专利名称：容性传感器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种容性传感器电路，该电路包括一个传感器电极，形成传感电容器的第一极板;第一反相放大器，具有联在传感器电极上的一个输入端和一个输出端;第二放大器，具有与第一反相放大器的输出端耦合的一个输入端和一个输出端;一个连接在第一反相放大器的输出端与输入端之间的反馈电阻器。
从欧洲专利申请EP0，524，708中可以了解到这种传感器电路。在该专利中，这种电路用以接通和断开个人护理设备的电源，即，使用者将设备举起时，设备接上电源，使用者放下设备时，设备电源断开。传感器电极、第一反相放大器和反馈电阻器形成一个振荡器，这种振荡器也叫做非稳态多谐振荡器，其振荡频率特别取决于反馈电阻器的值并取决于容性传感器电路的传感器电极与信号接地端子之间的电容值。振荡频率随电容的增加而降低。当使用者举起设备时，对地的电容较大，频率较低。放下设备时，对地电容较小，频率较高。较低和较高的振荡频率之间的频差或频数比由频率/电压转换器测出，并转换成电压差，这个电压差使某一开关得电，将设备接上电源。这时，第二放大器充当振荡着的第一反相放大器与频率/电压转换器之间的缓冲器。这种周知的容性传感器电路对所使用的元器件在性能和元件值分布方面的情况相当敏感。尤其是从欧洲专利申请EP0，104，422我们知道，可以将振荡频率与构成对地基准电容的第二振荡器的振荡频率加以比较。传感器电极的电容通过频率测定与基准电容器的电容相比较。由一个门电路提供一个作为振荡频率测定值的信号。这种周知的解决办法相当准确，但需要使用门电路或一些其它的对比(Coincidence)电路。
本发明的目的是提供一种准确而不需用那种对比电路因而可以节省许多元器件的容性传感器电路。
为达到上述目的，按照本发明，本说明书开头一段所述的那种容性传感器电路具有这样的特征在第一反相放大器的输出端与第二放大器的输入端之间接有一个串联电阻器，该串联电阻器的阻值基本上与反馈电阻器的阻值相等;在第二放大器的输入端与基准端之间接有一个基准电容器，该基准电容器的电容值基本上等于容性传感器电极相对于基准端的预定电容值;此外，第一反相放大器和第二放大器构成高低输入阈值电压基本相同的施密特触发器。
通过这些措施，达到了下列效果当传感器电极的电容小于基准电容时，第二放大器的输出端上出现直流电平，在相反的情况下，第二放大器的输出端上出现频率与振荡着的第一反相放大器的相同的交流电压。从直流电压变为交流电压的过程几乎不受容差的影响，而且可以可靠地借助于频率/电压转换器检测出来，这时，该转换器只用来检测信号是零频的直流电压抑或是非零频的交流电压。为最大限度地减小元器件分布的影响，第一和第二放大器最好是完全相同的装在一个半导体本体内的“与非”施密特触发器。
这种容性传感器电路适宜接通和断开各种各样带手柄的电动用具，例如电动牙刷、剃须刀、电熨斗、吹发器、电钻、真空吸尘器等，还可接通和断开具触动式控制器的电气设备，例如声频和视频设备、电烘箱、炉灶面等。
现在参看附图详细说明本发明的上述和其它方面，附图中
图1示出了本发明容性传感器电路的电路图;
图2示出了装有本发明的容性传感器电路的电动用具;
图3示出了装有本发明的容性传感器电路的吹发器;
在这些附图中，功能或用途相同的部件用同一编号表示。
图1示出了本发明的容性传感器电路。呈施密特触发器的形式的第一反相放大器2，其输入端4经反馈电阻器8接其输出端6。输入端4与基准端10之间设有两个电容器，基准端10起传感器电路的信号接地端的作用。第一电容器由电容值为Cp1的寄生输入电容器12构成，第二电容器由传感电容器14的电容Cs构成，传感电容器14的第一个极板则由接到输入端4的传感器电极16构成。第二个极板由基准端10构成需要时，基准端10也可接到第二传感器电极18。对具有手柄的由市电供电的用具来说，只要将传感器电极16装入手柄中就够了。此外，基准端10经传感器电路的电源耦合到电源地线上。使用者握住手柄时，对地电容Cs发生变化。这时还可以检测出市电频率下的交流声电压Vm，该交流声电压用第二传感电极18(如有的话)与基准端10之间的交流电压源20象征性地表示出来。反相放大器2、反馈电阻器8和两个电容器12和14形成一个振荡器，振荡器的振荡频率Fs随电容器12和14的总电容Cp1+Cp2的增加而降低。在上述手柄中装有传感器电极16的用具中，振荡频率率Fs在用具的手柄被握住时会较低，在用具搁在一边时会较高。当检测出的交流声电压Vm非常高时，振荡就不再是自由振荡了，这时振荡频率Fs会被变成交流频率。第一反相放大器2的输出端经串联电阻器22接第二反相放大器26(这也由施密特触发器构成)的输入端24。输入端24经电容值为Cp2的寄生电容器28和电容值为Cr的基准电容器30接基准端10。
为简化对振荡频率Fs的粗略计算过程，假设(但这对电容传感电路的工作来说并不是主要的)低阈值电压Vl和高阈值电压Vh的平均值处在供电电源电压Vcc的中间值，且它们的电压差为VnVh＝1/2＊(Vcc+Vn);V1＝1/2＊(Vcc-Vn)(1)在振荡期间，输入端4处整个电容两端的电压V(t)在一个周期T内会在低阈值电压Vl与高阈值电压Vh之间变化。总电容两端的电压按下式变化V(t)＝Vo＊exp(-t/τ)(2)这里，Vo为初始电压，τ＝Rl＊(Cs+Cpl)，R1则为反馈电阻器8的值。当t＝T/2，V(T/2)＝V1且Vo＝Vh时，下列关系式在半个周期内有效T/2＝τ＊ln{(Vcc+Vn)/(Vcc-Vn)}＝τ＊1n{(1+α)}(3)其中α＝Vn/Vcc。α值小时，方程(3)可化简为下列近似式T＝4＊τ＊α＝4＊Rl＊(Cs+Cpl)＊Vn/Vcc(4)因而振荡频率Fs大致等于Fs＝Vcc/{4＊Vn＊R1＊(Cs+Cpl)｝(5)在输出端6处出现方波电压，该电压经串联电阻器22给电容器28和30充电和放电。这一下使电容器28和30两端产生脉动电压，其峰-峰电压Vpp大致等于Vpp＝Vcc/｛4＊Fs＊R2＊(Cr+Cp2)｝ (6)这时若选取R2等于R1并将方程(5)代入方程(6)中，则Vpp＝Vn＊(Cs+Cp1)/(Cr+Cp2)(7)这时，用作施密特触发器的第二反相放大器26所具有的高低阈值电压之间的电压差Vn与下面将得到的第一反相放大器2的电压差相同。若Cs小于Cr，则Vpp小于Vn，从而不超过第二反相放大器26的两触发阈值Vn和Vh，且在该放大器的输出端32出现直流电平。若Cs大于Cr，则Vpp大于Vn，因而不会周期性地超过两触发阈值Vn和Vh，且在输出端32上出现振荡频率为Fs的交流信号。这些放大器若完全相同且集成在半导体本体上，则反相放大器2和26的电压差Vn基本上相等。这具有另一个好处，即寄生电容器Cp1和Cp2因而也基本相等，从而消除了这些寄生电容器对Vpp幅值的影响。电阻器8和22的阻值相等。这样，与这些电阻器并联的寄生电容都不会对脉动电压Vpp有任何影响，这是因为输出端6至基准端10的负荷严格对称的缘故。
因此，取得了这样的效果，即输出端32在Cs大于Cr时提供交流信号，在Cs小于Cr时提供直流信号，由于电路对称，因而基本上消除了元器件分布引起的不精确。
借助于比较器34可以检测出输出端32传送的是交流抑或直流信号。比较器34也是由一个反相的施密特触发器构成，且该比较器34还具有输入端36和输出端38，输入端36经充电泵40接收来自第二反相放大器26的输出端32上的信号。充电泵40由第一电容器42、第一二极管46、第二二极管48和电阻器50及电容器52组成，第一电容器42连接在输出端32与节点44之间;第一二极管46的负极接节点44，正极接基准端10;第二二极管48的正极接节点44，负极接输入端36;电阻器50和电容器52则连接在输入端36与基准端10之间。
每个振荡周期1/F通过电容器42的充电电流i大致等于i＝C1＊(Vcc-2＊Vj-V2)＊F＝V2/R3(8)上式中，C1为电容器42的值，Vj为二极管46和48的结电压，V2为电容器52两端的电压，R3为电阻器50的值。若比较器34的阈值电压处在大约供电电压Vcc的中间值，则电压V2必然在最低频率F1下等于Vcc/2，且下列关系式成立F1＝Vcc/｛R3＊Cl＊(Vcc-4＊Vj)｝(9)如上所述，振荡频率可等于检测出的市电交流频率。当F1＝20赫、Vcc＝5伏且Vj＝0.7伏时，则从方程(9)可知时间常数R3＊Cl的值约为114毫秒。电容器52使比较器34的切换过程有些延迟。
图2示出了图1的电容传感电路应用在电动用具中的情况。反相器2、26和34由双输入端施密特触发器“与非”电路构成。反相器34的输出端38经第四双输入端施密特触发器“与非”电路54和限流电阻器74驱动NPN开关晶体管56的基极，所述开关晶体管的发射极经发光二极管(LED)58接基准端10，该晶体管的集电极则经断流开关60驱动继电器64的激励线圈62。继电器和“与非”电路接收来自供电电压源(图中未示出)的供电电压，供电电压源可以由整流电路(图中未示出)组成。继电器驱动一个开关66，开关66与负荷72串联连接，配置在干线电压端68与70之间。负荷72可以是例如电动机、发热元件、灯或任何需要接通和断开的其它器件。
在较低的振荡频率下，即当传感器电极16象设备是抓住使用的情况下那样处理时，输出端32上出现交流信号，因而输入端36处于高电平。于是输出端38转入低电平，晶体管56经反相器54导通。继电器64的激励线圈62得电，开关66闭合，且负荷72接收干线电压。借助于分断开关60可以中断激励线圈62的电源，从而使电动用具不工作。LED58发出信号，表示负荷经开关66接到电源干线上。设备搁在一旁时，振荡频率较高，于是输出端32连续处于高电平，输入端36处于低电平，因而输出端38处于高电平，于是晶体管56没有收到基极电流。这时继电器64不受激励，LED58截止，负荷72脱离电源电压。因此，继电器是根据第二反相放大器26的输出端32上的交流/直流信号受激励的。
第二放大器26也可以是不反相放大器，因为这与决定出现在输出端32上的信号是交流还是直流无关。基准电容器30的值Cr取决于传感电容器14的预计值。
图3示出了有手柄74的电动吹发器，传感器电极16即装在手柄74中。图2的电容传感器电路和其它电子器件装在印刷电路板76上，再装入手柄74中。
权利要求
1.一种容性传感器电路，包括构成传感电容器(14)的第一极板的传感器电极(16)；第一反相放大器(2)，具有接到传感器电极(16)的输入端(4)和输出端(6)；第二放大器(26)，具有与第一反相放大器(2)的输出端(6)耦合的输入端(24)和输出端(32)；反馈电阻器(8)，连接在第一反相放大器(2)的输出端(6)与输入端(4)之间，其特征在于，在第一反相放大器(2)的输出端(6)与第二放大器(26)的输入端(24)之间接有串联电阻器(22)，该串联电阻器(22)的阻值基本上与反馈电阻器(8)的阻值相等；基准电容器(30)，连接在第二放大器(26)的输入端(24)与基准端(10)之间，该基准电容器(30)的电容值基本上等于容性传感器电极(16)相对于基准端(10)的预定电容值；且第一反相放大器(2)和第二放大器(26)构成高低输入阈值电压基本相同的施密特触发器。
2.如权利要求1所述的容性传感器电路，其特征在于，第一放大器(2)和第二放大器(26)是装在一个半导体本体内的完全相同的“与非”施密特触发器。
3.如权利要求1或2所述的容性传感器电路，其特征在于，所述容性传感器电路还包括比较器(34)，具有输入端(36)和输出端(38);和充电泵(40)，由第一电容器(42)、第一二极管(46)、第二二极管(48)、电阻器(50)和第二电容器(52)组成，第一电容器(42)连接在第二放大器(26)的输出端(32)与节点(44)之间。第一二极管(46)连接在节点(44)与基准端(10)之间，第二二极管(48)连接在节点(10)与比较器(34)的输入端(36)之间，第二二极管(48)的正极接节点(44)，第一二极管(46)的负极接所述节点(44)，电阻器(50)和第二电容器(52)都连接在比较器(34)的输入端(36)与基准端(10)之间。
4.如权利要求3所述的容性传感器电路，其特征在于，比较器(34)是个施密特触发器，其阈值电压基本上处在施密特触发器电源电压的中间值。
5.一种电动用具，有一个负载(72)和一个可控开关(56，62，64，66)，该开关有一个主电流通路(66)与负荷(72)串联连接，还有一个主电流通路(56，62)供接收控制信号以便根据来自如权利要求1、2、3或4所述的容性传感器电路的第二放大器(26)的输出端(32)的信号使可控开关(56，62，64，66)接通和断开。
6.如权利要求5所述的电动用具，其特征在于，该电动用具有一个手柄(74)，里面装有传感器电极(16)。
全文摘要
一种容性传感器电路，包括传感器电极；第一和第二反相施密特触发器，两者的阈值电压相同。反馈电阻器从输出端给第一触发器的输入端提供反馈，第一触发器及传感电容器形成频率取决于传感电容器大小的振荡器。第二触发器输入端经串联电阻器接第一触发器输出端，并经基准电容器接基准端。反馈电阻器阻值与串联电阻器阻值相等。若传感电容小于基准电容，则输出端出现直流信号，相反，则出现交流信号。
文档编号H01H36/00GK1103520SQ94107710
公开日1995年6月7日 申请日期1994年6月28日 优先权日1993年7月1日
发明者J·R·迪波尔 申请人:菲利浦电子有限公司