CN114900175A - 一种低功耗电容触摸感应检测电路 - Google Patents

一种低功耗电容触摸感应检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗电容触摸感应检测电路，包括：基准时钟频率发生器、触摸按键频率发生器和频率比较器；所述基准时钟频率发生器包括：第一电流镜、第二电流镜、第一电容C0、第一开关SW1、第二开关SW2、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、RS1触发器、电阻R0和NMOS管MN0；所述第三电流镜由第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管共栅极耦接组成；所述第四电流镜由第三NMOS管、第四NMOS管共栅极耦接组成；所述频率比较器包括：计数器1和计数器2，本发明提供的低功耗电容触摸感应检测电路技术方案，可以忽略温度及充放电电流的影响，并实现低功耗检测。

Description

一种低功耗电容触摸感应检测电路
技术领域
本发明涉及一种电容检测技术领域，具体为一种低功耗电容触摸感应检测电路。
背景技术
电容触摸按键是把人体看成电容的一个极，当触摸时，人体与触摸板之间虽然是绝缘的，但二者之间的电容会发生变化，导致触摸板上看到的等效电容发生变化，电容触摸感应检测是检测人体与触摸板之间的电容的变化，从而判断是否发生了按键操作。
检测电容的变化通常是把电容转换成电压或频率，只要检测电压或频率发生了变化就可以表示电容发生了变化。
检测电压变化通常用ADC采样，但是因为有ADC的参与，功耗很难做低，在低功耗的应用中基本不用；而检测频率变化需要一个标准的时钟来计数，目前，通过在芯片内置RC振荡器作为时钟源，一方面，RC振荡器的频率容易受到温度以及充放电电流的影响，会引起较大的漂移，从而导致检测的误差较大；另一方面，在芯片内置RC振荡器，会使得功耗增加。
现有技术已经不能满足现阶段人们的需求，基于现状，急需对现有技术进行改革。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗电容触摸感应检测电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供如下技术方案一种低功耗电容触摸感应检测电路，所述电路包括：基准时钟频率发生器、触摸按键频率发生器和频率比较器；
所述基准时钟频率发生器包括：第一电流镜、第二电流镜、第一电容C0、第一开关SW1、第二开关SW2、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、RS1触发器、电阻R0和NMOS管MN0；
所述第一电流镜由第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管共栅极耦接组成；
所述第一电流镜的第三PMOS管的源极通过耦接第一开关SW1、第二开关SW2与所述第二电流镜的第二NMOS管的源极耦接；
所述第一比较器COMP1、第二比较器COMP2的输出端耦接RS1触发器的输入端，所述RS1触发器输出频率f0，且所述RS1触发器具有两路输出端，其中一路输出端耦接到第一开关SW1，另一路输出端耦接到第二开关SW2。
所述触摸按键频率发生器包括：第三电流镜、第四电流镜、触摸按键PAD、第二电容C1、第三电容C2、第三开关SW3、第四开关SW4、第三比较器COMP3、第四比较器COMP4、RS2触发器、电阻R1和NMOS管MN1；
所述第三电流镜由第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管共栅极耦接组成；
所述第三电流镜的第七PMOS管的源极通过耦接第三开关SW3、第四开关SW4与所述第四电流镜的第四NMOS管的源极耦接；
所述第三比较器COMP3、第四比较器COMP4的输出端耦接RS2触发器的输入端，所述RS2触发器输出频率f1，且所述RS2触发器具有两路输出端，其中一路输出端耦接到第三开关SW3，另一路输出端耦接到第四开关SW4。
所述频率比较器包括计数器1和计数器2，所述计数器1的输入端加载触摸按键频率发生器输出的频率f1，所述计数器1的输出端将所述频率f1计数m个周期的阈值Vth加载到所述计数器2的一路输入端，所述计数器2的另一路输入端加载基准时钟频率发生器输出的频率f0，所述计数器2的输出端输出：通过频率f0计数得到的数值n。
本发明具有如下有益技术效果：
本发明的触摸按键频率发生器和基准时钟频率发生器采用相同的架构、同源充放电电流、相同温度系数的电阻，且基准时钟频率发生器输出的频率能和触摸按键频率发生器输出的频率随着温度、充放电电流等因素同步变化，从而可以忽略温度及充放电电流的影响，在实现低功耗检测的同时，能自动适应温度的漂移，仅检测出因为按键导致的频率变化，提高检测精度；同时，基准时钟频率发生器和触摸按键频率发生器中的电流很小，能实现低功耗的目的。
附图说明
图1为本发明基准时钟频率发生器的电路示意图；
图2为本发明触摸按键频率发生器电路示意图；
图3为本发明频率比较器框图结构示意图；
图4为本发明触摸按键节点电压信号与其他参数信号的波形比较示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一可选实施方案，用于解决RC振荡器的频率容易受到温度以及充放电电流的影响，会引起较大的漂移，从而导致检测的误差较大，且使得功耗增加的问题。本发明提供如下技术方案：一种低功耗电容触摸感应检测电路，所述电路包括：基准时钟频率发生器、触摸按键频率发生器和频率比较器；
参考图1，所述基准时钟频率发生器包括：第一电流镜、第二电流镜、第一电容C0、第一开关SW1、第二开关SW2、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、RS1触发器、电阻R0和NMOS管MN0；所述第一电流镜由第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管共栅极耦接组成；所述第二电流镜由第一NMOS管、第二NMOS管共栅极耦接组成；所述第一电流镜的第二PMOS管与所述第二电流镜的第一NMOS管共源极耦接，所述第一电流镜的第三PMOS管的源极通过耦接第一开关SW1、第二开关SW2与所述第二电流镜的第二NMOS管的源极耦接；所述第一开关SW1与第二开关SW2之间具有一电压参考点VP0,且所述第一电容C0与电压参考点VP0耦接；所述电压参考点VP0分别耦接第一比较器COMP1的正向输入端、第二比较器COMP2的反向输入端；所述第一电流镜的第四PMOS管的源极通过耦接电阻R0与所述NMOS管MN0的源极耦接，且所述第一电流镜的第四PMOS管的源极与电阻R0之间具有一电压参考点VA0，所述电压参考点VA0耦接第一比较器COMP1的反向输入端，所述NMOS管MN0的源极与电阻R0之间具有一电压参考点VB0，所述电压参考点VB0耦接第二比较器COMP2的正向输入端；所述第一比较器COMP1、第二比较器COMP2的输出端耦接RS1触发器的输入端，所述RS1触发器输出频率f0，且所述RS1触发器具有两路输出端，其中一路输出端耦接到第一开关SW1，另一路输出端耦接到第二开关SW2，RS1触发器通过两路输出端输出的高电平、低电平分别控制第一开关SW1和第二开关SW2打开或关闭，当RS1触发器的输出第一开关SW1=H（高电平），第二开关SW2=L（低电平）时，第一开关SW1打开，第二开关SW2关闭；当RS1触发器的输出第一开关SW1=L、第二开关SW2=H时，第一开关SW1关闭，第二开关SW2打开。
本发明提供还提供一可选实施例，用于阐述说明基准时钟频率发生器的具体工作原理；在基准时钟频率发生器中，第一电流镜和第二电流镜产生相同的充放电电流i，该电流流经电阻R0后在VA0、VB0两端形成电压差；假设起始时第一电容C0上电压参考点VP0的电压VP0=0v，第一比较器COMP1、第二比较器COMP2分别输出低电平(L) 和高电平(H)，则RS1触发器输出到第一开关SW1上为高电平，即SW1=H，且RS1触发器输出到第二开关SW2上为低电平，即SW2=L，此时，第一电流镜产生的电流开始给第一电容C0充电；当电压参考点VP0的电压升高超过电压参考点VB0的电压时，第二比较器COMP2输出由高电平变为低电平，但RS1触发器的状态不变，电流i继续通过第一开关SW1给第一电容C0充电；当电压参考点VP0的电压上升超过电压参考点VA0的电压时，第一比较器COMP1的输出由低电平变为高电平，使RS1触发器输出到第一开关SW1、第二开关SW2分别变为低电平和高电平，此时，第一开关SW1关闭，第二开关SW2打开，第二电流镜产生的电流i通过第二开关SW2开始给第一电容C0放电，电压参考点VP0的电压开始降低；当电压参考点VP0的电压降到低过电压参考点VA0的电压时，第一比较器COMP1的输出由高电平变为低电平，RS1触发器输出不变，电流i继续给第一电容C0放电；当电压参考点VP0的电压降到电压参考点VB0的电压时，第二比较器COMP2的输出由低电平变为高电平，RS1触发器输出到第一开关SW1、第二开关SW2分别变为高电平和低电平，开始转成通过第一开关SW1给第一电容C0充电，形成一个周期循环；当电压参考点VP0的电压降到电压参考点VB0的电压时,NMOS管MN0提高了电压参考点VB0的电压工作点，即不让电压参考点VP0的电压继续降低到电压参考点VB0的电压以下(接近0)，使得充放电的第一电流镜和第二电流镜始终处于饱和区，使第一电容C0充放电时的电流i能够更好的保持相同大小，例如，如果电压参考点VB0的电压设为0.6V，当电压参考点VP0的电压降低到0.6V以下时，第一电流镜和第二电流镜产生的电流i不可控，不能保证是始终是i，电流误差会变大，频率就会误差就会随着变大，导致检测不准确，所以，通过设有NMOS管MN0，使得电压参考点VP0的电压降低到0.6V时就不再继续降低，电压开始升高，给第一电容C0充电。
参考图2，所述触摸按键频率发生器包括：第三电流镜、第四电流镜、触摸按键PAD、第二电容C1、第三电容C2、第三开关SW3、第四开关SW4、第三比较器COMP3、第四比较器COMP4、RS2触发器、电阻R1和NMOS管MN1；所述第三电流镜由第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管共栅极耦接组成；所述第四电流镜由第三NMOS管、第四NMOS管共栅极耦接组成；所述第三电流镜的第六PMOS管与所述第四电流镜的第三NMOS管共源极耦接，所述第三电流镜的第七PMOS管的源极通过耦接第三开关SW3、第四开关SW4与所述第四电流镜的第四NMOS管的源极耦接；所述第三开关SW3与第四开关SW4之间具有一电压参考点VPAD,所述第二电容C1与电压参考点VPAD耦接，且第三电容C2通过耦接触摸按键PAD与电压参考点VPAD耦接，且所述电压参考点VPAD分别耦接第三比较器COMP3的正向输入端、第四比较器COMP4的反向输入端；所述第三电流镜的第八PMOS管的源极通过耦接电阻R1与所述NMOS管MN1的源极耦接，且所述第三电流镜的第八PMOS管的源极与电阻R1之间具有一电压参考点VA1，所述电压参考点VA1耦接第三比较器COMP3的反向输入端，所述NMOS管MN1的源极与电阻R1之间具有一电压参考点VB1，所述电压参考点VB1耦接第四比较器COMP4的正向输入端；所述第三比较器COMP3、第四比较器COMP4的输出端耦接RS2触发器的输入端，所述RS2触发器输出频率f1，且所述RS2触发器具有两路输出端，其中一路输出端耦接到第三开关SW3，另一路输出端耦接到第四开关SW4，RS2触发器通过两路输出端输出的高电平、低电平分别控制第三开关SW3和第四开关SW4打开或关闭，当RS2触发器的输出第三开关SW3=H（高电平），第四开关SW4=L（低电平）时，第三开关SW3打开，第四开关SW4关闭，当RS2触发器的输出第三开关SW3=L、第四开关SW4=H时，第三开关SW3关闭，第四开关SW4打开。
本发明提供还提供一可选实施例，用于阐述说明触摸按键频率发生器与基准时钟频率发生器的相同点与不同点；触摸按键频率发生器与基准时钟频率发生器使用相同的电路设计、相同的同源充放电电流i、相同的温度系数的电阻，其中，电阻R1与电阻R0的阻值相等，工作原理也相同，其中二者区别仅在于，触摸按键频率发生器的第二电容C1是触摸按键的基础寄生电容，且第三电容C2是触摸后引入的额外寄生电容，所以，触摸按键的总寄生电容为（C1+C2）, 触摸按键频率发生器也可以在实现低功耗检测的同时，能自动适应温度的漂移，从而实现较高的检测精度。
参考图3，所述频率比较器包括计数器1和计数器2，所述计数器1的输入端加载触摸按键频率发生器输出的频率f1，所述计数器1的输出端将所述频率f1计数m个周期的阈值Vth加载到所述计数器2的一路输入端，所述计数器2的另一路输入端加载基准时钟频率发生器输出的频率f0，所述计数器2的输出端输出：通过频率f0计数得到的数值n。
本发明提供还提供一可选实施例，用于阐述说明频率比较器比较触摸按键频率发生器与基准时钟频率发生器产生的时钟频率f0和f1的原理，由于触摸按键频率发生器与基准时钟频率发生器的充放电时间远大于其内部的各个比较器和RS触发器的比较延时时间，所以各个比较器和RS触发器的比较延时时间可以忽略，则，充放电时间t=C0*V/i, 其中V=VA0-VB0=i*R0, 即t=R0*C0, 振荡周期为2*t, 所以基准时钟频率发生器输出的振荡频率f0=1/(2*R0*C0)，触摸按键频率发生器输出的振荡频率f1=1/(2*R1*(C1+C2))；频率比较器在比较触摸按键频率发生器与基准时钟频率发生器产生的时钟频率f0和f1时，先通过触摸按键频率发生器产生频率f1来计一个设定的固定周期数m，这个总的计数时间t=m/f1当作一个计时阀门，再通过基准时钟频率发生器产生的标准时钟来对该阀门计数，计数器2输出的周期数DOUT=n, n值大小反应两个频率信号的相对误差，公式推算如下：
Figure 278454DEST_PATH_IMAGE002
；
则
Figure 336540DEST_PATH_IMAGE004
；
若R1=R0；
则 n= m*
Figure 460485DEST_PATH_IMAGE006
；
其中C0为基准时钟频率发生器的第一电容，C1是触摸按键频率发生器的第二电容，也可以认为是触摸按键的基础寄生电容，主要与板级触摸按键的大小、介电常数等因素有关，与温度变化关系极小，可视为无关；C2是触摸按键频率发生器的第三电容，也可以认为是手指与触摸按键之间的寄生电容，第三电容C2的值与触摸按键大小，手指接触的面积、绝缘层厚度、介电常数等有关，随温度变化也很小；m为用来放大触摸按压引起的第三电容C2的变化的一个设定值；n为反映触摸按压引起的变化的值；最终计算得出的n值可以得知：n值与电压、温度、充放电电流、电阻的温度系数等都没有关系，即能对温度的变化进行自适应，从而精确检测出触摸按压与否，由于基准时钟频率发生器输出的频率和触摸按键频率发生器输出的频率随着温度、充放电电流等因素同步变化，从而可以忽略温度及充放电电流的影响，仅检测出因为按键导致的频率变化即可，提高了检测精度。
参考图4，本发明还提供另一可选实施例，用于阐述当触摸按键PAD被按下时容易被区分，从而说明本发明对触摸按键PAD检测十分准确，图中，VPAD为触摸按键PAD充放电时的三角波的电压，f1、f0分别是触摸按键频率和基准频率， Vth为频率f1计数m个周期的阈值电压， DOUT是用频率f0计数得到的数值n；在应用中，第二电容C1作为触摸按键PAD的寄生电容，且第三电容C2作为手指与按键之间的寄生电容，第二电容C1和第三电容C2与按键的大小、绝缘层厚度、介电常数等因素有关，第二电容C1的电容值在10pF~100pF之间，对应的第三电容C2的电容值在0.2pF到几十pF之间，如果取计数1个周期m=1000，则按下触摸按键PAD与不按下触摸按键PAD可以在n值上看到大于20的数值变化，从而非常容易区分触摸按键PAD是否被按下。
本发明还提供另一可选实施例，用于阐述说明基准时钟频率发生器和触摸按键频率发生器中的电流i很小，能实现低功耗的目的，例如，充放电电流i取1uA，基准时钟频率发生器和触摸按键频率发生器中的比较器的工作电流用2uA左右即可工作，则工作时总的电流能够实现小于20uA，考虑在分时工作时，1秒检测10次，每次用时小于5ms，则工作中的平均功耗能够实现小于1uA，从而实现了低功耗的目的。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于，包括：基准时钟频率发生器、触摸按键频率发生器和频率比较器；
所述基准时钟频率发生器包括：第一电流镜、第二电流镜、第一电容C0、第一开关SW1、第二开关SW2、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、RS1触发器、电阻R0和NMOS管MN0；
所述第一电流镜由第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管共栅极耦接组成，且所述第二电流镜由第一NMOS管、第二NMOS管共栅极耦接组成；所述第一电流镜的第三PMOS管的源极通过耦接第一开关SW1、第二开关SW2与所述第二电流镜的第二NMOS管的源极耦接，且所述第一电流镜的第四PMOS管的源极通过耦接电阻R0与所述NMOS管MN0的源极耦接；所述第一比较器COMP1、第二比较器COMP2的输出端耦接RS1触发器的输入端；
所述触摸按键频率发生器包括：第三电流镜、第四电流镜、触摸按键PAD、第二电容C1、第三电容C2、第三开关SW3、第四开关SW4、第三比较器COMP3、第四比较器COMP4、RS2触发器、电阻R1和NMOS管MN1；
所述第三电流镜由第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管共栅极耦接组成；所述第四电流镜由第三NMOS管、第四NMOS管共栅极耦接组成；所述第三电流镜的第七PMOS管的源极通过耦接第三开关SW3、第四开关SW4与所述第四电流镜的第四NMOS管的源极耦接；所述第三电流镜的第八PMOS管的源极通过耦接电阻R1与NMOS管MN1的源极耦接；所述第三比较器COMP3、第四比较器COMP4的输出端耦接RS2触发器的输入端；
所述频率比较器包括：计数器1和计数器2，所述计数器1的输入端加载触摸按键频率发生器输出的频率f1，所述计数器1的输出端将所述频率f1计数m个周期的阈值Vth加载到所述计数器2的一路输入端，所述计数器2的另一路输入端加载基准时钟频率发生器输出的频率f0。
2.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述第一电流镜的第二PMOS管与所述第二电流镜的第一NMOS管共源极耦接。
3.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述第一开关SW1与第二开关SW2之间具有一电压参考点VP0,且所述第一电容C0与电压参考点VP0耦接。
4.根据权利要求3所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述电压参考点VP0分别耦接第一比较器COMP1的正向输入端、第二比较器COMP2的反向输入端。
5.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述第一电流镜的第四PMOS管的源极与电阻R0之间具有一电压参考点VA0，所述电压参考点VA0耦接第一比较器COMP1的反向输入端。
6.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述NMOS管MN0的源极与电阻R0之间具有一电压参考点VB0，所述电压参考点VB0耦接第二比较器COMP2的正向输入端。
7.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述RS1触发器具有两路输出端，其中一路输出端耦接到第一开关SW1，另一路输出端耦接到第二开关SW2。
8.根据权利要求7所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述RS1触发器通过两路输出端输出的高电平、低电平分别控制第一开关SW1和第二开关SW2打开或关闭；
当RS1触发器的输出第一开关SW1为高电平、第二开关SW2为低电平时，第一开关SW1打开，第二开关SW2关闭；
当RS1触发器的输出第一开关SW1为低电平、第二开关SW2为高电平时，第一开关SW1关闭，第二开关SW2打开。
9.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述第三电流镜的第六PMOS管与所述第四电流镜的第三NMOS管共源极耦接。
10.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述第三开关SW3与第四开关SW4之间具有一电压参考点VPAD,所述第二电容C1与电压参考点VPAD耦接。
11.根据权利要求10所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述第三电容C2通过耦接触摸按键PAD与电压参考点VPAD耦接；
所述电压参考点VPAD分别耦接第三比较器COMP3的正向输入端、第四比较器COMP4的反向输入端。
12.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述第三电流镜的第八PMOS管的源极与电阻R1之间具有一电压参考点VA1，所述电压参考点VA1耦接第三比较器COMP3的反向输入端。
13.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述NMOS管MN1的源极与电阻R1之间具有一电压参考点VB1，所述电压参考点VB1耦接第四比较器COMP4的正向输入端。
14.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述RS2触发器具有两路输出端，其中一路输出端耦接到第三开关SW3，另一路输出端耦接到第四开关SW4。
15.根据权利要求14所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述RS2触发器通过两路输出端输出的高电平、低电平分别控制第三开关SW3和第四开关SW4打开或关闭；
当RS2触发器的输出第三开关SW3为高电平、第四开关SW4为低电平时，第三开关SW3打开，第四开关SW4关闭；当RS2触发器的输出第三开关SW3为低电平、第四开关SW4为高电平时，第三开关SW3关闭，第四开关SW4打开。
16.根据权利要求1所述的低功耗电容触摸感应检测电路，其特征在于：所述计数器2的输出端输出：通过基准时钟频率发生器输出的频率f0计数得到的数值n。
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