一种简单的电容式触摸按键实现方法

一种简单的电容式触摸按键实现方法
柴智，贾卫华
（厦门芯阳科技股份有限公司）
摘要：本文介绍了一种基于检测电容充电时间长度的触摸按键实现方法。

该方法通过采用触摸时产生的电容影响充电电量的方法改变了对充电电流的依赖。

通过将充电过程直接与计数周期结合的方法，降低了对计数频率稳定性的要求。

该方法结构简单，设计方便，调整灵活，适合替代各种常规按键使用。

关键字：触摸按键；充电电量；降低依赖
A Simple Realization Method of Capacitive Touch Key
CHAI Zhi,JIA Wei-hua
（Xiamen CHISPUN Science and Technology Co.,Ltd.）
Abstract：This paper introduces a touch button implementation method based on detecting the charging time of ca-pacitor.This method changes the dependence on the charging current by using the method that the capacitance gen-erated when touching affects the charging quantity.By combining the charging process with counting period directly, the requirement of counting frequency stability is reduced.The method has the advantages of simple structure,conve-nient design,flexible adjustment and is suitable for replacing various conventional buttons.
Key words：Touch key;Charging capacity;Reduce dependence
引言
随着电子产品的交互体验的更新迭代，电容触摸按键正扮演着重要的角色，尤其是在家用电器领域，诸如遥控器、开关、电磁炉、电饭锅、洗衣机等电器设备。

电容触摸按键相对于传统的机械式按键，不会因环境条件的改变或长期使用发生性能变化，具有可穿透、抗干扰能力、防水能力、易于清洗、高灵敏度、高可靠性以及低成本等明显优势。

1电容式触摸按键实现方法简介
电容式触摸按键目前主要有两种主流的实现方式，一种是基于张弛振荡的原理，另一种是基于电阻的电容充放电时间的检测。

下面就对这两种实现方式分别进行简单的介绍。

1.1基于张弛振荡的检测
图1为张弛振荡原理图。

采用一个标准的比较器和一些外部电阻构成一个不断充电和放电的张弛振荡器。

当C PO+电压大于C PO-电压时，比较器输出高电平，三个电阻R1分压使得C PO+电压变为2
3
V DD，同时比较器输出高电平作为电源给电容开关充电。

当C PO-电压超过2
3
V DD时，比较器输出端电压变为0。

此时三个电阻R1构成的分压网络使得C PO+变为
1 3V DD。

此时电容开关开始放电。

一旦电容放电电压下降到1
3
V DD以下，比较器
又再次输出高电平并重新开始给电容开关充电。

此
过程如此往复，实现周期性的充电放电，从而构成了
张弛振荡器。

比较器输出端的波形如图2所示。

此输
出同时也就是张弛振荡器的输出波形。

通过在比较
器输出端连接一个计数器，通过测量充放电周期或
者频率即可测量到电容的变化。

对于测量频率变化，
计算固定时间内张弛振荡器的周期数，如果在固定
时间内测量到的周期数较原来校准的少，则视为开
关被压下。

对于测量周期，在固定次数的张弛周期间
计算系统周期的总数，如果开关被压下，则张弛振荡
器的频率会减少，在相同次数周期内测量到更多的
系统时钟周期。

1.2基于电阻的电容充放电时间的检测
这种方法主要是通过检测电容的充电和放电时
间来实现。

如图3所示。

首先控制开关闭合对电容
C X进行充电；同时开启计数器进行计时；随
着充电
的进行，
C X上的电
压不断升高，最终超过检测门限
电压，但超过门限电压后，比较器输出结果发生翻图1张弛振荡原理图
图2张弛振荡波形图
图3电容充放电原理图
转，计数器停止计数，并记录此时的数值。

当有手指触摸到触摸按键的时候，C X将会变大，此时充电时间也会变长。

通过不断地比较每次充电的时间，很自然地就能得知当前是否有触摸按键被“按下”。

2设计思路
上述两种方法，在实际实现时都存在测量误差大、对电路一致性要求高等问题，给设计带来了不小的难度。

本方法是基于电容充放电时间进行检测，但改变原始检测方法中，当手指触摸到按键后改变C X 电容的大小的方法，改为触摸后影响充电电量多少的方法，来避免由于每次按键时电容变化的不确定性带来的C X变化的不确定性，也避免了需要仔细设计充电电流大小来确保可靠性与灵敏度的难点。

同时，为避免原方法充电过程中充电时长与充电电流相关、而计数器计数量与时钟相关，但是在时钟与充电电流之间并无直接相关性，导致其中一个变量发生变化，测量结果即出现误差的问题。

将充电过程变为钟控型，在时钟与充电电流两个变量之间建立联系桥梁，降低系统对于两个变量的敏感性。

3实现方法
本方法如图4所示。

当chargeEn信号为低电平
时，当CLOCK低电平来到时，通过MP1管对电容C IN充电，充入电荷量为：
Q CIN=C CIN*V IN
其中：C CIN为C IN电容容量
V IN为MP1输入电压
当CLOCK高电平来到时，MP1管关闭，对C IN 充电完成，同时MN1管打开，将C IN上储存的电荷转移到C X电容上，使得C X上的电压上升，直到C IN和C X上的电压达到平衡。

此时C IN和C X上的电压为：
V CX=Q CIN/（C CIN+C CX）
其中：Q CIN为C CIN上的电荷
C CX为C X电容的容量
当下一个CLOCK低电平周期来临的时候，再次通过MP1对C IN充电，充入的电荷量为：
Q CIN2=C CIN*（V IN-V CX）
当CLOCK低电平周期结束，高电平周期来到时，C IN再次通过MN1将电荷转移到C X上，平衡后C X上的电压为：
V CX2=（Q CIN2+V CX*C CX）/（C CIN+C CX）
此过程不断反复，直到C X上的电压达到V ref 值，比较器U0输出发生翻转为止。

当U0输出发生翻转后，chargeEn信号变为高电平，对C IN和C X进行放电，恢复到初始状态，等待下一个检测周期的到来。

CLOCK同时就是计数器时钟，因此当C X上电压达到V ref时，充电周期数就是检测周期数。

这样就无需控制充电电流大小，仅需确保V IN值稳定即可。

当触摸发生时，在C IN端并联了由于触摸产生的电容C TOUCH，新的C IN电容大小变为C IN+C TOUCH。

每个CLOCK低电平周期充入的电量多C CTOUCH*（V IN-V CX），其中C CTOUCH为由于触摸产生的电容的容量。

当上述检测过程发生时，C X电容电压达到V ref的周期次数减小。

通过比较充电周期间次数的变化量即可判断是否按键按下。

通过上述分析可见，触摸的判断过程仅通过C X 电压达到V ref的充电次数一个变量有关，与C IN、
C X
电容容量和充电电流大小均无关，甚至无需保证
CLOCK频率的稳定性，仅需保证在CLOCK高电平图4本方法原理图
图5仿真波形图
5a 充电过程波形
5b 没有触摸时的波形
5c 触摸发生时的波形及低电平期间能够完成电容的充放电即可。

在整个方法中仅需保证V IN 的稳定性。

通过改变C IN 和C X 容量的比例关系即可改变灵敏度。

C X 与C IN 的比例越大，灵敏度越高。

4仿真结果
图5为本方法仿真的波形图。

其中图5a 为触摸未发生时的波形图，图5b 为触摸发生时的波形图。

通过对比可以明确看到，触摸发生后，C X 的充电时长明显变短，充电周期数明显变少。

仿真过程中假设由于触摸产生的电容为3pf ，CX 电容为1nf ，C IN 电容为两个10μm ×20μm 的MOS 电容。

由图中可以清楚地看到，
当触摸时，电容C X 从0充电到V ref 的时间长度由约125μS 变至约47μS 。

5总结
该方法中将传统电容充电触摸检测过程中严重
影响检测结果的充电电流与振荡频率直接进行关联，使这两个敏感变量变成了非敏感变量，即使在现实中存在一定误差也不影响检测的结果。

同时通过调整每个周期内充电电量
大小即
可方便地实现对于触摸灵敏度的控制。

同时将传统的由触摸引起的电容变化影响负载电容大小改为影响充电电量大小而
简化了在传统检测方式中需要精确控制的电流值，从而大大简化了设计的难度和复杂度。

此方法中如果考虑电源电压可能发生的变化，提高检测的抗干扰能力，仅需将提供充电的电源改为由LDO提供即可。

该方法具有电路结构简单，参数要求宽松，实现方便的特点，可广泛应用于各类电容触摸检测领域。

本文仅仅介绍了本文仅仅介绍了电容触摸按键模拟输入端的实现方法，但实际应用中，要实现高稳定性能的电容触摸按键，满足用户在复杂应用中对稳定性、灵敏度、功耗、响应速度、防水、带水操作、抗震动、抗电磁干扰等方面的高体验要求，以保证对环境变化具有灵敏的自动识别和跟踪功能，还需要后端
算法部分进行密切配合
参考文献
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[3]龙玲丽，雷茹，罗琴，潘小琴，电容式触摸按键理论分析及灵敏度研究，中国高新技术企业，2014年第14期。

作者简介
柴智，厦门芯阳科技股份有限公司副总经理，主要研究MCU及数模混合集成电路设计。

贾卫华，厦门芯阳科技股份有限公司IC设计中心经理，主要研究模拟集成电路设计。

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[10]曹裕荣.模拟延时单元集成电路设计[D].东南大学,2016.
作者简介
王艳，华中师范大学，电路与系统专业，硕士，主要从事模拟集成电路的研究与设计。

高超嵩，华中师范大学，博士，主要从事像素探测器的设计与研究。

黄光明，华中师范大学，教授，博士生导师，主要从事嵌入式系统方面的研究。

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