电容式感测设备及感测电容的方法
阅读说明：本技术 电容式感测设备及感测电容的方法 (Capacitive sensing apparatus and method of sensing capacitance ) 是由 于学球 石亦欣 罗挺松 姜英 林楠 彭媛 俞军 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本申请实施例提供一种电容式感测设备和感测电容的方法。电容式感测设备包括：电容式传感器,其适于感测接近其的导电物体；开关组,其适于将电容式传感器交替地耦接第一预定电压和参考电容；参考电容,其适于在感测导电物体时与电容式传感器分享电荷；比较器,其具有第一输入端、第二输入端和输出端,第一输入端耦接参考电容,第二输入端耦接参考电压,输出端耦接电荷平衡电路和计数器；电荷平衡电路,其耦接参考电容,并适于在感测导电物体时对参考电容进行充电或放电；计数器,其适于基于比较器输出的第一或第二逻辑电平而计数并且获得计数值。本申请实施例的技术方案有利于感测灵敏度的提高,避免由于感测周期的增大而带来的功耗增加。(Embodiments of the present application provide a capacitive sensing apparatus and a method of sensing capacitance. The capacitive sensing apparatus includes: a capacitive sensor adapted to sense a conductive object proximate thereto; a switch bank adapted to alternately couple the capacitive sensor to a first predetermined voltage and a reference capacitance; a reference capacitance adapted to share charge with the capacitive sensor when sensing a conductive object; the comparator is provided with a first input end, a second input end and an output end, wherein the first input end is coupled with the reference capacitor, the second input end is coupled with the reference voltage, and the output end is coupled with the charge balance circuit and the counter; a charge balance circuit coupled to the reference capacitor and adapted to charge or discharge the reference capacitor when sensing the conductive object; a counter adapted to count based on the first or second logic level of the comparator output and obtain a count value. The technical scheme of the embodiment of the application is favorable for improving the sensing sensitivity, and avoids the increase of power consumption caused by the increase of the sensing period.)
技术领域
本发明涉及接近感测领域，尤其涉及电容式感测设备及感测电容的方法。
背景技术
电容式感测设备越来越广泛地应用于个人计算机、多媒体播放器、游戏机、消费类电子产品、以及移动通讯设备等电子设备上。
以发明名称为“使用Δ/Σ转换的电容式接近检测”的现有专利文献(专利授权号为CN105379120B，以下称为“专利文献一”)为例，该专利文献描述了一种电容式接近检测的具体实现方案。但是，该方案具有三个缺点。第一个缺点是，在整个电容感测过程中，充电电路根据比较器的输出结果选择性地对保持电容器既充电又放电，这种方法等效于增加了电容式传感器的电容值，从而不利于感测灵敏度的提高；第二个缺点是，与电容式传感器耦接的切换器受到比较器输出信号的控制，这从原理上使得衡量电容式传感器电容值的最终计数值的公式变得复杂，不利于实际应用中对感测灵敏度的自动调节；第三个缺点是，感测灵敏度的提高基于测量时间周期的增大，这增加了感测过程的功耗。
现有的电容式感测设备在功耗和感测灵敏度等方面需要改进。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有的电容式感测设备在功耗和感测灵敏度等方面需要改进等。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种电容式感测设备，包括：电容式传感器，其适于感测接近其的导电物体；开关组，其适于将电容式传感器交替地耦接第一预定电压和参考电容；参考电容，其适于在感测导电物体时与电容式传感器分享电荷；比较器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端耦接参考电容，第二输入端耦接参考电压，输出端耦接电荷平衡电路和计数器；电荷平衡电路，其耦接参考电容，并适于在感测导电物体时对参考电容进行充电或放电；计数器，其适于基于比较器输出的第一逻辑电平或第二逻辑电平而计数并且获得计数值。
可选地，电容式传感器的第一端接地，参考电容的第一端接地，开关组包括第一开关和第二开关，其中，第一开关耦接在电容式传感器的第二端和第一预定电压之间，第二开关耦接在电容式传感器的第二端和参考电容的第二端之间。
可选地，第一逻辑电平和第二逻辑电平中的任一者为高电平或低电平。
可选地，电荷平衡电路适于对参考电容进行充电或放电以将参考电容的电压维持在参考电压附近。
可选地，第一预定电压为低电平而电荷平衡电路适于在感测导电物体时对参考电容进行充电，或者第一预定电压为高电平而电荷平衡电路适于在感测导电物体时对参考电容进行放电。
可选地，电荷平衡电路包括第一电源、第二电源、第一控制开关和第二控制开关，第一电源和第二电源分别通过第一控制开关和第二控制开关耦接参考电容，比较器的输出端耦接第一控制开关和第二控制开关以使其选择性地闭合和打开，从而通过第一电源和第二电源交替地使参考电容进行充电或放电。
可选地，第一预定电压为低电平时第一电源和第二电源分别耦接高电平而交替地对参考电容进行充电，第一预定电压为高电平时第一电源和第二电源均耦接低电平而交替地对参考电容进行放电。
可选地，第一电源和第二电源分别为第一电流源和第二电流源。
可选地，第一电源和第二电源分别为第一电压源和第二电压源。
可选地，电荷平衡电路还包括第一电阻和第二电阻，第一电压源通过第一电阻耦接第一控制开关，第二电压源通过第二电阻耦接第二控制开关。
可选地，第一控制开关包括第一与门和第三开关，第二控制开关包括第二与门和第四开关，第一与门的第一输入端和第二与门的第一输入端均耦接比较器的输出端，第一与门的第二输入端和第二与门的第二输入端均耦接时钟信号，第三开关耦接在第一与门的输出端和参考电容的第二端之间，第四开关耦接在第二与门的输出端和参考电容的第二端之间。
可选地，电荷平衡电路还包括第一电容和第二电容，第一电容的第一端耦接第三开关、第二端耦接地，第二电容的第一端耦接第四开关、第二端耦接地。
可选地，第一电源和第二电源分别为第三电流源和第三电压源。
可选地，电荷平衡电路还包括第三电阻，第三电压源通过第三电阻耦接第二控制开关。
可选地，电容式感测设备包括时序单元，比较器的输出端通过时序单元分别耦接电荷平衡电路和计数器。
可选地，电容式感测设备包括定时器，其耦接计数器，并适于确定感测周期、以及向计数器输出定时信号，计数器适于基于第一逻辑电平或第二逻辑电平和定时信号而在感测周期内计数获得最终的计数值。
可选地，电容式感测设备包括控制单元，其耦接定时器，适于向定时器输出使能信号或禁止信号、以及接收定时信号。
本发明实施例还提供一种感测电容的方法，包括：a，将电容式传感器交替地耦接第一预定电压和参考电容；b，比较参考电容的电压和参考电压而输出第一逻辑电平或第二逻辑电平；c，基于第一逻辑电平或第二逻辑电平使计数器计数而获得计数值和对参考电容进行充电或放电。
可选地，步骤c包括基于第一逻辑电平或第二逻辑电平对参考电容进行充电或放电以将参考电容的电压维持在参考电压附近。
可选地，在定时器确定的感测周期内循环执行步骤a、b和c，并且获得最终的计数值。
可选地，第一预定电压为低电平，步骤a包括通过参考电容对电容式传感器进行充电而调整参考电容的电压。
可选地，包括通过参考电容对电容式传感器进行充电和电荷平衡电路对参考电容进行充电而调整参考电容的电压。
可选地，电荷平衡电路包括第一电源和第二电源，第一电源和第二电源分别基于第一逻辑电平和第二逻辑电平而交替地对参考电容进行充电。
可选地，第一预定电压为高电平，步骤a包括通过电容式传感器对参考电容进行充电而调整参考电容的电压。
可选地，通过电容式传感器对参考电容进行充电和电荷平衡电路对参考电容进行放电而调整参考电容的电压。
可选地，电荷平衡电路包括第一电源和第二电源，第一电源和第二电源分别基于第一逻辑电平和第二逻辑电平而交替地对参考电容进行放电。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有有益效果。例如，在整个电容感测过程中，对于本发明实施例中各具有特定电路结构的电容式感测设备，电荷平衡电路根据比较器的输出结果对参考电容持续充电或者持续放电，而不是对参考电容选择性地既充电又放电，从而有利于感测灵敏度的提高；本发明实施例中的开关组并不受到比较器输出的逻辑电平的控制，从而使得衡量电容式传感器电容值的计数值的关系式相对简单，并且有利于在实际应用中对感测灵敏度的自动调节，从而避免了由于感测周期的增大而带来的功耗增加。
附图说明
图1是本发明实施例电容式感测设备的总体结构示意图；
图2是本发明实施例电容式感测设备的具体结构示意图；
图3是本发明第一实施例中电容式感测设备的结构示意图；
图4是本发明第二实施例中电容式感测设备的结构示意图；
图5是本发明第三实施例中电容式感测设备的结构示意图；
图6是本发明第四实施例中电容式感测设备的结构示意图；
图7是本发明第五实施例中电容式感测设备的结构示意图；
图8是本发明第六实施例中电容式感测设备的结构示意图；
图9是本发明第七实施例中电容式感测设备的结构示意图；
图10是本发明第八实施例中电容式感测设备的结构示意图；
图11是本发明实施例感测电容的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1是本发明实施例电容式感测设备的总体结构示意图，图2是本发明实施例电容式感测设备的具体结构示意图。
如图1所示，电容式感测设备100包括电容式传感器101、开关组102、参考电容103、比较器104、电荷平衡电路105和计数器106。
电容式感测设备100可以设置于电子设备中，作为用户接口的一部分而感测用户的操作。
电容式传感器101可以布置于电容式感测设备100的特定区域，其适于感测接近它的导电物体(如人的手指)。可以通过电容式感测设备100内部的电路感测电容式传感器101的电容值的变化来确定是否有导电物体接近，其中，电容式传感器101的待感测的电容值在图1至10中标记为CX。
在一个实施例中，电容式传感器101的第一端接地。
开关组102适于将电容式传感器101交替地耦接第一预定电压107和参考电容103(图1至10中标记为CR)，其中，参考电容103适于在感测导电物体时与电容式传感器101分享电荷。
在一个实施例中，参考电容103的第一端接地。
开关组102可以具有第一端、第二端和第三端。开关组102的第一端可以耦接电容式传感器101的第二端，开关组102的第二端可以耦接第一预定电压107，开关组102的第三端可以耦接参考电容103的第二端。
开关组102可以执行第一操作，即，将其第一端耦接电容式传感器101的第二端、第二端耦接第一预定电压107、第三端与参考电容103的第二端断开耦接，使得电容式传感器101耦接第一预定电压107而与参考电容103断开耦接；开关组102还执行第二操作，即，将其第一端耦接电容式传感器101的第二端、第二端与第一预定电压107断开耦接、第三端耦接参考电容103的第二端，使得电容式传感器101耦接参考电容103而与第一预定电压107断开耦接。开关组102可以交替地执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压107和参考电容103。
在一个实施例中，开关组102具有第四端，其耦接时钟123；开关组102接收来自时钟123的控制信号以交替地执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压107和参考电容103。
在另一个实施例中，开关组102包括第一开关113(图2至10中标记为)和第二开关114(图2至10中标记为)，第一开关113耦接在电容式传感器101的第二端和第一预定电压107之间，第二开关114耦接在电容式传感器101的第二端和参考电容103的第二端之间。第一开关113和第二开关114可以以两相非交叠相位的方式进行工作，它们与电容式传感器101组成开关电容电路。
第一预定电压107可以为低电平，例如为地；也可以为高电平，例如为电容式感测设备100的一个工作电压(VDD)。
参考电容103适于在感测导电物体时与电容式传感器101分享电荷。“分享电荷”表示，如果第一预定电压107为低电平，则在开关组102执行第二操作时参考电容103对电容式传感器101进行充电(而在开关组102执行第一操作时第一预定电压107对电容式传感器101进行放电)；如果第一预定电压107为高电平，则在开关组102执行第二操作时参考电容103对电容式传感器101进行放电(而在开关组102执行第一操作时第一预定电压107对电容式传感器101进行充电)。
在本发明的实施例中，“充电”表示一个元件接收另一个元件转移过来的电荷(正电荷和/或负电荷)，“放电”表示一个元件向另一个元件释放电荷(正电荷和/或负电荷)；“一个元件对另一个元件进行充电”表示另一个元件接收一个元件转移过来的电荷(正电荷和/或负电荷)，“一个元件对另一个元件进行放电”表示另一个元件向一个元件释放电荷(正电荷和/或负电荷)。
在具体的实施中，如果第一预定电压107为低电平，则电荷平衡电路105适于在感测导电物体时对参考电容103进行充电；如果第一预定电压为高电平，则电荷平衡电路105适于在感测导电物体时对参考电容103进行放电。
参考电容103的电容值可以大于电容式传感器101的电容值，使得开关组102在执行第二操作时，由于电容式传感器101与参考电容103的耦合所引起的参考电容103的电压不会出现较大幅度的变化。
比较器104具有第一输入端108、第二输入端109和输出端110，第一输入端108耦接参考电容103，第二输入端109耦接参考电压111(图1至10中标记为VREF)，输出端110耦接电荷平衡电路105和计数器106。
在一个实施例中，参考电容103的第一端接地，参考电容103的第二端耦接比较器104的第一输入端108。
比较器104可以比较参考电容103的电压与参考电压111。例如，当参考电容103的电压值低于参考电压111的电压值时，比较器104的输出端110输出第一逻辑电平；当参考电容103的电压值高于参考电压111的电压值时，比较器104的输出端110输出第二逻辑电平；其中，第一逻辑电平为高电平而第二逻辑电平为低电平、或者第一逻辑电平为低电平而第二逻辑电平为高电平。
电荷平衡电路105耦接参考电容103，并适于在感测导电物体时对参考电容103进行充电或放电，其中，“电荷平衡电路105对参考电容103进行充电”表示参考电容103接收电荷平衡电路105转移过来的电荷，“电荷平衡电路105对参考电容103进行放电”表示参考电容103向电荷平衡电路105释放电荷。
在一个实施例中，参考电容103的第一端接地，参考电容103的第二端耦接电荷平衡电路105。
在另一个实施例中，电荷平衡电路105适于对参考电容103进行充电或放电以将参考电容103的电压值维持在参考电压111的电压值附近，例如，将参考电容103的电压值维持在参考电压111的电压值的70％与130％之间。
在具体的实施中，电荷平衡电路105包括第一电源119、第二电源120、第一控制开关121和第二控制开关122，第一电源119和第二电源120分别通过第一控制开关121和第二控制开关122耦接参考电容103(如图2所示的、参考电容103的第二端)，比较器104的输出端110耦接第一控制开关121和第二控制开关122以使其选择性地闭合和打开，从而通过第一电源119和第二电源120交替地对参考电容103进行充电、或者通过第一电源119和第二电源120交替地对参考电容103进行放电。
例如，当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平时，第一控制开关121闭合而第二控制开关122断开，使得仅第一电源119对参考电容103进行充电或者放电；当比较器104的输出端110输出第二逻辑电平时，第一控制开关121断开而第二控制开关122闭合，使得仅第二电源119对参考电容103进行充电或者放电。
又例如，当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平时，第一控制开关121断开而第二控制开关122闭合，使得仅第二电源119对参考电容103进行充电或者放电；当比较器104的输出端110输出第二逻辑电平时，第一控制开关121闭合而第二控制开关122断开，使得仅第一电源119对参考电容103进行充电或者放电。
在具体的实施中，第一电源119和第二电源120分别耦接第二预定电压(图2中标记为V1，)和第三预定电压(图2中标记为V2)。如果第一预定电压107为低电平，则第二预定电压和第三预定电压均为高电平而交替地对参考电容103进行充电；如果第一预定电压107为高电平，则第二预定电压和第三预定电压均为低电平(例如均耦接地)而交替地对参考电容103进行放电。
在本发明的实施例中，第一电源119和第二电源120用于提供确定的电流或者确定的电压，因此，第一电源119和第二电源120中的任一者可以为电流源或者电压源；当上述“确定的电流”或者“确定的电压”为零时，可以认为第一电源119或者第二电源120为“地”或者认为第一电源119或者第二电源120耦接“地”。
计数器106耦接比较器104的输出端110，适于基于比较器104输出的逻辑电平而计数进而获得计数值。
例如，当计数器106通过其使能端接收到第一逻辑电平时，计数器106的计数值进行累加计数操作(如接收一次第一逻辑电平，计数值加一)；当计数器106通过其使能端接收到第二逻辑电平时，计数器106的计数值保持。
又例如，当计数器106通过其使能端接收到第一逻辑电平时，计数器106的计数值保持；当计数器106通过其使能端接收到第二逻辑电平时，计数器106的计数值进行累加计数操作(如接收一次第二逻辑电平，计数值加一)。
计数值(例如在一个感测周期内得到的最终计数值)可以通过计数器106的输出端112输出。
电容式感测设备100可以包括滤波器，其耦接计数器106的输出端112，以对计数器106输出的计数值进行滤波。
电容式感测设备100可以包括时序单元115，比较器104的输出端110通过时序单元115分别耦接电荷平衡电路105和计数器106。如图2至10所示，时序单元115的输入端耦接比较器104的输出端110、输出端分别耦接电荷平衡电路105和计数器106，比较器104输出的第一逻辑电平或者第二逻辑电平经时序单元115同步后再分别提供至电荷平衡电路105和计数器106，使得电荷平衡电路105可以以精确的周期对参考电容103进行充电或放电，以及使得计数器106可以准确的计数。
电容式感测设备100可以包括定时器116，其耦接计数器106以向其输出定时信号；定时器116适于确定感测周期，在感测周期内计数器106进行计数。具体而言，比较器104的输出端110(其可以通过时序单元115)和定时器116的输出端分别耦接与门117的两个输入端，与门117的输出端耦接计数器106的使能端，使得计数器106同时基于比较器104输出的第一逻辑电平和定时器116输出的定时信号而在感测周期内计数，并且可以在感测周期结束时获得最终的计数值。
电容式感测设备100可以包括控制单元118，其耦接定时器116而向后者输出使能信号或者禁止信号、以及接收后者输出的定时信号。具体而言，控制单元118的输入端耦接定时器116的输出端以接收后者输出的定时信号；控制单元118的输出端耦接定时器116的使能端以向后者输出使能信号或者禁止信号，其中，使能信号为使定时器116工作的信号，禁止信号为使定时器116不工作的信号。控制单元118通过控制定时器116的使能或者禁止而控制感测过程的开始与结束。
在一个感测周期内得到的最终计数值或者经滤波而得到的最终数字值可以用来衡量电容式传感器101的电容值。
以下结合具体实施例进行描述。
图3是本发明第一实施例中电容式感测设备的结构示意图。
如图3所示，第一预定电压为低电平(接地)；电荷平衡电路105中，第一电源和第二电源分别为电流源201(图3中标记为I1)和电流源202(图3中标记为I2)，电流源201耦接预定电压(图3中标记为VDD1)，电流源202耦接预定电压(图3中标记为VDD2)，第一控制开关和第二控制开关分别为开关203和开关204。
在电容式感测设备200感测电容式传感器101的电容值时，开关113和开关114构成开关组而交替地执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压和参考电容103。其中，在执行第一操作时，第一预定电压对电容式传感器101进行放电；在执行第二操作时，参考电容103对电容式传感器101进行充电。
当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的一者时，开关203闭合而开关204断开，使得电流源201对参考电容103进行充电；当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的另一者时，开关203断开而开关204闭合，使得电流源202对参考电容103进行充电。
图4是本发明第二实施例中电容式感测设备的结构示意图。
如图4所示，第一预定电压为高电平(为工作电压VDD)；电荷平衡电路105中，第一电源和第二电源分别为电流源301和电流源302，电流源301(图4中标记为I3)和电流源302(图4中标记为I4)均耦接地，第一控制开关和第二控制开关分别为开关303和开关304。
在电容式感测设备300感测电容式传感器101的电容值时，开关113和开关114构成开关组而交替地执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压和参考电容103。其中，在执行第一操作时，第一预定电压对电容式传感器101进行充电；在执行第二操作时，参考电容103对电容式传感器101进行放电。
当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的一者时，开关303闭合而开关304断开，使得电流源301对参考电容103进行放电；当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的另一者时，开关303断开而开关304闭合，使得电流源302对参考电容103进行放电。
图3和图4所示的第一和第二实施例涉及二个电流源。在第一实施例中，在一个感测周期内得到的最终计数值C1用来衡量电容式传感器101的电容值，其可以通过如下公式(1)计算，感测的灵敏度S1可以通过如下公式(2)计算；在第二实施例中，在一个感测周期内得到的最终计数值C2用来衡量电容式传感器101的电容值，其可以通过如下公式(3)计算，感测的灵敏度S2可以通过如下公式(4)计算：
其中，N为定时器116的位数，VREF为参考电压111的电压值，F为开关组102的频率，CX电容式传感器101的待感测电容值，I1和I2分别为第一电源和第二电源(它们在第一和第二实施例中均是电流源)的电流，VDD为工作电压。
由公式(1)和(3)可见，最终计数值C1和C2均与待感测电容值CX成正比；由公式(2)和(4)可见，灵敏度S1和S2可以分别通过调整I1和I2等参数来调节。
与专利文献一相比，第一和第二实施例至少具有四个技术优势。
第一，专利文献一中充电电路根据比较器的输出结果选择性地对保持电容器既充电又放电；相对照地，本发明第一和第二实施例通过电荷平衡电路105对参考电容103仅充电或仅放电，利于感测灵敏度的提高。
第二，专利文献一中与电容式传感器耦接的切换器受到比较器输出信号的控制，使得衡量电容式传感器电容值的最终计数值的公式变得复杂，相对照地；本发明第一和第二实施例中与电容式传感器耦接的开关组不受到比较器输出信号的控制，使得衡量电容式传感器电容值的最终计数值的公式相对简单，如公式(1)和(3)所示。
第三，专利文献一中灵敏度的提高基于测量时间周期的增大，这增加了感测过程的功耗；相对照地，本发明第一和第二实施例中，如公式(2)和(4)所示，可以不调节定时器的位数(即不增大感测周期)，而通过灵活地调节参考电压的电压值、开关组的频率、以及电流源的电流值来提高灵敏度，同时避免了因为感测周期的增大而增加的功耗。
第四，比较于专利文献一，在相同的感测周期的条件下，本发明第一和第二实施例中，如公式(2)和(4)所示，可以通过调节第一电源和第二电源的电流I1和I2等来进一步提高灵敏度，从而可以感测电容式传感器的电容值的更微小变化。
本发明第一和第二实施例中，如公式(2)和(4)所示，可以灵活地通过调节两个电流源的电流值，相比较于仅提供一个电流源以供调节，前者不仅灵敏度更高，并且不会溢出。
具体而言，对一个电流源以供调节的方案中，电容式感测设备仅采用一个电流源对参考电容进行充电或放电而其他的电路结构与第一或第二实施例相同，从而可以分别形成方案一和方案二。在方案一中，在一个感测周期内得到的最终计数值C3可以通过如下公式(5)计算，感测的灵敏度S3可以通过如下公式(6)计算；在方案二中，在一个感测周期内得到的最终计数值C4可以通过如下公式(7)计算，感测的灵敏度S4可以通过如下公式(8)计算：
其中，N为定时器的位数，VREF为参考电压的电压值，F为开关组的频率，CX电容式传感器的待感测电容值，I1为电流源的电流。
第一和第二实施例分别与方案一和二相比，均至少具有二个技术优势。
第一，对于方案一和二，如果将电流I1调节为X，计算出的灵敏度S2计为A；对于实施例一和二，将电流I1和I2分别调节为X和0.5X，计算出的灵敏度S1计为2A。可见，在实施例一和二中，灵敏度得到了提高。
第二，对于方案一和二，如果在电流I1为X时，输出值占比为70％，在将电流I1调节为0.5X时，输出值占比大于1(为70％*2＝140％)，产生溢出；对于实施例一和二，在电流I1为X且I2为0.5X时，输出值占比小于1(为70％*2-1＝40％)，未产生溢出。
图5是本发明第三实施例中电容式感测设备的结构示意图。
如图5所示，第一预定电压为低电平(接地)；电荷平衡电路105中，第一电源和第二电源分别为电压源401(图5中标记为VDD3)和电压源402(图5中标记为VDD4)，第一控制开关和第二控制开关分别为开关403和开关404。
在第三实施例中，电荷平衡电路105可以包括电阻405(图5中标记为R1)和电阻406(图5中标记为R2)，电压源401通过电阻405耦接开关403，电压源402通过电阻406耦接开关404。
可通过调节电阻405和/或电阻406的阻值来调节感测灵敏度。
在电容式感测设备400感测电容式传感器101的电容值时，开关113和开关114构成开关组而交替地执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压和参考电容103。其中，在执行第一操作时，第一预定电压对电容式传感器101进行放电；在执行第二操作时，参考电容103对电容式传感器101进行充电。
当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的一者时，开关403闭合而开关404断开，使得电压源401对参考电容103进行充电；当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的另一者时，开关403断开而开关404闭合，使得电压源402对参考电容103进行充电。
图6是本发明第四实施例中电容式感测设备的结构示意图。
如图6所示，第一预定电压为高电平(为工作电压VDD)；电荷平衡电路105中，第一电源和第二电源分别为均耦接地的电压源(未图示)，第一控制开关和第二控制开关分别为开关503和开关504。
在第四实施例中，电荷平衡电路105可以包括电阻501(图6中标记为R3)和电阻502(图6中标记为R4)，电压源通过电阻501耦接开关503，电压源通过电阻502耦接开关504。
可通过调节电阻501和/或电阻502的阻值来调节感测灵敏度。
在电容式感测设备500感测电容式传感器101的电容值时，开关113和开关114构成开关组而交替地执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压和参考电容103。其中，在执行第一操作时，第一预定电压对电容式传感器101进行充电；在执行第二操作时，参考电容103对电容式传感器101进行放电。
当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的一者时，开关503闭合而开关504断开，使得第一电源对参考电容103进行放电；当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的另一者时，开关303断开而开关304闭合，使得第二电源对参考电容103进行放电。
图5和图6所示的第三和第四实施例涉及二个电压源。在第三实施例中，将公式(1)和(2)中的I1和I2分别替换为(VA-VREF)/RA和(VB-VREF)/RB而得到公式(9)和(10)，其中，VA和VB分别为二个电压源的电压，RA和RB分别为与二个电压源耦接的电阻，在一个感测周期内得到的最终计数值C5和灵敏度S5可以分别基于公式(9)和(10)计算。在第四实施例中，将公式(3)和(4)中的I1和I2分别替换为VREF/RA和VREF/RB而得到公式(11)和(12)，其中，RA和RB分别为与地耦接的电阻，在一个感测周期内得到的最终计数值C6和灵敏度S6可以分别基于公式(11)和(12)计算。
与第一和第二实施例类似，与专利文献一相比，第三和第四实施例至少具有四个技术优势。
对一个电压源以供调节的方案中，电容式感测设备仅采用一个电压源对参考电容进行充电或放电而其他的电路结构与第三或第四实施例相同，从而可以分别形成方案三和方案四。
与第一和第二实施例类似，第三和第四实施例分别与方案三和四相比，至少具有二个技术优势。
图7是本发明第五实施例中电容式感测设备的结构示意图。
如图7所示，第一预定电压为低电平(接地)；电荷平衡电路105中，第一电源和第二电源分别为电压源601(图7中标记为VDD5)和电压源602(图7中标记为VDD6)，第一控制开关包括与门603和开关605，第二控制开关包括与门604和开关606，其中，开关605和开关606均由两个子开关构成的开关组，开关605中的两个子开关和开关606中的两个子开关均以两相非交叠相位工作。
与门603的第一输入端和与门604的第一输入端均耦接比较器104的输出端110，与门603的第二输入端耦接第一时钟信号(其用于控制开关605的开关频率)，与门604的第二输入端耦接第二时钟信号(其用于控制开关606的开关频率)；开关605耦接在与门603的输出端和参考电容103的第二端之间，开关606耦接在与门604的输出端和参考电容103的第二端之间。
在第五实施例中，电荷平衡电路105可以包括电容607(图7中标记为CD1)和电容608(图7中标记为CD2)，电容607的第一端耦接地、第二端耦接开关605从而可以通过开关605的闭合或断开而选择性地耦接参考电容103，电容608的第一端耦接地、第二端耦接开关606从而可以通过开关606的闭合或断开而选择性地耦接参考电容103。
在电容式感测设备600感测电容式传感器101的电容值时，电容607和开关605形成等效电阻，电容608和开关606形成等效电阻，从而对参考电容103进行可控制的充电。可通过调节电容607和电容608的电容值以及开关605和开关606的开关频率来调节感测灵敏度。
在电容式感测设备600感测电容式传感器101的电容值时，开关113和开关114交替地提供输出电平从而分别执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压和参考电容103。其中，在执行第一操作时，第一预定电压对电容式传感器101进行放电；在执行第二操作时，参考电容103对电容式传感器101进行充电。
当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的一者时，与门603有输出而与门604没有输出，使得电压源601在第一相位时对电容607进行充电，而电容607在第二相位时对参考电容103进行充电，其中第一相位和第二相位时的操作交替执行；当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的另一者时，与门603没有输出而与门604有输出，使得电压源602在第一相位时对电容608进行充电，而电容608在第二相位时对参考电容103进行充电，其中第一相位和第二相位时的操作交替执行。
图8是本发明第六实施例中电容式感测设备的结构示意图。
如图8所示，第一预定电压为高电平(为工作电压VDD)；电荷平衡电路105中，第一电源和第二电源分别为均耦接地的电压源(未图示)，第一控制开关包括与门701和开关703，第二控制开关包括与门702和开关704，其中，开关703和开关704均由两个子开关构成的开关组，开关703中的两个子开关和开关704中的两个子开关均以两相非交叠相位工作。
与门701的第一输入端和与门702的第一输入端均耦接比较器104的输出端110，与门701的第二输入端耦接第三时钟信号(其用于控制开关703的开关频率)，与门702的第二输入端耦接第四时钟信号(其用于控制开关704的开关频率)；开关703耦接在与门701的输出端和参考电容103的第二端之间，开关704耦接在与门702的输出端和参考电容103的第二端之间。
在第六实施例中，电荷平衡电路105可以包括电容705(图8中标记为CD3)和电容706(图8中标记为CD4)，电容705的第一端耦接地、第二端耦接开关703从而可以通过开关703的闭合或断开而选择性地耦接参考电容103，电容706的第一端耦接地、第二端耦接开关704从而可以通过开关704的闭合或断开而选择性地耦接参考电容103。
在电容式感测设备700感测电容式传感器101的电容值时，电容705和开关703形成等效电阻，电容706和开关704形成等效电阻，从而对参考电容103进行可控制的放电。可通过调节电容705和电容706的电容值以及开关703和开关704的开关频率来调节感测灵敏度。
在电容式感测设备700感测电容式传感器101的电容值时，开关113和开关114交替地提供输出电平从而分别执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压和参考电容103。其中，在执行第一操作时，第一预定电压对电容式传感器101进行充电；在执行第二操作时，参考电容103对电容式传感器101进行放电。
当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的一者时，与门701有输出而与门702没有输出，使得地在第一相位时对电容705进行放电，而电容705在第二相位时对参考电容103进行放电，其中第一相位和第二相位时的操作交替执行；当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的另一者时，与门701没有输出而与门702有输出，使得地在第一相位时对电容706进行放电，而电容706在第二相位时对参考电容103进行放电，其中第一相位和第二相位时的操作交替执行。
图7和图8所示的第五和第六实施例涉及二个电压源。在第五实施例中，将公式(9)和(10)中的RA和RB分别替换为1/FACA和1/FBCB而得到公式(13)和(14)，其中，FA和FB分别为与二个电压源耦接的二个开关组的频率，CA和CB分别为与二个开关组耦接的电容值，在一个感测周期内得到的最终计数值C7和灵敏度S7可以分别基于公式(13)和(14)计算。在第六实施例中，将公式(11)和(12)中的RA和RB分别替换为1/FACA和1/FBCB而得到公式(15)和(16)，其中，FA和FB分别为与二个电压源耦接的二个开关组的频率，CA和CB分别为与二个开关组耦接的电容值，在一个感测周期内得到的最终计数值C8和灵敏度S8可以分别基于公式(15)和(16)计算。
与第一和第二实施例类似，与专利文献一相比，第五和第六实施例至少具有四个技术优势。
对一个电压源以供调节的方案中，电容式感测设备仅采用一个电压源对参考电容进行充电或放电而其他的电路结构与第五或第六实施例相同，从而可以分别形成方案五和方案六。
与第一和第二实施例类似，第五和第六实施例与方案五和六相比，至少具有二个技术优势。
图9是本发明第七实施例中电容式感测设备的结构示意图。
如图9所示，第一预定电压为低电平(接地)；电荷平衡电路105中，第一电源和第二电源分别为电流源801(图9中标记为I5)和电压源802(图9中标记为VDD8)，电流源801耦接预定电压(图9中标记为VDD7)，第一控制开关和第二控制开关分别为开关803和开关804。
在第七实施例中，电荷平衡电路105可以包括电阻805(图9中标记为R5)，电压源802通过电阻805耦接开关804。
可通过调节电阻805的阻值和电流源801的电流来调节感测灵敏度。
在电容式感测设备800感测电容式传感器101的电容值时，开关113和开关114构成开关组而交替地执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压和参考电容103。其中，在执行第一操作时，第一预定电压对电容式传感器101进行放电；在执行第二操作时，参考电容103对电容式传感器101进行充电。
当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的一者时，开关803闭合而开关804断开，使得电流源801对参考电容103进行充电；当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的另一者时，开关803断开而开关804闭合，使得电压源802对参考电容103进行充电。
图10是本发明第八实施例中电容式感测设备的结构示意图。
如图10所示，第一预定电压为高电平(为工作电压VDD)；电荷平衡电路105中，第一电源和第二电源分别为均耦接地的电流源901(图10中标记为I6)和电压源(未图示)，第一控制开关和第二控制开关分别为开关903和开关904。
在第八实施例中，电荷平衡电路105可以包括电阻902(图10中标记为R6)，电压源通过电阻902耦接开关904。
可通过调节电阻902的阻值和电流源901的电流来调节感测灵敏度。
在电容式感测设备900感测电容式传感器101的电容值时，开关113和开关114构成开关组而交替地执行第一操作和第二操作，从而使电容式传感器101交替地耦接第一预定电压和参考电容103。其中，在执行第一操作时，第一预定电压对电容式传感器101进行充电；在执行第二操作时，参考电容103对电容式传感器101进行放电。
当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的一者时，开关903闭合而开关904断开，使得电流源对参考电容103进行放电；当比较器104的输出端110输出第一逻辑电平和第二逻辑电平中的另一者时，开关903断开而开关904闭合，使得电压源对参考电容103进行放电。
图9和图10所示的第七和第八实施例涉及一个电流源和一个电压源。在第七实施例中，将公式(1)和(2)中的I2替换为(VC-VREF)/RC而得到公式(17)和(18)，其中，VC为电压源的电压，RC为与电压源耦接的电阻，在一个感测周期内得到的最终计数值C9和灵敏度S9可以分别基于公式(17)和(18)计算。在第八实施例中，将公式(3)和(4)中的I2替换为VREF/RC而得到公式(19)和(20)，其中，RC为与地耦接的电阻，在一个感测周期内得到的最终计数值C10和灵敏度S10可以分别基于公式(19)和(20)计算。
与第一和第二实施例类似，与专利文献一相比，第七和第八实施例至少具有四个技术优势。
对仅一个电压源或一个电流源以供调节的方案中，电容式感测设备仅采用一个电压源或一个电流源对参考电容进行充电或放电而其他的电路结构与第七或第八实施例相同，从而可以分别形成方案七和方案八。
与第一和第二实施例类似，第七和第八实施例分别与方案七和八相比，至少具有二个技术优势。
图11是本发明实施例感测电容的方法的流程图。方法1000包括以下步骤：
步骤S1010：将电容式传感器交替地耦接第一预定电压和参考电容；
步骤S1020：比较参考电容的电压和参考电压而输出第一逻辑电平或第二逻辑电平；
步骤S1030：基于第一逻辑电平或第二逻辑电平使计数器计数而获得计数值和对参考电容进行充电或放电。
在步骤S1010的执行中，如前所述，可以通过开关组102交替地执行第一操作和第二操作，以使得电容式传感器101交替地耦接第一预定电压107和参考电容103。
在步骤S1020的执行中，如前所述，可以通过比较器104比较参考电容103的电压与参考电压111。例如，当参考电容103的电压值低于参考电压111的电压值时，比较器104的输出端110输出第一逻辑电平；当参考电容103的电压值高于参考电压111的电压值时，比较器104的输出端110输出第二逻辑电平；其中，第一逻辑电平为高电平而第二逻辑电平为低电平、或者第一逻辑电平为低电平而第二逻辑电平为高电平。
在步骤S1030的执行中，如前所述，可以通过电荷平衡电路105对参考电容103进行充电或放电以将参考电容103的电压维持在参考电压111附近。例如，将参考电容103的电压值维持在参考电压111的电压值的70％与130％之间。
在具体实施中，在定时器确定的感测周期内循环执行步骤S1010、S1020和S1030，并且获得最终的计数值。
在具体实施中，第一预定电压为低电平，步骤S1010包括通过参考电容对电容式传感器进行充电而调整参考电容的电压。
在具体实施中，通过参考电容对电容式传感器进行充电和电荷平衡电路对参考电容进行充电而调整参考电容的电压。
在具体实施中，电荷平衡电路包括第一电源和第二电源，第一电源和第二电源分别基于第一逻辑电平和第二逻辑电平而交替地对参考电容进行充电。
在具体实施中，第一预定电压为高电平，步骤S1010包括通过电容式传感器对参考电容进行充电而调整参考电容的电压。
在具体实施中，通过电容式传感器对参考电容进行充电和电荷平衡电路对参考电容进行放电而调整参考电容的电压。
在具体实施中，电荷平衡电路包括第一电源和第二电源，第一电源和第二电源分别基于第一逻辑电平和第二逻辑电平而交替地对参考电容进行放电。
关于感测电容的方法1000的具体原理和实施方式等，可以参照上述结合图1至10关于电容式感测设备的相关描述，这里不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
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