CN214251326U - 电阻桥式压力传感器信号处理电路及主动笔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电阻桥式压力传感器信号处理电路及主动笔。其中，主动笔包括笔尖和电阻桥式压力传感器；电阻桥式压力传感器用于检测笔尖压力，并输出对应的第一压力检测信号和第二压力检测信号，电阻桥式压力传感器信号处理电路包括运算放大电路、控制电路和无线通讯电路，运算放大电路具有第一输入端和第二输入端，运算放大电路的第一输入端和第二输入端均与电阻桥式压力传感器电连接，控制电路与运算放大电路电连接，无线通讯电路与控制电路电连接，无线通讯电路用于与触控屏无线通讯连接。本实用新型提高电阻桥压力传感器输出信号的灵敏度，进而提高主动笔笔尖压力检测的精确度。

Description

电阻桥式压力传感器信号处理电路及主动笔

技术领域

本实用新型涉及主动笔领域领域，特别涉及一种电阻桥式压力传感器信号处理电路及主动笔。

背景技术

主动笔需要检测笔尖压力，将压力信号转换为压力等级传给触控屏。有两种常用压力传感器：电阻桥压力传感器及电容压力传感器。电阻桥压力传感器（简称“电阻桥”）由于其输出稳定、可重复性好的优点，适用于高端电容笔，但其缺点是灵敏度低，导致处理器难以处理，所以需要一种电路进行对其放大后才能够让处理器精确地进行处理。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种电阻桥式压力传感器信号处理电路。旨在提高电阻桥压力传感器输出信号的灵敏度，进而提高电主动笔笔尖压力检测的精确度。

为实现上述目的，本实用新型提出一种电阻桥式压力传感器信号处理电路，应用于主动笔，所述主动笔包括笔尖和电阻桥式压力传感器；所述电阻桥式压力传感器用于检测笔尖压力，并输出对应的第一压力检测信号和第二压力检测信号，所述电阻桥式压力传感器信号处理电路包括：

运算放大电路，所述运算放大电路具有第一输入端和第二输入端，所述运算放大电路的第一输入端和第二输入端均与电阻桥式压力传感器电连接，所述运算放大电路的第一输入端用于接入所述第一压力检测信号，所述运算放大电路的第二输入端用于接入所述第二压力检测信号；

控制电路，所述控制电路与所述运算放大电路电连接；

无线通讯电路，所述无线通讯电路与所述控制电路电连接，所述无线通讯电路用于与触控屏无线通讯连接；

所述运算放大电路，用于根据所述第一压力检测信号与所述第二压力检测信号的电压差，产生对应的电压差信号，并将其进行信号放大后输出；

所述控制电路，用于根据信号放大后的所述电压差信号确定所述笔尖压力，并输出对应的笔尖压力信号经所述无线通讯电路上传至所述触控屏。

可选地，所述运算放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；所述第一电阻的第一端与所述电阻桥式压力传感器电连接，所述第二电阻的第一端与所述电阻桥式压力传感器电连接，所述第一电阻的第二端与所述运算放大器的反相输入端连接、所述第二电阻的第二端与所述运算放大器的同相输入端连接，所述运算放大器的输出端与所述控制电路电连接，所述第三电阻的第一端、第一电阻的第二端分别与所述运算放大器的反相输入端连接，所述第三电阻的第二端与所述运算放大器的输出端连接，所述第四电阻的第一端与所述运算放大器的正相输入端连接，所述第四电阻的第二端接地；所述第一电阻的第一端为所述运算放大电路的第一输入端，所述第二电阻的第一端为所述运算放大电路的第二输入端。

可选地，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等。

可选地，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等。

可选地，所述电阻桥式压力传感器信号处理电路还包括滤波电路；

所述滤波电路包括输入滤波电路和输出滤波电路，所述输入滤波电路与所述运算放大器的反相输入端电连接，所述输出滤波电路与所述运算放大器的输出端电连接。

可选地，所述输入滤波电路包括第一电容，所述输出滤波电路包括第二电容；其中，所述第一电容的第一端和所述第二电容的第二端均接地，所述第一电容的第二端、第三电阻的第一端分别与运算放大器的反相输入端连接；所述第二电容的第一端、第三电阻的第二端分别与运算放大器的输出端连接。

本实用新型还提出一种主动笔，所述主动笔包括笔尖、电阻桥式压力传感器和如上述任一项所述的电阻桥式压力传感器信号处理电路；

其中，所述电阻桥式压力传感器用于检测笔尖压力，并输出对应第一压力检测信号和第二压力检测信号。

可选地，所述第五电阻的第一端、第七电阻的第一端均与电源端连接，所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端与所述第八电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端和所述第八电阻的第二端均接地；其中，所述第五电阻为应变电阻；

所述第七电阻的第二端为所述电阻桥式压力传感器的第一输出端，所述电阻桥式压力传感器的第一输出端用于输出第一压力检测信号；

所述第五电阻的第二端为所述电阻桥式压力传感器的第二输出端，所述电阻桥式压力传感器的第二输出端用于输出第二压力检测信号；

所述电阻桥式压力传感器的第一输出端和第二输出端均与所述电阻桥式压力传感器信号处理电路电连接。

本实用新型通过设置运算放大电路来根据第一压力检测信号与第二压力检测信号的电压差，产生对应的电压差信号，并将其进行信号放大后输出至控制电路，以使控制电路的ADC模块能够识别放大后的电压差信号的电压值，并根据其电压值计算确定当前的笔尖压力，再经通讯电路输出对应的笔尖压力信号至触控屏以使触控屏能够根据笔尖压力信号，在笔尖周围的屏幕上显示出与笔尖压力大小对应的墨点大小。如此，本实用新型便能够提高电阻桥压力传感器输出信号的灵敏度，以匹配控制电路的电压检测范围，从而提高了主动笔笔尖压力检测的精确度，以使得触控屏能够在笔尖触屏位置的周围显示与笔尖压力适配的墨点大小。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型电阻桥式压力传感器信号处理电路一实施例的功能模块示意图；

图2为本实用新型电阻桥式压力传感器信号处理电路另一实施例的电路示意图；

图3为本实用新型电阻桥式压力传感器信号处理电路另一实施例的电路示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	运算放大电路	41	输入滤波电路
42	输出滤波电路	20	控制电路
				30	无线通讯电路

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要理解的是，参考图1，电阻桥式传感器一般为应变片和标准电阻组成的惠根斯桥（电阻桥），当用户在笔尖施加压力时，笔尖的压力会直接或者通过传导件间接传递到应变片上，从而改变应变片的阻值。在实际应用中，电阻桥式传感器可以四个电阻均为应变片，也可以只有一个电阻为应变片，其他电阻均为固定阻值电阻。参考图1，以第五电阻为应变片和第六、第七和第八电阻为固定阻值电阻为例，当笔尖无压力的情况下，第五电阻比第六电阻的阻值比和第七电阻比第八电阻的阻值比一致，则输出的第一压力检测信号和第二压力检测信号的电压值一致。当用户在笔尖施加压力时，第五电阻的阻值变化，导致第二压力检测信号的电压值产生了变化，此时第二压力检测信号的电压值与未变的第一压力检测信号的电压值不同，有一定的电压差，根据电压差和已知的固定阻值电阻的阻值，便能够计算出应变片当前的阻值，再根据应变片阻值-压力的映射表，便能够获得当前的笔尖压力。但是，往往应变片的阻值变化很小，导致其电压差往往只有几个毫伏，常规的控制芯片都很难检测到这么小的电压值，导致主动笔对笔尖压力检测出现了偏差，致使触控屏未能出现与笔尖压力所匹配的墨点大小。

为解决上述问题，参考图1，本实用新型提出一种电阻桥式压力传感器信号处理电路，应用于主动笔，主动笔包括笔尖和电阻桥式压力传感器。电阻桥式压力传感器用于检测笔尖压力，并输出对应的第一压力检测信号和第二压力检测信号。电阻桥式压力传感器信号处理电路包括：

运算放大电路，所述运算放大电路具有第一输入端和第二输入端，所述运算放大电路的第一输入端和第二输入端均与电阻桥式压力传感器电连接，所述运算放大电路的第一输入端用于接入所述第一压力检测信号，所述运算放大电路的第二输入端用于接入所述第二压力检测信号。

控制电路，所述控制电路与所述运算放大电路电连接。

无线通讯电路，所述无线通讯电路与所述控制电路电连接，所述无线通讯电路用于触控屏无线通讯连接。

其中，运算放大电路用于根据所述第一压力检测信号与所述第二压力检测信号的电压差，产生对应的电压差信号，并将其进行信号放大后输出，控制电路用于根据信号放大后的所述电压差信号确定所述笔尖压力，并输出对应的笔尖压力信号经所述无线通讯电路上传至所述触控屏，从而使触控屏能够根据笔尖压力信号，在笔尖周围的屏幕上显示出与笔尖压力大小对应的墨点大小。

在本实施例中，运算放大电路可以采用多个电阻、开关管来实现，也可以直接采用运算放大器来实现。在实际应用中，例如采用运算放大器来构成运算放大电路，则运算放大器可以根据述第一压力检测信号与第二压力检测信号的电压差，产生对应的电压差信号，并且预设的放大倍数（预设放大倍数可以根据运算放大器的型号选择进行设定，或者是根据外围电路进行设计，预设放大倍数的具体数值选择可以根据后级控制电路的主控芯片的电压检测范围来决定），从而将电压差进行放大，比如当前的控制电路的主控芯片电压检测范围为0.3V~4V，第一压力检测信号与第二压力检测信号的电压差为60mV，放大倍数为10倍，则运算放大电路实际输出的信号的电压值即为0.6V，从而能够让主控芯片准确地识别。

在本实施例中，控制电路可以采用主控芯片来实现，例如MCU、DSP（DigitalSignal Process，数字信号处理芯片）、FPGA（Field Programmable Gate Array，可编程逻辑门阵列芯片）等，主控芯片内部可以集成有ADC检测模块、时钟模块、运算模块、存储模块等多个功能模块。主控芯片通过ADC检测模块检测到信号放大后的电压差信号的电压值后，会再通过运算模块和预设的计算公式，计算出应变片此时的电阻值，并根据预设应变片阻值-压力映射表，从而获得当前的笔尖压力值。参考图1，以上述第五电阻为应变片和第六、第七和第八电阻为固定阻值电阻的惠根斯桥为例，固定阻值电阻的阻值为1K，应变片没有对其施加压力的情况下阻值为1K，VCC电压为2V，无压力情况下第一压力检测信号与第二压力检测信号的电压均为1V。此时用户按压笔尖，笔尖压力直接或者通过传导件施加到应变片上，应变片受到压力阻值下降，此时，第二压力检测信号的电压值超过了第一压力检测信号60mV，经过运算放大电路10倍的放大后，主控制器接收到0.6V的检测信号，并计算得到当前应变片的阻值，且根据预设应变片阻值-压力映射表，从而获得当前的笔尖压力值。

在本实施例中，无线通讯电路可以采用无线通讯芯片来实现，无线通讯芯片可以通过WiFi、局域网、4G/5G、蓝牙等无线通讯网络与触控屏建立无线通讯连接。控制电路在确认当前笔尖压力的具体值后，会输出对应的笔尖压力信号经无线通讯电路上传至触控屏，以使触控屏在笔尖触屏位置的周围显示与压力适配的墨点大小。

本实用新型通过设置运算放大电路来根据第一压力检测信号与第二压力检测信号的电压差，产生对应的电压差信号，并将其进行信号放大后输出至控制电路，以使控制电路的ADC模块能够识别放大后的电压差信号的电压值，并根据其电压值计算确定当前的笔尖压力，再经通讯电路输出对应的笔尖压力信号至触控屏以使触控屏能够根据笔尖压力信号，在笔尖周围的屏幕上显示出与笔尖压力大小对应的墨点大小。如此，本实用新型便能够提高电阻桥压力传感器输出信号的灵敏度，以匹配控制电路的电压检测范围，从而提高了主动笔笔尖压力检测的精确度，以使得触控屏能够在笔尖触屏位置的周围显示与笔尖压力适配的墨点大小。

参考图2，在本实用新型一实施例中，运算放大电路包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；第一电阻R1的第一端与电阻桥式压力传感器电连接，第二电阻R2的第一端与电阻桥式压力传感器电连接，第一电阻R1的第二端与运算放大器U1的反相输入端连接、第二电阻R2的第二端与运算放大器U1的同相输入端连接，运算放大器U1的输出端与控制电路电连接，第三电阻R3的第一端、第一电阻R1的第二端分别与运算放大器U1的反相输入端连接，第三电阻R3的第二端与运算放大器U1的输出端连接，第四电阻R4的第一端与运算放大器U1的正相输入端连接，第四电阻R4的第二端接地；第一电阻R1的第一端为运算放大电路的第一输入端，第二电阻R2的第一端为运算放大电路的第二输入端。

在本实施例中，以电阻桥式压力传感器其中一个电阻R5为应变片为例进行说明，在笔尖无压力的情况下，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8的电阻值相同，第一压力检测信号电压值为V1，第二压力检测信号电压值为V2，此时，V1=V2，运算放大器输出的电压差信号为0V。

当用户使用主动笔开始在桌上写字时，笔尖被按压，导致应变片R5发生形变，其电阻值发生了变化，则V1的电压值产生了变化，V2的电压值不变。根据运算放大器的工作原理，运算放大器的反相输入端电压始终等于正相输入端的电压。此时，运算放大器的正相输入端电压为：

则此时运算放大器输出端的电压，即电压差分信号的电压为：

在本实施例中，为了在便于研发人员进行测试和根据控制电路中核心器件主控芯片的ADC检测范围调整运算放大电路的信号放大倍数，可以使第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值，以及第三电阻R3的阻值等于第四电阻R4的阻值。如此，上述公式既可以变换为：

如此，控制电路中的主控芯片可以根据放大后的电压差信号的电压值，以及已知的放大倍数和V2的电压值，计算得到变换后的V1的电压值，进而在已知R6、R7和R8电阻的情况下，再计算得到第五电阻R5，即应变片的当前电阻值，并根据应变片电阻值-压力映射表，查表得到当前的对应的笔尖压力。

通过上述设置，不仅仅能够将电阻桥式压力传感器输出的检测信号进行差分放大后以匹配控制电路主控器的电压检测能力，从而提高电阻桥式压力传感器输出的检测信号的灵敏度，进而提高对笔尖压力检测的精确度。同时，在保持第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值，以及第三电阻R3的阻值等于第四电阻R4的阻值的前提下，还可以根据主动笔中控制电路采用的不同的主控芯片，同时调节R3和R4的阻值，从而改变运算放大电路的参考电压V1和放大倍数，以匹配不同的主控芯片的ADC检测范围，提高了对于不同主控芯片的兼容性。

参考图3，电阻桥式压力传感器信号处理电路还包括滤波电路；

滤波电路包括输入滤波电路和输出滤波电路，输入滤波电路与运算放大器的反相输入端电连接，输出滤波电路与运算放大器的输出端电连接。

在本实施例中，述第一电容C1的第一端和第二电容C2的第二端均接地，第一电容C1的第二端、第三电阻R3的第一端分别与运算放大器U1的反相输入端连接；第二电容C2的第一端、第三电阻R3的第二端分别与运算放大器U1的输出端连接。

可以理解的是，在实际对电阻桥式压力传感器传来的第一压力检测信号和第二压力检测信号进行作差并放大时，由于主动笔的供电电源、输入信号容易出现抖动，所以可以采用第一电容C1对输入的信号进行滤波，以稳定运算放大器反相输入端的电压，进而稳定运算放大器输出的电压差信号，滤除电压差信号中的杂波干扰。同时，在运算放大器的输出端并联第二电容C2，可以降低运算放大器输出至控制电路的电压差信号的抖动，从而使控制电路能够根据电压差信号更加精确地的确认当前的笔尖压力，有效地提高了对于笔尖压力检测准确性。

本实用新型还提出一种主动笔，笔尖、电阻桥式压力传感器、控制电路和如上述任一项的电阻桥式压力传感器信号处理电路。

其中，电阻桥式压力传感器信号处理电路分别与电阻桥式压力传感器和控制电路电连接。电阻桥式压力传感器用于检测笔尖压力，并输出对应的第一压力检测差分信号和第二压力检测差分信号。

参考图1，在本实施例中，电阻桥式压力传感器包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，第五电阻R5为应变电阻，第五电阻R5的第一端、第七电阻R7的第一端均与电源端连接，第五电阻R5的第二端与第六电阻R6的第一端连接，第七电阻R7的第二端与第八电阻R8的第一端连接，第七电阻R7的第二端和第八电阻R8的第二端均接地。第七电阻R7的第二端为电阻桥式压力传感器的第一输出端，电阻桥式压力传感器的第一输出端用于输出第一压力检测信号。第五电阻R5的第二端为电阻桥式压力传感器的第二输出端，电阻桥式压力传感器的第二输出端用于输出第二压力检测信号。电阻桥式压力传感器的第一输出端和第二输出端均与电阻桥式压力传感器信号处理电路电连接。

由于本实用新型主动笔基于上述的电阻桥式压力传感器信号处理电路，因此，本实用新型主动笔的实施例包括上述电阻桥式压力传感器信号处理电路的全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种电阻桥式压力传感器信号处理电路，应用于主动笔，所述主动笔包括笔尖和电阻桥式压力传感器；所述电阻桥式压力传感器用于检测笔尖压力，并输出对应的第一压力检测信号和第二压力检测信号，其特征在于，所述电阻桥式压力传感器信号处理电路包括：

运算放大电路，所述运算放大电路具有第一输入端和第二输入端，所述运算放大电路的第一输入端和第二输入端均与电阻桥式压力传感器电连接，所述运算放大电路的第一输入端用于接入所述第一压力检测信号，所述运算放大电路的第二输入端用于接入所述第二压力检测信号；

控制电路，所述控制电路与所述运算放大电路电连接；

无线通讯电路，所述无线通讯电路与所述控制电路电连接，所述无线通讯电路用于与触控屏无线通讯连接；

所述运算放大电路，用于根据所述第一压力检测信号与所述第二压力检测信号的电压差，产生对应的电压差信号，并将其进行信号放大后输出；

所述控制电路，用于根据信号放大后的所述电压差信号确定所述笔尖压力，并输出对应的笔尖压力信号经所述无线通讯电路上传至所述触控屏。

2.如权利要求1所述的电阻桥式压力传感器信号处理电路，其特征在于，所述运算放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；所述第一电阻的第一端与所述电阻桥式压力传感器电连接，所述第二电阻的第一端与所述电阻桥式压力传感器电连接，所述第一电阻的第二端与所述运算放大器的反相输入端连接、所述第二电阻的第二端与所述运算放大器的同相输入端连接，所述运算放大器的输出端与所述控制电路电连接，所述第三电阻的第一端、第一电阻的第二端分别与所述运算放大器的反相输入端连接，所述第三电阻的第二端与所述运算放大器的输出端连接，所述第四电阻的第一端与所述运算放大器的正相输入端连接，所述第四电阻的第二端接地；所述第一电阻的第一端为所述运算放大电路的第一输入端，所述第二电阻的第一端为所述运算放大电路的第二输入端。

3.如权利要求2所述的电阻桥式压力传感器信号处理电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等。

4.如权利要求2所述的电阻桥式压力传感器信号处理电路，其特征在于，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等。

5.如权利要求2所述的电阻桥式压力传感器信号处理电路，其特征在于，所述电阻桥式压力传感器信号处理电路还包括滤波电路；

所述滤波电路包括输入滤波电路和输出滤波电路，所述输入滤波电路与所述运算放大器的反相输入端电连接，所述输出滤波电路与所述运算放大器的输出端电连接。

6.如权利要求5所述的电阻桥式压力传感器信号处理电路，其特征在于，所述输入滤波电路包括第一电容，所述输出滤波电路包括第二电容；其中，

所述第一电容的第一端和所述第二电容的第二端均接地，所述第一电容的第二端、第三电阻的第一端分别与运算放大器的反相输入端连接；所述第二电容的第一端、第三电阻的第二端分别与运算放大器的输出端连接。

7.一种主动笔，其特征在于，所述主动笔包括笔尖、电阻桥式压力传感器和如上述权利要求1-6任一项所述的电阻桥式压力传感器信号处理电路；

其中，所述电阻桥式压力传感器用于检测笔尖压力，并输出对应第一压力检测信号和第二压力检测信号。

8.如权利要求7所述的主动笔，其特征在于，所述电阻桥式压力传感器包括第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻，所述第五电阻的第一端、第七电阻的第一端均与电源端连接，所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端与所述第八电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端和所述第八电阻的第二端均接地；其中，所述第五电阻为应变电阻；

所述第七电阻的第二端为所述电阻桥式压力传感器的第一输出端，所述电阻桥式压力传感器的第一输出端用于输出第一压力检测信号；

所述第五电阻的第二端为所述电阻桥式压力传感器的第二输出端，所述电阻桥式压力传感器的第二输出端用于输出第二压力检测信号；

所述电阻桥式压力传感器的第一输出端和第二输出端均与所述电阻桥式压力传感器信号处理电路电连接。

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