CN116559545A - 电容频率转换电路及集成电路芯片 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电容频率转换电路及集成电路芯片，该电容频率转换电路包括：充放电电路、待测电容、参考电容以及频率测量电路；充放电电路被配置为在第一阶段对参考电容进行充放电，以输出参考电容对应的第一基准方波；充放电电路还被配置为在第二阶段对待测电容进行充放电，以输出待测电容对应的第二基准方波；频率测量电路用于测量第一基准方波对应的第一频率，以及测量第二基准方波对应的第二频率；待测电容的电容值是根据第一频率、第二频率以及参考电容的电容值计算得到的。

Description

电容频率转换电路及集成电路芯片

技术领域

本申请涉及电容检测技术领域，特别涉及一种电容频率转换电路及集成电路芯片。

背景技术

目前市场上会有许多测量电容值的应用场景，譬如用于测量位移、角度、震动、压力、介质特性等方面的电容型传感器，或触摸型微控制单元MCU等。

在相关技术中，对于电容值的采集常采用专用的电容数字转换器（CDC）实现，这样的劣势在于：通常需要桥式电路、调制器前端电路，电路实现复杂，且需要校准逻辑基于环境进行补偿，成本较高，且不便于集成。

发明内容

本申请提供一种电容频率转换电路及集成电路芯片。

第一方面，本申请提供了一种电容频率转换电路，该电容频率转换电路包括：充放电电路、待测电容、参考电容以及频率测量电路；所述充放电电路被配置为在第一阶段对所述参考电容进行充放电，以输出所述参考电容对应的第一基准方波；所述充放电电路还被配置为在第二阶段对所述待测电容进行充放电，以输出所述待测电容对应的第二基准方波；所述频率测量电路用于测量所述第一基准方波对应的第一频率，以及测量所述第二基准方波对应的第二频率；所述待测电容的电容值是根据所述第一频率、所述第二频率以及所述参考电容的电容值计算得到的。

在一些实施例中，所述充放电电路包括反相单元和参考电阻，所述参考电阻的一端与所述反相单元的输入端连接，所述参考电阻的另一端与所述反相单元的输出端连接。

在一些实施例中，所述待测电容的一端接地，另一端在所述第二阶段与所述参考电阻的一端连接。

在一些实施例中，所述参考电容的一端接地，另一端在所述第一阶段与所述参考电阻的一端连接。

在一些实施例中，所述待测电容的另一端与所述参考电阻的一端之间还设置有第一开关电路，所述第一开关电路用于控制所述待测电容的另一端与所述参考电阻的一端连通或断开。

在一些实施例中，所述参考电容的另一端与所述参考电阻的一端之间还设置有第二开关电路，所述第二开关电路用于控制所述参考电容的另一端与所述参考电阻的一端连通或断开。

在一些实施例中，所述反相单元为施密特触发器。

在一些实施例中，所述第一开关电路为数控开关电路。

在一些实施例中，所述第二开关电路为数控开关电路。

第二方面，本申请提供了一种集成电路芯片，所述集成电路芯片集成有上述的电容频率转换电路。

在一些实施例中，所述集成电路芯片为微控制单元MCU或片上系统SOC。

本申请所提供的电容频率转换电路及集成电路芯片的技术方案，仅利用一个充放电电路、一个频率测量电路和一个参考电容即可对待测电容进行电容值的测量，简化了电路结构，且便于集成到芯片中，大大节约了生产成本，且适合量产。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本申请的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。通过参考附图对详细示例实施例进行描述，以上和其他特征和优点对本领域技术人员将变得更加显而易见，在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种电容频率转换电路的结构框图；

图2为本申请实施例提供的一种电容频率转换电路的电路结构示意图；

图3为本公开实施例中充放电电路对电容的充放电过程示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下结合附图对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

在不冲突的情况下，本申请各实施例及实施例中的各特征可相互组合。

如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和所有组合。

本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本申请。如本文所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”和/或“由……制成”时，指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

除非另外限定，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本申请的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本文明确如此限定。

图1为本申请实施例提供的一种电容频率转换电路的结构框图，本申请实施例提供一种电容频率转换电路，参照图1，该电容频率转换电路10包括充放电电路101、待测电容C_test、参考电容C_ref以及频率测量电路102。

其中，充放电电路101被配置为在第一阶段T1对参考电容C_ref进行充放电，以输出参考电容C_ref对应的第一基准方波。

充放电电路101还被配置为在第二阶段T2对待测电容C_test进行充放电，以输出待测电容C_test对应的第二基准方波。

频率测量电路102用于测量第一基准方波对应的第一频率，以及测量第二基准方波对应的第二频率。

在本公开实施例中，待测电容C_test的电容值是根据第一频率、第二频率以及参考电容C_ref的电容值计算得到的。

具体而言，充放电电路101对电容（待测电容C_test或参考电容C_ref）进行充放电的过程可以包括对电容进行充电过程和对电容进行放电过程，其中，电容充电时间可以表示为：t=R×C×ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]。

其中，R为充电电路的阻抗，C为电容的电容值，V1为电容最终可充到的电压值，V0为电容上的初始电压值，Vt为充电时间t时刻电容上的电压值。

在本申请实施例中，在充放电电路101中，充电电路的阻抗R、电容最终可充到的电压值V1、电容上的初始电压值V0以及充电时间t时刻电容上的电压值Vt均是固定值，即，上述公式中ln[(V1-V0)/(V1-Vt)为常数，因此可电容充电时间与电容的电容值呈正比例关系，此外，t也是充放电电路101输出的基准方波的高电平时间，C为参考电容C_ref或待测电容C_test。由此可知，在电容充电过程中，参考电容C_ref或待测电容C_test的电容值与充放电电路101输出的基准方波的高电平成正比，即C₂/C₁= t_{test高电平}/t_ref高电平，其中C₁是参考电容C_ref的电容值，C₂是待测电容C_test的电容值，t_{test高电平}是第二基准方波的高电平时间，t_ref高电平是第一基准方波的高电平时间。

同理，电容放电时间可以表示为：t=R×C×ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]。

其中，R为放电电路的阻抗，C为电容的电容值，V1为电容最终可放电到的电压值，V0为电容上的初始电压值，Vt为放电时间t时刻电容上的电压值。

在本申请实施例中，在充放电电路101中，放电电路的阻抗R、电容最终可放电到的电压值V1、电容上的初始电压值V0以及放电时间t时刻电容上的电压值Vt均是固定值，即，上述公式中ln[(V1-V0)/(V1-Vt)为常数，因此可电容放电时间t与电容的电容值呈正比例关系，此外，t也是充放电电路101输出的基准方波的低电平时间，C为参考电容C_ref或待测电容C_test。由此可知，在电容放电过程中，参考电容C_ref或待测电容C_test的电容值与充放电电路101输出的基准方波的低电平成正比，即C₂/C₁= t_{test低电平}/t_ref低电平，其中C₁是参考电容C_ref的电容值，C₂是待测电容C_test的电容值，t_{test低电平}是第二基准方波的低电平时间，t_ref低电平是第一基准方波的低电平时间。

在整个充放电过程中，电容处于充电和放电的循环中，此时基准方波为高电平和低电平交替的周期波形，周期波形的频率f之比为周期时间之比的相反数，即，f₁/f₂= t_test/t_ref，其中f2为第二频率，f1为第一频率，t_test是第二基准方波的周期时间，t_ref是第一基准方波的周期时间，第二基准方波的周期时间t_test= t_{test高电平}+ t_{test低电平}，第一基准方波的周期时间t_ref= t_ref高电平+ t_ref低电平，结合上述C₂/C₁= t_{test高电平}/t_ref高电平，以及，C₂/C₁= t_{test低电平}/t_ref低电平，可以推导出电容与频率之间的关系为：C1/C2 = f2/f1。

根据电容与频率之间的关系：C1/C2 = f2/f1，可知，待测电容C_test的电容值C₂₌C₁/（f2/f1）。

根据本申请实施例所提供的电容频率转换电路的技术方案，仅利用一个充放电电路、一个频率测量电路和一个参考电容即可对待测电容进行电容值的测量，简化了电路结构，且便于集成到芯片中，大大节约了生产成本，且适合量产。

图2为本申请实施例提供的一种电容频率转换电路的电路结构示意图，在一些实施例中，如图2所示，充放电电路101包括反相单元U1和参考电阻Rref，参考电阻Rref的一端与反相单元U1的输入端CFCI连接，参考电阻Rref的另一端与反相单元U1的输出端CFCO连接，反相单元U1的输出端CFCO还与频率测量电路102连接。

在一些实施例中，参考电阻Rref可以采用任意合适的电阻实现，其阻值例如可以设置为10千欧（kΩ），本申请实施例对于参考电阻的具体实现形式不作特殊限制。

在一些实施例中，如图2所示，待测电容C_test的一端接地GND，待测电容C_test的另一端CFC1在第二阶段T2与参考电阻Rref的一端，即反相单元U1的输入端CFCI连接。

在一些实施例中，如图2所示，参考电容C_ref的一端接地GND，参考电容C_ref的另一端CFC0在第一阶段与参考电阻Rref的一端，即反相单元U1的输入端CFCI连接。

在一些实施例中，如图2所示，待测电容C_test的另一端CFC1与参考电阻Rref的一端之间还设置有第一开关电路S1，第一开关电路S1用于控制待测电容C_test的另一端CFC1与参考电阻Rref的一端连通或断开。

在一些实施例中，参考电容C_ref的另一端CFC0与参考电阻Rref的一端之间还设置有第二开关电路S0，第二开关电路S0用于控制参考电容C_ref的另一端CFC0与参考电阻Rref的一端连通或断开。

通过第一开关电路S1和第二开关电路S0的设置，可以实现控制参考电容C_ref的另一端CFC0与参考电阻Rref的一端在第一阶段连通，而在第二阶段断开，相应的，可以实现控制待测电容C_test的另一端CFC1与参考电阻Rref的一端在第一阶段断开，而在第二阶段连通。

在一些实施例中，反相单元U1为施密特触发器。

在一些实施例中，第一开关电路S1为数控开关电路。

在一些实施例中，第二开关电路S0为数控开关电路。

在一些实施例中，参考电容C_ref的电容值的取值范围为1纳法到10纳法。

本申请实施例中，电容频率转换电路实现的工作原理为：在第一阶段T1，参考电阻Rref和参考电容C_ref配合施密特触发器U1组成振荡电路，并在循环充放电过程中产生一个第一基准方波，利用频率测量电路102测量第一基准方波的频率得到第一频率f1；随后，在第二阶段T2，将参考电容C_ref与振荡电路断开，接入待测电容C_test，待测电容C_test和参考电容C_ref配合施密特触发器U1重新组成新的振荡电路，并在循环充放电过程中产生一个第二基准方波，利用频率测量电路102测量第二基准方波的频率得到第二频率f2。利用公式C₁/C₂=f2/f1，其中参考电容C_ref的电容值C₁、第一频率f1、第二频率f2都是已知的，由此即可得到待测电容C_test的电容值。

具体而言，首先，在第一阶段T1，控制第二开关电路S0闭合，而控制第一开关电路S1断开，参考电容C_ref的另一端CFC0与反相单元U1的输入端CFCI连接，初始状态下，反相单元U1的输入端CFCI为低电平，反相单元U1将输出端CFCO上拉到高电平，输出端CFCO通过参考电阻Rref提供电流给参考电容C_ref充电，反相单元U1的输入端CFCI的电平升高，直至升高至施密特输入高电平电压阈值，此时反相单元U1的输入端CFCI为高电平，反相单元U1的输出端CFCO变为低电平，参考电容C_ref通过参考电阻Rref放电，反相单元U1的输入端CFCI的电平降低，直至降低至施密特输入低电平电压阈值，此时反相单元U1的输入端CFCI为低电平，反相单元U1的输出端CFCO变为高电平。以上充放电过程循环，反相单元U1的输出端CFCO会产生一个基准方波，记为第一基准方波，通过频率测量电路102测量得到第一频率f1。

随后，在第二阶段T2，控制第一开关电路S1闭合，而控制第二开关电路S0断开，待测电容C_test的另一端CFC1与反相单元U1的输入端CFCI连接，初始状态下，反相单元U1的输入端CFCI为低电平，反相单元U1将输出端CFCO上拉到高电平，输出端CFCO通过参考电阻Rref提供电流给待测电容C_test充电，反相单元U1的输入端CFCI的电平升高，直至升高至施密特输入高电平电压阈值，此时反相单元U1的输入端CFCI为高电平，反相单元U1的输出端CFCO变为低电平，待测电容C_test通过参考电阻Rref放电，反相单元U1的输入端CFCI的电平降低，直至降低至施密特输入低电平电压阈值，此时反相单元U1的输入端CFCI为低电平，反相单元U1的输出端CFCO变为高电平。以上充放电过程循环，反相单元U1的输出端CFCO会产生一个基准方波，记为第二基准方波，通过频率测量电路102测量得到第二频率f2。

图3为本公开实施例中充放电电路对电容的充放电过程示意图，如图3所示，在本申请实施例中，充放电电路101对电容（待测电容C_test或参考电容C_ref）进行充放电的过程可以包括对电容进行充电过程和对电容进行放电过程，其中，电容充电时间为：t=R×C×ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]。

其中，R为充电电路的阻抗，C为电容的容值，V1为电容最终可充到的电压值，V0为电容上的初始电压值，Vt为充电时间t时刻电容上的电压值。

在该电路中，电容充电过程时V1为施密特触发器U1的输出高电平VDD，V0为施密特触发器U1的输入低电平VL，Vt为施密特触发器U1的输入高电平VH，对于施密特触发器U1，V1>Vt，且V1、V0、Vt为固定值，即ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]为常数。此外，t为输出端波形（基准方波）的高电平时间，R为参考电阻Rref的阻值，C为参考电容C_ref或待测电容C_test。由此可知，在电容充电过程中，当参考电阻Rref固定时，参考电容和待测电容的电容值与基准方波的高电平成正比，即C₂/C₁= t_{test高电平}/t_ref高电平，其中C₁是参考电容C_ref的电容值，C₂是待测电容C_test的电容值，t_{test高电平}是第二基准方波的高电平时间，t_ref高电平是第一基准方波的高电平时间。

电容放电时间为：t=R×C×ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]。

其中，R为放电电路的阻抗，C为电容的电容值，V1为电容最终可放电到的电压值，V0为电容上的初始电压值，Vt为放电时间t时刻电容上的电压值。

在该电路中，电容放电过程时V1为施密特触发器U1的输出低电平VSS，V0为施密特触发器U1的输入高电平VH，Vt为施密特触发器U1的输入低电平VL，对于施密特触发器U1，V1<Vt，且V1、V0、Vt为固定值，即ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]为常数。此外，t为输出端波形（基准方波）的低电平时间，R为参考电阻Rref的阻值，C为参考电容C_ref或待测电容C_test。由此可知，在电容放电过程中，当参考电阻Rref固定时，参考电容和待测电容的电容值与基准方波的低电平成正比，即C₂/C₁= t_{test低电平}/t_ref低电平，其中C₁是参考电容C_ref的电容值，C₂是待测电容C_test的电容值，t_{test低电平}是第二基准方波的低电平时间，t_ref低电平是第一基准方波的低电平时间。

在整个充放电过程中，电容处于充电和放电的循环中，此时基准方波为高电平和低电平交替的周期波形，周期波形的频率f之比为周期时间之比的相反数，即f₁/f₂= t_test/t_ref，其中f2为第二频率，f1为第一频率，t_test是第二基准方波的周期时间，t_ref是第一基准方波的周期时间，第二基准方波的周期时间t_test= t_{test高电平}+ t_{test低电平}，第一基准方波的周期时间t_ref= t_ref高电平+ t_ref低电平，结合上述C₂/C₁= t_{test高电平}/t_ref高电平，以及，C₂/C₁= t_{test低电平}/t_ref低电平，可以推导出电容与频率之间的关系为：C1/C2 = f2/f1。

利用公式C₁/C₂=f2/f1，其中参考电容C_ref的电容值C₁、第一频率f1、第二频率f2都是已知的，由此即可得到待测电容C_test的电容值C₂。

在本申请实施例中，对于频率测量电路102的具体实现方式不作特殊限制，只要能够实现测量方波的频率即可，例如，可以采用定时器实现频率测量电路102。

本申请实施例还提供一种集成电路芯片，该集成电路芯片集成有电容频率转换电路，该电容频率转换电路包括上述实施例提供的电容频率转换电路。

在一些实施例中，集成电路芯片为微控制单元MCU或片上系统SOC。

在本申请实施例中，关于电容频率转换电路的具体描述可参见上述实施例中对电容频率转换电路的相关描述，此处不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本申请的原理而采用的示例性实施方式，上述具体实施方式并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电容频率转换电路，其特征在于，包括：充放电电路、待测电容、参考电容以及频率测量电路；

所述充放电电路被配置为在第一阶段对所述参考电容进行充放电，以输出所述参考电容对应的第一基准方波；

所述充放电电路还被配置为在第二阶段对所述待测电容进行充放电，以输出所述待测电容对应的第二基准方波；

所述频率测量电路用于测量所述第一基准方波对应的第一频率，以及测量所述第二基准方波对应的第二频率；

所述待测电容的电容值是根据所述第一频率、所述第二频率以及所述参考电容的电容值计算得到的。

2.根据权利要求1所述的电容频率转换电路，其特征在于，所述充放电电路包括反相单元和参考电阻，所述参考电阻的一端与所述反相单元的输入端连接，所述参考电阻的另一端与所述反相单元的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的电容频率转换电路，其特征在于，所述待测电容的一端接地，另一端在所述第二阶段与所述参考电阻的一端连接。

4.根据权利要求2所述的电容频率转换电路，其特征在于，所述参考电容的一端接地，另一端在所述第一阶段与所述参考电阻的一端连接。

5.根据权利要求3所述的电容频率转换电路，其特征在于，所述待测电容的另一端与所述参考电阻的一端之间还设置有第一开关电路，所述第一开关电路用于控制所述待测电容的另一端与所述参考电阻的一端连通或断开。

6.根据权利要求4所述的电容频率转换电路，其特征在于，所述参考电容的另一端与所述参考电阻的一端之间还设置有第二开关电路，所述第二开关电路用于控制所述参考电容的另一端与所述参考电阻的一端连通或断开。

7.根据权利要求2所述的电容频率转换电路，其特征在于，所述反相单元为施密特触发器。

8.根据权利要求5所述的电容频率转换电路，其特征在于，所述第一开关电路为数控开关电路。

9.根据权利要求6所述的电容频率转换电路，其特征在于，所述第二开关电路为数控开关电路。

10.一种集成电路芯片，其特征在于，所述集成电路芯片集成有如权利要求1-9中任一项所述的电容频率转换电路。

11.根据权利要求10所述的集成电路芯片，其特征在于，所述集成电路芯片为微控制单元MCU或片上系统SOC。