CN209375442U - 一种自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统 - Google Patents

Abstract

一种自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，包括有噪声提取电路、噪声量化器、电荷泵和稳压源切换的控制电路、电荷泵电路和稳压源电路，所述噪声提取电路接于传感器的差分电压信号输出，用于对差分电压信号进行处理获得噪声能量值，并将噪声能量值输出给噪声量化器；所述噪声量化器用于将噪声能量值与设定的噪声能量阈值比较，输出控制指令给控制电路；所述控制电路用于根据控制指令进行切换电荷泵电路与稳压源电路的工作；所述电荷泵电路和稳压源电路为传感器提供两种供电方式。为传感器提供供电系统，弥补了压力触控系统噪声增大带来的影响，使得系统整体保持足够的信噪比，稳定信噪比，以此保证较高的按压传感识别率和测量精度。

Description

一种自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统

技术领域

本实用新型属于电子电路技术领域，涉及传感器供电系统，具体是涉及一种自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统。

背景技术

随着电子技术的不断发展，手机、平板和个人电脑、智能手表、虚拟现实等智能终端设备日益成为人们生活的必需品，智能终端设备的需求量保持增加，并且人们对智能终端的多元化需求日益增强。在智能终端设备使用中,人机交互是一个非常重要的环节。压力触控作为新兴技术在人机交互扮演越来越多的作用，良好的用户体验为人机触觉互动打开了一条通道，通过压力触控技术，设备可以感知轻按与轻点的力度差别，并调出不同的对应功能，相比普通的多点触控技术，压力触控增加了对力度的检测，从而使得人机交互更为直接，因此被广泛应用于工业、医疗、通讯等领域。

在压力触控领域，随着基于微压力应变器技术制备的柔性材料发展，相应的柔性薄膜微压力应变器开始广泛应用于各个智能终端，其简单易用，识别率准确，成本低，体积小，易于集成。柔性薄膜微压力应变器采用惠斯通电桥测量方式，其利用电阻的变化来测量物理量的变化，通过采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的压力物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。

常用的压力触控系统如图1所示，惠斯通电桥压力传感器(Wheatstone BridgeSensor)检测压力信号转换为差分电压信号V_INP、V_INN，再通过高性能的压感触控模拟前端对电压信号进行检测放大、滤波、采集、数模转换处理，最终通过系统总线输出Dout到主控系统HOST进行压感算法处理，压感触控前端包括一可编程增益放大器PGA和模数转换器ADC。在整个系统里，需要提供一个稳压源LDO输出V_sensor给惠斯通电桥传感器作直流电压偏置,Vo＝V_INP-V_INN∝V_sensor*ΔR/R。在传感器灵敏度S一定的情况下，一定按压对应的电阻变化量ΔR是恒定的，对应给定的V_sensor偏置电压，通常传感器信号输出Vo都有相应较大的变化量，从而保证一定的系统信噪比和按压精度。

然而在实际应用过程中，传感器本身不可避免会引入噪声，接入传感器的模拟前端电路也有噪声，同时，外界噪声干扰也会叠加到系统输入。受传感器表面材料形变、结构、环境温度等条件变化，传感器噪声也会有相应变化。在某些条件下，传感器噪声会变大，模拟前端电路等效输入噪声会变大，再考虑外界噪声干扰，系统输入整体叠加总噪声会变大。在一定按压对应传感器信号输出Vo＝V_INP-V_INN变化量不变的情况下，意味着系统的信噪比会下降，进而造成整体压感识别率下降，限制了应用环境。

信噪比，又称为讯噪比，是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号(或信息)，并且该种信号并不随原信号的变化而变化。设备的信噪比越高表明它产生的噪声越少，信号质量越好。

实用新型内容

基于现有技术中信噪比下降的问题，本实用新型的目的是为传感器提供一种可以自适应的供电系统，弥补了压力触控系统噪声增大带来的影响，使得系统整体保持足够的信噪比，稳定信噪比，以此保证较高的按压传感识别率和测量精度。

本实用新型的技术方案提供一种自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，包括有噪声提取电路、噪声量化器、自适应电荷泵和稳压源切换的控制电路、电荷泵电路和稳压源电路，噪声提取电路接于传感器的差分电压信号输出，用于对差分电压信号进行处理获得噪声能量值，并将噪声能量值输出给噪声量化器；噪声量化器用于将噪声能量值与设定的噪声能量阈值比较，输出控制指令给控制电路；所述控制电路用于根据控制指令进行切换电荷泵电路与稳压源电路的工作；所述电荷泵电路和稳压源电路为传感器提供两种供电方式。

压力触控系统的噪声主要包括有传感器噪声、信号处理的模拟前端电路噪声和外界干扰噪声，噪声提取电路通过对其放大、-3dB/OCT滤波后，进而进行通带滤波、全波整流、低通滤波可获得噪声能量值，即指定频带内与噪声能量相关的噪声均方根有效值。同时，对获得的噪声能量值进行噪声量化处理，当获取到的噪声能量值小于指定噪声能量阈值，供电由稳压源输出V_ldo提供给传感器作为偏置电压V_sensor，此时V_sensor＝V_ldo<VDD，传感器输出Vo变化量∝V_sensor*ΔR/R，因系统噪声较小，由稳压恒定输出V_ldo提供的稳定偏置就可以保证足够的信噪比。

当获取到的噪声能量值大于指定噪声能量阈值，供电由稳压源直接切换到电荷泵，电荷泵输出产生大于电源VDD的电压V_chargepump，并提供给传感器作为偏置电压V_sensor，此时V_sensor＝V_chargepump>VDD，虽然系统噪声增大了，但传感器偏置也有相应的增大，因此传感信号变化量Vo随之增大，进而弥补了系统噪声增大带来的影响，使得系统整体保持足够的信噪比，从而保证较高的按压传感识别率和测量精度。

本实用新型的技术方案通过动态检测系统输入噪声，经过PGA放大后的噪声经过-3dB/OCT滤波处理，使得过处理后的噪声在一定的范围内具有相同或类似的能量，进而对噪声进行均方根有效值的提取。对提取的噪声有效值进行噪声量化，产生的控制信号进一步控制电荷泵和稳压源的双向切换。当发现系统噪声小于指定阈值，则自适应切换稳压源电路给传感器供电；当发现系统噪声过大，则自适应切换电荷泵电路给传感器供电，通过提高传感器偏置电压，使得传感器按压的输出Vo变化量相应的跟着变大，按压信号的有效变大弥补了噪声增大对信噪比的影响，因此，整个测量系统仍然能保持足够的信噪比，从而保证了按压测量的精度，扩展了应用环境。

附图说明

图1是现有技术的压力触控系统的电路图。

图2是本实用新型的供电系统的总体结构原理框图。

图3是本实用新型实施例中的供电系统的的总体架构框图。

图4是本实用新型实施例中的供电系统的-3dB/OCT滤波器传递函数图。

图5是图2中的供电系统的时序图。

图6是图2中的供电系统的稳压源与电荷泵的双向切换过程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2、图3所示，本实施例中的惠斯通电桥压力传感器(Wheatstone BridgeSensor)的输出两端V_INP、V_INN接至一个可编程增益放大器PGA中进行信号放大，可编程增益放大器PGA的输出接至数模转换器ADC中测量输出，开关S0接在压力传感器的输出两端V_INP、V_INN。

噪声提取电路包括依次相连接的双端转单端转换电路(Dual to SingleConverter)、-3dB/OCT滤波器Filter、指定频带的带通滤波器BandPass、全波整流电路Full-wave Rectification和低通滤波器LowPass。噪声提取电路接到可编程增益放大器PGA的输出端进行噪声提取，双端转单端转换电路用于将差分电压信号的双端输入信号转换为单端输出信号，单端输出信号在经过-3dB/OCT滤波器、指定频带的带通滤波器、全波整流电路和低通滤波器处理后，获取噪声能量值，下面的噪声能量值以噪声均方根有效值为例进行说明。

当进行噪声提取分析时，开关S0闭合，无差分信号输入至可编程增益放大器PGA，此时可编程增益放大器PGA的输出只含有放大后的系统噪声和失调偏差，失调偏差通过数字模拟转换器DAC校正后，只含有系统噪声。系统噪声的低频噪声通过带斩波的可编程增益放大器PGA已被滤出，滤后噪声以随机的白噪声为主。

可编程增益放大器PGA差分输出V_pga+、V_pga-的差分噪声经过双端转单端电路Dualto Single Converter处理得到单端的随机白噪声信号V_n，白噪声信号V_n输出接至-3dB/OCT滤波器，-3dB/OCT滤波器是一个传递函数为1/f的滤波器，其每倍频下降3dB，其相应传递函数如图4所示。从功率(能量)的角度来看，系统随机白噪声信号V_n经过-3dB/OCT滤波器处理后，其能量从低频向高频不断衰减，曲线为1/f，每倍频下降3dB，因此经过处理后的噪声在一定的范围内具有相同或类似的能量。

-3dB/OCT滤波器输出信号V-3dB/OCT接至一带通滤波器BandPass，选定带通滤波器频率和Q值，指定频带段内的噪声会通过带通滤波器。因为经过-3dB/OCT滤波器处理后的噪声在一定的范围内具有相同或类似的能量，因此只要带通滤波器Q值不变，不同的带通滤波器频率，通过的噪声能量都相等。

带通滤波器的输出V_bandpass通过全波整流电路Full-wave Rectification，获得噪声幅度的绝对值V_abs。全波整流电路的输出接至一低通滤波器LowPass，从而滤出平均值。通过带通滤波器、全波整流电路、低通滤波器的处理，可以获取指定频带内跟噪声能量直接相关的噪声均方根有效值V_lowpass。

噪声均方根有效值V_lowpass接至噪声量化器Noise Level quantizer，当噪声均方根有效值V_lowpass小于设定的噪声能量阈值，噪声量化器输出V_quantizer＝0；当噪声均方根有效值V_lowpass大于设定的噪声能量阈值，噪声量化器输出V_quantizer＝1。

电荷泵电路包括电容C₀、电容C₁、充放电开关S1、充放电开关S2、充放电开关S3、充放电开关S4和开关时钟控制单元，所述开关时钟控制单元用于控制各个充放电开关的通断，所述电容C₁的N₁端经过充放电开关S1后接电源VDD，同时还经过充放电开关S4后作为输出端V_chargepump，并且输出端V_chargepump经过电容C₀后接地，其N₂端经过充放电开关S3接电源VDD，同时还经过充放电开关S2后接地。

所述电荷泵电路还包括有比较检测电路，比较检测电路包括跨导放大器OTA1、驱动缓冲器Buffer、电阻R5和电阻R6，跨导放大器OTA1的电流输入端I₁接控制电路，其正端接参考电平V_ref，输出端V_chargepump通过电阻R5、电阻R6分压产生比较电压V_cp接至OTA1的负端，并且负端经过电阻R6后接地，输出端V_ota接至驱动缓冲器Buffer，驱动缓冲器Buffer的输出端V_buf接于控制电路，通过控制电路控制开关时钟控制单元。

稳压源电路包括跨导放大器OTA2、驱动缓冲器Buffer和电容C₀，跨导放大器OTA2的电流输入端I₂接控制电路，其正端接于参考电平V_ref，其输出端V_ota接至驱动缓冲器Buffer，驱动缓冲器Buffer的输出端V_buf经控制电路后接于跨导放大器OTA2的负端，负端且作为稳压源V_ldo为传感器供电，负端还经过电容C₀后接地。因此电容C₀既可作为前述电荷泵电路的主体存储电容又可作为此处所述稳压源V_ldo电路的补偿稳定电容。

控制电路包括开关MP3、开关MP4、开关MP1、开关MP2、开关MN1和反相器Inverter，所述开关MP4连接于电源VDD的输出电流源I₀与跨导放大器OTA1的电流输入端I₁之间，所述开关MP3连接于电源VDD的输出电流源I₀与跨导放大器OTA2的电流输入端I₂之间，所述开关MP2连接于驱动缓冲器Buffer的输出端V_buf与跨导放大器OTA2的负端之间，所述开关MP1连接于驱动缓冲器Buffer的输出端V_buf与开关时钟控制单元的输出端V_control之间，开关时钟控制单元的输出端V_control通过开关MN1接于地。

噪声量化器的输出控制信号V_quantizer接于开关MP2、开关MP3的控制端，并且控制信号V_quantizer经过反相器后接于开关MP1、开关MP4和开关MN1的控制端。MP₁

当V_quantizer＝0，开关MP3导通，开关MP4截止，电流源I₀通过开关MP3流到跨导放大器OTA2，偏置电流I₂启动，跨导放大器OTA2工作，跨导放大器OTA1关闭，跨导放大器OTA2的输出V_ota接至驱动缓冲器Buffer。开关MP2导通，开关MP1截止，开关MN1导通，驱动缓冲器Buffer的输出V_buf通过开关MP2接至跨导放大器OTA2的负端，参考电平V_ref接至跨导放大器OTA2的正端，因此跨导放大器OTA2和驱动缓冲Buffer构成一稳压源LDO，电容C₀为稳压源LDO的补偿稳定电容，跨导放大器OTA2的负端输出V_ldo跟随V_ref。因开关MN1导通，开关时钟控制单元Clock Control的输入V_control＝0，电荷泵的时钟控制电路不起作用，电荷泵不工作，传感器的供电V_sensor由稳压源LDO的输出V_ldo决定，V_sensor＝V_ldo。

当V_quantizer＝1，经反相器的V_quantizerb＝0，开关MP4导通，开关MP3截止，电流源I₀通过开关MP4流到跨导放大器OTA1，偏置电流I₁启动，跨导放大器OTA1工作，跨导放大器OTA2关闭，跨导放大器OTA1的输出V_ota接住驱动缓冲器Buffer。开关MP1导通，开关MP2截止，开关MN1截止，驱动缓冲器Buffer的输出V_buf通过开关MP1产生V_control，接至电荷泵的开关时钟控制单元Clock Control，电荷泵开始工作，稳压源LDO回路被断开，稳压源不工作。

跨导放大器OTA1和驱动缓冲器Buffer构成比较检测电路，电荷泵的输出V_chargepump通过电阻R5、电阻R6分压产生V_cp接至跨导放大器OTA1的负端，参考电平V_ref接至跨导放大器OTA1的正端，比较检测电路比较V_ref和V_cp之间的关系。当V_cp电压低于V_ref时，跨导放大器OTA1输出V_ota为高，驱动缓冲器Buffer输出V_buf为高，V_control也为高，V_control接至电荷泵的开关时钟控制单元，开关时钟控制单元开始启动，电荷泵正常工作。

电荷泵工作原理如下：当CK1为高、CK2为低时，开关S1和开关S2导通，开关S3与开关S4截止，N₂端接至地，N₁端充电到电源电压VDD，电容C₁两端存储电荷为C₁*VDD；当CK2为高、CK1为低时，并关S3和并关S4导通，开关S1与开关S2截止,N₂端电压为电源电压VDD，电容C₁两端存储电荷C₁*VDD，N₁端电压跳变到2VDD，然后通过开关S4对负载电容C₀和其他负载充电，相应的电荷C₁*VDD会转移到输出存储的电容C₀上，V_chargepump每个时钟周期逐步升高。当V_cp电压高于V_ref时，V_control输出为低，开关时钟控制单元不工作，电荷泵停止工作，V_chargepump通过惠斯通电桥负载逐步放电。当放到V_cp小于V_ref，V_control为高，电荷泵又开始工作。

通过反馈调节，电荷泵的输出会稳定在V_cp＝V_chargepump*R6/(R5+R6)＝V_ref，即V_chargepump＝V_ref*(R5+R6)/R6。通过电荷泵的调节，电荷泵输出给传感器供电，传感器电压偏置V_sensor＝V_chargepump>VDD。因为Vo＝V_INP-V_INN∝V_sensor*ΔR/R，随着V_sensor偏置电压的提升，一定按压对应的惠斯通电桥压力传感器压力信号输出Vo＝V_INP-V_INN相应的变大，系统整体信噪比有效提升。

如图5所示，为本实施例的供电系统时序图，在0-50ms时刻，噪声较小，提取出来的噪声均方根有效值V_lowpass小于指定阈值V_{noise_threshold}，通过噪声量化处理产生的V_quantizer＝0，稳压源LDO工作，电荷泵V_chargepump关闭。当50ms时刻，噪声变大，提取出来的噪声均方根有效值V_lowpass超过指定阈值V_{noise_threshold}，通过噪声量化处理产生的V_quantizer＝1，稳压源关闭并切换到电荷泵，相应的稳压源-电荷泵切换过程如图6所示。

本实施例通过动态检测系统输入噪声，经过PGA放大后的噪声经过-3dB/OCT滤波处理，使得过处理后的噪声在一定的范围内具有相同或类似的能量，进而对噪声进行均方根有效值的提取。对提取的噪声有效值进行噪声量化，产生的控制信号进一步控制电荷泵和稳压源的双向切换。

当发现系统噪声小于指定阈值，则自适应切换稳压源电路给传感器供电；当发现系统噪声过大，则自适应切换电荷泵电路给传感器供电，通过提高传感器偏置电压，使得传感器按压的输出V₀变化量相应的跟着变大，按压信号的有效变大弥补了噪声增大对信噪比的影响，因此，整个测量系统仍然能保持足够的信噪比，从而保证了按压测量的精度，扩展了应用环境。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，其特征在于，包括有噪声提取电路、噪声量化器、电荷泵和稳压源切换的控制电路、电荷泵电路和稳压源电路，所述噪声提取电路接于传感器的差分电压信号输出，用于对差分电压信号进行处理获得噪声能量值，并将噪声能量值输出给噪声量化器；所述噪声量化器用于将噪声能量值与设定的噪声能量阈值比较，输出控制指令给控制电路；所述控制电路用于根据控制指令进行切换电荷泵电路与稳压源电路的工作；所述电荷泵电路和稳压源电路为传感器提供两种供电方式。

2.根据权利要求1所述的自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，其特征在于，所述的噪声能量值是指在指定频带内与噪声能量相关的噪声均方根有效值。

3.根据权利要求1所述的自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，其特征在于，所述噪声提取电路包括依次相连接的转换电路、-3dB/OCT滤波器、指定频带的带通滤波器、全波整流电路和低通滤波器；所述转换电路用于将差分电压信号的双端输入信号转换为单端输出信号，单端输出信号在经过-3dB/OCT滤波器、指定频带的带通滤波器、全波整流电路和低通滤波器处理后，获取噪声能量值。

4.根据权利要求1所述的自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，其特征在于，所述噪声量化器的比较是指，当噪声能量值大于噪声能量阈值时，由控制电路切换为电荷泵电路进行供电，否则切换为稳压源电路供电。

5.根据权利要求1所述的自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，其特征在于，所述电荷泵电路包括电容C₀、电容C₁、充放电开关S1、充放电开关S2、充放电开关S3、充放电开关S4和开关时钟控制单元；所述开关时钟控制单元用于控制各个充放电开关的通断，所述电容C₁的N₁端经过充放电开关S1后接电源VDD，同时还经过充放电开关S4后作为输出端V_chargepump，并且输出端V_chargepump经过电容C₀后接地，其N₂端经过充放电开关S3接电源VDD，同时还经过充放电开关S2后接地。

6.根据权利要求5所述的自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，其特征在于，所述电荷泵电路还包括有比较检测电路，比较检测电路包括跨导放大器OTA1、驱动缓冲器Buffer、电阻R5和电阻R6，跨导放大器OTA1的电流输入端I₁接控制电路，其正端接参考电平V_ref，输出端V_chargepump通过电阻R5、电阻R6分压产生比较电压V_cp接至OTA1的负端，并且负端经过电阻R6后接地，输出端V_ota接至驱动缓冲器Buffer，驱动缓冲器Buffer的输出端V_buf接于控制电路，通过控制电路控制开关时钟控制单元。

7.根据权利要求1所述的自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，其特征在于，所述稳压源电路包括跨导放大器OTA2、驱动缓冲器Buffer和电容C₀，跨导放大器OTA2的电流输入端I₂接控制电路，其正端接于参考电平V_ref，其输出端V_ota接至驱动缓冲器Buffer，驱动缓冲器Buffer的输出端V_buf经控制电路后接于跨导放大器OTA2的负端，负端且作为稳压源V_ldo为传感器供电，负端还经过电容C₀后接地，电容C₀作为稳压源V_ldo的补偿稳定电容。

8.根据权利要求1所述的自适应电荷泵与稳压源双向切换的传感器供电系统，其特征在于，所述控制电路包括开关MP3、开关MP4、开关MP1、开关MP2、开关MN1和反相器Inverter，所述开关MP4连接于电源VDD的输出电流源I₀与跨导放大器OTA1的电流输入端I₁之间，所述开关MP3连接于电源VDD的输出电流源I₀与跨导放大器OTA2的电流输入端I₂之间，所述开关MP2连接于驱动缓冲器Buffer的输出端V_buf与跨导放大器OTA2的负端之间，所述开关MP1连接于驱动缓冲器Buffer的输出端V_buf与开关时钟控制单元的输出端V_control之间，开关时钟控制单元的输出端V_control通过开关MN1接于地；

噪声量化器的输出控制信号V_quantizer接于开关MP2、开关MP3的控制端，并且控制信号V_quantizer经过反相器后接于开关MP1、开关MP4和开关MN1的控制端。