CN101576588A - 电容式感应元件的感测电路及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式感应元件的感测电路及其方法，首先，施加一物理量于一电容式感应元件及一参考电容元件，以产生一输出信号，一感应器感测该输出信号而产生一回授信号，一控制电路将根据回授信号而分别产生交流的一感测信号及一参考信号，并将感测信号及参考信号分别输入至电容式感应元件及参考电容元件，以控制调整输出信号达到设定的一额定值，藉此，本发明感测电路以回授方式调整其感测状态，并计算感测信号及参考信号的信号变化量，即可得到电容式感应元件的电容变化量，进而得知施加于感测电路的物理量变化。
Description
技术领域
本发明是有关于一种电容式感应元件的感测电路及方法，尤指一种可感测电容式感应元件的电容变化量的感测电路及其方法。
背景技术
请参阅图1，为现有技术电容型感应元件的感测电路的电路示意图。如图1所示，感测电路10的主要结构包括有一直流偏压源(dc bias)11、一电容式感应元件13、一高阻抗组件15及一初级放大器17。
直流偏压源11的正端连接电容式感应元件13的其中一端，其负端连接高阻抗组件15的其中一端。而电容式感应元件13及高阻抗组件15的另一端与该放大器17的输入端共连接于一第一节点131。此外，该电容式感应元件13为一可变电容的感应元件。
另，初级放大器17，例如：一运算放大器，具有一高输入阻抗，因此，直流偏压源11所产生的电流I，将无法流向高阻抗组件15及初级放大器17，并且在第一节点131上的电压将接近于零。
而经由运算推导将可得到以下公式：
ΔCs＝(ΔVs/Vs)*Cs
因此，由上述公式得知电容式感应元件13的电容变化量ΔCS将与直流偏压源11的电压变化量ΔVS呈现正比的关系，并藉由公式的计算即可检测出电容式感应元件13的电容变化量ΔCS。
现有感测电路10使用直流方式检测一施加于电容式感应元件13上的物理量，例如：声波，并且一般声波范围大约落在100Hz至10KHz低频间。若，使用直流方式感测此低频声波，将容易受到低频噪声的干扰，而最后将影响到感测的结果。
发明内容
本发明的主要目的，在于提出一种电容式感应元件的感测电路及其方法，是以回授方式调整其感测状态，并计算输入于电容式感应元件及参考电容元件的感测信号及参考信号的信号变化量，即可得到电容式感应元件的电容变化量，进而得知施加于感测电路的物理量变化。
本发明的次要目的，在于提出一种电容式感应元件的感测电路及其方法，是以交流方式感测施加于电容式感应元件上的物理量，将可避免低频噪声的干扰，以得到精准的感测结果。
为此，本发明提供一种电容式感应元件的感测电路，其主要结构包括有：一电容式感应元件，可接收一外在物理量，并藉此产生电容变化；一参考电容元件，连接该电容式感应元件于一第一节点，并且在第一节点上产生有一输出信号；一感应器，连接该第一节点，用以感测该输出信号，并产生一回授信号；及一控制电路，分别连接该电容式感应元件、该参考电容元件及该感应器，用以接收该回授信号，并藉此以产生一感测信号及一参考信号，感测信号将传送至该电容式感应元件，而参考信号则传送至该参考电容元件。
本发明另提供一种电容式感应元件的感测电路，其主要结构包括有：一电容式感应元件，可接收一外在物理量，以产生电容变化，并产生一感测电流；一参考电容元件，用以产生一参考电流；一感应器，分别连接该电容式感应元件及该参考电容元件，以感测该感测电流及该参考电流，并产生一回授信号；及一控制电路，分别连接该电容式感应元件、该参考电容元件及该感应器，用以接收该回授信号，并藉此以产生一感测信号及一参考信号，感测信号将传送至该电容式感应元件，而参考信号则传送至该参考电容元件。
又，本发明提供一种电容式感应元件的感测方法，其主要步骤包括有：施加一物理量于一电容式感应元件及一参考电容元件上，以产生一输出信号；感测该输出信号，以产生一回授信号；产生一感测信号及一参考信号根据该回授信号；输入该感测信号至该电容式感应元件，且输入该参考信号至该参考电容元件，藉此以调控该输出信号至一额定值；及计算该感测信号及该参考信号的信号变化量，藉此以得到该电容式感应元件的电容变化量。
附图说明
图1：为现有技术电容型感应元件的感测电路的电路示意图；
图2：为本发明电容式感应元件的感测电路一较佳实施例的电路示意图；
图3：为本发明控制电路一较佳实施例的电路示意图；
图4：为本发明电容式感应元件的感测电路另一实施例的电路示意图；
图5：为本发明电容式感应元件的感测方法一较佳实施例的步骤流程图。
【主要组件符号说明】
10感测电路 11直流偏压源
13电容式感应元件 131第一节点
15高阻抗组件 17初级放大器
20感测电路 21控制电路
211运算控制器 213信号驱动器
215信号产生器 23电容式感应元件
25参考电容元件 26第一节点
27感应器 271回授信号
30感测电路 31控制电路
33电容式感应元件 35参考电容元件
37感应器 371回授信号
具体实施方式
首先，请参阅图2，为本发明电容式感应元件的感测电路一较佳实施例的电路示意图。如图所示，电容式感应元件的感测电路20的主要结构包括有：一控制电路21、一电容式感应元件23、一参考电容元件25及一感应器27。其中电容式感应元件23、参考电容元件25及感应器27连接于一第一节点26，而控制电路21分别连接至电容式感应元件23、参考电容元件25及感应器27。
本发明感测电路20是以回授方式调整其感测状态。当一物理量P施加于电容式感应元件23时，电容式感应元件23将产生一感测电流Is，同时间参考电容元件25也将产生一参考电流Ir，并且参考电流Ir为感测电流Is的反向电流，而感测电流Is及参考电流Ir间的电流差，将在第一节点26产生负载的输出信号Vo(t)。此外，电容式感应元件23为一可变电容的电容元件，而参考电容元件25为一固定电容值的电容元件。
感应器27可感测第一节点26上的输出信号Vo(t)，而产生一回授信号271。控制电路21接收回授信号271，并根据回授信号271产生一感测信号Vs(t)及一参考信号Vr(t)。该感测信号Vs(t)及该参考信号Vr(t)皆为交流信号，两者为频率相同且大致反相的同步波形，并且两者间的相位差及振幅将根据回授信号271所控制。
控制电路21将感测信号Vs(t)及参考信号Vr(t)分别输入于电容式感应元件23及参考电容元件25，并且电容式感应元件23及参考电容元件25所产生的感测电流Is及参考电流Ir将根据感测信号Vs(t)及参考信号Vr(t)的控制量而改变，此外，第一节点26上的输出信号Vo(t)也将因此回授控制而达到感测电路20所设定的一默认值。如上所述，将可得电路公式(1)及(2)：
Vs(t)-Vo(t)＝Is*1/iωCs......(1)
Vo(t)-Vr(t)＝Ir*1/iωCr......(2)
在回授控制条件设定输出信号Vo(t)＝0的情况下：
Is＝-Ir，iωVs(t)Cs＝iωVr(t)Cr；
Vs(t)Cs＝Vr(t)Cr；
dVs/dt*Cs+Vs*dCs/dt＝dVr/dt*Cr；
ΔCs＝(ΔVrCr-ΔVsCs)/Vs......(3)
因此，藉由以上推导可得公式(3)，并可由公式(3)得知，感测电路20的控制电路21计算输入于电容式感应元件23及参考电容元件25的感测信号ΔVs及参考信号ΔVr的信号变化量，即可得到电容式感应元件23的电容变化量，进而以得知施加于电容式感应元件23的物理量P的变化，例如：波形变化、振幅变化或频率变化。
又，本发明感测电路20可用以选择感测一声波、一压力及一电能等各种物理量，并可设置于一微机电麦克风、一压力计或一配置有电容式感应元件23的电子装置中。再者，本发明感测电路20以交流控制方式，高频感测施加于电容式感应元件23上的物理量P，将可避免低频噪声的干扰，而得到更精准的感测结果。
请参阅图3，为本发明控制电路一较佳实施例的电路示意图。如图所示，控制电路21包括有一运算控制器211、一信号驱动器213及一信号产生器215。
其中运算控制器211连接于感应器27及信号驱动器213间，用以接收感应器27所产生的回授信号271，并在接收到回授信号271时，控制信号驱动器213驱动信号产生器215产生作动，并且该运算控制器211具有运算的功能，藉此将可应用于计算感测信号ΔVs及参考信号ΔVr的信号变化量。
信号驱动器213连接于运算控制器211及信号产生器215间，可根据运算控制器211的控制，而驱动信号产生器215产生感测信号Vs(t)及参考信号Vr(t)。
而信号产生器215连接于信号驱动器213及电容式感应元件23与参考电容元件25间，可根据回授信号271的信号大小，调整控制感测信号Vs(t)及参考信号Vr(t)间的相位差及振幅，藉此感测信号Vs(t)输入于电容式感应元件23及参考信号Vr(t)输入于参考电容元件25时，将改变电容式感应元件23及参考电容元件25所产生的感测电流Is及参考电流Ir间的电流差，进而控制调整第一节点26上所负载的输出信号Vo(t)，以达到本发明感测电路20所设定的额定值。
请参阅图4，为本发明电容式感应元件的感测电路另一实施例的电路示意图。如图所示，感测电路30的结构包括有：一控制电路31、一电容式感应元件33、一参考电容元件35及一感应器37。其中感应器37分别连接电容式感应元件33及参考电容元件35，而控制电路31分别连接至电容式感应元件33、参考电容元件35及感应器37。
本实施例感测电路30的结构雷同于图2感测电路20，其差异点在于，本实施例感应器37未连接第一节点26，并直接连接该电容式感应元件33及该参考电容元件35，以感测电容式感应元件33及该参考电容元件35所产生的感测电流Is及参考电流Ir，并产生一回授信号371。
控制电路31在接收回授信号371后，将产生一感测信号Vs(t)及一参考信号Vr(t)，并输入于电容式感应元件33及参考电容元件35。藉此，电容式感应元件33及参考电容元件35所产生的感测电流Is及参考电流Ir将根据感测信号Vs(t)及参考信号Vr(t)的控制而进行改变。
而后，本实施例感测电路30的控制电路31计算输入于电容式感应元件33及参考电容元件35的感测信号Vs(t)及参考信号Vr(t)的信号变化量，即可得到电容式感应元件33的电容变化量，也将得知物理量P的变化。
最后，请参阅图5，为本发明电容式感应元件的感测方法一较佳实施例的步骤流程图，并配合参阅图2。
一物理量P施加于一电容式感应元件23及一参考电容元件25上，以产生一输出信号Vo(t)，并且电容式感应元件23为一可变电容的电容元件，而参考电容元件25为一固定电容值的电容元件，如步骤S31所示。
感应器27感应输出信号Vo(t)，以产生一回授信号271，如步骤S33所示。
控制电路21接收回授信号271后，将根据回授信号271产生一感测信号Vs(t)及一参考信号Vr(t)，并且感测信号Vs(t)及参考信号Vr(t)为交流信号，两者为频率相同且大致反相的同步波形，此外，回授信号271将可进一步用以调整控制感测信号Vs(t)及参考信号Vr(t)间的相位差及振幅，如步骤S35所示。
控制电路21将感测信号Vs(t)输入至电容式感应元件23及参考信号Vr(t)输入至参考电容元件25，以调整控制输出信号Vo(t)达到设定的一额定值，并且本发明感测方法将额定值设定为零，如步骤S37所示。
最后，感测电路20计算控制电路21输入于电容式感应元件23及参考电容元件25的感测信号Vs(t)及参考信号Vr(t)的信号变化量，藉此即可得到电容式感应元件23的电容变化量，进而以得知施加于电容式感应元件23的物理量P变化，如步骤S39所示。
再者，电容式感应元件23及参考电容元件25根据所施加的物理量P可产生一感测电流Is及一参考电流Ir，并根据感测电流Is及参考电流Ir间的电流差，即可于一第一节点26上负载产生该输出信号Vo(t)，
本发明感测方法可用以选择感测一声波、一压力及一电能等各种物理量，并且该感测方法可运用于一微机电麦克风、一压力计或一配置有电容式感应元件的电子装置上。再者，本发明感测方法以交流控制方式，高频感测施加于电容式感应元件上的物理量，将可避免低频噪声的干扰，而得到更精准的感测结果。
虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (15)
1.一种电容式感应元件的感测电路，其特征在于，主要结构包括有：
一电容式感应元件，可接收一外在物理量，并藉此产生电容变化；
一参考电容元件，连接该电容式感应元件于一第一节点，并且在第一节点上产生有一输出信号；
一感应器，连接该第一节点，用以感测该输出信号，并产生一回授信号；及
一控制电路，分别连接该电容式感应元件、该参考电容元件及该感应器，用以接收该回授信号，并藉此以产生一感测信号及一参考信号，感测信号将传送至该电容式感应元件，而参考信号则传送至该参考电容元件。
2.根据权利要求1所述的感测电路，其特征在于，该电容式感应元件将产生一感测电流，而该参考电容元件则将产生一参考电流，感测电流及参考电流之间的电流差将在该第一节点上负载，且藉此产生该输出信号。
3.根据权利要求1所述的感测电路，其特征在于，该第一节点上的输出信号将藉由该感测信号及该参考信号的控制调整以达到一额定值。
4.根据权利要求3所述的感测电路，其特征在于，该额定值为零。
5.一种电容式感应元件的感测电路，其特征在于，主要结构包括有：
一电容式感应元件，可接收一外在物理量，以产生电容变化，并产生一感测电流；
一参考电容元件，用以产生一参考电流；
一感应器，分别连接该电容式感应元件及该参考电容元件，以感测该感测电流及该参考电流，并产生一回授信号；及
一控制电路，分别连接该电容式感应元件、该参考电容元件及该感应器，用以接收该回授信号，并藉此以产生一感测信号及一参考信号，感测信号将传送至该电容式感应元件，而参考信号则传送至该参考电容元件。
6.根据权利要求1或5所述的感测电路，其特征在于，该控制电路包括有：
一信号产生器，分别连接该电容式感应元件及该参考电容元件，且用以产生该感测信号及该参考信号；
一信号驱动器，连接该信号产生器，用以驱动该信号产生器；及
一运算控制器，连接该感应器及该信号驱动器，用以接收该回授信号，并控制该信号驱动器驱动该信号产生器。
7.根据权利要求1或5所述的感测电路，其特征在于，该参考电容元件具一固定电容值。
8.根据权利要求1或5所述的感测电路，其特征在于，该感测信号及该参考信号为交流的同步信号。
9.根据权利要求1或5所述的感测电路，其特征在于，该控制电路将根据该回授信号以控制该感测信号及该参考信号之间的相位差及振幅。
10.一种电容式感应元件的感测方法，其特征在于，主要步骤包括有：
施加一物理量于一电容式感应元件及一参考电容元件上，以产生一输出信号；
感测该输出信号，以产生一回授信号；
产生一感测信号及一参考信号根据该回授信号；
输入该感测信号至该电容式感应元件，且输入该参考信号至该参考电容元件，藉此以调控该输出信号至一额定值；及
计算该感测信号及该参考信号的信号变化量，藉此以得到该电容式感应元件的电容变化量。
11.根据权利要求10所述的感测方法，其特征在于，该电容式感应元件及该参考电容元件是根据所施加的该物理量以产生一感测电流及一参考电流，并根据感测电流及参考电流之间的电流差来产生该输出信号。
12.根据权利要求10所述的感测方法，其特征在于，该感测信号及该参考信号为交流式的同步信号。
13.根据权利要求10所述的感测方法，其特征在于，该回授信号用以调整控制该感测信号及该参考信号之间的相位差及振幅。
14.根据权利要求10所述的感测方法，其特征在于，该额定值为零。
15.根据权利要求10所述的感测方法，其特征在于，该参考电容元件具有一固定电容值。
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