CN110780125B - 电容式传感器电容变化检测方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容式传感器电容变化检测方法及电路，该方法包括：初始化阶段：同时给被测电容和参考电容充电，产生一个电压偏置，同时使得被测电容和参考电容上的偏置电压为一个数值关系；使参考电容上的偏置电压减小或增大一个与参考电容变化比例相关的参考电压值；检测阶段：被测电容上的电压变化量达到或高于或低于参考电容上两端的电压值，则输出OUT将翻转，实现电容变化的检测。本发明电路简单、功耗低、无时钟、噪声低、检测精度高、检测范围广。

Description

电容式传感器电容变化检测方法及电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其是涉及一种电容式传感器电容变化检测方法及电路。

背景技术

智能化的时代，对传感器的需求种类和数量都越来越多。其中电容式传感器是一种简单而又非常有效的一类传感器。可以用作位移、位置传感，可以用做液位传感，湿敏、加速度，还可以是腔体式膜电容测量负气压的传感器。

电容式传感中，一类是需要检测到电容值的大小，一类是只需要检测到电容的相对变化量，从而得知被测试物体的相对变化量，从而触发系统做出做各种需要的如开关、驱动、保护等动作。

当前的电容式传感器，主要采用的是主动施加一个固有频率到被测电容上，来检测相移，或者被测电容组成一个振荡器与一个的固定频率的时钟进行计数比较。这些方案的电路比较复杂，同时不断地有开关信号，噪声比较大，功耗比较高。同时，对固定频率的频率精度也要求高，才能准确反映被测电容的变化量。而且，因为有个固定的参考频率，因此，它的测量范围也是比较确定的。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中电路复杂、基准要求高、噪声与功耗大的问题，本发明根据电容存储电荷不变的原理，提出了一种相对静态的电容式传感器电容变化检测方法及电路。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种电容式传感器电容变化检测方法，该方法包括：

初始化阶段：同时给被测电容和参考电容充电，产生一个电压偏置，同时使得被测电容和参考电容上的偏置电压为一个数值关系；使参考电容上的偏置电压减小或增大一个与参考电容变化比例相关的参考电压值；

检测阶段：被测电容上的电压变化量达到或超过参考电容上两端的电压值，则输出OUT将翻转，实现电容变化的检测。

一种电容式传感器电容变化检测电路，该电路包括：

被测电容充电电路，用于给被测电容充电，并产生一个偏置电压；

参考电压值提供电路，用于产生一个后级比较器的参考电压值，以用来比较被测电容变化；

后级比较器，用于判断被测电容上的电压变化量达到或超过了参考电容上两端的电压值，则输出OUT翻转。

进一步的，该电路包括电源、第一开关、第二开关、第三开关、第一参考电容、第二参考电容和后级比较器，电源的输出端通过第一开关分别连接后级比较器的一个输入端、被测电容的一端和第二开关的一端，第二开关的另一端分别连接第一参考电容的一端、第三开关的一端和后级比较器的另一个输入端，第三开关的另一端连接第二参考电容的一端，被测电容的另一端、第一参考电容的另一端、第二参考电容的另一端均接地。

进一步的，该电路包括电源、第一开关、第二开关、第三开关、第一参考电容、第二参考电容和后级比较器，电源的输出端通过第一开关分别连接后级比较器的一个输入端、被测电容的一端和第二开关的一端，第二开关的另一端分别连接第一参考电容的一端和后级比较器的另一个输入端，第一参考电容的另一端分别连接第二参考电容的一端和第三开关的一端，被测电容的另一端、第二参考电容的另一端、第三开关的另一端均接地。

与现有技术相比，本发明比现有电容变化检测电路，电路简单，仅需要一个比较器电路和一个参考电容。功耗低，无时钟，噪声低，在被测电容的容值变化量没有达到所设定的阈值时，电路基本处于一种静态工作的状态，无任何开关噪声和电流。而且，无需精确的时钟频率或精确的电压源，仅是参考电容的两个电容值的比例关系。电容值的比例关系，在集成电路中是非常容易实现高精度的匹配的。因此，本发明可以实现高精度的电容相对变化量的检测。由于无需固定的时钟来作参考或采样，而比较的参考与被测电容的具体值无关，因此，本发明对被测电容的容值量程范围也是非常广的。

附图说明

图1为实施例1的电路结构示意图；

图2为实施例1的波形图；

图3为实施例2的电路结构示意图；

图4为实施例2的波形图；

图5为实施例3的电路结构示意图；

图6为实施例3的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明一种电容式传感器电容变化检测电路，该电路包括：

被测电容充电电路，用于给被测电容充电，并产生一个偏置电压；

参考电压值提供电路，用于产生一个后级比较器的参考电压值，以用来比较被测电容变化；

后级比较器，用于判断被测电容上的电压变化量达到或超过了参考电容上两端的电压值，则输出OUT翻转。

图1和图3是本发明的其中两种结构形式，他们的区别是检测电容值变大或变小，还有其它形式，电容不确定变大或变小，或都变大变小都有可能要检测时，可以结合上两种情况等。都属于本发明的保护范围。

在本发明中，先有一个初始化过程。在初始化时，同时给被测电容和参考电容充电，产生一个电压偏置，同时使得被测电容和参考电容上的偏置电压为一个数值关系。该数值关系只要是已知道的一个关系，尤其是倍数关系就可以了，也可以是相等。紧接着，通过并联(图1)或串联(图3)或其它混合的形式使参考电容上的偏置电压减小或增大一个与参考电容变化比例相关的电压值。至此，初始化完成，电路处于监测状态。

当所传感的物理量发生变化，引起被测电容量发生变化之后，由于电容所储存的电荷量保持不变，因此，被测电容两端的电容将发生变化，如电容变大，电容上的电压将变小，反之，如果电容值变小，则电容上的电压将增大。如果被测电容上的电压变化量达到或高于或低于参考电容上两端的电压值，则输出OUT将翻转，实现了电容变化的检测。

具体的一个实施例，如图1、图2所示，该电路包括电源、第一开关、第二开关、第三开关S2、第一参考电容C1、第二参考电容C1a和后级比较器，电源的输出端通过第一开关分别连接后级比较器的一个输入端、被测电容C0的一端和第二开关的一端，第二开关的另一端分别连接第一参考电容C1的一端、第三开关S2的一端和后级比较器的另一个输入端，第三开关S2的另一端连接第二参考电容C1a的一端，被测电容C0的另一端、第一参考电容C1的另一端、第二参考电容C1a的另一端均接地。其中，第一开关、第二开关可为同一个开关S1。

主要工作原理是：

在图2所示的实施例一的波形中，t1到t3是一个初始化过程，其中，t1至t2是被测电容和参考电容充电的过程，使得C0和C1都充电到一个电压，此时，V1＝V2。对此电压的具体值没有要求，对精度也没有要求。只要求V1＝V2。此电压如果能大一点，则对后级比较器的失调要求会降低一点。这一点，可以在具体使用中适当选择，不影响本发明的使用。

t2至t3是参考电容C1与C1a之间电荷再平衡的过程，此再平衡过程是非常快的，通常应用中是可以忽略不计的。此时的再平衡过程，产生一个后级比较器的参考电压，以用来比较被测电容变化的参考电压。根据电容的电荷量不变原理有：

Q1＝C1*V2＝(C1+C1a)*V2_N

可得：V2_N＝V2*[C1/(C1+C1a)]

t3至t4之间，这是整个监测区间，再此监测区间，只要V1的电压不发生变化(下降)，整个电路是没有任何动作的。一旦被测电容的容值发生了变化(电容变大)，也是根据电容电荷量不变的原理，

Q0＝C0*V1＝(C0+ΔC)*V1_N

V1_N＝V1*[C0/(C0+ΔC)]

由比较器的翻转条件有V1_N＝V2_N，所以有

V1*[C0/(C0+ΔC)]＝V2*[C1/(C1+C1a)]

由初始条件有V1＝V2：

[C0/(C0+ΔC)]＝[C1/(C1+C1a)]

化简上式有：1+ΔC/C0＝1+C1a/C1；

因此要检测的电容相对变化量p＝ΔC/C0＝C1a/C1，而C1a/C1在集成电路中是可以精确设计并预先设定的。此比例还可以通过编程的形式，进行调节，使得电路的检测判断条件满足传感电路的不同需求。

如图3、图4所示为具体的实施例二，具体实施例二与具体实施例一类似的。差别是，实例一中，预测电容值是变大的。而在实例二中预测电容值是变小的。当然，两个实施例并没有限定只能测量变大或变小。只是参考电容的电荷再平衡时，电容的连接方式不一样，导致参考电压在实施例二中是升高的，而在实施例一中是下降的。实施例二的电路包括电源、第一开关、第二开关、第三开关S3、第一参考电容C1、第二参考电容C1a和后级比较器，电源的输出端通过第一开关分别连接后级比较器的一个输入端、被测电容C0的一端和第二开关的一端，第二开关的另一端分别连接第一参考电容C1的一端和后级比较器的另一个输入端，第一参考电容C1的另一端分别连接第二参考电容C1a的一端和第三开关S3的一端，被测电容C0的另一端、第二参考电容C1a的另一端、第三开关S2的另一端均接地。第一开关、第二开关可共用一个开关S1。

在实施例二中，V3_N＝V3*[C1a/(C1+C1a)]

还是由于V1_N＝V3_N，得到：

[C0/(C0+ΔC)]＝[C1a/(C1+C1a)]

化简有：1+ΔC/C0＝1+C1/C1a

因此，要检测的电容相对变化量p＝ΔC/C0＝C1/C1a，同样C1/C1a在集成电路中是可以精确设计并预先设定的。此比例还可以通过编程的形式，进行调节，使得电路的检测判断条件满足传感电路的不同需求。

图5、图6为提供的第三个实施例，其用一个基准电压VREF来取代参考电容上储存产生的电压。该电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、运算放大器AMP/CMP、MOS管Ma、电源I1和后级反相器，运算放大器AMP/CMP的一个输入端分别通过第一开关、第二开关获取两个基准电压VREF和VREF1，运算放大器AMP/CMP的另一个输入端分别连接第七开关的一端和被测电容C0的一端，第七开关的另一端连接电源I1，运算放大器AMP/CMP的输出端分别连接第三开关的一端和第五开关的一端，第三开关的另一端分别连接后级反相器和第四开关的一端，第五开关的另一端分别连接第六开关的一端和MOS管Ma的基极，MOS管Ma的源极连接被测电容C0的一端，第四开关的另一端、第六开关的另一端、被测电容C0的另一端均接地。第一开关、第四开关、第五开关、第七开关可共用一个开关控制信号S1，第二开关、第三开关、第六开关可共用一个开关控制信号S2。其中后级反相器只是为了加强前级输出的波形的整形和驱动能力，涉及后级反相器的部分电路可以省略掉。

在t1～t2时刻，在图5中，S1开关闭合，S2开关断开，运放与MOS管Ma(图中示意为NMOS，实际应该中可以根据需要为NMOS、NPN，PMOS，PNP等可控器件)与I1和外部电容组成一个电压回路，使得C0上的电压等于VREF，然后在t2以后，S1开关断开，S2开关闭合，运放与后级的反相器组成了比较器，基准电压由原来的VR＝VREF切换成了VR＝VREF1，使得有个电压差。用来反映电容的变化。当检测的电容发生了容值变化之后，V0电压发生变化之后。以电容变大为例说明，变小的原理是一样的。设定ΔVR＝VREF-VREF1；

V0*C0＝V0_N*(C0+ΔC)；

V0_N＝V0*[C0/(C0+ΔC)]

ΔV0＝ΔVR

ΔV0＝V0-V0_N＝V0*[1-C0/(C0+ΔC)]＝ΔVR

所以得到p＝ΔC/C0＝ΔVR/(V0-ΔVR)＝ΔVR/VREF1,其中V0＝VREF，

因此要想检测到电容的相对变化比例，只需要在电路中设定好两电压比ΔVR/VREF1，就可以；，通常这电压比，是用电阻比来实现的。而电阻比值在集成电路中，又是相对容易实现高精度的。这样，也无需要求具体的电容范围，也不需要精确的电压绝对值，就可以实现精确的电容变化量的测量。

本发明还提供一种电容式传感器电容变化检测方法，该方法包括：

初始化阶段：同时给被测电容和参考电容充电，产生一个电压偏置，同时使得被测电容和参考电容上的偏置电压相等；使参考电容上的偏置电压减小或增大一个与参考电容变化比例相关的参考电压值；

检测阶段：被测电容上的电压变化量达到或超过参考电容上两端的电压值，则输出OUT将翻转，实现电容变化的检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电容式传感器电容变化检测电路，其特征在于，该电路包括：

被测电容充电电路，用于给被测电容充电，并产生一个偏置电压；

参考电压值提供电路，用于产生一个后级比较器的参考电压值，以用来比较被测电容变化；

后级比较器，用于判断被测电容上的电压变化量达到或超过了参考电容上两端的电压值，则输出OUT翻转；

该检测电路包括电源、第一开关、第二开关、第三开关、第一参考电容、第二参考电容和后级比较器，电源的输出端通过第一开关分别连接后级比较器的一个输入端、被测电容的一端和第二开关的一端，第二开关的另一端分别连接第一参考电容的一端、第三开关的一端和后级比较器的另一个输入端，第三开关的另一端连接第二参考电容的一端，被测电容的另一端、第一参考电容的另一端、第二参考电容的另一端均接地。

2.根据权利要求1所述的一种电容式传感器电容变化检测电路，其特征在于，该检测电路替换为包括：电源、第一开关、第二开关、第三开关、第一参考电容、第二参考电容和后级比较器，电源的输出端通过第一开关分别连接后级比较器的一个输入端、被测电容的一端和第二开关的一端，第二开关的另一端分别连接第一参考电容的一端和后级比较器的另一个输入端，第一参考电容的另一端分别连接第二参考电容的一端和第三开关的一端，被测电容的另一端、第二参考电容的另一端、第三开关的另一端均接地。

3.一种基于权利要求1所述检测电路的电容式传感器电容变化检测方法，其特征在于，该方法包括：

初始化阶段：同时给被测电容和第一参考电容充电，产生一个电压偏置，同时使得被测电容和第一参考电容上的偏置电压为一个数值关系；通过第一参考电容和第二参考电容之间电荷再平衡，使第一参考电容上的偏置电压减小或增大一个与第一参考电容变化比例相关的参考电压值；

检测阶段：被测电容上的电压变化量达到或超过第一参考电容上两端的电压值，则输出OUT将翻转，实现电容变化的检测。

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