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CN116140169B - 超声波收发系统和电子设备 - Google Patents

超声波收发系统和电子设备 Download PDF

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CN116140169B
CN116140169B CN202211733544.XA CN202211733544A CN116140169B CN 116140169 B CN116140169 B CN 116140169B CN 202211733544 A CN202211733544 A CN 202211733544A CN 116140169 B CN116140169 B CN 116140169B
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Huike Singapore Holdings Private Ltd
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Abstract

本申请提供一种超声波收发系统和电子设备，超声波收发系统包括信号发生电路和超声波传感器芯片。信号发生电路由分立器件构成且包括脉冲发生电路和谐振电路。脉冲发生电路接收超声波传感器芯片输出的控制信号，并根据控制信号产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，谐振电路接收呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号并在其作用下产生驱动信号。超声波传感器芯片接收驱动信号并根据驱动信号产生超声波信号。在产生驱动信号时无需升压操作即可通过反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号提高驱动信号的电压值，克服升压带来的电路复杂问题和电压值低造成驱动效果不佳的问题，电路结构简单易于实现和控制且具有良好的升压效果。

Description

超声波收发系统和电子设备
本申请要求于2022年06月14日提交中国专利局、申请号为PCT/CN2022/098576、申请名称为“信号发生电路和超声指纹识别装置”的PCT国际申请的优先权以及2022年07月14日提交中国专利局、申请号为PCT/CN2022/105775、申请名称为“超声指纹检测装置和电子设备”的PCT国际申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及指纹检测技术领域，尤其涉及一种超声波收发系统和电子设备。
背景技术
随着科学技术的发展和进步，指纹检测技术越来越多的应用于手机、电脑等智能终端设备，从而提升人们对于智能终端设备的使用体验。
在超声波指纹检测技术的解决方案中，通常需要产生正弦波信号，进而将正弦波信号作为驱动信号产生用于指纹检测的超声波信号。其中，在产生正弦波信号的一些实现方式中，通常需要采用复杂的电路结构实现多次升压，导致解决方案的系统架构尺寸大、电路复杂以及成本高。而一些采用一次升压便可产生正弦波信号的实现方式中，又因为正弦波信号的电压值较低，存在正弦波信号作为驱动信号的驱动效果不佳的问题。
发明内容
本申请提供一种超声波收发系统和电子设备，用于解决超声波指纹检测技术中正弦波信号的产生存在电路结构复杂以及其作为驱动信号驱动效果不佳的技术问题。
第一方面，本申请提供一种超声波收发系统，包括：信号发生电路和超声波传感器芯片；
所述信号发生电路由分立器件构成且包括：脉冲发生电路和谐振电路，所述脉冲发生电路用于接收所述超声波传感器芯片输出的控制信号，并根据所述控制信号产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，所述谐振电路用于接收所述呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，并根据所述呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号产生驱动信号；
所述超声波传感器芯片用于接收所述驱动信号，并根据所述驱动信号产生超声波信号。
在一种可能的设计中，所述谐振电路包括谐振电感和谐振电容；
所述谐振电感的一端与所述脉冲发生电路的第一脉冲输出端连接，所述谐振电感的另一端、所述谐振电容的一端以及所述超声波传感芯片的输入端连接，所述第一脉冲输出端用于输出所述第一脉冲电压信号；
所述谐振电容的另一端与所述脉冲发生电路的第二脉冲输出端连接，所述第二脉冲输出端用于输出所述第二脉冲电压信号；
其中，所述谐振电感和所述谐振电容在所述第一脉冲电压信号和所述第二脉冲电压信号的作用下发生谐振，产生正弦波驱动信号。
在一种可能的设计中，所述信号发生电路还包括：刹车电路，所述刹车电路包括阻尼电阻；
所述阻尼电阻的一端与所述脉冲发生电路的第一脉冲输出端连接，所述阻尼电阻的另一端接地。
在一种可能的设计中，所述脉冲发生电路包括第一半桥电路、第二半桥电路以及第一反相器和第二反相器；
所述第一半桥电路的输入端与所述超声波传感器芯片的第一输出端和第二输出端连接，所述第一半桥电路的输出端为所述脉冲发生电路的第一脉冲输出端；
所述第二半桥电路的输入端与所述第一反相器的输出端和所述第二反相器的输出端连接，所述第二半桥电路的输出端为所述脉冲发生电路的第二脉冲输出端；
所述第一反相器的输入端与所述超声波传感器芯片的第一输出端连接，所述第二反相器的输入端与所述超声波传感器芯片的第二输出端连接。
在一种可能的设计中，所述超声波传感器芯片的第一输出端和第二输出端分别用于输出第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号，所述控制信号包括所述第一脉冲控制信号和所述第二脉冲控制信号。
在一种可能的设计中，所述第一半桥电路包括第一PMOS管和第一NMOS管；
所述第一PMOS管的栅极与所述超声波传感器芯片第二输出端连接，所述第一PMOS管的源极与所述脉冲发生电路的电源输入端连接；
所述第一PMOS管的漏极与所述第一NMOS管的漏极相连接且为所述第一半桥电路的输出端，所述第一NMOS管的栅极与所述超声波传感器芯片的第一输出端连接，所述第一NMOS管的源极接地。
在一种可能的设计中，所述第二半桥电路包括第二PMOS管和第二NMOS管；
所述第二PMOS管的栅极与所述第一反相器的输出端连接，所述第二PMOS管的源极与所述脉冲发生电路的电源输入端连接；
所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极相连接且为所述第二半桥电路的输出端，所述第二NMOS管的栅极与所述第二反相器的输出端连接，所述第二NMOS管的源极接地。
在一种可能的设计中，所述超声波收发系统还包括主控模块；
所述主控模块包括电源，所述电源用于为所述信号发生电路和超声波传感器芯片供电。
在一种可能的设计中，所述主控模块还包括SPI接口；
所述SPI接口用于所述主控模块与所述超声波传感器之间通信。
在一种可能的设计中，所述第一脉冲电压信号还作为所述驱动信号的同步信号被输入至所述超声波传感器芯片。
在一种可能的设计中，所述超声波传感器芯片包括超声波换能器；
所述正弦波驱动信号用于驱动所述超声波换能器产生所述超声波信号。
第二方面，本申请提供一种电子设备，包括：盖板，以及第一方面中所提供的的任意一种可能的超声波收发系统；
其中，所述盖板用于接收用户手指的按压，所述超声波收发系统设置于所述盖板下方，用于检测按压于所述盖板的所述用户手指的指纹。
在一种可能的设计中，所述电子设备还包括：显示屏，所述盖板设置于所述显示屏的上方，所述超声波收发系统设置于所述显示屏的下方。
本申请提供一种超声波收发系统和电子设备，超声波收发系统包括信号发生电路和超声波传感器芯片。信号发生电路由分立器件构成且包括脉冲发生电路和谐振电路。脉冲发生电路可以接收超声波传感器芯片输出的控制信号，并根据控制信号产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，谐振电路可以接收呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号并在其作用下产生驱动信号。超声波传感器芯片接收驱动信号，并根据驱动信号产生超声波信号。本申请提供的超声波收发系统在产生驱动信号时一方面无需升压却另一方面通过反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号提高驱动信号的电压值，可以克服升压带来的电路复杂问题以及电压值低造成驱动效果不佳的问题，电路结构简单易于实现和控制且具有良好的升压效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种超声波收发系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种波形示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种超声波收发系统的电路示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种波形示意图；
图5为本申请实施例提供的再一种超声波收发系统的电路示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和装置的例子。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在超声波指纹检测技术的解决方案中，通常需要产生正弦波信号，进而将正弦波信号作为驱动信号产生用于指纹检测的超声波信号。其中，在产生正弦波信号的一些实现方式中，通常需要采用复杂的电路结构实现多次升压，导致解决方案的系统架构尺寸大、电路复杂以及成本高。而一些采用一次升压便可产生正弦波信号的实现方式中，又因为正弦波信号的电压值较低，存在正弦波信号作为驱动信号的驱动效果不佳的问题。
针对现有技术中存在的上述问题，本申请提供一种超声波收发系统和电子设备。本申请提供的超声波收发系统的发明构思在于：设置包括有信号发生电路和超声波传感器芯片的超声波收发系统，其中，信号发生电路由分立器件构成且包括有脉冲发生电路和谐振电路。超声波传感器芯片输出控制信号给脉冲发生电路，脉冲发生电路在控制信号的作用下可以产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，谐振电路接收该呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，在其作用下发生谐振产生驱动信号。超声波传感器芯片接收该驱动信号并在驱动信号的作用下产生超声波信号，超声波信号可以用于进行指纹检测。本申请实施例在产生驱动信号的实现方式中不需要进行升压，并且脉冲发生信号可以产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，故而在呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号的作用下产生的驱动信号相比于一个脉冲电压信号产生的驱动信号而言电压值会加倍，从而提高了驱动信号的电压值，提升了驱动效果。可以克服现有技术中升压带来的电路复杂问题以及电压值低造成驱动效果不佳的问题，电路结构简单易于实现和控制且具有良好的升压效果。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
图1为本申请实施例提供的一种超声波收发系统的结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供的超声波收发系统101，包括：信号发生电路101和超声波传感器芯片102。
信号发生电路101由分立器件构成且包括：脉冲发生电路1011和谐振电路1012。
脉冲发生电路1011用于接收超声波传感器芯片102输出的控制信号，并根据控制信号产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号。
谐振电路1012用于接收该呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，并根据该呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号产生驱动信号。
超声波传感器芯片102用于接收驱动信号，并根据驱动信号产生超声波信号。
其中，信号发生电路101可以是由分立器件构成的电路结构，并非设置为一颗芯片，因而可以降低制造成本。而是。因此，相比于“双芯片”架构，本申请实施例中提供的超声波指纹检测装置200仅包括一颗超声波指纹传感器芯片220，整体的制造成本会大幅降低。
具体地，脉冲发生电路1011可以接收到超声波指纹传感器芯片102提供的控制信号，并在该控制信号的作用下产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号。谐振电路1012与脉冲发生电路1011连接，脉冲发生电路1011产生的呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号可以输入至谐振电路1012，谐振电路1012接收该呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，并在该呈反相的第一脉冲电压和第二脉冲电压信号的作用下产生驱动信号。谐振电路1012还与超声波传感器芯片102连接，谐振电路1012产生的驱动信号可以输出给超声波传感器芯片102，超声波传感器芯片102接收该驱动信号，并在该驱动信号的作用下产生超声波信号，超声波信号例如可以用于进行指纹检测。
可选地，信号发生电路101和超声波传感器芯片102可以共用一个输入电源，输入电源可以为两者提供相同的电压值。例如，输入电源提供的电压值可以在3V至4.5V之间。
可选地，超声波收发系统100还可以包括主控模块103，主控模块103可以包括有电源VDD，该电源VDD可以作为输入电源，以为信号发生电路101和超声波传感器芯片103提供电能。
在一些实施例中，主控模块103可以设置有超声波收发系统100的电子设备的控制芯片，该电子设备可以为手机、平板电脑等终端设备。主控模块103包括的电源VDD则可以为终端设备的供电电源，从而不需要额外供电电源，能够节省该超声波指纹检测收发系统100的整体功耗。
可选地，主控模块103还可以包括串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)接口，SPI接口可以用于主控模块103与超声波传感器102之间通信。
脉冲发生电路1011在控制信号作用下可以产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，谐振电路1012在该呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号的作用下产生的驱动信号相比于单一的脉冲电压信号产生的驱动信号会具有翻倍的电压值。可见，本申请实施例提供的超声波收发系统100中信号发生电路101产生的驱动信号不需要升压操作即可得到更高电压值的驱动信号，可以克服现有技术中需要升压操作带来的电路复杂问题以及驱动信号电压值较低造成驱动效果不佳的问题，并且电路结构简单易于实现和控制还具有良好的升压效果。
在一种可能的设计中，谐振电路1012包括谐振电感L和谐振电容C。
参照图1所示，谐振电感L的一端与脉冲发生电路1011的第一脉冲输出端连接，谐振电感L的另一端、谐振电容C的一端以及超声波传感芯片102的输入端连接。其中，脉冲发生电路1011的第一脉冲输出端用于输出第一脉冲电压信号。
谐振电容C的另一端与脉冲发生电路1011的第二脉冲输出端连接，脉冲发生电路1011的第二脉冲输出端用于输出第二脉冲电压信号。该第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号呈反相。
其中，谐振电感L和谐振电容C在第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号的作用下发生谐振，可以产生正弦波驱动信号VTX，上文描述的驱动信号包括该正弦波驱动信号VTX。
例如，通过控制脉冲发生电路1011输出的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号可以使得谐振电路1012在该第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号的作用下谐振出正弦波驱动信号VTX。
为了便于理解，图2示出了本申请实施例提供的第一脉冲电压信号、第二脉冲电压信号以及正弦波驱动信号VTX的一种波形示意图。
如图2所示，信号发生电路101的工作状态包括：等待阶段、激励阶段以及反相阶段。
在信号发生电路101的等待阶段，谐振电路1012不产生谐振，脉冲发生电路1011输出的第一脉冲电压信号可以为0或者高阻态，脉冲发生电路1011输出的第二脉冲电压信号可以为0、1或者高阻态。其中，0表示输出电压为0，即为低电平，1表示输出电压为电源电压VDD，即为高电平，高阻态表示处于高电阻状态无输出电压。图2中在等待阶段第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号以输出0为例示出。相应地，等待阶段的驱动信号VTX即为低电平。
在信号发生电路101的激励阶段，通过控制脉冲发生电路1011使其输出的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号呈反相关系，从而通过第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号在高电平和低电平之间的交替变换，进一步使得谐振电路1012中的谐振电感L和谐振电容C在高电平和低电平之间交替变换的呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号的作用下发生谐振，产生正弦波驱动信号VTX。
当需要停止输出正弦波驱动信号VTX时，例如可以将第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号输出为低电平或者高阻态，以通过谐振电路1012中谐振电感L的等效电阻R(图1中未示出)将谐振归零。但实际上，由于谐振电路1012振荡的能量无法马上消失，正弦波驱动信号VTX缓慢下降至零。因此，在将第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号输出为低电平或高阻态之前，可以采用反相驱动的方式，即对第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号均反相以输出，从而加速谐振电路1012的谐振能量归零。
具体地，第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号各自反相，并以低电平和高电平交替输出，产生反相的第一脉冲电压信号和反相的第二脉冲电压信号，比如图2中反相阶段的第一脉冲电压信号的相位和激励阶段的第一脉冲电压信号的相位相互反相，反相阶段的第二脉冲电压信号的相位和激励阶段的第二脉冲电压信号的相位相互反相通，该反相的第一脉冲电压信号和反相的第二脉冲电压信号作用于谐振电路1012以产生反相阶段的正弦波驱动信号VTX。图2中可以看出反相阶段的正弦波驱动信号VTX的谐振能量低于激励阶段的正弦波驱动信号VTX的谐振能量。
由于谐振电路1012振荡的能量无法马上消失存在余振现象，在一些实施例中，信号发生电路101还可以包括有刹车电路1013。
继续参照图1所示，刹车电路1013可以包括阻尼电阻R1。
阻尼电阻R1的一端与脉冲发生电路1011的第一脉冲输出端连接，阻尼电阻R1的另一端接地。在信号发生电路101中增加包括阻尼电阻R1的刹车电路1013，期望谐振电路1012停止输出正弦波驱动信号VTX时，可以吸收谐振电路1012产生的多余的信号能量，从而改善谐振电路1012输出的正弦波驱动信号VTX的余振，提高正弦波驱动信号VTX的质量。
谐振电路1012中谐振电感L的等效电阻R可以与阻尼电阻R1共同对谐振起到阻尼“刹车”的作用。在如图2所示的信号发生电路210的工作状态中的阻尼刹车阶段，控制第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号为低电平，刹车电路1013中的阻尼电阻R1可继续对谐振电路1012的谐振起到阻尼“刹车”的作用，从而可以快速降低谐振电路1012的谐振能量，使得谐振快速归零。可选地，在阻尼刹车阶段，第二脉冲电压信号还可以为高电平。
阻尼电阻R1的电阻值与谐振电路1012的特征阻抗Z相关。为了实现较佳的阻尼“刹车”效果，在一些实施例中，阻尼电阻R1的电阻值可以位于0.8*Z至2*Z之间。
其中，特征阻抗Z和谐振电路1012中谐振电感L和谐振电容C的值满足如下公式(1)：
L1和C1分别为谐振电路1012中谐振电感L和谐振电容C的值。
可选地，阻尼电阻R1的电阻值包括但不限于是1.4*Z。
可以理解的是，上文图1和图2仅作为示意而非限定，示出了一种实施例下谐振电路1012和脉冲发生电路1011的电路结构以及对应的信号波形示意图。在一些替代实施方式中，该谐振电路1012和脉冲发生电路1011还可以采用其它电路结构，旨在使得二者配合能够对输入电源进行谐振升压的效果即可，本申请实施例对谐振电路1012和脉冲发生电路1011的具体电路结构不做限定。
另外，在图2和下文所示的波形示意图中，激励阶段仅示出了2个周期的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，该2个周期的信号仅作为示意，该激励阶段还可为其它任意周期数量的信号，本申请实施例对该激励阶段的信号的周期数量不做限定。
本申请实施例提供的超声波收发系统包括信号发生电路和超声波传感器芯片。信号发生电路由分立器件构成且包括脉冲发生电路和谐振电路。脉冲发生电路可以接收超声波传感器芯片输出的控制信号，并根据控制信号产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，谐振电路可以接收呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号并在其作用下产生驱动信号。超声波传感器芯片接收驱动信号，并根据驱动信号产生超声波信号。在产生驱动信号时一方面无需升压却另一方面通过反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号提高驱动信号的电压值，可以克服升压带来的电路复杂问题以及电压值低造成驱动效果不佳的问题，电路结构简单易于实现和控制且具有良好的升压效果。
可选地，第一脉冲电压信号还可以作为上述驱动信号的同步信号输入至超声波传感器芯片102，以对驱动信号进行同步。可以理解的是，该驱动信号包括正弦波驱动信号VTX。
在一些实施例中，超声波传感器芯片102中可以包括有超声波换能器102。该超声波换能器1021能够在上述信号发生电路1012提供的驱动信号的作用下产生超声波信号。例如，当超声波收发系统100被用于进行指纹检测时，该超声波换能器1021可以在驱动信号的作用下产生超声波信号，并能够接收超声波信号经过用户手指反射的回波信号以产生电信号，进而可以通过超声波传感器芯片102中的其他检测电路例如回波检测电路对该电信号进行检测以实现指纹检测。
可选地，超声波换能器1021可包括压电层和上下电极层，例如，该压电层中的压电材料包括不限于是聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(polyvinylidene fluoride–Trifluoroethene，PVDF-TrFE)共聚物等等。压电层在受到上下电极层的高压驱动信号时，其会将电能转换为机械能，从而产生超声波信号。对应的，压电层也能将返回的超声波回波信号由机械能转换为电能，从而产生对应于回波信号的电信号。
由于超声换能器1021属于容性负载，假设其电容值为C0，则C0和谐振电容C的容值C1之间可以满足C1≥C0，以获得最佳输出电压幅度。同时，谐振电感L的电感值L1、超声换能器1021的电容值C0以及谐振电容C的容值C1和脉冲频率f需要满足如下公式(2)：
在一些实施例中，超声波收发系统100中的超声波传感器芯片102还包括：控制模块1022、换能模块和检测模块。
其中，控制模块1022用于向信号发生电路101提供控制信号，以控制该信号发生电路101产生驱动信号。换能模块用于接收驱动信号以产生超声波信号，利用超声波信号产生回波信号，换能模块还用于将该回波信号转换为电信号，换能模块可以包括超声波换能器1021。检测模块用于检测电信号以实现对应功能，例如检测电信号实现指纹检测。检测模块在本申请实施例附图中未示出。
控制模块1022可理解为超声波传感器芯片102的控制器，其可连接于上述换能模块和检测模块，并控制该换能模块和检测模块的运行。另外，控制模块1022还可用于接收同步信号。
可选地，检测模块可以包括接收模块、检波模块和信号累加模块。其中，接收模块用于接收多个电信号。检波模块用于检测该多个电信号的幅值。信号累加模块用于将多个电信号的幅值进行累加得到信号累加值，该信号累加值用于被平均计算后以实现对应的相关功能，例如将指纹数据该数字信号传输至外部器件以使得该数字信号被平均计算后以检测用户手指的指纹。
可选地，该信号累加模块可以为模拟信号累加器或者积分器，还可以为其它类型的电路结构或者器件，本申请实施例对此不做具体限定。
可选地，超声波传感器芯片102还可以包括读出模块1023、模数转换模块1024和接口模块1025。
读出模块1023可以将上述信号累加模块产生的信号累加值读出至模数转换模块1024。模数转换模块1024将信号累加值转换为数字信号。接口模块1025可以将该数字信号传输至外部器件以使得该数字信号被平均计算以实现对应的相关功能。
可选地，读出模块1023具体可以为读出电路。模数转换模块1024可以为模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)。接口模块1025包括但不限于是SPI接口。
可选地，在一些替代的实施方式中，上述读出模块1023、模数转换模块1024和接口模块1025也可不集成于超声波传感器芯片102，而设置于超声波传感器芯片102的外部，从而降低该超声波传感器芯片102所需占用的安装空间。
进一步地，超声波传感器芯片102还可包括像素阵列(Pixel Array)，该像素阵列由多个像素单元(Pixel Cell)组成。控制模块1022与像素阵列连接。每个像素单元可包括：上电极、压电层以及下电极。该多个像素单元的上电极可相互连接形成整体上电极，该整体上电极点可电连接于TX接口，该TX接口可接收由信号发生电路101产生的驱动信号VTX。可选地，当超声波收发系统100被用于进行指纹检测时，像素阵列用于进行超声指纹成像。
多个像素单元的下电极可相互分离设置，即多个像素单元的下电极可形成下电极阵列，该下电极阵列中的多个下电极结构相同且设置于同一平面。该像素单元中的下电极也可以称之为像素电极。在每个像素单元中，上电极、压电层以及下电极的组合可形成一个超声波换能器单元，该多个像素单元的多个超声波换能器单元可形成换能模块，其可用于在驱动信号VTX的作用下产生超声波信号，也可接收该超声波信号的回波信号以产生对应的电信号。
基于上述实施例，图3为本申请实施例提供的另一种超声波收发系统的电路示意图。如图3所示，本申请实施例提供的超声波收发系统100中的脉冲发生电路1011包括：第一半桥电路10111、第二半桥电路10112以及第一反相器S1和第二反相器S2。
其中，第一半桥电路10111的输入端与超声波传感器芯片102的第一输出端和第二输出端连接，而第一半桥电路10111的输出端为脉冲发生电路102的第一脉冲输出端，脉冲发生电路102的第一脉冲输出端用于输出第一脉冲电压信号。
超声波传感器芯片102的第一输出端和第二输出端用于输出前文所描述的控制信号。具体地，控制信号可以包括第一脉冲控制信号(DRN)和第二脉冲控制信号(DRP)，例如第一输出端用于输出第一脉冲控制信号，第二输出端用于输出第二脉冲控制信号。
第二半桥电路10112的输入端与第一反相器S1的输出端和第二反相器S2的输出端连接，第二半桥电路10112的输出端为脉冲发生电路102的第二脉冲输出端，脉冲发生电路102的第二脉冲输出端用于输出第二脉冲电压信号。
第一反相器S1的输入端与超声波传感器芯片102的第一输出端连接，第二反相器S2的输入端与超声波传感器芯片102的第二输出端连接。第一反相器S1和第二反相器S2的作用是将经其的信号进行反相。如图3所示，由于第一反相器S1的输入端与超声波传感器芯片102的第一输出端连接，因而当超声波传感器芯片102的第一输出端输出的第一脉冲控制信号为低电平时，该第一脉冲控制信号经过第一反相器S1后则会变为高电平。当超声波传感器芯片102的第一输出端输出的第一脉冲控制信号为高电平时，该第一脉冲控制信号经过第一反相器S1后则会变为低电平。第二反相器S2与第一反相器S1相类似，区别在于第二反相器S2的输入端与超声波传感器芯片102的第二输出端连接。
本申请实施例提供的超声波收发系统中的脉冲发生电路包括第一半桥电路、第二半桥电路以及第一反相器和第二反相器，通过设置第一反相器和第二反相器可以将第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号实现反相控制，设置第一半桥电路和第二半桥电路可以使得脉冲发生电路在控制信号的作用下产生反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号。从而无需升压即可通过反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号提高驱动信号的电压值，克服升压带来的电路复杂问题以及电压值低造成驱动效果不佳的问题，电路结构简单易于实现和控制且具有良好的升压效果。
继续参照图3所示，第一半桥电路10111可以包括第一PMOS管Q1和第一NMOS管Q2。
第一PMOS管Q1的栅极与超声波传感器芯片102第二输出端连接，用于将第二脉冲控制信号(DRP)输入至第一PMOS管Q1。第一PMOS管Q1的源极与脉冲发生电路1011的电源输入端连接，电源输入端用于输入电源VDD提供的电能。
第一PMOS管Q1的漏极与第一NMOS管Q2的漏极相连接，且作为第一半桥电路10111的输出端用于输出第一脉冲电压信号。第一NMOS管Q2的栅极与超声波传感器芯片102的第一输出端连接，用于将第一脉冲控制信号(DRN)输入至第一NMOS管Q2，第一NMOS管Q2的源极接地。
第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号以高电平输出时，第一PMOS管Q1关断，第一NMOS管Q2导通，第一半桥电路10111输出的第一脉冲电压信号为高电平。第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号以低电平输出时，第一PMOS管Q1导通，第一NMOS管Q2关断，第一半桥电路10111输出的第一脉冲电压信号为低电平。由此可见，通过控制第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的电平状态，在第一PMOS管Q1和第一NMOS管Q2的作用下可以控制第一脉冲电压信号的电平状态。
继续参照图3所示，第二半桥电路10112包括第二PMOS管Q3和第二NMOS管Q4。
第二PMOS管Q3的栅极与第一反相器S1的输出端连接，用于将反相后的第一脉冲控制信号输入至第二PMOS管Q3。第二PMOS管Q3的源极与脉冲发生电路1011的电源输入端连接，电源输入端用于输入电源VDD提供的电能。
第二PMOS管Q3的漏极与第二NMOS管Q4的漏极相连接，且作为第二半桥电路10112的输出端用于输出第二脉冲电压信号。第二NMOS管Q4的栅极与第二反相器S2的输出端连接，用于将反相后的第二脉冲控制信号输入至第二NMOS管Q4。第二NMOS管Q4的源极接地。
第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号以高电平输出时，由于第一脉冲控制信号会经由第一反相器S1反相后输入至第二PMOS管Q3，故而第二PMOS管Q3导通，第二脉冲控制信号会经由第二反相器S2反相后输入至第二NMOS管Q4，故而第二NMOS管Q4关断，第二半桥电路10112输出的第二脉冲电压信号为低电平。第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号以低电平输出时，由于第一脉冲控制信号会经由第一反相器S1反相后输入至第二PMOS管Q3，故而第二PMOS管Q3关断，第二脉冲控制信号会经由第二反相器S2反相后输入至第二NMOS管Q4，故而第二NMOS管Q4导通，第二半桥电路10112输出的第二脉冲电压信号为高电平。由此可见，通过控制第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的电平状态，在第一反相器S1、第二反相器S2、第二PMOS管Q3和第二NMOS管Q4的作用下可以控制第二脉冲电压信号的电平状态。
综合以上可知，在第一半桥电路10111和第二半桥电路10112以及第一反相器S1和第二反相器S2的作用下，当第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号以低电平输出时，第一NMOS管Q2和第二PMOS管Q3关断，第一PMOS管Q1和第二NMOS管Q4导通，第一脉冲电压信号为低电平输出，第二脉冲电压信号为高电平输出，两者呈反相。当第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号以高电平输出时，第一NMOS管Q2和第二PMOS管Q3闭合，第一PMOS管Q1和第二NMOS管Q4关断，第一脉冲电压信号为高电平输出，第二脉冲电压信号为低电平输出，两者呈反相。
在一些实施例中，通过控制第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的电平状态，在图3所示的脉冲发生电路1011的作用下可以使其输出呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号。在图2的基础上，图4示出了第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的电平状态，以及对应的该控制信号在图3所示的脉冲发生电路1011的作用下信号发生电路101的工作状态。图4所示的工作状态的各阶段的信号相关技术方案可以与上文图2所示实施例中的各阶段相类似，具体实现可参见上文描述，此处不做过多赘述。
本申请实施例提供的超声波收发系统中的脉冲发生电路，在第一PMOS管和第一NMOS管构成的第一半桥电路、第二PMOS管和第二NMOS管构成的第二半桥电路、第一反相器和第二反相器的作用下，可以通过控制第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的电平状态，使得脉冲发生电路输出两者之间呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号。从而无需升压即可通过该呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号提高驱动信号的电压值，克服升压带来的电路复杂问题以及电压值低造成驱动效果不佳的问题，电路结构简单易于实现和控制且具有良好的升压效果。
可选地，脉冲发生电路1011上可以设置有多个输入/输出端口。如图4中所示，端口K1可以为电源输入端，端口K2用于输入第一脉冲控制信号，端口K3用于输入第二脉冲控制信号。端口K4用于输出第一脉冲电压信号，端口K5用于输出第二脉冲电压信号。端口K6用于脉冲发生电路1011接地。
基于上述各实施例，图4所示的超声波传感器芯片102还包括：控制模块1022、换能模块和检测模块以及像素阵列，其中控制模块1022、换能模块和检测模块以及像素阵列各自的实现方式、原理及技术效果与图1中所示的控制模块1022、换能模块和检测模块以及像素阵列相类似，在此不再赘述。
进一步地，在图4的基础上，图5示出的超声波收发系统100中还示意地示出了每个像素单元的框图。
当信号发生电路101输出驱动信号VTX时，第一开关CK1导通，换能模块处于发射状态，发出超声波。当发射结束后第一开关CK1断开，等待一段时间接收回波信号，当回波信号抵达换能模块时，第二开关CK2闭合，换能模块将回波信号转换为电信号，电信号经过第二开关CK2传输至接收模块301以及检波模块302，以完成回波信号的接收以及检波，并传输至信号累加模块303。
可选地，该第一开关CK1和第二开关CK2可被循环控制模块10221，从而控制该换能模块的运行状态。其中，控制模块1022包括循环控制模块10221。
可选地，在一些实施方式中，在每个像素单元中，可对应于设置一个接收模块301以及检波模块302。或者，在另一些实施方式中，可对多个像素单元的超声波换能器单元设置同一个接收模块301以及检波模块302。
本申请实施例还提供一种电子设备，包括盖板和上文任一实施例中的超声波收发系统100。其中，该盖板用于提供用户手指的按压界面，并接收用户手指的按压。超声波收发系统100设置于盖板下方，用于检测按压于盖板的用户手指的指纹。
在一些可能的实施方式中，该电子设备还包括显示屏。其中，盖板设置于显示屏的上方，对应的，超声波收发系统100设置于显示屏的下方，以实现电子设备的屏下超声波指纹识别功能。
可以理解的是，在本申请实施例中，超声波收发系统100产生的超声波信号可穿透显示屏到达盖板，且该超声波信号可在盖板处传播并经过按压于盖板的用户手指的反射形成回波信号，该回波信号可穿透显示屏到达超声波收发系统100以使得其实现指纹检测功能。
可选地，该电子设备包括但不限于是移动终端设备，例如：手机、笔记本电脑、平板电脑等等。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (12)

1.一种超声波收发系统，其特征在于，包括：信号发生电路和超声波传感器芯片；
所述信号发生电路由分立器件构成且包括：脉冲发生电路和谐振电路，所述脉冲发生电路用于接收所述超声波传感器芯片输出的控制信号，并根据所述控制信号产生呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，所述谐振电路用于接收所述呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号，并根据所述呈反相的第一脉冲电压信号和第二脉冲电压信号产生驱动信号；
所述超声波传感器芯片用于接收所述驱动信号，并根据所述驱动信号产生超声波信号；
所述脉冲发生电路包括第一半桥电路、第二半桥电路以及第一反相器和第二反相器；
所述第一半桥电路的输入端与所述超声波传感器芯片的第一输出端和第二输出端连接，所述第一半桥电路的输出端为所述脉冲发生电路的第一脉冲输出端；
所述第二半桥电路的输入端与所述第一反相器的输出端和所述第二反相器的输出端连接，所述第二半桥电路的输出端为所述脉冲发生电路的第二脉冲输出端；
所述第一反相器的输入端与所述超声波传感器芯片的第一输出端连接，所述第二反相器的输入端与所述超声波传感器芯片的第二输出端连接。
2.根据权利要求1所述的超声波收发系统，其特征在于，所述谐振电路包括谐振电感和谐振电容；
所述谐振电感的一端与所述脉冲发生电路的第一脉冲输出端连接，所述谐振电感的另一端、所述谐振电容的一端以及所述超声波传感芯片的输入端连接，所述第一脉冲输出端用于输出所述第一脉冲电压信号；
所述谐振电容的另一端与所述脉冲发生电路的第二脉冲输出端连接，所述第二脉冲输出端用于输出所述第二脉冲电压信号；
其中，所述谐振电感和所述谐振电容在所述第一脉冲电压信号和所述第二脉冲电压信号的作用下发生谐振，产生正弦波驱动信号。
3.根据权利要求2所述的超声波收发系统，其特征在于，所述信号发生电路还包括：刹车电路，所述刹车电路包括阻尼电阻；
所述阻尼电阻的一端与所述脉冲发生电路的第一脉冲输出端连接，所述阻尼电阻的另一端接地。
4.根据权利要求2或3所述的超声波收发系统，其特征在于，所述超声波传感器芯片的第一输出端和第二输出端分别用于输出第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号，所述控制信号包括所述第一脉冲控制信号和所述第二脉冲控制信号。
5.根据权利要求4所述的超声波收发系统，其特征在于，所述第一半桥电路包括第一PMOS管和第一NMOS管；
所述第一PMOS管的栅极与所述超声波传感器芯片第二输出端连接，所述第一PMOS管的源极与所述脉冲发生电路的电源输入端连接；
所述第一PMOS管的漏极与所述第一NMOS管的漏极相连接且为所述第一半桥电路的输出端，所述第一NMOS管的栅极与所述超声波传感器芯片的第一输出端连接，所述第一NMOS管的源极接地。
6.根据权利要求5所述的超声波收发系统，其特征在于，所述第二半桥电路包括第二PMOS管和第二NMOS管；
所述第二PMOS管的栅极与所述第一反相器的输出端连接，所述第二PMOS管的源极与所述脉冲发生电路的电源输入端连接；
所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极相连接且为所述第二半桥电路的输出端，所述第二NMOS管的栅极与所述第二反相器的输出端连接，所述第二NMOS管的源极接地。
7.根据权利要求6所述的超声波收发系统，其特征在于，所述超声波收发系统还包括主控模块；
所述主控模块包括电源，所述电源用于为所述信号发生电路和超声波传感器芯片供电。
8.根据权利要求7所述的超声波收发系统，其特征在于，所述主控模块还包括SPI接口；
所述SPI接口用于所述主控模块与所述超声波传感器之间通信。
9.根据权利要求8所述的超声波收发系统，其特征在于，所述第一脉冲电压信号还作为所述驱动信号的同步信号被输入至所述超声波传感器芯片。
10.根据权利要求9所述的超声波收发系统，其特征在于，所述超声波传感器芯片包括超声波换能器；
所述正弦波驱动信号用于驱动所述超声波换能器产生所述超声波信号。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：盖板，以及
如权利要求1至10中任一项所述的超声波收发系统；
其中，所述盖板用于接收用户手指的按压，所述超声波收发系统设置于所述盖板下方，用于检测按压于所述盖板的所述用户手指的指纹。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括：显示屏，所述盖板设置于所述显示屏的上方，所述超声波收发系统设置于所述显示屏的下方。
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