專利名稱：電容量測(cè)電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種量測(cè)電容的電容值或是電容值的變化量的方法與電路，尤其 是有關(guān)于一種以電容積分電路量測(cè)電容的電容值或是電容值的變化量的方法 與電路。
背景技術(shù)：
美國專利6,466,036號(hào)中揭示一種如何利用電荷移轉(zhuǎn)技術(shù)用來偵測(cè)或是 量測(cè)待測(cè)電容的電容值變化的方法與電路。如圖(一)所示，該技術(shù)透過將待測(cè) 電容內(nèi)的電荷移轉(zhuǎn)到一個(gè)參考電容內(nèi)，經(jīng)過移轉(zhuǎn)多次之后，參考電容內(nèi)的電荷 會(huì)逐漸升高，參考電容的電壓也會(huì)跟著升高，藉由量測(cè)參考電容上的電壓變化， 因而計(jì)算待測(cè)電容的電容值變化。
該技術(shù)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是每次由待測(cè)電容移轉(zhuǎn)到參考電容電荷量都不相 同，后一次比前一次移轉(zhuǎn)較少的電荷，經(jīng)過累計(jì)多次之后，最后幾次移轉(zhuǎn)的電 荷相對(duì)第一次來說，己經(jīng)少很多，參考電容的電壓上升，越到后面變得上升越 慢，因此造成量測(cè)待測(cè)電容的時(shí)間較久及精確度較差等衍生的問題。
因此，本案的發(fā)明人研究出一種量測(cè)電容的電容值或是電容值的變化量的 方法與電路，尤其是有關(guān)于一種依一已知電容值及三個(gè)開關(guān)以電容積分電路量 測(cè)一未知電容的電容值或是其的變化量的方法與電路，其可改善現(xiàn)有技術(shù)中的 量測(cè)待測(cè)電容的時(shí)間較久及精確度較差的現(xiàn)狀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是關(guān)于一種量測(cè)電容的電容值或是電容值的變化量的方法與電路， 其利用電容積分電路，進(jìn)而達(dá)成高精確電容值或是電容值的變化量感測(cè)的目 的。
該方法至少包括(a)將該未知電容一端接地，另一端開路，同時(shí)，將該已 知電容兩端短路，并連接到一運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與輸出端；其中，該運(yùn)算放大器的正輸入端連接到一第一參考電壓；(b)將該已知電容兩端開路，該運(yùn) 算放大器的負(fù)輸入端連接到該己知電容的一端，該運(yùn)算放大器的輸出端連接到 該已知電容的另一端;(c)將該未知電容另一端連接到一第二參考電壓使該未知 電容充電至一預(yù)定電壓；(d)將該未知電容另一端開路；以及(e)將該未知電容 另一端以一模擬開關(guān)導(dǎo)通的方式與該運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端連接。
較佳的，該電路至少包括 一已知電容； 一第一參考電壓； 一不同于該第 一參考電壓的第二參考電壓； 一第一開關(guān)，其一端耦接于該未知對(duì)地電容未接 地的一端，控制對(duì)該未知對(duì)地電容充電到該第二參考電壓； 一第二開關(guān)，其一 端耦接于該未知對(duì)地電容未接地的一端，控制對(duì)該已知電容充電； 一第三開關(guān)， 控制對(duì)該已知電容放電； 一電容積分電路，包含該已知電容，運(yùn)算放大器，第 一參考電壓及該第三開關(guān)，使用該第一參考電壓量讓第二開關(guān)兩端有一個(gè)固定 的電壓差，提供一個(gè)固定電流對(duì)已知電容充電； 一電壓量測(cè)電路，用來量測(cè)運(yùn) 算放大器輸出端電壓，此電壓一為參考電容其中一端的電壓以及一信號(hào)處理及 控制電路，用來控制該第一、第二、第三開關(guān)，并對(duì)電壓量測(cè)電路的量測(cè)結(jié)果 做處理，以測(cè)該未知待測(cè)電容的電容值或是電容值的變化量。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)目的和功效，茲配合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明如后。


圖1A/1B為現(xiàn)有技術(shù)的示意圖； 圖2為用于本發(fā)明的實(shí)施例示意圖； 圖3為圖2的等效電路圖；以及 圖4為本發(fā)明的多信道實(shí)施例示意圖。 其中附圖標(biāo)記為
201, 201a， 201b， 202， 202a， 202b， 203 開關(guān)
204 電壓
206 運(yùn)算放大器
205 運(yùn)算放大器輸出端 207,211,211a, 211b 電容 208 電壓量測(cè)電路209 信號(hào)處理及控制電路
212 電壓
213， 213a, 213b 導(dǎo)體平面
220 參考電容積分電路
具體實(shí)施例方式
圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的電路圖。
本發(fā)明電路的一開關(guān)201用來對(duì)待測(cè)電容2U (如金屬導(dǎo)體平板對(duì)地的電 容)作初始化，該開關(guān)201導(dǎo)通時(shí)會(huì)初始化待測(cè)電容211的電位，將該待測(cè)電 容2U充電到一電壓212，初始化完成時(shí)，把該開關(guān)201斷開，讓待測(cè)電容211 兩端的電壓保持在該電壓212 。
本發(fā)明電路的一開關(guān)203用來對(duì)參考電容207作初始化，開關(guān)203導(dǎo)通時(shí) 會(huì)初始化參考電容207，將參考電容207兩端的電壓放電到0伏特，初始化完 成時(shí)，把開關(guān)203斷開。
其中，本發(fā)明主要特性是利用一參考電容積分電路220，來量測(cè)待測(cè)電容 211的電容值或是電容值的變化量。該待測(cè)電容可為一金屬球狀物或金屬平 板。電容積分電路220可以透過各種電路完成，本發(fā)明使用一個(gè)運(yùn)算放大器 206， 一個(gè)參考電壓204及一個(gè)參考電容207完成，參考電容207兩端連接到 運(yùn)算放大器206的反向輸入端及輸出端。
當(dāng)參考電容207充電完成時(shí)， 一電壓量測(cè)電路20.8用來量測(cè)運(yùn)算放大器輸 出端的電壓205，再經(jīng)由一信號(hào)處理及控制電路209處理所量測(cè)的信號(hào)，以計(jì) 算待測(cè)電容211的電容值或是電容值的變化量。該信號(hào)處理及控制電路其功能 包含三個(gè)開關(guān)組件的控制，控制啟動(dòng)電壓量測(cè)電路208，讀取電壓量測(cè)電路的 結(jié)果，及處理量測(cè)待測(cè)電容211的計(jì)算。
較佳者，該電壓量測(cè)電路208可為一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器或一比較器。該信號(hào) 處理及控制電路209可由微控制器，微處理器，數(shù)字信號(hào)處理器，F(xiàn)PGA，或 是集成電路中選擇一種。
較佳者，本發(fā)明電路可以由集成電路制造的方式做在一顆集成電路內(nèi)，亦 可以由數(shù)個(gè)集成電路所構(gòu)成。本發(fā)明電路亦可用來量測(cè)電容的電容值或是電容 值的變化量，也可以量測(cè)其它組件含有電容的特性的電容值或是電容值的變化
7量，特別適合量測(cè)任何物體的對(duì)地的電容值，包含人體的各個(gè)部位，因接觸或 是靠近某個(gè)感應(yīng)平面而產(chǎn)生電容值的變化量因此可運(yùn)用為觸碰式開關(guān)。而該觸 碰式開關(guān)可為多通道開關(guān)。
較佳者，本發(fā)明的待測(cè)電容211，可為一金屬平板或是集成電路的一個(gè)或
是一個(gè)以上的接腳所產(chǎn)生的電容，也可以是印刷電路板(PCB)上導(dǎo)線所形成的
寄生電容，或是將導(dǎo)線制作成圓形或是其它形狀所形成的電容，也可以是因人
體或是其它物體接觸或是靠近該印刷電路板(PCB)上導(dǎo)線或?qū)Ь€形成的平面 213所產(chǎn)生的電容。
較佳者，該參考電壓204，可以使用各種方式實(shí)現(xiàn)，可以在集成電路內(nèi)由 集成電路的電源產(chǎn)生，或是利用其它電阻、電容、晶體管等組件所實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生。 電壓204的電壓值可以是任意電壓，但是不同于參考電壓212。此參考電壓204 接在運(yùn)算放大器206的正端輸入，因運(yùn)算放大器206操作在負(fù)反饋的緣故，運(yùn) 算放大器206的正端與運(yùn)算放大器的負(fù)端為虛擬短路，所以運(yùn)算放大器206 的負(fù)端電壓相等于參考電壓204的電壓。
圖2的實(shí)施步驟如下，其中步驟a e見于圖三
a. 先將本實(shí)施例電路設(shè)定在一個(gè)初始化的狀態(tài)，開關(guān)201及202斷開， 開關(guān)203導(dǎo)通，將積分電路上的參考電容207初始化，將參考電容207上兩 端的電壓放電到OV;由圖3可知電容211開路，參考電容207短路；
b. 將開關(guān)203斷開，由圖3可知參考電容207開路；
c. 將開關(guān)201導(dǎo)通，將待測(cè)電容211初始化，待測(cè)電容上211的電壓充 電到參考電壓212-,
d. 將開關(guān)201斷開，由圖3可知電容211再次開路；
e. 將開關(guān)202導(dǎo)通一個(gè)固定時(shí)間(At)后，再將開關(guān)202斷開；
f. 重復(fù)步驟c，d，eN次之后，到下一步驟g;
g. 電壓量測(cè)電路208量測(cè)205的電壓值；以及
h. 利用電壓量測(cè)電路208的量測(cè)結(jié)果，以一信號(hào)處理及控制電路計(jì)算待測(cè) 電容211的電容值或是電容值的變化量。
此實(shí)施例的說明如下
一個(gè)金屬圓型導(dǎo)體平面213及連接此金屬圓型導(dǎo)體平面213到集成電路 的接腳上所產(chǎn)生的寄生電容211，當(dāng)人的手指靠近或是接近此金屬圓型導(dǎo)體平面213時(shí)，會(huì)增加待測(cè)電容211的電容值。所以量測(cè)待測(cè)電容211的電容值增 加的量，就可以判斷出是否人的手指是否靠近或是接近此金屬圓型導(dǎo)體平面 213。在執(zhí)行完步驟a， b參考電容207兩端的電壓為OV; 執(zhí)行完步驟c， d待測(cè)電容211對(duì)地的電壓為固定的電壓212; 執(zhí)行完歩驟e，參考電容207兩端的電壓會(huì)被充電到一個(gè)AV; 此AV=I*At/Cs;I為參考電壓212， 204相減，除以開關(guān)202導(dǎo)通時(shí)的電阻值。 At為開關(guān)202導(dǎo)通的時(shí)間； Cs為參考電容207的電容值。又因?yàn)榇郎y(cè)電容211執(zhí)行完步驟e所儲(chǔ)存的電荷變化量為A Qcx = Cx* A Vex = I* △ t;AQcx為待測(cè)電容211的電荷變化量；Cx為待測(cè)電容211的電容值；A Vex為At時(shí)間中,待測(cè)電容211上的電壓變化；所以A V=I* A t /Cs = Cx* A Vex / Cs。執(zhí)行完步驟f,參考電容207兩端的電壓會(huì)被充電到一個(gè)NAV;AVcs =N* A V=NI* A t /Cs = NCx* A Vcx/Cs。--------(公式一)A Vcs為參考電容207兩端的電壓變化。由(公式一)來看，參考電容207兩端的電壓會(huì)與Cx有關(guān)，所以當(dāng)N，A Vcx,Cs不變時(shí)，Cx改變，會(huì)改變參考電容207兩端的電壓差。執(zhí)行完步驟g，205的電壓值會(huì)被量到，因參考電容207其中一端接到運(yùn) 算放大器206的負(fù)端，此電壓因運(yùn)算放大器206虛擬短路的關(guān)系，會(huì)與運(yùn)算放 大器206的正端相同，為參考電壓204，參考電容207的另一端接到205，亦 即為電壓量測(cè)電路208所量到的電壓。所以，參考電容207兩端的電壓差又 等于參考電壓204與電壓量測(cè)電路208所量到的電壓相減的值，所以Vopout = Vb — AVcs = Vb — N* Cx *AVcx / Cs，Vopout為205的電壓值，Vb為參考電壓204，9直在監(jiān)控205 的電壓值，可以偵測(cè)到Cx的變化，進(jìn)而求得待測(cè)電容211的電容值或是電 容值的變化量。此特性有如下的優(yōu)點(diǎn)1. 因?yàn)殡娙莘e分電路220的參考電容207的電壓是線性改變，所以只要控 制N的大小，就可以很容易控制電容積分電路220的參考電容207的電壓在 一個(gè)范圍內(nèi)，電壓量測(cè)電路208可以量到比較精確的電壓值。2. 改變電容積分電路220的參考電容207的電容值大小，就可以改變AV 大小，因?yàn)椤?V=I At/Cs = Cx AVcx/Cs， AV與Cs成反比，Cs愈小則AV愈大， AV愈大，則N就可以較小，則量測(cè)待測(cè)電容221的電容值的時(shí)間就可以縮短。3. 因?yàn)殡娙莘e分電路220的參考電容207的電壓是線性改變，所以容易控 制及處理，且分辨率也比較高。同理，本發(fā)明的運(yùn)作原理亦可運(yùn)用于多通道的未知電容測(cè)量如圖四所示， 圖四增加一組未知電容21 la/b及開關(guān)201a/b及202a/b，當(dāng)開關(guān)201a/b及202a/b 被四個(gè)交錯(cuò)的頻率所驅(qū)動(dòng)則熟于該項(xiàng)技藝者可輕易依前述揭示內(nèi)容測(cè)得未知 電容211a/b的電容值或變化量在此不再贅述。雖然本發(fā)明己以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，在不 背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作 出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán) 利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種以一已知電容量測(cè)-未知對(duì)地電容的方法，其特征在于，至少包含(a)將該未知電容一端接地，另一端開路，同時(shí)，將該已知電容兩端短路，并連接到一運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與輸出端；其中，該運(yùn)算放大器的正輸入端連接到一第一參考電壓；(b)將該已知電容兩端開路，該運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端連接到該已知電容的一端，該運(yùn)算放大器的輸出端連接到該已知電容的另一端；(c)將該未知電容另一端連接到一第二參考電壓使該未知電容充電至一預(yù)定電壓；(d)將該未知電容另一端開路；以及(e)將該未知電容另一端以一模擬開關(guān)導(dǎo)通的方式與該運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的方法，其特征在于，進(jìn)一步 包含(f) 重復(fù)(c)、 (d)、 (e) —預(yù)定次數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的方法，其特征在于，進(jìn)一步 包含(g) 提供一 電壓量測(cè)電路輸出該運(yùn)算放大器的錄出端的 一數(shù)字電壓值。
4. 如權(quán)利要求3所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含 ？"(h) 提供一信號(hào)處理電路，量測(cè)該數(shù)字電壓值v以計(jì)算該未知電容的電容值。
5. 如權(quán)利要求3所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的方法，其特征在于，進(jìn)一步 包含(i) 提供一信號(hào)處理電路，量測(cè)該數(shù)字電壓值，以計(jì)算該未知電容的電容變 化值。
6. 如權(quán)利要求4所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的方法，其特征在于，進(jìn)一步 包含(i)將該信號(hào)處理電路、該運(yùn)算放大器、該電壓量測(cè)電路整合于一單芯片上。
7. 如權(quán)利要求5所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的方法，其特征在于，進(jìn)一歩 包含(k)根據(jù)該未知電容的電容變化值判斷是否有外物接近或接觸該未知對(duì)地 電容。
8. —種以一已知電容量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，最少包含 一已知電容；一第一參考電壓；一不同于該第一參考電壓的第二參考電壓；一第一開關(guān)，其一端耦接于該未知對(duì)地電容未接地的一端，控制對(duì)該未知 對(duì)地電容充電到該第二參考電壓；一第二開關(guān)，其一端耦接于該未知對(duì)地電容未接地的一端，控制對(duì)該已知 電容充電；一第三開關(guān)，控制對(duì)該已知電容放電；一電容積分電路，包含該己知電容及該第三開關(guān)，使用該第一參考電壓量測(cè)該未知待測(cè)電容的電容值或是電容值的變化量；一電壓量測(cè)電路，量測(cè)該運(yùn)算放大器的輸出端的一數(shù)字電壓值；以及 一信號(hào)處迤及控制電路，控制該第一、第二、第三開關(guān)，并對(duì)電容積分電路的輸出做處理。
9. 如權(quán)利要求S所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，;其特征在于，該電容 積分電路"進(jìn)二步包含一運(yùn)算放大器。 .
10. 如權(quán)利要求8所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 未知電容可為一金屬導(dǎo)體平板。
11. 如權(quán)利要求8所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 第一、第二、第三開關(guān)，該電容積分電路，該信號(hào)處理及控制電路制作于一單 芯片上。
12. 如權(quán)利要求8所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 電壓量測(cè)電路為 一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
13. 如權(quán)利要求8所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 電壓量測(cè)電路為一比較器。
14. 如權(quán)利要求8所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該-未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該-未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該信號(hào)處理及控制電路由微控制器，微處理器，數(shù)字信號(hào)處理器，F(xiàn)PGA，或是 集成電路中選擇一種。
15. 如權(quán)利要求8所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 參考電壓由集成電路的電源產(chǎn)生。
16. 如權(quán)利要求8所述的量沐 第二參考電壓為集成電路的電源。
17. 如權(quán)利要求8所述的量鄰 第二參考電壓為集成電路的電源地。
18. 如權(quán)利要求8所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 電路可量測(cè)一未知對(duì)地電容的電容變化值。
19. 如權(quán)利要求8所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 電路可運(yùn)用于觸碰式開關(guān)。
20. 如權(quán)利要求8所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 已知電容的電壓為線性改變。
21. 如權(quán)利要求9所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 己知電容經(jīng)該第三開關(guān)連接到該運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與輸出端且該第一參 考電壓連接到該運(yùn)算放大器的正輸入端。
22. 如權(quán)利要求17所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 觸碰式開關(guān)為多通道。
，，
23. 如權(quán)利要求19所述的量測(cè)一未知對(duì)地電容的電路，其特征在于，該 第一參考電壓連接到地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種依一已知電容量測(cè)一未知對(duì)地電容或是電容值的變化量的方法與電路，可用來作為偵測(cè)人體或是物體靠近該金屬導(dǎo)體平板所造成的電容效應(yīng)，本發(fā)明電路至少由三個(gè)開關(guān)組件構(gòu)成，其中一個(gè)開關(guān)組件控制對(duì)金屬導(dǎo)體平板對(duì)地的電容充電到某一個(gè)電壓，另外一個(gè)開關(guān)組件控制對(duì)參考電容放電，第三個(gè)開關(guān)組件控制金屬導(dǎo)體平板所形成的對(duì)地電容，對(duì)一個(gè)參考電容充電。
文檔編號(hào)G01R27/26GK101672876SQ20081021566
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者劉溫良 申請(qǐng)人:盛群半導(dǎo)體股份有限公司