CN111716966A - 一种低频接收机以及胎压监测设备 - Google Patents

一种低频接收机以及胎压监测设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低频接收机以及胎压监测设备，该低频接收机包括天线、匹配电路以及处理电路，天线用于接收输入信号；匹配电路连接天线，以构成具有预设品质因数的天线匹配网络；处理电路连接匹配电路，以处理具有预设品质因数的输入信号，并根据输入信号的大小而生成相应的反馈信号，以调整匹配电路的电阻，从而对输入信号的增益进行调整。通过上述方式，本发明能够通过调整天线的品质因数来调整输入信号的增益，使得输出信号的幅度稳定在预设范围内，与传统架构相比降低了功耗。

Description

一种低频接收机以及胎压监测设备
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种低频接收机以及胎压监测设备。
背景技术
低频唤醒在低功耗芯片中有着极其广泛的应用，如胎压监测系统(TPMS，TirePressure Monitoring System)；低频唤醒接收机在TPMS中一般是触发作用，其他触发系统的方式还包括传感器或者定时器等模块；低频唤醒接收机无法预计准确的使用时间，会被系统定时唤醒，其主要作用包括：通过手持设备触发发射胎压数据、通过手持设备触发进行四轮定位、诊断系统问题以及刷新客户配置数据。其他电池供电的系统，如物联网相关应用，功耗要求都极高，一些模块大部分时间处于待机模式，只是在需要时才会被触发，所以采用低频唤醒可以有效地减少功耗，达到延长系统寿命的目的；同时由于低频唤醒接收机本身每隔一定时间会工作一次，所以对其自身功耗要求也相当高。
本发明的发明人在长期研发中发现，传统的低频接收机一般包括前端匹配的天线，输出接一个有源可变增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)，再接线性放大器和自动增益控制电路，以实现对VGA的增益控制；当输入信号较大时，通过反馈可以降低VGA的增益；反之，当输入信号较小时，通过反馈可以增加VGA的增益，从而使得信号通路输出的信号幅度在一定范围内，单独增加前端VGA可以实现精确调节，但该模块会增加功耗，不利于低功耗设计。
发明内容
本发明主要解决的问题是提供一种低频接收机以及胎压监测设备，能够通过调整天线的品质因数来调整输入信号的增益，使得输出信号的幅度稳定在预设范围内，与传统结构相比降低了功耗。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种低频接收机，该低频接收机包括：天线、匹配电路以及处理电路，天线用于接收输入信号；匹配电路连接天线，以构成具有预设品质因数的天线匹配网络；处理电路连接匹配电路，以处理具有预设品质因数的输入信号，并根据输入信号的大小而生成相应的反馈信号，以调整匹配电路的电阻，从而对输入信号的增益进行调整。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案是提供一种胎压监测设备，该胎压监测设备包括发射机与接收机，发射机用于发射射频胎压信号，接收机用于接收低频信号，其中，接收机为上述的接收机。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案是提供一种电池供电系统，该电池供电系统包括电池和电子装置，电池用于为电子装置供电，其中，电子装置包括一接收机，接收机为上述的接收机。
通过上述方案，本发明的有益效果是：本发明中的低频接收机包括依次连接的天线、匹配电路以及处理电路，天线用于接收输入信号，匹配电路用于构成具有预设品质因数的天线匹配网络，处理电路用于处理具有预设品质因数的输入信号，并根据输入信号的大小而生成相应的反馈信号，利用反馈信号来调整匹配电路的电阻，从而对输入信号的增益进行调整，能够通过调整天线的品质因数来调整输入信号的增益，使得输出信号的幅度稳定在预设范围内，降低功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明提供的低频接收机第一实施例的结构示意图；
图2是本发明提供的低频接收机第二实施例的结构示意图；
图3是本发明提供的低频接收机第三实施例中频率与输入信号的曲线示意图；
图4是本发明提供的低频接收机第四实施例中输入信号、反馈信号以及并联电阻的波形示意图；
图5是本发明提供的低频接收机第五实施例的结构示意图；
图6是本发明提供的胎压监测设备的结构示意图；
图7是本发明提供的电池供电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的低频接收机第一实施例的结构示意图，该低频接收机包括：天线11、匹配电路12以及处理电路13。
天线11用于接收输入信号，该输入信号可以为低频信号，例如，开关键控调制(OOK，On-Off Keying)信号或者幅度键控调制(ASK，Amplitude Shift Keying)信号等，该低频信号的频率一般可以为30kHz～300kHz，低频信号可以被放大和经电路处理后启动整个胎压监测系统。
匹配电路12连接天线11，其用以构成具有预设品质因数(Q值)的天线匹配网络，该匹配电路12可以与天线11进行匹配，品质因数代表了天线11的选通特性，品质因数越小，通频带带宽越大，曲线平坦，电路选择性越差，品质因数越大，通频带带宽越窄，电路选择性越好，但品质因数过高极易造成通频带过窄，使得输入信号不能完全通过，从而造成信号失真。
匹配电路12可以为无源模块，天线11的品质因数要保证良好的选通特性，对于品质因数较高的天线11可以通过匹配电路12有效地减小天线11的品质因数。
处理电路13连接匹配电路12，其用以处理具有预设品质因数的输入信号，并根据输入信号的大小而生成相应的反馈信号，以调整匹配电路12的电阻，从而对输入信号的增益进行调整。
本实施例中的低频接收机可以应用于低功耗芯片或者电池供电芯片的低频唤醒功能，通过调节匹配电路12的电阻，实现调整天线11的品质因数，从而调整输入信号的增益，实现自动增益控制，同时可以进一步降低功耗。
本实施例提供了一种低频接收机，该低频接收机包括依次连接的天线11、匹配电路12以及处理电路13，天线11用于接收输入信号，匹配电路12用于构成具有预设品质因数的天线匹配网络，处理电路13用于处理具有预设品质因数的输入信号，并根据输入信号的大小而生成相应的反馈信号，利用反馈信号来调整匹配电路12的电阻，从而对输入信号的增益进行调整，能够通过调整天线11的品质因数来调整输入信号的增益，使得输出信号的幅度稳定在预设范围内。
参阅图2，图2是本发明提供的低频接收机第二实施例的结构示意图，该低频接收机包括：天线21、匹配电路22以及处理电路23。
天线21用于接收输入信号，天线21包括线圈L，天线21采用线圈L直接耦合的方式。
匹配电路22连接天线21，从而构成具有预设品质因数的天线匹配网络；该匹配电路22可以包括电阻、电容或开关等，在一具体的实施例中，该匹配电路22包括：第一匹配电路221和第二匹配电路222。
第一匹配电路221与天线21连接，其用于与天线21进行阻抗匹配；在一具体的实施例中，该第一匹配电路221包括与线圈L并联的第一电阻R1和第一电容C1。
第二匹配电路222分别与第一匹配电路221以及处理电路23连接，其用于根据反馈信号而调节其接入221第一匹配电路和处理电路23的阻抗值，从而调整匹配电路22的阻抗；在一具体的实施例中，该第二匹配电路222包括：第二电阻R2、开关2221以及第三电阻R3。
第二电阻R2包括第一端和第二端，第二电阻R2的第一端与第一电容C1的一端连接。
开关2221包括第一端、第二端以及第三端，开关2221的第一端与第二电阻R2的第二端连接，开关2221的第二端与处理电路23的输出端连接；开关2221可以为金属氧化半导体场效应管。
第三电阻R3包括第一端和第二端，第三电阻R3的第一端与开关2221的第三端连接，第三电阻R3的第二端与第一电容C1的另一端连接，第三电阻R3的电阻值可以与第二电阻R2的电阻值相同。
开关2221为模拟开关，其是否导通受控于处理电路23输出的反馈信号，当反馈信号的电压大于开关2221的阈值电压Vth时，开关2221导通，开关2221的阻抗Ron较小，此时第二匹配电路222的总电阻值为第二电阻R2的电阻值、开关2221的阻抗Ron以及第三电阻R3的电阻值之和；当反馈信号的电压小于于开关2221的阈值电压Vth时，相比第二电阻R2和第三电阻R3的电阻值，此时开关2221的阻抗Ron无穷大，第二电阻R2和第三电阻R3两者之间相当于断路；因此可以根据反馈信号来调整其接入第一匹配电路221和处理电路23的阻抗值，从而调整匹配电路22的阻抗。
处理电路23连接匹配电路22，以处理具有预设品质因数的输入信号，并根据输入信号的大小而生成相应的反馈信号，以调整匹配电路22的电阻，从而对输入信号的增益进行调整，该处理电路23是一个负反馈的闭合回路。
进一步地，该处理电路23包括：限幅放大电路231和反馈电路232。
限幅放大电路231与匹配电路22的输出端连接，其用于对输入信号进行放大，该限幅放大电路231可以包括多个依次连接的限幅放大器2311。
反馈电路232与限幅放大电路231的输出端连接，其用于根据放大后的输入信号生成反馈信号，并将反馈信号输入至匹配电路22。
在一具体的实施例中，该反馈电路232包括：检波电路2321、加法器2322、跨导放大器2323(OTA，Operational Transconductance Amplifier)以及第二电容C2。
检波电路2321与限幅放大电路231的输出端连接，其用于对放大后的输入信号进行处理，以得到放大后的输入信号中的有用信号。
检波电路2321包括多个依次连接的幅度检波器23211，限幅放大器2311的数量与幅度检波器23211的数量相同，每个限幅放大器2311的输出端分别与一幅度检波器23211的输入端连接。
由于限幅放大器2311为差分放大器，第二匹配电路222与限幅放大器2311连接，为了与差分放大器的输入端匹配，第二匹配电路222中包括两个电阻值相同的第二电阻R2和第三电阻R3。
加法器2322与每个幅度检波器23211的输出端连接，其用于对幅度检波器23211输出的有用信号进行叠加，以生成输入跨导放大器2323的信号，加法器2322能够将幅度检波器23211输出信号进行累加，生成电压信号RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度指标)。
跨导放大器2323与检波电路2321的输出端连接，其用于根据有用信号和参考信号生成电流信号。
第二电容C2与跨导放大器2323的输出端连接，其用于接收电流信号，以生成调整匹配电路22的电阻的电压信号。
跨导放大器2323为差分输入、单端输出的放大器，其可以将差分输入电压转换为输出电流，而输出电流会给第二电容C2进行充电，从而产生控制匹配电路22的电压信号；在一具体的实施例中，跨导放大器2323的输入端用于接收加法器2322的输出信号以及参考信号REF，参考信号REF可以由电阻分压得到；跨导放大器2323输出稳定的电流为第二电容C2的电容进行充电，使得第二电容C2的电压逐渐升高，形成反馈信号，并将反馈信号输入至开关2221的第二端，使得开关2221闭合，从而使得天线21的并联电阻减小，使得输入至处理电路23的信号减小，降低输入信号的增益，实现输入信号的增益随输入信号的强度而自动调整。
在一具体的实施例中，假定输入信号的频率为f0，即可以设定天线21和匹配电路22的谐振频率为f0，其可以表示为：
Figure BDA0001999573490000071
其中，电感L和电容C分别表示线圈的电感值以及与其并联的电容值。
为了保证天线21和匹配电路22组成的天线匹配网络可以接收到输入信号，且满足不失真的要求，使用Qmax表示天线匹配网络的品质因数的最高值，具体表达式如下所示：
Figure BDA0001999573490000072
其中，fc是载波频率，Δfc是载波频率的容差(最大允许偏差)，Δf0是谐振频率的容差，BWsig表示信号频率，以上参数可根据实际应用选定。
对于最高品质因数Qmax来说，忽略线圈L的寄生并联电阻，天线匹配网络的并联电阻R可以表示为：
R＝Qmax*2πf0*L (3)
常规天线匹配网络的设计中，计算各参数的顺序如下：选定线圈L，获取线圈L的电感值；由公式(1)得到天线21的并联电容值，即第一电容C1的电容值；由公式(2)得到天线21的最高品质因素Qmax；由公式(3)得到天线21的并联电阻值，即第一匹配电路221中的电阻值或者第一匹配电路221与第二匹配电路222的并联电阻值，天线匹配网络的品质因数可表示为：
Figure BDA0001999573490000073
由上式可知，天线21的并联电阻R与品质因数是成正比的，在开关2221闭合时，第二匹配电路222会增加天线21的并联电阻，使得天线21的整体并联电阻降低，从而降低天线21的品质因数，实现天线21的输出增益的改变。
加法器2322可以输出RSSI信号，该RSSI信号与参考信号REF同时输入到跨导放大器2323中，跨导放大器2323输出的电流给第二电容C2充电，产生模拟电压信号，该模拟电压信号输入至匹配电路22，控制开关2221闭合，该开关2221可以为模拟开关，由于开关2221的阻抗Ron具有随控制电压单调变化的特性，具体如以下公式所示：
Figure BDA0001999573490000081
其中，μn是载流子迁移率，Cox是单位面积栅氧化层电容，W和L分别是栅长和栅宽，VGS为栅极和源极之间的电压差，VTH为阈值电压。
当源极和漏极之间的电压差VDS＝0时，开关2221的阻抗Ron与栅极和源极之间的电压差VGS成反比，同时由于存在额外固定电阻，即第二电阻R2和第三电阻R3，因此整个天线21在开关2221闭合时的并联电阻Rtot为：
Figure BDA0001999573490000082
Figure BDA0001999573490000083
反馈信号的电压升高至开关2221的开启电压值时，第二匹配电路222连接在第一匹配电路221和限幅放大电路231之间，并联电阻Rtot减小，并联电阻Rtot随反馈信号的电压变化而反向变化，该阻抗的变化实现了对天线匹配网络的品质因数Qmatch的调节。例如，当检测到RSSI信号较大时，匹配电路22的开关2221可以导通，天线匹配网络的匹配品质因数减小，等效阻抗减小，输入至处理电路23的信号就会较低；反之，当检测到RSSI信号较小时，匹配电路22的开关2221是断开状态，所以第二匹配电路222中的第二电阻R2和第三电阻R3不会对天线匹配网络的品质因数产生影响。
频率与输入信号的曲线图如图3所示，横轴f0是谐振频率，不同的并联电阻Rtot对应不同的增益曲线，并联电阻Rtot越大，品质因数越高，谐振频点f0增益越高；输入信号与反馈信号以及并联电阻的波形图如图4所示，当处理电路23检测到输入信号过大时会启动匹配电路22，反馈信号便会变高，负反馈给匹配电路22，输入信号由于匹配电路22的影响其幅度会逐渐变小，最终稳定在某一电压值附近。
在其他具体的实施例中，匹配电路22还可以如图5所示，匹配电路22包括：并联的第一电容C1和可变电阻Rv，可变电阻Rv的控制端与处理电路23的输出端连接，以通过反馈信号调整可变电阻Rv的电阻值。
此实施例中天线21的前端无匹配电阻，仅有线圈L，而影响天线匹配网络品质因数的并联可变电阻Rv可以设置在处理电路23所在的芯片中，且可以根据处理电路23输出的反馈信号而调整可变电阻Rv的电阻值。可变电阻Rv可由带模拟开关2221的电阻网络实现，反馈信号会控制匹配电路22中的开关2221，实现整个前端天线匹配网络品质因数的调节，此时品质因数Qv可表示为：
Figure BDA0001999573490000091
当并联可变电阻Rv增大时，品质因数Qv会增大，此时输入信号增益也会大；反之当并联可变电阻Rv减小时，品质因数Qv也会减小，此时输入信号增益也会减小，因而通过处理电路23的反馈调整并联可变电阻Rv即可实现增益的自动调节。
低频接收机接收输入信号的动态范围很高，不需要十分精确的动态增益控制，传统方案采用有源的VGA模块和复杂的模数转换模块(ADC，Analog-to-Digital Converter)以及数字信号处理模块(DSP，Digital Signal Processing)，VGA模块需要精确控制，有源VGA设计较复杂，同时ADC模块以及DSP模块增加了设计难度和功耗，对电路版图匹配要求较高，导致对芯片面积要求较高；而本实施例根据低频接收机不需要精确控制动态增益的特点，通过调整天线21品质因数的方式实现动态增益控制，采用跨导放大器2323和第二电容C2便可控制无源的匹配电路22，由于是模拟控制方式，只需控制模拟开关2221的栅极，设计相对简单，特别是无源的匹配电路22容易设计，而跨导放大器2323和第二电容C2的功耗较低，无较高的匹配需求，可以有效地减小功耗和芯片面积，便于实现低功耗设计。
参阅图6，图6是本发明提供的胎压监测设备实施例的结构示意图，该胎压监测设备包括发射机61与接收机62，发射机61用于发射射频胎压信号，接收机62用于接收低频信号，其中，接收机62为上述实施例中的接收机。
当发射机61发射射频胎压信号时，接收机62通过电阻R、电容C以及电感L并联组成的天线63接收低频信号，再经过数字处理电路64进行处理，判断接收信号的正确性，如果接收的信号正确，接收机62就会唤醒中央处理器65(CPU，Central Processing Unit)，进行胎压监测的操作，并通过射频发射电路(图中未示出)传输胎压信息，实现对汽车胎压的监测和传输。
参阅图7，图7是本发明提供的电池供电系统的结构示意图，该电池供电系统70包括电池71和电子设备72，电池71用于为电子设备72供电，其中，电子设备72包括接收机721，接收机721为上述实施例中的接收机；该电池供电系统可以应用于与物联网相关的应用中。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低频接收机，其特征在于，包括：
天线，用于接收输入信号；
匹配电路，连接所述天线，以构成具有预设品质因数的天线匹配网络；
处理电路，连接所述匹配电路，以处理具有预设品质因数的输入信号，并根据所述输入信号的大小而生成相应的反馈信号，以调整所述匹配电路的电阻，从而对所述输入信号的增益进行调整。
2.根据权利要求1所述的低频接收机，其特征在于，所述匹配电路包括：
第一匹配电路，与所述天线连接，用于与所述天线进行阻抗匹配；
第二匹配电路，用于根据所述反馈信号而调节其接入第一匹配电路和所述处理电路的阻抗值，从而调整所述匹配电路的阻抗。
3.根据权利要求2所述的低频接收机，其特征在于，
所述天线包括线圈，所述第一匹配电路包括并联的第一电阻和第一电容，所述第一电阻与所述线圈并联。
4.根据权利要求3所述的低频接收机，其特征在于，所述第二匹配电路包括：
第二电阻，其包括第一端和第二端，所述第二电阻的第一端与所述第一电容的一端连接；
开关，其包括第一端、第二端以及第三端，所述开关的第一端与所述第二电阻的第二端连接，所述开关的第二端与所述处理电路的输出端连接；
第三电阻，其包括第一端和第二端，所述第三电阻的第一端与所述开关的第三端连接，所述第三电阻的第二端与所述第一电容的另一端连接。
5.根据权利要求1所述的低频接收机，其特征在于，
所述匹配电路包括：并联的第一电容和可变电阻，所述可变电阻的控制端与所述处理电路的输出端连接，以通过所述反馈信号调整所述可变电阻的电阻值。
6.根据权利要求1所述的低频接收机，其特征在于，所述处理电路包括：
限幅放大电路，与所述匹配电路的输出端连接，用于对所述输入信号进行放大；
反馈电路，与所述限幅放大电路的输出端连接，用于根据放大后的所述输入信号生成所述反馈信号，并将所述反馈信号输出至所述匹配电路。
7.根据权利要求6所述的低频接收机，其特征在于，所述反馈电路包括：
检波电路，与所述限幅放大电路的输出端连接，用于对放大后的所述输入信号进行处理，以得到放大后的所述输入信号中的有用信号；
跨导放大器，与所述检波电路的输出端连接，用于根据所述有用信号和参考信号生成电流信号；
第二电容，与所述跨导放大器的输出端连接，用于接收所述电流信号，以生成调整所述匹配电路的电阻的电压信号。
8.根据权利要求7所述的低频接收机，其特征在于，
所述限幅放大电路包括多个依次连接的限幅放大器，所述检波电路包括多个依次连接的幅度检波器，所述限幅放大器的数量与所述幅度检波器的数量相同，每个所述限幅放大器的输出端分别与一所述幅度检波器的输入端连接。
9.一种胎压监测设备，其特征在于，包括发射机与接收机，所述发射机用于发射射频胎压信号，所述接收机用于接收低频信号，其中，所述接收机为权利要求1-8中任一项所述的接收机。
10.一种电池供电系统，其特征在于，包括电池和电子装置，所述电池用于为所述电子装置供电，其中，所述电子装置包括一接收机，所述接收机为权利要求1-8中任一项所述的接收机。
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