CN111537803A - 一种低功耗宽范围电容检测电路及方法 - Google Patents

一种低功耗宽范围电容检测电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗宽范围电容检测电路及方法，它涉及电容检测技术领域。本发明在待机状态时，电容上电压维持不变，同时振荡器处于关闭状态，以减小待机功耗，当检测到电容产生变化时，电容电压产生变化，从而启动振荡器工作，对电容进行检测，检测结束后将检测结果进行更新，同时关断振荡器电路，并且将电容电压充电或放电至某一基准电压值，如果电容不产生变化，就处于待机状态，待机状态的电容检测使用模拟检测方法，而电容变化之后采用数字检测方法，从而实现宽范围和低功耗的性能要求。

Description

一种低功耗宽范围电容检测电路及方法
技术领域
本发明涉及的是电容检测技术领域，具体涉及一种低功耗宽范围电容检测电路及方法。
背景技术
电容检测技术应用领域非常广泛，电容触摸技术广泛应用于各种生活电器中，气流检测技术也可以通过检测电容的变化来获得气流的大小，例如电子烟等。随着电容检测技术应用的越来越普及，现在对电容检测性能的要求也越来越高，比如要求更宽的检测范围，更低的待机功耗，更精确的检测精度等。电容检测方法一般有模拟方法和数字方法两种，模拟检测方法精度较低、范围较窄，但是功耗较低，而数字检测方法正好相反。
由于大多数电容检测都会应用到数字电路中，这样更方面进行数据的运算和处理，因此将电容量转化为数字量是非常常见的需求。如图1所示，目前电容检测较为常见的方法是首先将电容量转化为频率量，再与内部基准频率进行对比，然后将外部电容量转化为数字信号，该数字信号就可以用于其它运算和处理。这种电容检测方法的优点是检测范围比较宽，精度比较高，然而缺点是待机功耗较大，因为振荡器和数字电路需要不停的工作，这就会造成电池待机时间较短和能量浪费的问题，另外电池的频繁充电也会影响其工作寿命。
综上所述，本发明设计了一种低功耗宽范围电容检测电路及方法。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种低功耗宽范围电容检测电路及方法，电路结构设计合理，电容检测范围较宽，待机功耗较低，使用效果好。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种低功耗宽范围电容检测电路，包括待检测电容、第一振荡器、第二振荡器、定时电路、频率检测电路H、充电电路、电压变化检测电路、逻辑电路、第一开关和第二开关，待检测电容的一端连接地信号端，另一端连接电压变化检测电路的输入端、第一开关的第一输入端和第二开关的第一输入端，充电电路的输出端连接第一开关的第二输入端，第二开关的第二输入端连接第二振荡器的第一输入端，电压变化检测电路的输出端连接逻辑电路的第一输入端，第一振荡器的输入端连接逻辑电路的第一输出端，第一振荡器的输出端连接定时电路的第一输入端，定时电路的第二输入端连接逻辑电路的第二输出端，定时电路的第一输出端和第二输出端分别连接逻辑电路的第二输入端和第三输入端，第二振荡器的第二输入端连接逻辑电路的第三输出端，第二振荡器的输出端连接频率检测电路的第一输入端，频率检测电路的第二输入端连接逻辑电路的第四输出端，逻辑电路的第五输出端和第六输出端分别作为第一开关和第二开关的控制输入端，频率检测电路的输出端作为电容检测数据的输出端。
作为优选，所述的充电电路，可以是恒压输出，即将电容上电压充电到某一恒定电压；也可以是恒电荷量充电，即将电容上电荷量充电到某个固定值。
作为优选，所述的电压变化检测电路，如果电容上的电压产生微小变化，其输出就会产生变化。
作为优选，所述的第一振荡器的输入端为控制信号端，对其进行关断或开启操作。
作为优选，所述的第二振荡器的第一输入端是振荡器电容输入端，第二输入端是控制信号端，对第二振荡器进行关断或开启操作。
作为优选，所述的定时电路的第一输入端是第一振荡器的输出信号端，第二输入端是控制信号端，对其进行关断或开启操作。
作为优选，所述的频率检测电路的第一输入是第一振荡器输出信号，第二输入端是控制信号端，对其进行关断或开启操作，可以将不同频率的振荡器信号转换为数字信号。
一种低功耗宽范围电容检测方法，包括以下步骤：
a、当检测到电容产生了一定变化时，打开第一振荡器、第二振荡器、定时电路、频率检测电路和第二开关；
b.定时电路到达第一预定时间，关闭第二振荡器、频率检测电路H和第二开关，打开第一开关，输出检测数据；
c.定时电路到达第二预定时间，关闭第一振荡器、定时电路和第一开关，一个检测周期结束，返回到步骤a，如此循环往复。
本发明的低功耗宽范围电容检测电路待检测电容没有产生变化时，处于待机状态，振荡器和数字计算单元处于关闭状态，当电容产生变化时，就会开启振荡器和数字计算单元，进行电容量的检测，当检测结束之后就会关闭振荡器和数字计算单元，等待电容的变化。
本发明的有益效果：本发明的结构设计合理，电容检测范围较宽，待机功耗较低，使用方便可靠，实用性强。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为传统电容检测电路原理图；
图2为本发明的电路原理图；
图3为本发明的检测技术的工作流程图；
图4为本发明的实施例1的电路结构图；
图5为本发明实施例的工作波形图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图2-3，本具体实施方式采用以下技术方案：一种低功耗宽范围电容检测电路，包括待检测电容Csen、第一振荡器A、第二振荡器B、定时电路C、频率检测电路H、充电电路E、电压变化检测电路F、逻辑电路G、第一开关S1和第二开关S2，待检测电容Csen的一端连接地信号端，另一端连接电压变化检测电路F的输入端、第一开关S1的第一输入端和第二开关S2的第一输入端，充电电路E的输出端连接第一开关S1的第二输入端，第二开关S2的第二输入端连接第二振荡器B的第一输入端，电压变化检测电路F的输出端连接逻辑电路G的第一输入端，第一振荡器A的输入端连接逻辑电路G的第一输出端，第一振荡器A的输出端连接定时电路C的第一输入端，定时电路的第二输入端连接逻辑电路的第二输出端，定时电路C的第一输出端和第二输出端分别连接逻辑电路G的第二输入端和第三输入端，第二振荡器B的第二输入端连接逻辑电路G的第三输出端，第二振荡器B的输出端连接频率检测电路H的第一输入端，频率检测电路H的第二输入端连接逻辑电路G的第四输出端，逻辑电路G的第五输出端和第六输出端分别作为第一开关S1和第二开关S2的控制输入端，频率检测电路H的输出端作为电容检测数据的输出端。
一种低功耗宽范围电容检测方法，包括以下步骤：
a、当检测到电容Csen产生了一定变化时，打开第一振荡器A、第二振荡器B、定时电路C、频率检测电路H和第二开关S2；
b.定时电路到达第一预定时间，关闭第二振荡器B、频率检测电路H和第二开关S2，打开第一开关S1，输出检测数据D；
c.定时电路到达第二预定时间，关闭第一振荡器A、定时电路C和第一开关S1，一个检测周期结束，返回到步骤a，如此循环往复。
本具体实施方式在待机状态时，电容上电压维持不变，同时振荡器处于关闭状态，以减小待机功耗，当检测到电容产生变化时，电容电压产生变化，从而启动振荡器工作，对电容进行检测，检测结束后将检测结果进行更新，同时关断振荡器电路，并且将电容电压充电或放电至某一基准电压值，如果电容不产生变化，就处于待机状态，待机状态的电容检测使用模拟检测方法，而电容变化之后采用数字检测方法，从而实现宽范围和低功耗的性能要求。
实施例1：如图4所示，一种低功耗宽范围电容检测电路，包括运放、比较器、振荡器、计数器、寄存器、触发器、开关、待检测电容Csen和若干门电路组成。其中，运放的同相输入端连接基准电压Vref1，运放的反相输入端连接运放的输出端和第一开关S1的第一输入端，构成跟随器结构；比较器0的同相输入端连接比较器1的反相输入端、第一开关S1的第二输入端、第二开关S2的第一输入端和电容Csen的一端，比较器0的反相输入端连接基准电压Vref2，比较器1的同相输入端连接基准电压Vref3，比较器0和比较器1的输出端分别连接或门OR的两个输入端；OR的输出端连接触发器0的第一输入端，触发器0的第一输出端连接振荡器0的输入端、计数器0的第二输入端和与门NAND的第一输入端，触发器0的第二输出端连接触发器1的第一输入端，触发器1的输出端连接振荡器1的第二输入端、计数器1的第二输入端、寄存器的第二输入端和反相器INV的输入端，还作为第二开关S2的控制输入；振荡器0的输出端连接计数器0的第一输入端，计数器0的第一输出端连接触发器1的第二输入端，计数器0的第二输出端连接触发器0的第二输入端，振荡器1的输出端连接计数器1的第一输入端，计数器1的输出端连接寄存器的第一输入端，寄存器的输出端作为电容检测数据输出。
电容检测方法包含以下几个步骤：
a.当检测到电容Csen产生了一定变化时，打开第一振荡器、第二振荡器、定时电路、频率检测电路和第二开关S2，开始进行电容检测，在第一预定时间内计算振荡器1产生的脉冲个数；
b.定时电路到达第一预定时间t1，关闭第二振荡器、计数器1和第二开关S2，打开第一开关S1，寄存器载入计数器1的最终计数数值，输出检测数据D，同时充电电路(即跟随器)对电容Csen进行充电，这里是恒压充电方式，将电容电压维持在基准电压Vref1附近；
c.定时电路到达第二预定时间t2，关闭第一振荡器、定时电路和开关S1，一个检测周期结束，返回到步骤a，如此循环往复。
对于数字电路来说，其功耗主要包含动态功耗，而其等效静态电流可以表示为：
Ieq＝C*U*f，其中C表示整体数字电路的电容和寄生电容的总和，U表示电源电压，f表示工作频率，工作频率一般指振荡器的频率。而对于模拟电路来说，其功耗主要包含静态功耗，实际上，在数模混合电路中，数字电路的功耗要原大于模拟电路。本发明电容检测方法和电路，避免了数字电路处于长时间工作状态，因此大大降低了整体电路的功耗，特别是待机功耗。
所述的频率检测电路检测输入频率的范围比较宽，其范围与计数器0和计数器1的位数相关，位数越大范围越宽。假设计数器0的位数为m，计数器1的位数为n，振荡器0内部电容大小为C0，那么待检测电容Csen最小值为
Figure BDA0002481163200000061
最大值为2mC0。
电容检测电路工作波形如图5所示，当电容出现变化时，由于电容上电荷量不变，电容电压与电容量成反比关系(Q＝C*U)，因此电容上电压会产生变化；当电容降低时，电压就会升高，当高于Vref2时，比较器0输出变高，当电容增加时，电压就会减小，当小于Vref3时，比较器1输出就会变高；比较器0或比较器1的输出变高导致触发器0和触发器1的输出B1和B2同时变高，并且打开第二开关S2，振荡器0、振荡器1、计数器0和计数器1同时开始工作；振荡器0是固定频率输出，可以作为计时基准，当经过时间t1时，计数器0的第一输出A1产生脉冲信号，使B1变为低电平，关闭第二开关S2，关断振荡器1和计数器1，同时寄存器载入数据，对输出D进行更新；当经过t2时间时，关断第一开关S1，同时使触发器0的输出B2变为低电平，并且关闭振荡器0和计数器0；在时间t1和t2之间，运放构成的跟随器随对电容Csen进行充电或放电，将电容电压维持在Vref1电压上。假设计数器1和寄存器都是16位数据，则输出D可以是1～FFFF之间的任意数据。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种低功耗宽范围电容检测电路，其特征在于，包括待检测电容(Csen)、第一振荡器(A)、第二振荡器(B)、定时电路(C)、频率检测电路(H)、充电电路(E)、电压变化检测电路(F)、逻辑电路(G)、第一开关(S1)和第二开关(S2)，待检测电容(Csen)的一端连接地信号端，另一端连接电压变化检测电路(F)的输入端、第一开关(S1)的第一输入端和第二开关(S2)的第一输入端，充电电路(E的输出端连接第一开关(S1)的第二输入端，第二开关(S2)的第二输入端连接第二振荡器(B)的第一输入端，电压变化检测电路(F)的输出端连接逻辑电路(G)的第一输入端，第一振荡器(A)的输入端连接逻辑电路(G)的第一输出端，第一振荡器(A)的输出端连接定时电路(C)的第一输入端，定时电路的第二输入端连接逻辑电路的第二输出端，定时电路(C)的第一输出端和第二输出端分别连接逻辑电路(G)的第二输入端和第三输入端，第二振荡器(B)的第二输入端连接逻辑电路(G)的第三输出端，第二振荡器(B)的输出端连接频率检测电路(H)的第一输入端，频率检测电路(H)的第二输入端连接逻辑电路(G)的第四输出端，逻辑电路(G)的第五输出端和第六输出端分别作为第一开关(S1)和第二开关(S2)的控制输入端，频率检测电路(H)的输出端作为电容检测数据的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗宽范围电容检测电路，其特征在于，所述的充电电路(E)采用恒压输出或恒电荷量充电。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗宽范围电容检测电路，其特征在于，所述的第一振荡器(A)的输入端为第一振荡器进行关断或开启操作的控制信号端。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗宽范围电容检测电路，其特征在于，所述的第二振荡器(B)的第一输入端是振荡器电容输入端，第二输入端是对第二振荡器进行关断或开启操作的控制信号端。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗宽范围电容检测电路，其特征在于，所述的定时电路(C)的第一输入端是第一振荡器的输出信号端，第二输入端是对定时电路进行关断或开启操作的控制信号端。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗宽范围电容检测电路，其特征在于，所述的频率检测电路(H)的第一输入是振荡器输出信号端，第二输入是对频率检测电路进行关断或开启操作的控制信号端，频率检测电路(H)将不同频率的振荡器信号转换为数字信号(D)。
7.一种低功耗宽范围电容检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)、当检测到电容(Csen)产生了一定变化时，打开第一振荡器(A)、第二振荡器(B)、定时电路(C)、频率检测电路(H)和第二开关(S2)；
(b).定时电路到达第一预定时间，关闭第二振荡器(B)、频率检测电路H和第二开关(S2)，打开第一开关(S1)，输出检测数据(D)；
(c).定时电路到达第二预定时间，关闭第一振荡器(A)、定时电路(C)和第一开关(S1)，一个检测周期结束，返回到步骤(a)，如此循环往复。
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