TWI515413B - 電橋式感測器偵測電路 - Google Patents

Description

電橋式感測器偵測電路

本發明涉及一種感測器偵測電路，特別涉及一種電橋式感測器偵測電路。

感測器已經廣泛使用於各種電子裝置中，例如壓力感測器、拉力感測器、重力感測器等感測器已經廣泛使用。目前大部分的感測器都是通過電橋的方式構成。對該些通過電橋方式構成的電橋式感測器的信號的偵測，通常需要用到儀錶放大器以及高精度的模數轉換晶片才能做到比較理想的效果，成本較高。

有鑒於此，本發明提供一種電橋式感測器偵測電路，通過簡單的結構即可對電橋式感測器進行有效的偵測，且具有極高的精度和抗干擾能力。

一種電橋式感測器偵測電路，用於偵測電橋式感測器產生的電壓形式的感應信號，該電橋式感測器偵測電路包括：一比例放大電路、一充放電單元、一第一比較器、一第二比較器、一參考電壓提供電路、一第一電阻R1以及一第二電阻R2、一充放電開關以及一處理單元。

該比例放大電路用於連接該電橋式感測器並將該電壓形式的感應信號進行放大得到一輸出電壓V0。該充放電單元包括第一端以及第二端，該第一端與第一電阻以及第一比較器的反相輸入端連接，該第二端與第一比較器的輸出端以及第二比較器的正相輸入端連接。該第一比較器包括第一反相輸入端、第一正相輸入端以及第一輸出端。該第二比較器包括第二反相輸入端、第二正相輸入端以及第二輸出端。該參考電壓提供電路用於提供第一參考電壓Vref1至該第一比較器的正相輸入端，以及提供第二參考電壓Vref2至第二比較器的反相輸入端。該充放電開關位於一電壓端VCC以及該第一電阻R1以及第二電阻R2的連接節點之間，其中該充放電開關截止時，該充放電單元處於充電狀態，該充放電開關導通時，該充放電單元處於放電狀態。該處理單元與該充放電開關以及第二比較器的輸出端連接。

其中，初始狀態下，該充放電開關導通，該充放電單元開始放電，使得第一比較器的第一輸出端輸出的電壓逐漸減小，當該第一輸出端輸出的電壓減小到該第二參考電壓時，該第二比較器的輸出端輸出一低電平電壓至處理單元；該處理單元接收到該低電平電壓後，控制該充放電開關截止並開始計時，從而，該充放電單元開始充電，且充電電流為輸出電壓V0與第一參考電壓Vref1的電壓差和第一電阻R1、第二電阻R2的電阻之和的比值，即(Vref1-V0)/（R1+R2），該處理單元在計時達到一第一預定時間T1時，控制該充放電開關導通，使得該充放電單元開始放電，且放電電流大小為第一參考電壓Vref1與電壓端VCC的電壓差與第一電阻R1的比值，即(Vref1-VCC)/R1，並同時開始計時，當該第一比較器輸出端的電壓再次降低到第二參考電壓Vref2時，該第二比較器的輸出端輸出低電平電壓至處理單元，該處理單元接收到該低電平信號後停止計時，並得到一計時時間T2；該處理單元根據等式：(Vref1-V0)×T1/（R1+R2）=(Vref1-VCC)×T2/R1計算該輸出電壓V0的值，從而確定電橋式感測器產生的電壓形式的感應信號。

本發明通過簡單的結構進行充放電，即可對電橋式感測器的感應信號進行偵測。

請參閱圖1，為本發明第一實施方式中電橋式感測器偵測電路1的電路框圖。該電橋式感測器偵測電路1用於偵測電橋式感測器2產生的電壓形式的感應信號。

該電橋式感測器偵測電路1包括一處理單元10、一比例放大電路20、一充放電開關30、一充放電單元40、一參考電壓提供電路50、一第一比較器60、一第二比較器70、一第一電阻R1以及一第二電阻R2。

該第一比較器60包括反相輸入端601、正相輸入端602以及輸出端603，該第二比較器70包括反相輸入端701、正相輸入端702以及輸出端703。

該充放電單元40的第一端401與第一電阻R1以及第一比較器60的反相輸入端601連接，第二端402與第一比較器60的輸出端603以及第二比較器70的正相輸入端702連接。該第二比較器70的輸出端703與該處理單元10連接。

該參考電壓提供電路50用於產生第一參考電壓Vref1提供至該第一比較器60的正相輸入端602，以及產生第二參考電壓Vref2並提供至第二比較器60的反相輸入端701。其中，第一參考電壓Vref1大於該第二參考電壓Vref2，且在本實施方式中，該第一參考電壓Vref1以及第二參考電壓Vref2被調整成使得該比例放大電路輸出電壓V0位於該第一參考電壓Vref1以及第二參考電壓Vref2之間。

該比例放大電路20的輸入端與電橋式感測器2連接，用於接收電橋式感測器2產生的電壓形式的感應信號並將該感應信號進行放大得到一放大的輸出電壓V0。該處理單元10與該充放電開關30連接，用於控制該充放電開關30的導通或截止。

在該充放電開關30導通時，該充放電單元40通過第一電阻R1以及該導通的充放電開關30放電，且放電電流大小為第一參考電壓Vref1與電壓端VCC的電壓差與第一電阻R1的比值，即(Vref1-VCC)/R1。在該充放電開關30截止時，該充放電單元40通過該第一電阻R1以及第二電阻R2充電，且充電電流大小為比例放大電路輸出電壓V0與第一參考電壓Vref1的電壓差和第一電阻R1、第二電阻R2的電阻之和的比值，即(Vref1-V0)/（R1+R2）。

在初始狀態下，該處理單元10控制該充放電開關30導通，該充放電單元40開始放電，使得第一比較器60的輸出端603輸出的電壓逐漸減小，當該電壓減小到該第二參考電壓Vref2時，該第二比較器70的輸出端703輸出一低電平電壓至處理單元10。該處理單元10接收到該低電平電壓後，控制該充放電開關30截止，從而，該充放電單元40開始充電。該處理單元10還在接收到該低電平電壓後開始計時，並在計時達到一預定時間T1時，控制該充放電開關30導通，使得該充放電單元40開始放電，並同時開始計時。如前所述，隨著該充放電單元40的放電，該第一比較器60輸出端603的電壓不斷降低，當降低到第二參考電壓Vref2時，該第二比較器70的輸出端703輸出低電平電壓至處理單元10。該處理單元10接收到該低電平信號後控制該充放電開關30截止並停止計時，並得到一計時時間T2。

由於該充放電單元40與第一比較器60的輸出端603連接的一端的電壓從Vref1開始充電該預定時間T1後，又開始放電經過該計時時間T2後降到該電壓Vref1，而，該充放電單元40的另一端電壓維持不變，從而，可知，該充放電單元40在該預定時間T1內充電的電量與該計時時間T2內放電的電量相等。如前所述，該充放電單元40的充電電流為(Vref1-V0)/（R1+R2），放電電流為(Vref1-VCC)/R1，由電量Q=I*t可得出一等式：(Vref1-V0)×T1/（R1+R2）=(Vref1-VCC)×T2/R1，從而，該處理單元10根據該等式可計算得出輸出電壓V0的值，而將其量化，確定該電橋式感測器2的感應信號。

請參考圖2，為電橋式感測器偵測電路1的具體電路圖。在本實施方式中，該電橋式感測器2包括兩個輸出埠S+和S-，當電橋式感測器2承受不同的感應量，例如承受不同的壓力時，輸出埠S+和S-輸出的電壓的電壓差會不同。

該比例放大電路20包括一運算放大器21以及電阻R3，該運算放大器21包括第一輸入端211、第二輸入端212以及輸出端213，該第一輸入端211與第二輸入端212分別與電橋式感測器2的輸出埠S+和S-連接。該電阻R3連接於該運算放大器21的第一輸入端211以及輸出端213之間。該運算放大器21的輸出端213即構成該比例放大電路20的輸出端。設電橋式感測器2的內阻為Rb，根據運算放大器21的性質可知，該運算放大器21將該輸出埠S+和S-的電壓差進行放大的倍數為R3/2Rb。即，比例放大電路20輸出電壓V0為電橋式感測器2的輸出埠S+和S-的電壓差的R3/2Rb倍。

該充放電開關30包括一低電平導通開關Q1以及電阻R4，該低電平導通開關Q1包括控制端、第一導通端以及第二導通端。在本實施方式中，如圖2所示，低電平導通開關Q1為一PNP三極管，PNP三極管的基極、發射極以及集電極分別對應該低電平導通開關Q1的控制端、第一導通端以及第二導通端。該電阻R4連接於電壓端VCC與該PNP三極管的基極之間。該處理單元10包括一充放電控制引腳101以及一中斷引腳102，該充放電控制引腳101與該PNP三極管的基極連接，該PNP三極管的發射極與該電壓端VCC連接，集電極通過該第一電阻R1與該充放電單元40的第一端401連接，並通過該第二電阻R2與該比例放大電路20的輸出端213連接。在其他實施方式中，低電平導通開關Q1可為一PMOS管。

在該具體電路中，該充放電單元40為一電容C1。該參考電壓提供電路50包括串聯於電壓端VCC以及接地點之間的電阻R5、R6、R7，其中電阻R5、R6的連接節點構成第一參考電壓點N1用於產生該第一參考電壓Vref1，電阻R6、R7的連接節點構成第二參考電壓點N2用於產生該第二參考電壓Vref2。該第一參考電壓點N1與該第一比較器60的正相輸入端602連接，用於提供該第一參考電壓Vref1至該第一比較器60的正相輸入端602，該第二參考電壓點N2與該第二比較器70的反相輸入端701連接，用於提供該第二參考電壓Vref2至該第二比較器70的反相輸入端701。

該第二比較器70的輸出端703與處理單元10的中斷引腳102連接。如前所述，當充電單元40的第二端402的電壓減小到該第二參考電壓Vref2時，該第二比較器70的輸出端703輸出一低電平電壓至處理單元10。該處理單元10接收到該低電平電壓後，控制該充放電開關30截止，從而，該充放電單元40開始充電，由於此時第一比較器60處於線性放大區，因此第一比較器60的反相輸入端601與正相輸入端602相當於短路，因此充放電單元40的第一端電壓為Vref1，該充放電單元40的充電電流為(Vref1-V0)/（R1+R2）。該處理單元10還在接收到該低電平電壓後開始計時，並在計時達到一預定時間T1時，控制該充放電開關30截止，使得該充放電單元40開始放電，並同時重新開始計時。如前所述，隨著該充放電單元40的放電，該第一比較器60輸出端603的電壓不斷降低，當降低到第二參考電壓Vref2時，該第二比較器70的輸出端703輸出低電平電壓至處理單元10。該處理單元10接收到該低電平信號後停止計時，並得到一計時時間T2，由於此時第一比較器60仍然處於線性放大區，因此，充放電單元40的第一端401的電壓仍然為Vref1，因此，放電電流為(Vref1-VCC)/R1。由充電和放電的電量Q=I*t相等可得出一等式：(Vref1-V0)×T1/（R1+R2）=(Vref1-VCC)×T2/R1，從而，該處理單元10根據該等式可計算得出輸出電壓V0的值，而將其量化，確定該電橋式感測器2的感應信號。

在本實施方式中，如圖2所示，該第一比較器60、第二比較器70以及比例放大電路20的運算放大器21位於同一集成運放晶片U1裏。如圖2所示，電橋式感測器偵測電路1還包括若干其他的電容、電阻，由於與本發明的改進無關，故未多加描述。

在本實施方式中，該處理單元10預存有輸出電壓V0與感應信號的對應關係，該處理單元10計算得到輸出電壓V0後，確定該輸出電壓V0對應的感應信號，並確定該感應信號對應的感應量，例如，壓力的大小等。

1．．．電橋式感測器偵測電路

2．．．電橋式感測器

10．．．處理單元

20．．．比例放大電路

30．．．充放電開關

40．．．充放電單元

50．．．參考電壓提供電路

60．．．第一比較器

70．．．第二比較器

R1．．．第一電阻

R2．．．第二電阻

601/701．．．反相輸入端

602/702．．．正相輸入端

603/703．．．輸出端

401．．．第一端

402．．．第二端

S+/S-．．．輸出埠

21．．．運算放大器

R3/R4．．．電阻

211．．．第一輸入端

212．．．第二輸入端

213．．．輸出端

Q1．．．低電平導通開關

VCC．．．電壓端

N1．．．第一參考電壓點

N2．．．第二參考電壓點

C1．．．電容

101．．．充放電控制引腳

102．．．中斷引腳

圖1為本發明第一實施方式中電橋式感測器偵測電路的電路框圖。

圖2為本發明第一實施方式中電橋式感測器偵測電路的具體電路圖。

1．．．電橋式感測器偵測電路

2．．．電橋式感測器

10．．．處理單元

20．．．比例放大電路

30．．．充放電開關

40．．．充放電單元

50．．．參考電壓提供電路

60．．．第一比較器

70．．．第二比較器

R1．．．第一電阻

R2．．．第二電阻

601/701．．．反相輸入端

602/702．．．正相輸入端

603/703．．．輸出端

401．．．第一端

402．．．第二端

Claims (8)

1. 一種電橋式感測器偵測電路，用於偵測電橋式感測器產生的電壓形式的感應信號，其改良在於，該電橋式感測器偵測電路包括：
   一比例放大電路，包括一輸出端，該比例放大電路用於連接該電橋式感測器並將該電橋式感測器產生的電壓形式的感應信號進行放大得到一輸出電壓V0；
   一第一電阻R1以及一第二電阻R2；
   一第一比較器，包括第一反相輸入端、第一正相輸入端以及第一輸出端；
   一第二比較器，包括第二反相輸入端、第二正相輸入端以及第二輸出端；
   一充放電單元，包括第一端以及第二端，該第一端與該第一電阻R1以及該第一比較器的第一反相輸入端連接，該第二端與該第一比較器的第一輸出端以及該第二比較器的第二正相輸入端連接；
   一參考電壓提供電路，用於提供第一參考電壓Vref1至該第一比較器的第一正相輸入端，以及提供第二參考電壓Vref2至第二比較器的第二反相輸入端；
   一充放電開關，位於一電壓端VCC以及該第一電阻R1以及第二電阻R2的連接節點之間，其中，該充放電開關導通時，該充放電單元處於放電狀態，該充放電開關截止時，該充放電單元處於充電狀態；
   一處理單元，與該充放電開關以及第二比較器的第二輸出端連接；
   其中，初始狀態下，該充放電開關導通，該充放電單元開始放電，使得第一比較器的第一輸出端輸出的電壓逐漸減小，當該第一輸出端輸出的電壓減小到該第二參考電壓時，該第二比較器的第二輸出端輸出一低電平電壓至處理單元；該處理單元接收到該低電平電壓後，控制該充放電開關截止並開始計時，從而，該充放電單元開始充電，且充電電流為輸出電壓V0與第一參考電壓Vref1的電壓差和第一電阻R1、第二電阻R2的電阻之和的比值，即(Vref1-V0)/（R1+R2），該處理單元在計時達到一第一預定時間T1時，控制該充放電開關導通，使得該充放電單元開始放電，且放電電流大小為第一參考電壓Vref1與電壓端VCC的電壓差與第一電阻R1的比值，即(Vref1-VCC)/R1，並同時開始計時，當該第一比較器第一輸出端的電壓再次降低到第二參考電壓Vref2時，該第二比較器的第二輸出端輸出低電平電壓至處理單元，該處理單元接收到該低電平信號後停止計時，並得到一計時時間T2；該處理單元根據等式：(Vref1-V0)×T1/（R1+R2）=(Vref1-VCC)×T2/R1計算該輸出電壓V0的值，從而確定電橋式感測器產生的電壓形式的感應信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電橋式感測器偵測電路，其中該比例放大電路包括一運算放大器以及一第三電阻，該運算放大器包括第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，該第一輸入端與第二輸入端分別與電橋式感測器的兩個輸出埠連接，該第三電阻連接於該運算放大器的第一輸入端以及輸出端之間，該比例放大電路用於將電橋式感測器的兩個輸出埠之間的電壓差進行放大得到該輸出電壓V0。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電橋式感測器偵測電路，其中充放電開關包括一低電平導通開關以及第四電阻，該第四電阻連接於電壓端與該低電平導通開關的控制端之間，該處理單元包括一充放電控制引腳以及一中斷引腳，該充放電控制引腳與該低電平導通開關的控制端連接，該低電平導通開關的第一導通端與該電壓端連接，第二導通端通過該第一電阻與該充放電單元的第一端連接，並通過該第二電阻與該比例放大電路的輸出端連接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電橋式感測器偵測電路，其中該低電平導通開關為NPN三極管或PMOS管。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電橋式感測器偵測電路，其中，該充放電單元為一電容。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電橋式感測器偵測電路，其中該參考電壓提供電路包括串聯於該電壓端以及接地點之間的第五電阻、第六電阻以及第七電阻，其中第五電阻以及第六電阻的連接節點構成第一參考電壓點用於產生該第一參考電壓並與該第一比較器的正相輸入端連接，第六電阻以及第七電阻的連接節點構成第二參考電壓點用於產生該第二參考電壓並與該第二比較器的反相輸入端連接。
7. 如申請專利範圍第3項所述之電橋式感測器偵測電路，其中該第二比較器的輸出端與處理單元的中斷引腳連接，當充電單元的第二端的電壓減小到該第二參考電壓時，該第二比較器的輸出端輸出一低電平電壓至處理單元的中斷引腳。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電橋式感測器偵測電路，其中比例放大電路輸出的輸出電壓與感應信號呈一一對應關係，該處理單元計算得到輸出電壓後，確定該輸出電壓對應的感應信號，並確定該感應信號對應的感應量。