CN114323361B - 一种传感器电容检测电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器电容检测电路及其方法，涉及传感器电容检测技术领域，解决现有传感器电容检测电路电路原理复杂且功耗高的问题，包括基准电流产生电路；第一振荡电路，其输入端连接到所述基准电流产生电路的输出端；第二振荡电路，其输入端连接到所述基准电流产生电路的输出端；实时计数模块，其一个输入端连接到所述第一振荡电路的输出端；固定计数模块，其输入端连接到第二振荡电路的输出端，其输出端连接到实时计数模块的另一个输入端；参考计数模块，其输入端连接到所述实时计数模块的输出端；控制模块，用于处理实时计数模块、固定计数模块和参考计数模块的数据；比较器，用于输出检测结果。本发明具有原理结构简单的优点。

Description

一种传感器电容检测电路及其方法

技术领域

本发明涉及传感器电容检测技术领域，更具体的是涉及传感器电容检测电路及其方法技术领域。

背景技术

电容传感器在现代化产品中应用十分广泛，核心原理是当传感器有外部应力作用时，引发传感器结构的改变，进而引起传感器电容的改变，施加的应力越大，形变越严重，电容改变越大，设备通过检测传感器的电容值判断是否触发传感器信号。电容传感器的容值还很大程度上受使用环境的影响，随着使用的老化，传感器的容值特性也会发生变化，这些因素对于检测电路提出了更高的要求。

电容检测电路的目标与难点在于实现电路高性能和低功耗的折衷。传统的电容检测电路需要高精度的时钟配合高精度的参考电容实现，电路原理复杂，电路功耗较大。

综上所述，如何根据具体使用环境，设计满足要求的电容传感器电容检测电路，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于：解决现有传感器电容检测电路电路原理复杂且功耗高的问题。为了解决上述技术问题，本发明提供一种传感器电容检测电路。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种传感器电容检测电路，包括：

基准电流产生电路，用于产生基准电流；

第一振荡电路，其输入端连接到所述基准电流产生电路的输出端；

第二振荡电路，其输入端连接到所述基准电流产生电路的输出端；

第一振荡电路和第二震荡电路中分别有一个工作电容，传感器的电容被用作第一振荡电路的工作电容；

实时计数模块，其一个输入端连接到所述第一振荡电路的输出端；

固定计数模块，其输入端连接到第二振荡电路的输出端，其输出端连接到实时计数模块的另一个输入端；

参考计数模块，其输入端连接到所述实时计数模块的输出端；

控制模块，用于处理实时计数模块、固定计数模块和参考计数模块的数据；

比较器，其一个输入端连接到实时计数模块的输出端，另一个输入端连接到参考计数模块的输出端，用于输出检测结果。

优选地，所述基准电流产生电路包括第一电阻、第二电阻、第一PMOS管和第一NMOS管；

所述第一NMOS管的源极连接到第一电阻的一端，第一电阻的另一端接地，所述第一NMOS管的漏极连接直流源；

所述第一PMOS管的源极连接到直流源，第一NMOS管的栅极、第一PMOS 管的栅极和漏极均连接到第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接到第一NMOS 管的源极；

第一PMOS管和第一NMOS管的栅极作为基准电流产生电路的输出端。

优选地，所述第一振荡电路包括工作电容、第二PMOS管、第三PMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和反相器；

所述第二PMOS管的栅极连接到所述第一PMOS管的栅极，源极接所述直流源，漏极连接工作电容的一端，工作电容的另一端接地；

所述第三PMOS管的栅极连接到所述第一NMOS管的栅极，源极连接到所述直流源，漏极连接到所述反相器的输入端；

所述第二NMOS管的漏极连接第二PMOS管的漏极，源极接地，栅极连接到所述反相器的输出端；

所述第三NMOS管的栅极连接第二PMOS管的漏极，源极接地，漏极连接到所述反相器的输入端。

优选地，所述第二振荡电路与所述第一振荡电路结构相同。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种传感器电容检测方法，应用于以上的一种传感器电容检测电路，

基准电流产生电路为第一振荡电路和第二振荡电路提供基准电流，控制模块，用于控制第一振荡器和第二振荡器的工作，处理实时计数模块、固定计数模块和参考计数模块的数据，实时计数模块的一个输入端连接到所述第一振荡电路的输出端；固定计数模块的输入端连接到第二振荡电路的输出端，输出端连接到实时计数模块的另一个输入端；参考计数模块的输入端连接到所述实时计数模块的输出端，比较器的一个输入端连接到实时计数模块的输出端，另一个输入端连接到参考计数模块的输出端；

包括以下步骤：

步骤S1：在控制模块的控制下，第一振荡器和第二振荡器工作产生不同频率的振荡信号，固定计数模块对第二振荡器进行固定数值COUNT的计数，达到固定数值COUNT花费时间为T，T发送到实时计数模块，实时计数模块对第一振荡器进行计数；

步骤S2：实时计数模块时，若当前是实时计数模块第一次计数或参考计数模块的计数值满足参考计数值更新条件，则将实时计数模块的计数值写入参考计数模块然后进入步骤S3，若否则直接进入步骤S3，参考计数值更新条件由控制模块判断；

步骤S3：时间T后，比较器比较所述参考计数模块和实时计数模块的计数值，控制模块判断比较器的输出值是否超出触发阈值，若是则代表传感器被触发进而输出检测结果，若否则代表传感器未被触发；

步骤S4：返回步骤S1开始新一轮测试工作。

优选地，所述步骤S2中的所述参考计数值更新条件包括：

实时计数模块连续多次的计数值不超出稳定阈值范围，处于稳定阈值范围内代表传感器处于稳定状态；

当前实时计数模块和参考计数模块的计数值的差值不大于有效阈值，用于保证更新到参考计数模块的值是传感器未被触发时的值。

优选地，所述实时计数模块连续多次的计数值不超出稳定阈值范围中的次数为3次。

本发明的有益效果如下：

本发明采用的电路结构简单，降低了检测电路的功耗；采用基准电流产生电路为两个振荡电路提供基准电流，提升了计数比较的精确度；本发明通过参考计数值更新条件保证了不会把触发传感器时引起的电容改变刷新到计数值中进而保证检测结果的准确性。

附图说明

图1是实施例1的传感器电容检测电路的原理示意图；

图2是实施例2的传感器电容检测电路中基准电流产生电路和第一振荡电路的示意图；

图3是实施例3的传感器电容检测方法的流程示意图；

附图标记：R1-第一电阻，R2-第二电阻，NM1-第一NMOS管，NM2-第二NMOS 管，NM3-第三NMOS管，PM1-第一PMOS管，PM2-第二PMOS管，PM3-第三PMOS 管，C1-工作电容，INV1-反相器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种传感器电容检测电路，包括：

基准电流产生电路，用于产生基准电流；

第一振荡电路，其输入端连接到所述基准电流产生电路的输出端；

第二振荡电路，其输入端连接到所述基准电流产生电路的输出端；

第一振荡电路和第二震荡电路中分别有一个工作电容，传感器的电容被用作第一振荡电路的工作电容；

实时计数模块，其一个输入端连接到所述第一振荡电路的输出端；

固定计数模块，其输入端连接到第二振荡电路的输出端，其输出端连接到实时计数模块的另一个输入端；

参考计数模块，其输入端连接到所述实时计数模块的输出端；

控制模块，用于控制第一振荡器和第二振荡器的工作，处理实时计数模块、固定计数模块和参考计数模块的数据；

比较器，其一个输入端连接到实时计数模块的输出端，另一个输入端连接到参考计数模块的输出端，用于输出检测结果。

本实施例的工作原理如下：

基准电流产生电路生成输入到第一振荡电路和第二振荡电路的基准电流，其中第一振荡电路和第二振荡电路各有一个工作电容，传感器的电容被用作第一振荡电路的工作电容，第二振荡电路中的工作电容为电路本身内部的一个固定电容。第一振荡电路和第二振荡电路分别产生的振荡频率与基准电流和工作电容相关，因此两个振荡电路会产生不同的振荡频率。

第二震荡电路输出固定计数值输送到固定计数模块，实时计数模块的计数值由第一振荡电路和固定计数模块的值共同决定，参考计数模块的计数值为传感器未触发时的标准数值的大小。

具体来说，由第二振荡器产生传输到固定计数模块的固定计数值，根据固定计数模块达到固定计数值的时间T，花费同样的时间T对第一振荡器进行计数并传输到实时计数模块。首先电路上电时会将第一次的实时计数模块内的数值输入到参考计数模块中，之后每次实时计数模块中的计数值刷新后所述控制模块判断实时计数模块中数值和参考计数模块中的数值的关系后决定是否刷新参考计数值。参考计数值会不断刷新，是为了保证不同环境和使用条件下参考计数值的准确性。

比较器将实时计数模块的计数值与参考计数模块的计数值比较，控制模块进行差值判断，若差值超过设定阈值时则代表传感器被触发。

实施例2

本实施例基于实施例1的一种传感器电容检测电路。

具体地，参阅图2，所述基准电流产生电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一PMOS管PM1和第一NMOS管NM1；

所述第一NMOS管NM1的源极连接到第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端接地，所述第一NMOS管NM1的漏极连接直流源；

所述第一PMOS管PM1的源极连接到直流源，第一NMOS管NM1的栅极、第一PMOS管PM1的栅极和漏极均连接到第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接到第一NMOS管NM1的源极；

第一PMOS管PM1和第一NMOS管NM1的栅极作为基准电流产生电路的输出端。

另外，所述第一振荡电路包括工作电容C1、第二PMOS管PM2、第三PMOS 管PM3、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和反相器INV1；

所述第二PMOS管PM2的栅极连接到所述第一PMOS管PM1的栅极，源极接所述直流源，漏极连接工作电容C1的一端，工作电容C1的另一端接地；

所述第三PMOS管PM3的栅极连接到所述第一NMOS管NM1的栅极，源极连接到所述直流源，漏极连接到所述反相器INV1的输入端；

所述第二NMOS管NM2的漏极连接第二PMOS管PM2的漏极，源极接地，栅极连接到所述反相器INV1的输出端；

所述第三NMOS管NM3的栅极连接第二PMOS管PM2的漏极，源极接地，漏极连接到所述反相器INV1的输入端。

特别说明的是，所述第二振荡电路与所述第一振荡电路结构相同，只是工作电容C1采用固定的属于电路本身的电容。

为了方便说明，将第二PMOS管PM2的漏极、第一电容的一端、第二NMOS 管NM2的漏极和第三NMOS管NM3的栅极交接的节点标记为X节点，将反相器 INV1的输入端、第三PMOS管PM3的漏极和第三NMOS管NM3的漏极交接的节点标记为Y节点，将反相器INV1的输出端和第二NMOS管NM2的栅极的交接点标记为Z节点。

第一电阻R1可以选取较大阻值，进而流经第一NMOS管NM1的电流维持一个较小的值，第一NMOS管NM1的栅源电压视为一个阈值电压，这样流过第一 PMOS管PM1的电流由第一NMOS管NM1的阈值电压和第二电阻R2确定，基准电流大小为第一NMOS管NM1的阈值电压除以电阻R2。

再有，第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3构成基本的电流镜，第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3镜像第一PMOS管PM1的电流，第二PMOS管PM2的电流用于振荡器工作，第三PMOS管PM3的电流用于控制第一振荡器、第二振荡器的翻转。

第一振荡器、第二振荡器结构一致，图1中给出了一个振荡器作为示例，第一振荡器、第二振荡器的不同仅在于工作电容C1，第一振荡器采用传感器电容，第二振荡器采用固定的内部电容。该电路的工作原理如下：

(1)假定电路初始时X节点的电压为零，第三NMOS管NM3关闭，第三PMOS 管PM3会把Y节点电压拉高，Z节点电压为低，第二NMOS管NM2关闭，这时第二PMOS管PM2会给X节点充电；

(2)随着X节点的电压上升，第三NMOS管NM3导通，当第三NMOS管NM3 的电流大于第三PMOS管PM3时，Y节点电压变低，Z节点电压变高，第二NMOS 管NM2开启且第二NMOS管NM2设计驱动能力远大于第二PMOS管PM2，X节点电压变低，然后回到步骤(1)，如此循环产生周期性的振荡信号，振荡信号本身为三角波信号，反相器INV1将其转化为方波信号在Z节点稳定输出。

第一振荡器、第二振荡器在只有各自工作电容C1不同的情况下，二者的Z 节点输出信号的频率比值只跟二者的工作电容C1的比值相关。而计数值与频率成正比，当第二振荡器的工作电容C1保持不变时，第一振荡器传感器电容的改变会引起第一振荡器的频率改变，进而引起计数值的改变，进而得到检测的目的。

实施例3

本实施例提供了一种传感器电容检测方法，应用于实施例1或实施例2的一种传感器电容检测电路，

基准电流产生电路为第一振荡电路和第二振荡电路提供基准电流，控制模块控制第一振荡电路和第二振荡器的工作状态，实时计数模块，其一个输入端连接到所述第一振荡电路的输出端；固定计数模块的输入端连接到第二振荡电路的输出端，其输出端连接到实时计数模块的另一个输入端；参考计数模块的输入端连接到所述实时计数模块的输出端，比较器的一个输入端连接到实时计数模块的输出端，另一个输入端连接到参考计数模块的输出端；

包括以下步骤：

步骤S1：在控制模块的控制下，第一振荡器和第二振荡器工作产生不同频率的振荡信号，固定计数模块对第二振荡器进行固定数值COUNT的计数，达到固定数值COUNT花费时间为T，T发送到实时计数模块，实时计数模块对第一振荡器进行计数；这里是因为电路内部没有时钟，所以需要通过第二振荡器来产生一个固定的时间T，因为第二振荡器频率固定，所以产生固定数值COUNT的时间T也是固定的；

步骤S2：实时计数模块进行计数时，若当前是实时计数模块第一次计数或参考计数模块的计数值满足参考计数值更新条件，则将实时计数模块的计数值写入参考计数模块然后进入步骤S3，若否则直接进入步骤S3，参考计数值更新条件由控制模块判断；

步骤S3：时间T后，比较器比较所述参考计数模块和实时计数模块的计数值，控制模块判断比较器的输出值是否超出触发阈值，若是则代表传感器被触发进而输出检测结果，若否则代表传感器未被触发；具体是由于第二振荡器的输出信号送入固定计数模块，固定计数模块此时固定一个计数设定值COUNT，花费时间为T，在T时间内，第一振荡器频率越快，实时计数值越大，实时计数值的大小反应了传感器电容的状态，其变化情况能反映传感器是否被触发。

步骤S4：返回步骤S1开始新一轮测试工作。

作为优选方案，所述步骤S2中的所述参考计数值更新条件包括：

实时计数模块连续3次的计数值不超出稳定阈值范围，处于稳定阈值范围内代表传感器处于稳定状态；即该条件用于保证传感器处于稳定工作状态；

当前实时计数模块和参考计数模块的计数值的差值不大于有效阈值，该条件用于保证更新到参考计数模块的值是传感器未被触发时的值。

Claims (6)

1.一种传感器电容检测电路，其特征在于，包括：

基准电流产生电路，用于产生基准电流；

第一振荡电路，其输入端连接到所述基准电流产生电路的输出端；

第二振荡电路，其输入端连接到所述基准电流产生电路的输出端；

第一振荡电路和第二振荡电路中分别有一个工作电容，传感器的电容被用作第一振荡电路的工作电容；

实时计数模块，其一个输入端连接到所述第一振荡电路的输出端；

固定计数模块，其输入端连接到第二振荡电路的输出端，其输出端连接到实时计数模块的另一个输入端；

参考计数模块，其输入端连接到所述实时计数模块的输出端；

控制模块，用于控制第一振荡电路和第二振荡电路的工作，处理实时计数模块、固定计数模块和参考计数模块的数据；

比较器，其一个输入端连接到实时计数模块的输出端，另一个输入端连接到参考计数模块的输出端，用于输出检测结果；

所述基准电流产生电路包括第一电阻、第二电阻、第一PMOS管和第一NMOS管；

所述第一NMOS管的源极连接到第一电阻的一端，第一电阻的另一端接地，所述第一NMOS管的漏极连接直流源；

所述第一PMOS管的源极连接到直流源，第一NMOS管的栅极、第一PMOS管的栅极和漏极均连接到第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接到第一NMOS管的源极；

第一PMOS管和第一NMOS管的栅极作为基准电流产生电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种传感器电容检测电路，其特征在于，所述第一振荡电路包括工作电容、第二PMOS管、第三PMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和反相器；

所述第二PMOS管的栅极连接到所述第一PMOS管的栅极，源极接所述直流源，漏极连接工作电容的一端，工作电容的另一端接地；

所述第三PMOS管的栅极连接到所述第一NMOS管的栅极，源极连接到所述直流源，漏极连接到所述反相器的输入端；

所述第二NMOS管的漏极连接第二PMOS管的漏极，源极接地，栅极连接到所述反相器的输出端；

所述第三NMOS管的栅极连接第二PMOS管的漏极，源极接地，漏极连接到所述反相器的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种传感器电容检测电路，其特征在于，所述第二振荡电路与所述第一振荡电路结构相同。

4.一种传感器电容检测电路方法，应用于权利要求1-3中任一项所述的一种传感器电容检测电路，其特征在于，

基准电流产生电路为第一振荡电路和第二振荡电路提供基准电流，控制模块控制第一振荡电路和第二振荡电路的工作状态，实时计数模块，其一个输入端连接到所述第一振荡电路的输出端；固定计数模块的输入端连接到第二振荡电路的输出端，其输出端连接到实时计数模块的另一个输入端；参考计数模块的输入端连接到所述实时计数模块的输出端，比较器的一个输入端连接到实时计数模块的输出端，另一个输入端连接到参考计数模块的输出端；

包括以下步骤：

步骤S1：在控制模块的控制下，第一振荡电路和第二振荡电路工作产生不同频率的振荡信号，固定计数模块对第二振荡电路进行固定数值COUNT的计数，达到固定数值COUNT花费时间为T，T发送到实时计数模块，实时计数模块对第一振荡电路进行计数；

步骤S2：实时计数模块计数时，若当前是实时计数模块第一次计数或参考计数模块的计数值满足参考计数值更新条件，则将实时计数模块的计数值写入参考计数模块然后进入步骤S3，若否则直接进入步骤S3，参考计数值更新条件由控制模块判断；

步骤S3：时间T后，比较器比较所述参考计数模块和实时计数模块的计数值，控制模块判断比较器的输出值是否超出触发阈值，若是则代表传感器被触发进而输出检测结果，若否则代表传感器未被触发；

步骤S4：返回步骤S1开始新一轮测试工作。

5.根据权利要求4所述的一种传感器电容检测电路方法，其特征在于，所述步骤S2中的所述参考计数值更新条件包括：

实时计数模块连续多次的计数值不超出稳定阈值范围，处于稳定阈值范围内代表传感器处于稳定状态；

当前实时计数模块和参考计数模块的计数值的差值不大于有效阈值，用于保证更新到参考计数模块的值是传感器未被触发时的值。

6.根据权利要求5所述的一种传感器电容检测电路方法，其特征在于，所述实时计数模块连续多次的计数值不超出稳定阈值范围中的次数为3次。