CN207083069U - 一种基于频率转换的电容传感器接口电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于频率转换的电容传感器接口电路，由基于电容变化的频率调制电路和频率电压转换电路组成；基于电容变化的频率调制电路的输入端形成整个接口电路的输入端，与被测电容连接；基于电容变化的频率调制电路的输出端连接频率电压转换电路的输入端；频率电压转换电路的输出端形成整个接口电路的输出端；通过基于电容变化的频率调制电路先将被测电容值转换为频率值，再通过频率电压转换电路将频率值转换为电压值。本实用新型能够有效抑制低频处噪声的影响，仅需要一个输入信号周期，可将频率信号转化为相应的电压信号，减小了输出的延时，极大的提高电容传感器接口电路反应速度。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成电路技术领域，具体涉及一种基于频率转换的电容传感器接口电路。
背景技术
传感器作为测量系统中的一种前端部件，能够感知外界物理量、化学量和生物信息的变化，并按照一定的规律将这些非电量信息转换成电子系统可检测、可处理的电信号。传感器已经被广泛的应用于工业生产、交通运输、国防军事以及生物医疗等领域，随着科技的不断进步，传感器逐渐向着小型化、集成化、智能化的方向发展。
相比于电阻性传感器，电容性传感器本身并不消耗任何静态电流，所以在低功耗的便携式移动终端、可穿戴设备等领域获得了广泛的应用。当电容性传感器确定后，传感系统的主要性能处决于连接到电容性传感器的接口电路。因此，对接口电路的检测范围、功耗与精度等性能指标提出了较高的要求。传统的电容性传感器接口电路，直接将电容值的变化量放大，转换为电压值的变化，并且多数采用电荷泵积分方法，需要经过多个周期对电荷泵充电，才能产生稳定的输出电压，导致整个接口电路工作速度较慢，功耗较大，准确度与灵敏度不高，占用过多的芯片面积，易受温度、噪声和外界因素的干扰，使得其应用受到较大限制。
实用新型内容
本实用新型所要解决的是传统电容性传感器接口电路所存在的问题，提供一种基于频率转换的电容传感器接口电路。
为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种基于频率转换的电容传感器接口电路，由基于电容变化的频率调制电路和频率电压转换电路组成；基于电容变化的频率调制电路的输入端形成整个接口电路的输入端，与被测电容Csen连接；基于电容变化的频率调制电路的输出端连接频率电压转换电路的输入端；频率电压转换电路的输出端形成整个接口电路的输出端Vout；通过基于电容变化的频率调制电路先将被测电容值Csen转换为频率值，再通过频率电压转换电路将频率值转换为电压值。
上述基于电容变化的频率调制电路由PMOS管PM1～PM2，NMOS管NM1～NM5和反相器INV1组成；PMOS管PM1和PM2的源极和与电源VDD连接；PMOS管PM1的栅极与漏极、NMOS管NM1的漏极、NMOS管NM3的栅极、以及NMOS管NM3的栅极相连；PMOS管PM2的栅极与漏极、NMOS管NM31的漏极、NMOS管NM1的栅极、NMOS管NM4的栅极、以及反相器INV1的输入端相连；反相器INV1的另一端形成基于电容变化的频率调制电路的输出端，与频率电压转换电路的输入端连接；NMOS管NM1的源极和NMOS管NM2的漏极相连后，形成基于电容变化的频率调制电路的一个输入端，与被测电容Csen的一端连接；NMOS管N3的源极和NMOS管NM24的漏极相连后，形成基于电容变化的频率调制电路的另一个输入端，与被测电容Csen的另一端连接；NMOS管NM2的源极、NMOS管NM4的源极、以及NMOS管NM5的漏极相连；NMOS管NM5的栅极与外部偏置电压Vb1连接；NMOS管NM5的源极与地GND相连。
上述频率电压转换电路由PMOS管PM3～PM7，NMOS管NM6～NM9，反相器INV2～INV3，触发器DFF1～DFF2和电容C1组成；触发器DFF1～DFF2的时钟端CK形成频率电压转换电路的输入端，与基于电容变化的频率调制电路的输出端相连；触发器DFF1的D端和SN端以及触发器DFF2的D端和SN端均与电源VDD相连；触发器DFF1的Q端与NMOS管NM6的栅极连接；NMOS管NM6的漏极、PMOS管PM3的漏极、PMOS管PM4的漏极、PMOS管PM6的栅极、反相器INV2的输入端、以及触发器DFF2的RN端相连；NMOS管NM6的源极与地GND相连；反相器INV2的输出端与PMOS管PM3的栅极连接；PMOS管PM6的源极与PMOS管PM5的漏极相连；PMOS管PM3的源极、PMOS管PM4的源极和PMOS管PM5的源极与电源VDD相连；PMOS管PM4的栅极、反相器INV3的输入端和触发器DFF1的RN端相连后，与外部复位信号RST连接；反相器INV3的输出端连接NMOS管NM7的栅极、NMOS管NM8的栅极和NMOS管NM9的栅极；NMOS管NM8的漏极、触发器DFF2的Q端与PMOS管PM7的栅极连接；PMOS管PM7的源极、NMOS管NM7的漏极和PMOS管PM6的漏极相连；NMOS管NM7的源极、NMOS管NM8的源极、NMOS管NM9的源极、以及电容C1的一端与地GND相连；NMOS管NM9的漏极、PMOS管PM7的漏极、以及电容C1的另一端相连后，形成频率电压转换电路的输出端，即整个接口电路的输出端Vout。
上述方案中，触发器DFF1～DFF2为边沿触发的D触发器。
与现有技术相比，本实用新型具体如下特点：
1、频率电压转换电路可在一个信号周期内完成从频率到电压的转换，减少信号的处理时间，提高整体电路系统的工作效率和反应速度；
2、基于电容变化的频率调制与频率电压转换方法，检测电容范围可达1pF～20pF，并且有效抑制低频噪声及外界因素的影响；
3、基于开关控制的张弛振荡器，实现电容充电方向自动切换，产生占空比为50％的方波。
附图说明
图1为一种基于频率转换的电容传感器接口电路的结构图。
图2为本实用新型输入输出关系图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
本实用新型提出一种基于频率转换的电容传感器接口电路，如图1所示，由基于电容变化的频率调制电路和频率电压转换电路组成。基于电容变化的频率调制电路，将不同的电容值转换为不同频率、占空比为50％的方波。频率电压转换电路，经过一个输入信号周期，将不同频率的方波转换为相对应的电压信号，使所产生的电压信号与被检测电容成一定比例关系。
上述基于电容变化的频率调制电路包括：PMOS管PM1、PM2，NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM5，一个反相器INV1，外部偏置电压Vb1，被测电容Csen。其中，PM1的源极与电源VDD连接，PM1的栅极与PM1的漏极相连后与NM1的漏极相连，NM1的栅极与NM3的漏极相连，NM1的源极与NM2的漏极相连，NM2的栅极与NM1的漏极相连，NM2的源极与NM5的漏极相连，NM5的栅极与Vb1相连，NM5的源极与地GND相连。PM2的源极与电源VDD连接，PM2的栅极与PM2的漏极相连后与NM3的漏极相连，NM3的栅极与NM1的漏极相连，NM3的源极与NM4的漏极相连，NM4的栅极与NM的漏极相连后与反相器INV1的输入端相连，NM4的源极与NM5的漏极相连。被测电容Csen的一端与NM1的源极相连，Csen的另一端与NM3的源极相连。
上述频率电压转换电路包括：PMOS管PM3、PM4、PM5、PM6、PM7，NMOS管NM6、NM7、NM8、NM9，二个反相器INV2、INV3，二个边沿触发的D触发器DFF1、DFF2，电容C1，外部偏置电压Vb2，外部复位信号RST，输出端Vout。其中，前一级电路中反相器INV1的输出端与二个D触发器DFF1、DFF2的时钟端CK相连。DFF1的D端与SN端相连后与电源VDD相连，DFF1的RN端与外部复位信号RST相连，DFF1的Q端与NM6的栅极相连。DFF2的D端与SN端相连后与电源VDD相连，DFF2的RN端与NM6的漏极相连，DFF2的Q端与PM7的栅极相连。PM3的源极与电源VDD相连，PM3的栅极与反相器INV2的输出端相连，PM3的漏极与反相器INV2的输入端相连后与NM6的漏极相连，NM6的源极与地GND相连。PM4的源极与电源VDD相连，PM4的栅极与外部复位信号RST相连，PM4的漏极与NM6的漏极相连。反相器INV3的输入端与外部复位信号RST相连反相器INV3的输出端与NM7的栅极相连。NM8、NM9的栅极相连后与反相器INV3的输出端相连，NM8的漏极与PM7的栅极相连，NM8的源极与地GND相连。NM9的漏极与PM7的源极相连，NM9的源极与地GND相连。PM5的源极与电源VDD相连，PM5的栅极与Vb2相连，PM5的漏极与PM6的源极相连，PM6的栅极与NM6的漏极相连，PM6的漏极与NM7的漏极相连，NM7的源极与地GND相连，PM7的源极与NM7的漏极相连，PM7的漏极与电容C1的一端相连后接电路的输出端Vout，电容C1的另一端与地GND相连。
本实用新型的工作原理为：通过基于电容变化的频率调制电路先将被测电容值转换为频率值，再通过频率电压转换电路将频率值转换为电压值。
基于电容变化的频率调制电路中，PMOS管PM1、PM2作为有源负载，NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4作为开关，NMOS管NM5作为尾电流源，NMOS管NM1、NM4导通时，NMOS管NM2、NM3关断，实现给电容Csen正向充电；NMOS管NM1、NM4关断时，NMOS管NM2、NM3导通，实现给电容Csen反向充电；电容Csen正向充电时，与有源电阻PM1形成RC张弛振荡器；电容Csen反向充电时，与有源电阻PM2形成RC张弛振荡器；最终，经过反相器INV1整形、放大，频率调制电路输出频率随电容变化、占空比为50％的全摆幅方波信号。
频率电压转换电路中，当RST信号为低电平时，PMOS管PM4将PM6的栅极拉高为高电平，NMOS管NM7将PM7的源极拉低为低电平，NMOS管NM8将PM7的栅极拉低为低电平，NMOS管NM9将电容C1拉低为低电平；当RST信号为高电平时，D触发器DFF1开始工作，当D触发器DFF1检测到输入信号的上升沿，D触发器DFF1的输出端Q输出高电平，此时NMOS管NM6导通，反相器INV2及PMOS管PM3用于将NM6的漏极锁定为低电平，使NM6的漏极电平一直为低，当NM6的漏极为低电平时，PMOS管PM6导通；当NM6的漏极为低电平时D触发器DFF2开始工作，当D触发器DFF2检测到输入信号的上升沿，D触发器DFF2的输出端Q输出高电平，此时PMOS管PM7关断；PM6、PM7共同导通的时间，为输入信号的一个周期，偏置电流源PM5为电容C1充了一个周期的电，输入信号的频率不同，相对应的周期就不同，电容C充电的时间也就不同，最终，不同频率的输入信号，对应电容C1上不同的输出电压，从而实现了频率到电压的转换。
基于电容变化的频率调制电路产生振荡方波的频率可以表示为(1)式：
其中，为流过被测电容Csen的电流，Vswing为被测电容Csen两端的电压差。
所以方波的周期可以表示为(2)式：
经过频率电压转换电路后，最终输出电压为：
其中，为PMOS管PM5产生的电流。
本实用新型采用基于开关控制的张弛振荡器将电容的变化直接转化为频率的变化，实现电容充电方向自动切换，且产生占空比为50％的方波，有效抑制低频处噪声的影响，有效提高了电容检测的精度。本实用新型采用频率电压转化电路，仅需要一个输入信号周期，可将频率信号转化为相应的电压信号，减小了输出的延时，极大的提高电容传感器接口电路反应速度，实现对电容值的检测。本实用新型在简化电路结构的同时，提升了电路对输入信号的处理速度，降低了功耗，仅为微瓦量级，且未使用电阻，仅用少量电容，有效地减小了由温度变化引起的热噪声影响、减小版图面积，更方便与标准CMOS工艺兼容，降低了生产成本。采用基于电容变化的频率调制与频率电压转换方法，有效地抑制了低频噪声的影响，可实现高速准确的电容检测。图2为本实用新型输入输出关系图，基于0.18-um CMOS工艺的Cadence Spectre仿真表明，可检测电容范围1pF～20pF，输出电压范围500mV～1.225V，1.8V供电条件下总功耗为85.14uW，电路延时最少可为72.774nS。
本实用新型能够解决传统电容性传感器接口电路所存在的信号处理时间较长、延时较大、灵敏度较低、检测范围较窄、易受噪声影响、芯片面积和功耗过大等问题。
需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。
Claims (4)
1.一种基于频率转换的电容传感器接口电路，其特征在于：由基于电容变化的频率调制电路和频率电压转换电路组成；基于电容变化的频率调制电路的输入端形成整个接口电路的输入端，与被测电容Csen连接；基于电容变化的频率调制电路的输出端连接频率电压转换电路的输入端；频率电压转换电路的输出端形成整个接口电路的输出端Vout；通过基于电容变化的频率调制电路先将被测电容值Csen转换为频率值，再通过频率电压转换电路将频率值转换为电压值。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率转换的电容传感器接口电路，其特征在于：上述基于电容变化的频率调制电路由PMOS管PM1～PM2，NMOS管NM1～NM5和反相器INV1组成；
PMOS管PM1和PM2的源极和与电源VDD连接；PMOS管PM1的栅极与漏极、NMOS管NM1的漏极、NMOS管NM3的栅极、以及NMOS管NM3的栅极相连；PMOS管PM2的栅极与漏极、NMOS管NM31的漏极、NMOS管NM1的栅极、NMOS管NM4的栅极、以及反相器INV1的输入端相连；反相器INV1的另一端形成基于电容变化的频率调制电路的输出端，与频率电压转换电路的输入端连接；NMOS管NM1的源极和NMOS管NM2的漏极相连后，形成基于电容变化的频率调制电路的一个输入端，与被测电容Csen的一端连接；NMOS管N3的源极和NMOS管NM24的漏极相连后，形成基于电容变化的频率调制电路的另一个输入端，与被测电容Csen的另一端连接；NMOS管NM2的源极、NMOS管NM4的源极、以及NMOS管NM5的漏极相连；NMOS管NM5的栅极与外部偏置电压Vb1连接；NMOS管NM5的源极与地GND相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于频率转换的电容传感器接口电路，其特征在于：上述频率电压转换电路由PMOS管PM3～PM7，NMOS管NM6～NM9，反相器INV2～INV3，触发器DFF1～DFF2和电容C1组成；
触发器DFF1～DFF2的时钟端CK形成频率电压转换电路的输入端，与基于电容变化的频率调制电路的输出端相连；触发器DFF1的D端和SN端以及触发器DFF2的D端和SN端均与电源VDD相连；触发器DFF1的Q端与NMOS管NM6的栅极连接；NMOS管NM6的漏极、PMOS管PM3的漏极、PMOS管PM4的漏极、PMOS管PM6的栅极、反相器INV2的输入端、以及触发器DFF2的RN端相连；NMOS管NM6的源极与地GND相连；反相器INV2的输出端与PMOS管PM3的栅极连接；PMOS管PM6的源极与PMOS管PM5的漏极相连；PMOS管PM3的源极、PMOS管PM4的源极和PMOS管PM5的源极与电源VDD相连；PMOS管PM4的栅极、反相器INV3的输入端和触发器DFF1的RN端相连后，与外部复位信号RST连接；反相器INV3的输出端连接NMOS管NM7的栅极、NMOS管NM8的栅极和NMOS管NM9的栅极；NMOS管NM8的漏极、触发器DFF2的Q端与PMOS管PM7的栅极连接；PMOS管PM7的源极、NMOS管NM7的漏极和PMOS管PM6的漏极相连；NMOS管NM7的源极、NMOS管NM8的源极、NMOS管NM9的源极、以及电容C1的一端与地GND相连；NMOS管NM9的漏极、PMOS管PM7的漏极、以及电容C1的另一端相连后，形成频率电压转换电路的输出端，即整个接口电路的输出端Vout。
4.根据权利要求3所述的一种基于频率转换的电容传感器接口电路，其特征在于：触发器DFF1～DFF2为边沿触发的D触发器。
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