CN117805493A - 一种电容检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电容检测系统。该系统包括：传感器电路、传感器控制电路以及数字信号处理电路；其中，传感器电路用于基于状态控制信号对被测电容的电容值进行采样，以及根据增益控制信号调整检测增益，并根据所述检测增益基于所述状态控制信号将所述电容值转换为检测数据；数字信号处理电路用于通过所述传感器控制电路向所述传感器电路提供所述状态控制信号和所述增益控制信号，还用于接收所述检测数据，并对所述检测数据进行处理，以得到检测结果。本发明实施例所提供的技术方案，实现了增益可调，扩大了电容值的检测范围，也提高了电容检测的精度，在此基础上，也避免了使用高精度ADC等复杂电路，从而有效的控制了功耗和面积。

Description

一种电容检测系统

技术领域

本发明实施例涉及电容检测技术领域，尤其涉及一种电容检测系统。

背景技术

电容检测电路可以应用在很多场景，如触摸控制、自动控制、水位检测等。电容检测电路的精准性，抗噪音性能，以及成本，一直是该技术的发展重点。通常的电容检测电路由两部分组成：传感器电路和数字信号处理电路，传感器电路将被测电容的电容值转换成数字化的检测数据，再由数字信号处理电路进一步处理得到数字化电容值。但是由于被测电容的容值范围较大，又如在某些应用中，如触摸控制、接近感应等，需要检测容值很小的电容变化量，因此需要电容检测系统有很高的精度，而目前的电容检测机制，如果需要兼顾检测范围广和检测精度高，需要使用复杂的电路，如高精度ADC，从而造成芯片的设计复杂度增加、功耗增加、面积增大。

发明内容

本发明实施例提供一种电容检测系统，以实现在保证检测范围广和检测精度高的同时，更有效的控制了功耗和面积。

本发明实施例提供了一种电容检测系统，该系统包括：传感器电路、传感器控制电路以及数字信号处理电路；其中，

所述传感器电路用于基于状态控制信号对被测电容的电容值进行采样，以及根据增益控制信号调整检测增益，并根据所述检测增益基于所述状态控制信号将所述电容值转换为检测数据；

所述数字信号处理电路用于通过所述传感器控制电路向所述传感器电路提供所述状态控制信号和所述增益控制信号，还用于接收所述检测数据，并对所述检测数据进行处理，以得到检测结果。

可选的，所述检测数据为频率信号；所述传感器电路具体用于：将所述电容值转换为电压值，再将所述电压值转换为所述频率信号。

可选的，所述传感器电路包括：电容电压转换电路、低通滤波器和电压频率转换电路；其中，

所述电容电压转换电路用于对所述电容值进行采样，并将所述电容值转换为所述电压值；

所述低通滤波器用于对所述电压值进行滤波，以去除环境中的高频噪音；

所述电压频率转换电路用于将完成滤波后的所述电压值转换为所述频率信号。

可选的，所述电容电压转换电路具体用于根据第一公式将所述电容值转换为所述电压值，所述第一公式为：

Vint＝K1*Cext

其中，Vint表示所述电压值，K1表示第一增益参数，Cext表示所述电容值；

所述电压频率转换电路具体用于根据第二公式将完成滤波后的所述电压值转换为所述频率信号，所述第二公式为：

FOSC＝K2*Vint＝K1*K2*Cext

其中，FOSC表示所述频率信号，K2表示第二增益参数。

可选的，所述传感器电路还用于：根据偏移消除控制信号对所述检测数据进行偏移消除，以去除直流噪音引起的偏移值；

所述数字信号处理电路还用于通过所述传感器控制电路向所述传感器电路提供所述偏移消除控制信号。

可选的，所述传感器电路具体用于根据第三公式对所述检测数据进行偏移消除，所述第三公式为：

FOSC＝K2*(Vint-Voff)＝K1*K2*Cext-K2*Voff

其中，FOSC表示所述频率信号，K1表示第一增益参数，K2表示第二增益参数，Vint表示所述电压值，Voff表示非期望电压值，Cext表示所述电容值。

可选的，所述传感器电路还包括：内部电源，用于为所述电容电压转换电路、所述低通滤波器和所述电压频率转换电路进行供电。

可选的，所述数字信号处理电路包括：频率数字转换器、行为控制器和信号处理器；其中，

所述频率数字转换器用于将所述频率信号转换为数字信号；

所述行为控制器用于根据所述数字信号向所述传感器控制电路输出状态调整信号、增益调整信号和偏移消除调整信号，以使所述传感器控制电路向所述传感器电路提供所述状态控制信号、所述增益控制信号以及所述偏移消除控制信号，还用于接收完成调整后的所述数字信号；

所述信号处理器用于对完成调整后的所述数字信号进行处理，以得到所述检测结果。

可选的，所述行为控制器具体用于：

将所述数字信号与预设期望增益值进行比较，以判断是否需要进行增益调整，若需要，则输出所述增益调整信号，并得到调整后的第一数字信号；

将所述第一数字信号与预设期望偏移消除值进行比较，以判断是否需要进行偏移消除，若需要，则输出所述偏移消除调整信号，并得到调整后的第二数字信号。

可选的，所述状态控制信号包括：采样控制信号、电容电压转换控制信号和电压频率转换控制信号。

本发明实施例提供了一种电容检测系统，包括传感器电路、传感器控制电路和数字信号处理电路，通过由数字信号处理电路经传感器控制电路向传感器电路提供状态控制信号和增益控制信号，控制传感器电路基于状态控制信号对被测电容的电容值进行采样，并根据增益控制信号调整检测增益，再根据检测增益基于状态控制信号将电容值转换为检测数据，从而由数字信号处理电路将检测数据处理得到检测结果。本发明实施例所提供的电容检测系统，实现了增益可调，从而可以防止因被测电容的电容值过大而使检测数据出现饱和，即扩大了电容值的检测范围，同时也可以防止因被测电容的电容值过小而难以识别，从而提高了电容检测的精度，在此基础上，也避免了使用高精度ADC等复杂电路，从而有效的控制了功耗和面积。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的电容检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种传感器电路的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种传感器控制电路的实施方式；

图4为本发明实施例一提供的一种数字信号处理电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本发明实施例的范围的情况下，可以将第一数字信号称为第二数字信号，且类似地，可将第二数字信号称为第一数字信号。第一数字信号和第二数字信号两者都是数字信号，但其不是同一数字信号。术语“第一”、“第二”等不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的电容检测系统的结构示意图，本实施例可适用于在任意应用场景中需要对电容进行检测的情况。如图1所示，该电容检测系统100包括：传感器电路110、传感器控制电路120以及数字信号处理电路130；其中，所述传感器电路110用于基于状态控制信号对被测电容200的电容值进行采样，以及根据增益控制信号调整检测增益，并根据所述检测增益基于所述状态控制信号将所述电容值转换为检测数据；所述数字信号处理电路130用于通过所述传感器控制电路120向所述传感器电路110提供所述状态控制信号和所述增益控制信号，还用于接收所述检测数据，并对所述检测数据进行处理，以得到检测结果。

具体的，电容检测系统100可以集成在芯片内部，以提高系统的集成度，该芯片可以预留检测接口，传感器电路110可以通过检测接口连接到外部的被测电容200，并可以在状态控制信号的控制下对被测电容200进行采样得到电容值以及将该电容值转换为检测数据。另一方面，转换过程可以依赖检测增益，而检测增益可以在增益控制信号的控制下进行调整，则可以根据调整后的检测增益对电容值进行转换。当被测电容200的电容值过大时，转换得到的检测数据可能会出现饱和，则可以通过降低检测增益来扩大检测范围，当被测电容200的电容值太小而难以识别时，则可以通过提高检测增益将检测数据扩大到有效值，从而提高检测精度。

对被测电容200的电容值大小的判定过程可以由数字信号处理电路130来实现，具体可以在传感器电路110首先采集并转换得到检测数据之后，将检测数据输出给数字信号处理电路130，从而数字信号处理电路130可以根据该检测数据判定当前被测电容200的电容值是否过大或过小，并确定是否需要进行增益调整，在需要时则可以向传感器控制电路120发送增益调整信号，并控制传感器控制电路120向传感器电路110提供增益控制信号，以实现检测增益的自动调整。同时还可以向传感器控制电路120发送状态调整信号，并控制传感器控制电路120向传感器电路110提供状态控制信号，以控制传感器电路110再次对被测电容200的电容值进行采样，并根据调整后的检测增益对电容值进行转换，从而得到调整后的检测数据。数字信号处理电路130在接收到检测数据后，可以对检测数据进行进一步的处理，以得到最终的检测结果，另外，上述芯片可以预留输出接口，则数字信号处理电路130可以通过输出接口将检测结果输出到芯片外部，以便加以利用。

其中，可选的，所述检测数据为频率信号；所述传感器电路110具体用于：将所述电容值转换为电压值，再将所述电压值转换为所述频率信号，从而可以避免使用ADC模块，降低了面积成本和功耗。

进一步可选的，如图2所示，所述传感器电路110包括：电容电压转换电路111、低通滤波器112和电压频率转换电路113；其中，所述电容电压转换电路111用于对所述电容值进行采样，并将所述电容值转换为所述电压值；所述低通滤波器112用于对所述电压值进行滤波，以去除环境中的高频噪音；所述电压频率转换电路113用于将完成滤波后的所述电压值转换为所述频率信号。具体的，检测环境中通常有大量的噪音，会干扰最终的检测结果，则可以首先通过电容电压转换电路111将采样得到的电容值转换为电压值，然后通过模拟的低通滤波器112将环境中的高频噪音滤除，从而得到干净的电压信号，再通过电压频率转换电路113将完成滤波后得到的电压值转换为频率信号作为检测数据，则传感器电路110可以提供较为干净的检测数据，通过在模拟信号就加入滤波功能，减轻了整个系统对数据进行处理的压力，从而可使用更低的功耗和占用更少的系统资源的情况下，实现更好的抗噪音能力。其中的电压频率转换电路113可以通过简单的压控振荡器电路实现，也无需复杂的ADC电路，从而有效的控制成本。同时可选的，所述状态控制信号包括：采样控制信号、电容电压转换控制信号和电压频率转换控制信号。其中，如图3所示为传感器控制电路120的一种实施方式，采样控制信号可对应阶段1，可控制电容电压转换电路111何时对被测电容200进行采样，电容电压转换控制信号可对应阶段2，可控制电容电压转换电路111何时将采样得到的电容值转换为电压值，电压频率转换控制信号可对应阶段3，可控制电压频率转换电路113何时将转换得到并经过滤波的电压值再转换为频率信号。以上三个控制信号的工作，均可以由数字信号处理电路130向传感器控制电路120发送状态调整信号进行指示，从而由传感器控制电路120向传感器电路110分别发送该三个控制信号。

进一步可选的，所述电容电压转换电路111具体用于根据第一公式将所述电容值转换为所述电压值，所述第一公式为：

Vint＝K1*Cext

其中，Vint表示所述电压值，K1表示第一增益参数，Cext表示所述电容值；所述电压频率转换电路113具体用于根据第二公式将完成滤波后的所述电压值转换为所述频率信号，所述第二公式为：

FOSC＝K2*Vint＝K1*K2*Cext

其中，FOSC表示所述频率信号，K2表示第二增益参数。具体的，检测增益即可包括上述的第一增益参数和第二增益参数，则可以根据增益控制信号对该两个增益参数进行调整。通过上述公式可知，被测电容200的电容值与检测数据呈线性关系，即本系统具有良好的线性度。

进一步可选的，所述传感器电路110还用于：根据偏移消除控制信号对所述检测数据进行偏移消除，以去除直流噪音引起的偏移值；所述数字信号处理电路130还用于通过所述传感器控制电路120向所述传感器电路110提供所述偏移消除控制信号。具体的，如果电容检测系统100的直流噪音较大，会导致采样得到的电容值中非期望成分过高，从而限制了增益调整幅度和检测范围，例如：Cext＝Ceff+Coff，其中的Ceff是想要被检测的有效电容值，而Coff是噪音或寄生引起的非期望电容值，如果Coff过大，则很小的Ceff就会导致检测数据出现饱和。因此，通过根据偏移消除控制信号控制传感器电路110对检测数据进行偏移消除，可以进一步提高电容值的检测精度，扩大检测范围。具体可以在数字信号处理电路130获得经增益调整后的检测数据之后，由数字信号处理电路130根据该检测数据判定当前是否需要进行偏移消除，在需要时则可以向传感器控制电路120发送偏移消除调整信号，并控制传感器控制电路120向传感器电路110提供偏移消除控制信号，以实现偏移的自动消除。同时还可以向传感器控制电路120发送状态调整信号，并控制传感器控制电路120向传感器电路110提供状态控制信号，以控制传感器电路110再次对被测电容200的电容值进行采样，并对检测数据进行偏移消除，从而再次得到调整后的检测数据。上述偏移消除的过程具体可由电压频率转换电路113来实现。

进一步可选的，所述传感器电路110具体用于根据第三公式对所述检测数据进行偏移消除，所述第三公式为：

FOSC＝K2*(Vint-Voff)＝K1*K2*Cext-K2*Voff

其中，FOSC表示所述频率信号，K1表示第一增益参数，K2表示第二增益参数，Vint表示所述电压值，Voff表示非期望电压值，即可代表由基础噪音引起的偏移值，Cext表示所述电容值。

在上述技术方案的基础上，可选的，如图2所示，所述传感器电路110还包括：内部电源114，用于为所述电容电压转换电路111、所述低通滤波器112和所述电压频率转换电路113进行供电。通过使用独立的内部电源(LDO)114进行供电，减小了外部电源噪音对检测结果的影响。

在上述技术方案的基础上，可选的，如图4所示，所述数字信号处理电路130包括：频率数字转换器131、行为控制器132和信号处理器133；其中，所述频率数字转换器131用于将所述频率信号转换为数字信号；所述行为控制器132用于根据所述数字信号向所述传感器控制电路120输出状态调整信号、增益调整信号和偏移消除调整信号，以使所述传感器控制电路120向所述传感器电路110提供所述状态控制信号、所述增益控制信号以及所述偏移消除控制信号，还用于接收完成调整后的所述数字信号；所述信号处理器133用于对完成调整后的所述数字信号进行处理，以得到所述检测结果。具体的，如上所述，数字信号处理电路130可以根据接收到的检测数据判定是否需要进行增益调整及偏移消除，并可根据判定结果执行相应的操作。则具体可以首先通过频率数字转换器131将获得的频率信号转换为数字信号，实现方式可以包括：用一个高频时钟信号对频率信号进行计数，或者，对频率信号计数某一固定时长的电平等等。然后通过行为控制器132根据得到的数字信号判断是否需要进行增益调整及偏移消除，需要则可以向外发送相应的状态调整信号、增益调整信号及偏移消除调整信号，并可以再次获得经过调整的数字信号。最后可以通过信号处理器133对最终得到的数字信号进行数字滤波以及信号平滑等处理，从而得到最终的检测结果。

进一步可选的，所述行为控制器132具体用于：将所述数字信号与预设期望增益值进行比较，以判断是否需要进行增益调整，若需要，则输出所述增益调整信号，并得到调整后的第一数字信号；将所述第一数字信号与预设期望偏移消除值进行比较，以判断是否需要进行偏移消除，若需要，则输出所述偏移消除调整信号，并得到调整后的第二数字信号。具体的，对增益调整和偏移消除的判断可以依次进行，在首次获得数字信号之后，可以首先根据预设期望增益值对该数字信号进行增益调整的判断，若需要进行增益调整，则可参考上述说明获得首次调整后的第一数字信号，然后可以根据预设期望偏移消除值对第一数字信号进行偏移消除的判断，或者在不需要进行增益调整的情况下，根据预设期望偏移消除值对首次获得的数字信号进行偏移消除的判断，若需要进行偏移消除，则可参考上述说明获得再次调整后的第二数字信号，并提供给信号处理器133进行处理，或者在不需要进行偏移消除的情况下，直接将首次获得的数字信号或第一数字信号提供给信号处理器133进行处理。

本发明实施例所提供的电容检测系统，包括传感器电路、传感器控制电路和数字信号处理电路，通过由数字信号处理电路经传感器控制电路向传感器电路提供状态控制信号和增益控制信号，控制传感器电路基于状态控制信号对被测电容的电容值进行采样，并根据增益控制信号调整检测增益，再根据检测增益基于状态控制信号将电容值转换为检测数据，从而由数字信号处理电路将检测数据处理得到检测结果。本发明实施例所提供的电容检测系统，实现了增益可调，从而可以防止因被测电容的电容值过大而使检测数据出现饱和，即扩大了电容值的检测范围，同时也可以防止因被测电容的电容值过小而难以识别，从而提高了电容检测的精度，在此基础上，也避免了使用高精度ADC等复杂电路，从而有效的控制了功耗和面积。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电容检测系统，其特征在于，包括：传感器电路、传感器控制电路以及数字信号处理电路；其中，

所述传感器电路用于基于状态控制信号对被测电容的电容值进行采样，以及根据增益控制信号调整检测增益，并根据所述检测增益基于所述状态控制信号将所述电容值转换为检测数据；

所述数字信号处理电路用于通过所述传感器控制电路向所述传感器电路提供所述状态控制信号和所述增益控制信号，还用于接收所述检测数据，并对所述检测数据进行处理，以得到检测结果。

2.根据权利要求1所述的电容检测系统，其特征在于，所述检测数据为频率信号；所述传感器电路具体用于：将所述电容值转换为电压值，再将所述电压值转换为所述频率信号。

3.根据权利要求2所述的电容检测系统，其特征在于，所述传感器电路包括：电容电压转换电路、低通滤波器和电压频率转换电路；其中，

所述电容电压转换电路用于对所述电容值进行采样，并将所述电容值转换为所述电压值；

所述低通滤波器用于对所述电压值进行滤波，以去除环境中的高频噪音；

所述电压频率转换电路用于将完成滤波后的所述电压值转换为所述频率信号。

4.根据权利要求3所述的电容检测系统，其特征在于，所述电容电压转换电路具体用于根据第一公式将所述电容值转换为所述电压值，所述第一公式为：

Vint＝K1*Cext

其中，Vint表示所述电压值，K1表示第一增益参数，Cext表示所述电容值；

所述电压频率转换电路具体用于根据第二公式将完成滤波后的所述电压值转换为所述频率信号，所述第二公式为：

FOSC＝K2*Vint＝K1*K2*Cext

其中，FOSC表示所述频率信号，K2表示第二增益参数。

5.根据权利要求3所述的电容检测系统，其特征在于，所述传感器电路还用于：根据偏移消除控制信号对所述检测数据进行偏移消除，以去除直流噪音引起的偏移值；

所述数字信号处理电路还用于通过所述传感器控制电路向所述传感器电路提供所述偏移消除控制信号。

6.根据权利要求5所述的电容检测系统，其特征在于，所述传感器电路具体用于根据第三公式对所述检测数据进行偏移消除，所述第三公式为：

FOSC＝K2*(Vint-Voff)＝K1*K2*Cext-K2*Voff

其中，FOSC表示所述频率信号，K1表示第一增益参数，K2表示第二增益参数，Vint表示所述电压值，Voff表示非期望电压值，Cext表示所述电容值。

7.根据权利要求3所述的电容检测系统，其特征在于，所述传感器电路还包括：内部电源，用于为所述电容电压转换电路、所述低通滤波器和所述电压频率转换电路进行供电。

8.根据权利要求5所述的电容检测系统，其特征在于，所述数字信号处理电路包括：频率数字转换器、行为控制器和信号处理器；其中，

所述频率数字转换器用于将所述频率信号转换为数字信号；

所述行为控制器用于根据所述数字信号向所述传感器控制电路输出状态调整信号、增益调整信号和偏移消除调整信号，以使所述传感器控制电路向所述传感器电路提供所述状态控制信号、所述增益控制信号以及所述偏移消除控制信号，还用于接收完成调整后的所述数字信号；

所述信号处理器用于对完成调整后的所述数字信号进行处理，以得到所述检测结果。

9.根据权利要求8所述的电容检测系统，其特征在于，所述行为控制器具体用于：

将所述数字信号与预设期望增益值进行比较，以判断是否需要进行增益调整，若需要，则输出所述增益调整信号，并得到调整后的第一数字信号；

将所述第一数字信号与预设期望偏移消除值进行比较，以判断是否需要进行偏移消除，若需要，则输出所述偏移消除调整信号，并得到调整后的第二数字信号。

10.根据权利要求3所述的电容检测系统，其特征在于，所述状态控制信号包括：采样控制信号、电容电压转换控制信号和电压频率转换控制信号。