电容传感接口电路、电容传感芯片和电容采样方法与流程

本发明涉及电容传感，尤其涉及一种电容传感接口电路、电容传感芯片和电容采样方法。

背景技术：

1、电容传感芯片通过精确测量电容值的变化来感知物理量或化学参数的变化，在工业自动化，消费电子，汽车电子，医疗设备和环境检测等领域具有广泛应用。

2、在实际应用中，传感电容在无目标信号时仍存在固有电容值，称为偏移电容。为保证对目标传感电容的准确测量以及电容测量范围，需要设置补偿电容来对偏移电容进行补偿。

3、然而，补偿电容过大会导致电容传感芯片的尺寸过大，导致芯片成本增加，还可能会超过封装制造能力。

技术实现思路

1、本发明提供了一种电容传感接口电路、电容传感芯片和电容采样方法，以更小的补偿电容实现对偏移电容的补偿，缩小芯片尺寸，降低对封装制造能力的要求。

2、根据本发明的一方面，提供了一种电容传感接口电路，包括：运算放大器、补偿模块、第一激励源和第二激励源；

3、第一激励源与运算放大器的同相输入端电连接，用于向同相输入端提供第一激励电压信号；

4、第二激励源与补偿模块的第一端电连接，用于向补偿模块的第一端提供第二激励电压信号；补偿模块的第二端与运算放大器的反相输入端电连接；补偿模块包括至少一个补偿电容，反相输入端还用于连接目标传感电容；

5、其中，在第一工作阶段，第一激励电压信号和第二激励电压信号分别保持不变；在第二工作阶段，第二激励电压信号的脉冲频率大于或等于第一激励电压信号的脉冲频率。

6、可选的，第二工作阶段包括至少一个第一子阶段和至少一个第二子阶段，第一子阶段和第二子阶段交替进行；第二激励电压信号包括脉冲电压序列，在第一子阶段，脉冲电压序列包括第一电压子脉冲；在第二子阶段，脉冲电压序列包括第二电压子脉冲；第一电压子脉冲的电压值高于第二电压子脉冲的电压值；第二电压子脉冲的电压值与第二激励电压信号在第一工作阶段的电压值相等。

7、可选的，电容传感接口电路还包括缓冲支路和第一开关支路，缓冲支路和第一开关支路在补偿模块的第二端与反相输入端之间并联连接，缓冲支路用于在第二子阶段导通，在第一子阶段和第一工作阶段关断；第一开关支路用于在第一子阶段以及第一工作阶段导通，在第二子阶段关断。

8、可选的，缓冲支路包括第一开关元件和缓冲器，第一开关元件和缓冲器串联连接；第一开关支路包括第二开关元件。

9、可选的，第二激励源包括第一电压支路和第二电压支路，第一电压支路和第二电压支路分别与补偿模块电连接，第一电压支路用于根据第一控制信号在第一子阶段，向补偿模块输出第一电压；第二电压支路用于根据第一控制信号在第一工作阶段和第二子阶段，向补偿模块输出第二电压；

10、和/或，第一激励源包括第三电压支路和第四电压支路，第三电压支路和第四电压支路分别与同相输入端电连接，第三电压支路用于根据第二控制信号在第一工作阶段向同相输入端输出第三电压；第四电压支路用于根据第二控制信号在第二工作阶段向同相输入端输出第四电压。

11、可选的，电容传感接口电路还包括第二开关支路和第三开关支路，第二开关支路串联在同相输入端和反相输入端，用于在第一工作阶段导通，以及第二工作阶段关断；

12、第三开关支路连接在运算放大器的输出端，用于在第一工作阶段导通，以及第二工作阶段关断。

13、可选的，补偿模块包括电容数模转换器，电容数模转换器用于根据接入的第三控制信号，调整接入的补偿电容的个数。

14、可选的，电容传感接口电路还包括反馈电容，反馈电容的一端连接运算放大器的反相输入端，另一端连接运算放大器的输出端。

15、根据本发明的另一方面，提供了一种电容传感芯片，包括本发明任意实施例的电容传感接口电路。

16、根据本发明的另一方面，提供了一种电容采样方法，应用本发明任意实施例的电容传感接口电路，电容采样方法包括：

17、在第一工作阶段，通过第一激励源向运算放大器的同相输入端提供大小不变的第一激励电压信号，通过第二激励源向补偿模块的第一端提供大小不变的第二激励电压信号；

18、在第二工作阶段，通过第一激励源向同相输入端提供第一脉冲频率的第一激励电压信号，通过第二激励源向补偿模块的第一端提供第二脉冲频率的第二激励电压信号；

19、其中，第二脉冲频率高于第一脉冲频率。

20、可选的，第二工作阶段包括至少一个第一子阶段和至少一个第二子阶段，第一子阶段和第二子阶段交替进行；

21、在第一工作阶段，通过第一激励源向运算放大器的同相输入端提供大小不变的第一激励电压信号，通过第二激励源向补偿模块的第一端提供大小不变的第二激励电压信号，包括：

22、在第一工作阶段，通过第一激励源向同相输入端输入第三电压；通过第二激励源向补偿模块的第一端提供第二电压；

23、在第二工作阶段，通过第一激励源向同相输入端提供第一脉冲频率的第一激励电压信号，通过第二激励源向补偿模块的第一端提供第二脉冲频率的第二激励电压信号，包括：

24、在第二工作阶段，通过第一激励源向同相输入端提供第四电压；

25、在第一子阶段，通过第二激励源向补偿模块的第一端提供第一电压；在第二子阶段，通过第二激励源向补偿模块的第一端提供第二电压；

26、其中，第一电压高于第二电压，第四电压高于第三电压。

27、可选的，第一子阶段和第二子阶段的个数可调。

28、可选的，第一子阶段的个数小于或等于5。

29、本发明实施例的电容传感接口电路、电容传感芯片和电容采样方法，通过设置在第一工作阶段，目标传感电容的第一激励电压信号和补偿模块的第二激励电压信号保持不变；在第二工作阶段第二激励电压信号的脉冲频率大于或等于第一激励电压信号的脉冲频率，使得在第二工作阶段对补偿模块的充电激励次数高于或等于对目标传感电容的充电激励次数，实现通过增加第二激励电压信号在第二工作阶段的脉冲频率，实现更大的偏移电容补偿范围，如此，可以减小补偿模块的面积，以更小的补偿电容实现对偏移电容的补偿，缩小芯片尺寸，提升电容传感接口电路的集成度，减小对封装制造能力的要求。

30、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

1.一种电容传感接口电路，其特征在于，包括：运算放大器、补偿模块、第一激励源和第二激励源；

2.根据权利要求1所述的电容传感接口电路，其特征在于，所述第二工作阶段包括至少一个第一子阶段和至少一个第二子阶段，所述第一子阶段和所述第二子阶段交替进行；所述第二激励电压信号包括脉冲电压序列，在所述第一子阶段，所述脉冲电压序列包括第一电压子脉冲；在所述第二子阶段，所述脉冲电压序列包括第二电压子脉冲；所述第一电压子脉冲的电压值高于所述第二电压子脉冲的电压值；所述第二电压子脉冲的电压值与所述第二激励电压信号在所述第一工作阶段的电压值相等。

3.根据权利要求2所述的电容传感接口电路，其特征在于，还包括缓冲支路和第一开关支路，所述缓冲支路和所述第一开关支路在所述补偿模块的第二端与所述反相输入端之间并联连接，所述缓冲支路用于在所述第二子阶段导通，在所述第一子阶段和所述第一工作阶段关断；所述第一开关支路用于在所述第一子阶段以及所述第一工作阶段导通，在所述第二子阶段关断。

4.根据权利要求3所述的电容传感接口电路，其特征在于，所述缓冲支路包括第一开关元件和缓冲器，所述第一开关元件和所述缓冲器串联连接；所述第一开关支路包括第二开关元件。

5.根据权利要求2所述的电容传感接口电路，其特征在于，所述第二激励源包括第一电压支路和第二电压支路，所述第一电压支路和所述第二电压支路分别与所述补偿模块电连接，所述第一电压支路用于根据第一控制信号在所述第一子阶段，向所述补偿模块输出第一电压；所述第二电压支路用于根据第一控制信号在所述第一工作阶段和所述第二子阶段，向所述补偿模块输出第二电压；

6.根据权利要求1-5任一项所述的电容传感接口电路，其特征在于，还包括第二开关支路和第三开关支路，所述第二开关支路串联在所述同相输入端和所述反相输入端，用于在所述第一工作阶段导通，以及所述第二工作阶段关断；

7.根据权利要求1所述的电容传感接口电路，其特征在于，所述补偿模块包括电容数模转换器，所述电容数模转换器用于根据接入的第三控制信号，调整接入的所述补偿电容的个数。

8.根据权利要求1所述的电容传感接口电路，其特征在于，还包括反馈电容，所述反馈电容的一端连接所述运算放大器的反相输入端，另一端连接所述运算放大器的输出端。

9.一种电容传感芯片，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的电容传感接口电路。

10.一种电容采样方法，应用于权利要求1-8任一项所述的电容传感接口电路，其特征在于，所述电容采样方法包括：

11.根据权利要求10所述的电容采样方法，其特征在于，所述第二工作阶段包括至少一个第一子阶段和至少一个第二子阶段，所述第一子阶段和所述第二子阶段交替进行；

12.根据权利要求11所述的电容采样方法，其特征在于，所述第一子阶段和所述第二子阶段的个数可调。

13.根据权利要求11所述的电容采样方法，其特征在于，所述第一子阶段的个数小于或等于5。