发明内容
本发明的目的在于提出一种电容感测单元及系统，能够在噪声干扰恶劣的情况下实现高信噪比的电容检测。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电容感测单元，包括GM模块，积分存储模块，量化电路模块和计数模块；
所述GM模块的第一输入端用于接收表征待测系统的感测信号，所述GM模块的第二输入端接入参考电压，所述GM模块的第一输出端连接所述第一输入端以产生第一电流，所述GM模块的第二输出端输出与所述第一电流具有可调节比例的第二电流，所述可调节比例用于对信号进行放大或缩小；
所述积分存储模块与所述第二输出端连接，用于对所述GM模块输出的电流进行积分存储；
所述量化电路模块与所述积分存储模块连接，用于对所述积分存储模块上的电荷进行量化，并控制所述积分存储模块上的电压稳定在设定范围内；
所述计数模块与所述量化电路模块连接，用于对所述量化电路模块的输出进行计数，得到表征所述待测系统电容值的计数值。
进一步的，所述积分存储模块包括开关电路和积分电容；
所述开关电路与所述第二输出端连接，用于在时钟信号控制下将所述第二电流转换为同向电流；所述积分电容与所述开关电路连接，用于对所述同向电流进行积分。
进一步的，所述量化电路模块包括多个比较电压和多个电流源；
所述多个比较电压包括目标电压，所述多个电流源用于根据所述积分存储模块上的电压与所述多个比较电压的大小关系对所述积分存储模块进行充放电，使所述积分存储模块上的电压稳定在所述目标电压附近。
进一步的，所述量化电路模块还包括多个电压比较器和电流源控制电路；
所述多个电压比较器的第一输入端与所述积分存储模块连接，所述多个电压比较器的第二输入端分别连接所述多个比较电压，用于比较所述积分存储模块上的电压与所述多个比较电压的大小关系；所述电流源控制电路用于根据所述积分存储模块上的电压与所述目标电压的差值控制所述电流源的开启数量。
进一步的，所述多个电流源包括放电电流源和充电电流源；
所述放电电流源用于对所述积分存储模块进行放电，所述充电电流源用于对所述积分存储模块进行充电。
进一步的，当所述积分存储模块上的电压高于所述目标电压时，所述放电电流源进行放电；当所述积分存储模块上的电压低于所述目标电压时，所述充电电流源进行充电。
此外，本发明还提出一种电容感测系统，包括如上述所述的电容感测单元，还包括待测系统和数据处理模块；所述待测系统与所述GM模块连接；所述数据处理模块用于对所述计数模块输出的计数值进行数据分析处理。
进一步的，所述数据分析处理包括数据存储、数据滤波和数据提取中的至少一种。
进一步的，所述待测系统包括互电容系统；所述互电容系统包括发射电极TX、接收电极RX、发射电容Ctx、互电容Cm和接收电容Crx；
所述互电容Cm的两端分别连接所述发射电极TX和所述接收电极RX；所述接收电极RX远离所述互电容Cm的一端连接所述GM模块；所述发射电容Ctx的一端与所述发射电极TX连接，另一端接地；所述接收电容Crx的一端与所述接收电极RX连接，另一端接地。
进一步的，所述待测系统包括自电容系统；所述自电容系统包括接收电极RX和接收电容Crx；所述接收电极RX与所述GM模块的所述第一输入端连接，所述接收电容Crx的一端与所述接收电极RX连接，另一端接地。
通过上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
通过GM模块将待测系统的感测信号转换为电流，GM模块的第二输出端输出与第一电流成比例的第二电流，结合积分存储模块进行积分存储，并通过量化电路模块对积分存储模块上的电荷进行量化，同时控制积分存储模块上的电压稳定在设定范围内，最终通过计数模块得到表征待测系统电容值的计数值，实现了稳定可靠的电容检测。
由于GM模块可将信号进行A倍放大，显著提高了信号量和信噪比；量化电路模块采用多个电流源对积分存储模块进行充放电控制（即采用Kn×Iunit的电流控制方式），在不增加积分电容面积的情况下扩大了量化范围，既保证了芯片的小面积优势，又降低了系统成本；通过开关电路将电流转换为同向电流进行积分，并根据积分存储模块上的电压与目标电压的差值控制电流源的开启数量，实现了更快的量化速度；同时系统支持互电容和自电容两种检测方式，适用范围广。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的一种电容感测单元及系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1和图3所示，本发明实施例提出了一种电容感测单元，包括：GM模块，积分存储模块，量化电路模块（Quantization Circuit）和计数模块（Counter）。
具体的，所述GM模块的第一输入端用于接收表征待测系统的感测信号Vrx，所述GM模块的第二输入端接入参考电压Vcm，所述GM模块的第一输出端连接所述第一输入端以产生第一电流Iout，所述GM模块的第二输出端输出与所述第一电流具有可调节比例的第二电流A×Iout，所述可调节比例用于对信号进行放大或缩小。其中，A为可调节的幅值调制系数，且这一比例可以根据实际情况进行设置，既可以放大也可以缩小，从而能够对信号（即感测信号Vrx；在互电容模式下，该感测信号Vrx为接收电极RX上的感测信号；在自电容模式下，该感测信号Vrx为接收电极RX上的感测信号）进行缩放。所述积分存储模块与所述第二输出端连接，用于对所述GM模块输出的电流进行积分存储；所述量化电路模块与所述积分存储模块连接，用于对所述积分存储模块上的电荷进行量化，并控制所述积分存储模块上的电压Vint稳定在设定范围内；所述计数模块与所述量化电路模块连接，用于对所述量化电路模块的输出进行计数，得到表征所述待测系统电容值的计数值。
在一实施例中，所述GM模块包括跨导运算放大器。所述第一输入端为运放反相输入端，与待测系统连接；所述第二输入端为运放同相输入端，与参考电压Vcm耦合；所述第一输出端与所述第一输入端连接以产生第一电流Iout；所述第二输出端产生第二电流A×Iout，即所述第二输出端的第二电流A×Iout是对所述第一输入端的第一电流Iout的复制，电流大小可以缩放A倍。其中，A为可调节的幅值调制系数，通过调节A可以将信号放大以提高信噪比，但信号放大会增加电路的代价，如芯片面积、工作时长等。
另外，所述GM模块的第一输入端与第二输入端具体连接的信号，可根据工作模式不同而不同。例如在自电容模式下，第一输入端连接接收电极RX，用于接收接收电极RX上的电压变化。又例如在互电容模式下，第一输入端连接接收电极RX，用于接收由发射电极TX耦合到接收电极RX上的电压变化。而不管是哪种工作模式，所产生的第一电流Iout均与待测系统中电容及施加的激励信号的摆幅相关。例如在互电容模式下，互电容Cm与发射电极激励信号摆幅ΔVtx产生的电荷Cm×ΔVtx，即由第一电流Iout来提供。
在一实施例中，所述积分存储模块包括开关电路CH和积分电容C1。具体的，所述开关电路CH与所述第二输出端连接，用于在时钟信号CK控制下将所述第二电流A×Iout转换为同向电流；所述积分电容C1与所述开关电路CH连接，用于对所述同向电流进行积分。
在本实施例中，所述开关电路CH与GM模块的第二输出端连接，同时耦合到积分电容C1和量化电路模块。开关电路CH的主要目的在于将GM模块产生的具有正向和反向的电流，在时钟信号CK的控制下进行解调，将其转化为同向的电流，然后送到积分电容C1上进行积分。所述积分电容C1用于对经过开关电路CH解调后的电流进行积分。积分电容C1的大小决定了可积分信号的大小，但需要注意的是，电容在芯片中会消耗较大的面积。
在一实施例中，所述量化电路模块包括多个比较电压和多个电流源。具体的，所述多个比较电压包括目标电压，所述多个电流源用于根据所述积分存储模块上的电压Vint与所述多个比较电压的大小关系对所述积分存储模块进行充放电，使所述积分存储模块上的电压Vint稳定在所述目标电压附近。
进一步的，所述量化电路模块还包括多个电压比较器（即图5中的CMP1、CMP2、CMP3、CMP4和CMP5）和电流源控制电路。具体的，所述多个电压比较器的第一输入端与所述积分存储模块连接，所述多个电压比较器的第二输入端分别连接所述多个比较电压，用于比较所述积分存储模块上的电压Vint与所述多个比较电压的大小关系；所述电流源控制电路用于根据所述积分存储模块上的电压Vint与所述目标电压的差值控制所述电流源的开启数量。
在本实施例中，所述多个电流源包括放电电流源和充电电流源。具体的，所述放电电流源用于对所述积分存储模块进行放电，所述充电电流源用于对所述积分存储模块进行充电。
优选的，当所述积分存储模块上的电压Vint高于所述目标电压时，所述放电电流源进行放电；当所述积分存储模块上的电压Vint低于所述目标电压时，所述充电电流源进行充电。
优选的，所述多个电流源的电流大小满足In=Kn×Iunit，其中Kn为正整数，Iunit为基准电流；所述放电电流源中相邻档位的电流大小比值为第一设定阈值（例如为2），所述充电电流源中相邻档位的电流大小比值为第二设定阈值（例如为2）。
在本实施例中，图2为本实施例中工作于互电容模式时主要节点的电压、电流波形图。从图中可以看出，当发射电极TX输入激励信号VTX时，接收电极RX上会产生相应的电压变化Vrx。GM模块将该电压变化转换为第一电流Iout和第二电流A×Iout。经过开关电路CH的解调后，积分电容C1上的电压Vint会相应变化。量化电路模块通过控制充放电电流，使Vint最终稳定在目标电压Vref3附近。
在本实施例中，图4为另一实施例中工作于自电容模式时主要节点的电压、电流波形图。从图中可以看出，该图展示了在自电容模式下，各主要节点上的电压和电流变化情况，包括参考电压Vcm的变化、接收电极RX上产生的电压信号Vrx、GM模块产生的电流Iout及其放大后的电流A×Iout，以及积分电容C1上的电压Vint变化。图中显示了当参考电压Vcm发生高低跳变时，由于接收电极到地的自电容Crx存在，在接收电极RX上产生电荷变化，并通过GM模块转换为电流输出，最终通过量化电路模块控制使积分电容上的电压Vint稳定在目标电压Vref3附近。
图6为本实施例中量化电路模块对积分电容C1上电压Vint的控制示意图。图中实线表示有多级充放电控制时Vint的变化过程：当Vint处于不同电压区间时，通过控制不同数量的电流源开启，使得Vint以不同的斜率变化，最终快速稳定在目标电压Vref3附近。图中虚线表示仅采用单一速度充放电时Vint的变化过程，相比之下需要更长的量化时间。
在一具体示例中，如图5和图6所示，在积分电容C1对电流进行积分的同时，量化电路模块也在同步进行量化，并且将已量化的电荷从积分电容C1上移除或补充，防止积分电容C1上的电压过高或过低。
具体地，当积分电容C1上的电压Vint高于或低于某一比较电压时，量化电路模块就以相应的速度对积分电容C1进行充电或放电。Vint偏离目标电压越远，充电或放电的速度就越快，最终使Vint稳定在目标比较电压附近。
例如，设置比较电压Vref1>Vref2>Vref3>Vref4>Vref5，其中Vref3为目标电压，比较电压的数量与大小可根据实际需要设定。当Vint>Vref1时，开启电流I1、I2、I3对积分电容C1放电；当Vref1>Vint>Vref2时，开启电流I2、I3对积分电容C1放电；当Vref2>Vint>Vref3时，开启电流I3对积分电容C1放电；当Vref3>Vint>Vref4时，开启电流I4对积分电容C1充电；当Vref4>Vint>Vref5时，开启电流I4、I5对积分电容C1充电；当Vref5>Vint时，开启电流I4、I5、I6对积分电容C1充电。其中，各电流源的电流大小满足In=Kn×Iunit（Kn为正整数），电流I1、I2、I3与电流I4、I5、I6方向相反，优选地I3=I4=Iunit。最小充放电时间单位为tclk，优选地最小充放电电荷量为Iunit×tclk，使得Vint最终稳定在Vref3附近，偏差为Iunit×tclk/C1。其中，图1和图3所示的CLK为系统时钟信号，tclk是CLK时钟信号的周期，即最小充放电时间单位。
继续参考图6所示，当Vint在不同的电压区间时会以不同的斜率变化，即被量化电路以不同的速度进行充放电。当Vint越偏离目标电压Vref3时，充放电的速度越快，最终稳定在Vref3附近。通过量化电路中电流方向及大小的控制，不仅控制了量化的速度与精度、充放电速度，防止积分电容C1上电压过高或过低，而且减小了积分电容C1所需的面积，增加了可量化范围，提高了量化速度。
综上，本实施例通过量化电路模块中电流方向及大小的控制，控制了量化的速度与精度、充放电速度，防止积分电容C1上电压过高或过低，减小了积分电容C1的面积，增加了可量化范围，提高了量化速度。
此外，继续参考图1和图3所示，本实施例还提出一种电容感测系统，包括如上述所述的电容感测单元，还包括待测系统和数据处理模块（Digital Processor）。
具体的，所述待测系统与所述GM模块连接；所述数据处理模块用于对所述计数模块输出的计数值进行数据分析处理。
在本实施例中，所述数据分析处理包括数据存储、数据滤波和数据提取中的至少一种。
在一具体示例中，所述待测系统包括互电容系统；所述互电容系统包括发射电极TX、接收电极RX、发射电容Ctx、互电容Cm和接收电容Crx；
具体的，所述互电容Cm的两端分别连接所述发射电极TX和所述接收电极RX；所述接收电极RX远离所述互电容Cm的一端连接所述GM模块；所述发射电容Ctx的一端与所述发射电极TX连接，另一端接地；所述接收电容Crx的一端与所述接收电极RX连接，另一端接地。
在另一具体示例中，所述待测系统包括自电容系统；所述自电容系统包括接收电极RX和接收电容Crx。
具体的，所述接收电极RX与所述GM模块的所述第一输入端连接，所述接收电容Crx的一端与所述接收电极RX连接，另一端接地。
在本实施方式中，继续参考图2以及图4-图6所示，在自电容模式下，运放反相输入端直接与接收电极RX连接。当参考电压Vcm发生高低跳变时，由于接收电极到地的自电容（即自电容系统的接收电容Crx）存在，产生电荷变化Crx×ΔVcm。GM模块将该电荷变化转换为电流输出。
在互电容模式下，发射电极TX和接收电极RX之间由于存在介质而形成互电容Cm。当TX输入幅值为VTX的激励信号时，由于互电容Cm的存在，在RX端产生电荷变化Cm×VTX。GM模块同样将该电荷变化转换为电流输出。外部触摸会改变互电容值Cm。
因此，在自电容模式下，产生的电流与接收电容Crx及参考电压Vcm的变化量ΔVcm相关；在互电容模式下，产生的电流与互电容Cm及发射电极激励信号VTX相关。开关电路CH在时钟信号CK的控制下，将GM模块产生的正向和反向电流解调为同向电流，送到积分电容C1上积分。量化电路模块对积分电容C1上的电荷进行量化。
例如，设置了5个参考电压Vref1>Vref2>Vref3>Vref4>Vref5，Vref3为目标电压。当积分电容C1上的电压Vint处于不同区间时，会开启不同组合的电流源：
Vint>Vref1：开启I1、I2、I3放电；
Vref1>Vint>Vref2：开启I2、I3放电；
Vref2>Vint>Vref3：开启I3放电；
Vref3>Vint>Vref4：开启I4充电；
Vref4>Vint>Vref5：开启I4、I5充电；
Vref5>Vint：开启I4、I5、I6充电。
电流源大小满足In=Kn×Iunit，优选I3=I4=Iunit。最小充放电时间为tclk，最小充放电电荷量为Iunit×tclk。通过多级电流控制使Vint快速稳定在Vref3附近，偏差为Iunit×tclk/C1。最后，计数模块对量化电路输出进行计数累加，得到与待测电容值相关的计数值。
可见，本实施例通过GM模块的A倍放大提高信噪比，通过多级量化电流控制扩大量化范围并加快量化速度，同时减小了对积分电容C1面积的要求，具有较好的成本优势。另外，本实施例可在自电容和互电容两种模式下都能有效工作，实现了高灵敏度、高精准度的触摸感测。
综上所述，本发明提出的一种电容感测单元及系统，具有如下优势：
通过GM模块将待测系统的感测信号转换为电流，GM模块的第二输出端输出与第一电流成比例的第二电流，结合积分存储模块进行积分存储，并通过量化电路模块对积分存储模块上的电荷进行量化，同时控制积分存储模块上的电压稳定在设定范围内，最终通过计数模块得到表征待测系统电容值的计数值，实现了稳定可靠的电容检测。
由于GM模块可将信号进行A倍放大，显著提高了信号量和信噪比；量化电路模块采用多个电流源对积分存储模块进行充放电控制（即采用Kn×Iunit的电流控制方式），在不增加积分电容面积的情况下扩大了量化范围，既保证了芯片的小面积优势，又降低了系统成本；通过开关电路将电流转换为同向电流进行积分，并根据积分存储模块上的电压与目标电压的差值控制电流源的开启数量，实现了更快的量化速度；同时系统支持互电容和自电容两种检测方式，适用范围广。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。