，首先假設(shè)第一脈沖信號(hào)vdrv＝vmid±δv，其中，vmid＝vdda/2，vdda為電源電壓。

在t0～t1時(shí)間段，第一開關(guān)s1和第三開關(guān)s3處于導(dǎo)通狀態(tài)，第二開關(guān)s2和第四開關(guān)s4處于關(guān)斷狀態(tài)，電容上的總電荷為：

q1＝(vmid-δv)cs+(vdda-0)cb。

在t1～t2時(shí)間段，第一開關(guān)s1和第三開關(guān)s3處于關(guān)斷狀態(tài)，在t1時(shí)刻，第一脈沖信號(hào)vdrv從低電平翻轉(zhuǎn)成高電平，電容上的電荷進(jìn)行重新分配。根據(jù)電荷守恒原理，電容上的總電荷與t0～t1時(shí)間段的總電荷相等，則有：

(vmid+δv)cs+(vmid+δv-vdda)cb+(vmid+δv-vout)cf＝q1；

在t2～t3時(shí)間段，第一開關(guān)s1和第四開關(guān)s4處于導(dǎo)通狀態(tài)，第二開關(guān)s2和第三開關(guān)s3處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)，電容上的總電荷為：

q2＝(vmid+δv)cs+(0-vdda)cb。

在t3～t4時(shí)間段，第一開關(guān)s1和第四開關(guān)s4處于關(guān)斷狀態(tài)，在t3時(shí)刻，第一脈沖信號(hào)vdrv從高電平翻轉(zhuǎn)成低電平，電容上的電荷進(jìn)行重新分配。根據(jù)電荷守恒定理，電容上的總電荷與t2～t3時(shí)間段的總電荷相等，則有：

(vmid-δv)cs+(vmid-δv-0)cb+(vmid-δv-vout)cf＝q2；

設(shè)背景電容為cb，需要檢測(cè)的電容變化量為ct，從公式(1)和(2)可以看出，令即：則感應(yīng)電容測(cè)量裝置的輸出vout為：考慮到共模噪聲的抑制，可對(duì)公式(3)的結(jié)果進(jìn)行差分處理作為最終的電容量化輸出，即從公式(4)可以看出感應(yīng)電容測(cè)量裝置的輸出vout只與電容的變化量相關(guān)，而與背景電容無(wú)關(guān)。

本發(fā)明提供的感應(yīng)電容測(cè)量裝置，用于檢測(cè)電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)的感應(yīng)電容，通過(guò)在放大器的輸入端設(shè)置一補(bǔ)償電路對(duì)背景電容進(jìn)行補(bǔ)償，使放大器只量化/放大感應(yīng)電容的變化量，極大的提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，所述感應(yīng)電容測(cè)量裝置還包括補(bǔ)償校準(zhǔn)模塊23，用于根據(jù)所述放大器21的輸出端的信號(hào)vout對(duì)所述補(bǔ)償電路22的第二脈沖信號(hào)vcb或補(bǔ)償電容cb進(jìn)行調(diào)整以調(diào)整補(bǔ)償電路的補(bǔ)償量。

在本實(shí)施例中，所述補(bǔ)償校準(zhǔn)模塊23包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)231和數(shù)字控制單元232。其中，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器231連接到所述放大器21的輸出端；以及數(shù)字控制單元232連接在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器231與所述補(bǔ)償電路22之間，用于經(jīng)由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器231從放大器21的輸出端接收輸出電壓vout，根據(jù)背景電容cb的大小來(lái)調(diào)整第二脈沖信號(hào)vcb或補(bǔ)償電容cb以調(diào)整補(bǔ)償電路的補(bǔ)償量。

對(duì)于第二脈沖信號(hào)vcb的調(diào)整，例如，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac來(lái)實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。對(duì)于補(bǔ)償電容cb的調(diào)整，例如，通過(guò)電容陣列和開關(guān)選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。

在一些實(shí)施例中，對(duì)第二脈沖信號(hào)vcb或補(bǔ)償電容cb的調(diào)整可以在背景電容量化階段進(jìn)行。例如，對(duì)“背景電容”的補(bǔ)償可以在手指按下時(shí)和量化感應(yīng)電容的過(guò)程中進(jìn)行。背景電容的量化可以采用多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，對(duì)于指紋識(shí)別，在無(wú)觸摸發(fā)生時(shí)感應(yīng)電容為零，在手指接觸傳感器表面后指紋谷和指紋脊與傳感器形成的電容不同，因此可以將指紋谷或指紋脊與指紋識(shí)別裝置的觸摸表面之間的電容量化為背景電容。作為另一示例，對(duì)于觸摸屏，可以將觸摸屏的觸摸表面在未被觸摸時(shí)的耦合電容量化為背景電容。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，對(duì)于其他應(yīng)用，背景電容的量化可以以各種其他方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用于各種電容感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)，例如對(duì)于指紋識(shí)別、觸摸控制等均能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的有效控制。

以上所述僅是本發(fā)明的示范性實(shí)施方式，而非用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求確定。