CN103501169B - 用于确定测量电容的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

用于确定测量电容（CM）的测量装置，具有以扫描频率（fA）振荡的时钟振荡器（7）、以依赖测量电容（CM）的测量频率振荡的测量振荡器（3），以及计数在给定数量的测量振荡中时钟振荡数量的边沿计数器（9），其中设置有用于测量精化的电路，其中用于测量精化的电路从最后扫描到的测量振荡的测量边沿开始工作，到紧随的后续时钟振荡的同相边沿停止工作。

Description

用于确定测量电容的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定测量电容的测量装置及方法。
背景技术
确定测量电容的方法已被用于，例如，压力测量领域，其中测量电容依赖作用于测量薄膜的压力而改变。
人们一般知道如何通过测量振荡器的测量频率的频率测量确定测量电容，所述测量振荡器依赖测量电容而振荡。为此，设置时钟振荡器，其以扫描频率振荡，并利用边沿计数器检测在特定数量的测量振荡期间的时钟振荡的数量。知道扫描频率，就能够根据计数到的边沿数量确定测量振荡的周期长度，由此，计算测量振荡的频率。基于测量振荡的频率，并知道测量振荡器的设计，然后就能够探测测量电容在特定时刻的大小，在压力测量的情况下，能够做出有关当前压力的推断，该压力依赖于使用的压力测量单元的配置。
通常，在利用传感器通过频率测量确定测量值中，可达到的分辨率受到时钟振荡器的扫描频率以及测量时间长度的限制。例如，假定扫描频率是1MHz，要达到14比特（bits）的分辨率，那么需要的测量时间是1ms×214=16,384ms。
如果进一步提高分辨率，更多的测量时间是必需的或者必需相应地提高扫描频率。
然而，为了获得可靠的测量，不超过在测量设备中给定的测量时间是理想的。不过如果要达到提高的分辨率，根据现有技术，提高扫描频率是必需的。然而，扫描频率的这种提高使得开始出现能耗增加，这越来越被视为是缺点。
解决这些问题的第一种方法力图通过将测量信号输入串接的延时元件来提高分辨率，延时元件的输出信号相互延时，被输入串接的比较器，这些比较器相互之间平行联接，比较相互延时的测量信号与扫描信号。
当这种延时元件将输入的信号延时扫描频率周期的四分之一长度的情况下，以这种方法分辨率增加了2bits。
然而，在这种方法中，操作延时元件、比较器、以及存储比较器产生的比较值的寄存器是有缺陷的，也意味着增加的电流消耗，同时由于振荡器相互独立振荡，产生测量错误。
发明内容
本发明的目的是指出用于确定测量电容的测量装置及方法，其中现有技术具有的问题都已被解决。
通过具有权利要求1特征的测量装置以及具有权利要求10特征的方法解决了这个问题。
根据本发明用于确定测量电容的测量装置具有以扫描频率振荡的时钟振荡器，以依赖于测量电容的测量频率振荡的测量振荡器，以及计数在给定数量的测量振荡中时钟振荡数量的边沿计数器，其中设置有用于测量精化的电路，其从最后扫描到的测量振荡的测量边沿开始工作，到后续时钟振荡紧随其后的同相边沿停止工作。
由于用于测量精化的电路只是部分激活的，也就是说，具体地，在测量周期的结尾激活，用于测量精化的电路的能量消耗极大地减小。如果总体上测量周期是，例如，大约5ms，激活的用于测量精化的电路的时间长度降低了大约80%，也就是说，降低至1ms。用于测量精化的电路的能量消耗也同样降低。
当测量振荡器与时钟振荡器同步开始工作时，已获得的测量值可以达到进一步改善。当振荡器相互独立振荡时，不知道测量信号处于何种状态，是第一次扫描测量信号的时刻还是边沿计数器计数到的时钟信号第一个边沿的时刻。因此第一个探测到的边沿会在扫描频率周期的半个长度内变化。其依赖于时钟振荡器相对于测量振荡器当前的振荡状态。
通过使测量振荡器与时钟振荡器同步开始工作，获得了清晰的开始情况，因此获得的测量值的精度被进一步提高。
优选的，测量脉冲边沿的数量由预定的测量时间确定，其中时钟振荡的数量由边沿计数器指示。测量时间可以是，例如，至少5ms。测量脉冲边沿的数量由具有迟滞特性的电路设定，使得当测量时间少于5ms时，数量增加1；当测量时间长度超过6ms时，数量减少1。
在优选的实施例中，特别的，由边沿计数器探测下降测量边沿。当测量振荡器与时钟振荡器同步具有下降沿开始工作时，这种实施例尤其可取。然后下降沿的数量给出有关时钟振荡器的振荡数量以及相关的测量时间的明确信息。
为了确保测量电容对测量振荡器的频率产生直接影响，优选的将测量电容设置在振荡电路中，该振荡电路构成了测量振荡器。以这种方法，能够保证测量电容的变化对测量振荡器的频率具有直接影响，而没有介入任何的电压变换。
可以配备用于测量精化的电路，例如，具有多个串联的延时元件，测量信号输入其中，在其输出端可以截出相互延时的测量信号，成为比较信号。
此外，用于测量精化的电路可以具有多个比较器，在其一个输入端提供时钟信号，在另一输入端提供比较信号中的一个。假定有n个延时元件，每个延时元件对测量信号延时1/n个时钟周期，最后的下降沿的位置可以精确地确定至时钟信号周期的1/n长度。优选的，将这些比较器的输出值写入寄存器，在测量精化结束后从寄存器读出该值。
优选的，本发明的延时元件配置成具有相同的延时。
最终可达到的测量信号可以延时log2Nbits（比特），这取决于使用的延时级和比较器的数量。例如，通过设置四个延时级和比较器，可以使分辨率增加log24=2bit。为了实现分辨率增加3bit，需要n=23=8个延时元件和比较器。
延时元件配置成，例如，具有串联放大器的RC元件。
根据本发明用于测量测量电容的方法，时钟振荡器以扫描频率振荡，测量振荡器以依赖于测量电容的测量频率振荡，其中边沿计数器计数在给定数量的测量振荡中时钟振荡的数量，用于测量精化的电路从最后扫描到的测量振荡的测量脉冲边沿开始工作，到紧随其后的时钟振荡的同相边沿停止工作。
通过从最后扫描到的测量振荡的测量脉冲边沿开始使测量精化开始工作，到紧随随后的时钟振荡的同相边沿停止工作，测量精化步骤的持续时间大量地减少，这也减少了测量精化的资源消耗。
为了达到本发明方法测量精度的进一步提高，优选的，测量振荡器与时钟振荡器同步开始工作。以这种方法，可以避免测量开始阶段的浮动，这种浮动长达半个时钟周期。
优选的，测量振荡数量的设定依赖于预定的测量时间。例如，假定指定测量时间是至少5ms，测量振荡的数量可以被设定为，例如，使得当测量时间超过5ms时，测量振荡的数量增加1，当测量时间超过6ms时，测量振荡的数量减少1。
优选的，一达到测量脉冲边沿的给定数量时，测量就在随后的同相测量边沿停止。不采用用于测量精化的电路，由于最后计数到的时钟振荡的边沿一定在测量振荡的最后边沿之后到来，因此确定的测量信号以及得到的测量电容通常会偏离测量电容的真实值。
在本发明方法的一个实施例中，为了测量精化，测量信号被反复延时。延时的测量信号与时钟信号比较，这个比较的结果构成了时钟信号的一部分，从时钟振荡的数量中被减去。
优选的，用于测量精化的电路从测量信号的下降沿开始工作，到时钟信号紧随其后的边沿停止工作。
这样确定的边沿数量可以减少至由测量精化确定的时钟信号的一部分，因此在确定测量值时可以达到提高的精度。
以下通过示范的实施例并参考附图，更清楚地解释本发明。
附图说明
图1是压力测量装置的简化框图，其中采用了本发明的测量装置；
图2是时钟信号和测量信号的示范的信号曲线；
图3是用于测量精化的示范的电路；以及
图4是时钟信号、测量信号、延时的测量信号以及图3中比较器的输出信号的示范的信号曲线。
具体实施方式
图1示出物位测量装置的简化框图，其中设置有用于确定测量电容CM的测量装置。物位测量装置具有至少一个测量单元1，其中电容器的测量电容CM依赖作用于测量单元1的压力而变化，电容器设计成例如平行板电容器。为了使测量电容标准化，也可以设置有参考电容CR，通过这种方式输出的值基本上是无量纲的。测量电容是测量振荡器3的一部分，测量振荡器由具有测量电容CM的振荡电路构成。然后测量振荡器3根据图2顶部示出的电压曲线，以测量频率fM依赖于测量电容CM的大小而振荡。在比较器5（其可配置成施密特触发器）的帮助下测量振荡器3的锯齿形电压曲线可以转换成矩形信号曲线，如图2中下部所示。更进一步，时钟振荡器7的时钟信号示于图2中的底部，以扫描频率fA振荡。由图2可以看出，测量信号与时钟信号开始同步振荡，因此在这个区域没有产生时间延迟。
在图2示出的示范实施例中，测量振荡的数量被设定为7，其间由边沿计数器9确定时钟振荡的数量。依赖于预定的测量时间选择该数量，所述测量时间例如基于测量频率或测量速率或期望分辨率的需求选择。
一方面，边沿计数器9计数测量振荡的数量，在本例中是测量信号下降沿的数量，以及时钟信号下降沿的数量。一旦探测到测量信号的第7个下降沿，就在紧随测量信号第7个下降沿之后的扫描信号的边沿停止计数时钟信号的下降沿。现在，如果基于知道的时钟振荡器的扫描频率，并有测得的测量振荡数量的帮助，就得到关于测量频率fM的推断，由于最后的测量边沿和最后的时钟边沿之间有时间差别，因此会产生高达一个完整的时钟周期。
为了获得改进的测量值，并因此提高测量的分辨率，设置了如图3所示的用于测量精化的电路。用于测量精化的电路接收经由反相放大器反相并放大后的测量信号20作为其输入信号s0。在本示范实施例中，用于测量精化的电路具有4个串联的延时元件31至34。延时元件31至34在构造上相同，每个都具有RC元件以及串联的非反相放大器。为了使得可控制的延时重置成为可能，电容器是与开关S旁路设置的。
在输出侧，每次相对于输入信号延时的测量信号可以从延时元件31至34中截出作为比较信号。每个比较信号s1至s4被输入比较器K1至K4，时钟信号作为第二个信号也被输入其中。在输出侧，比较值v1至v4也因此可以从比较器K1至K4中截出，在本示范实施例中，它被写入寄存器R。根据本示范实施例，放置在寄存器R中的每个值因此代表了1/4个时钟周期。
如图4所示，测量信号M、时钟信号反相延时后的时钟信号P或比较信号s1至s4的信号曲线，以及比较值v1至v4，再一次清楚说明了本电路的原理。被最后的测量振荡的下降沿激活，测量信号进入测量精化电路，并被反相放大器反相。反相后的测量信号被延时元件31至34延时，延时元件具有适当的规格，每次延时1/4个时钟周期，因此可以从延时元件31至34的输出侧截出比较信号s1至s4。比较值v1至v4由接收比较信号s1至s4以及时钟信号T的比较器K1至K4产生。只要在比较器K1至K4的两个输入端都出现高信号，那么比较器也会以v1至v4作为比较值输出高信号。如果在比较器K1至K4中的一个比较器的几个输入端出现不同的信号，该比较器将会输出低信号。在本示范实施例中，由于对测量信号M反相并反复延时在比较器K1至K3的输入信号是相同的，并且在最后的比较器K4输入信号是不同的。因此，比较值v1至v3是高信号，比较值v4是低信号。根据本示范实施例实现的电路，将由比较值v1至v4代表的时钟信号的一部分从由时钟边沿计数确定的测量值中减去。
测量精化以这种方法探测时间直至下一个时钟边沿，然后将其从所述确定的值中减去。
有益的是，实施例示出的测量精化电路的电流需求总是仅发生在测量信号M脉冲边沿变化时。通过将测量振荡器3和时钟振荡器7同步激活，避免了在测量开始时测量错误的产生。
附图标记列表
1 测量单元
3 测量振荡器
5 施密特触发器
7 时钟振荡器
9 边沿计数器
31 延时元件
32 延时元件
33 延时元件
34 延时元件
CM 测量电容
CR 参考电容
R 寄存器
S 开关
M 测量信号
T 时钟信号
fM 测量频率
fA 扫描频率
V 放大器
R1 电阻
R2 电阻
R3 电阻
R4 电阻
C1 电容
C2 电容
C3 电容
C4 电容
K1 比较器
K2 比较器
K3 比较器
K4 比较器
s1 比较信号
s2 比较信号
s3 比较信号
s4 比较信号
v1 比较值
v2 比较值
v3 比较值
v4 比较值
s0 反向测量信号

Claims (12)

1.一种用于确定测量电容(CM)的测量装置，具有，
-时钟振荡器(7)，其以扫描频率(fA)振荡并传送时钟信号(T)，
-测量振荡器(3)，其以测量频率振荡，该测量频率依赖于所述测量电容(CM)，以及
-边沿计数器(9)，其计数在给定数量的测量振荡中的时钟振荡数量，其中设置有用于测量精化的电路，
其特征在于：
用于测量精化的电路从最后扫描到的测量振荡的测量脉冲边沿开始工作，到后续时钟振荡的同相且紧随的边沿停止工作，其中
所述用于测量精化的电路具有多个串联的延时元件(31，32，33，34)，测量信号(M)输入其中，且在其输出端可以截出相互延时的测量信号(M)作为比较信号(S1，S2，S3，S4)，且
所述用于测量精化的电路具有多个比较器(K1，K2，K3，K4)，在所述多个比较器的一输入端输入所述时钟信号(T)，在另一输入端输入所述比较信号(S1，S2，S3，S4)中的一个。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述测量振荡器(3)与所述时钟振荡器(7)同步开始工作。
3.根据前述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于：测量脉冲边沿的数量取决于预定的测量时间。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：所述测量时间是5ms。
5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：所述测量脉冲边沿是下降沿。
6.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：所述测量电容(CM)设置在振荡电路中，该振荡电路构成了所述测量振荡器(3)。
7.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：所述延时元件(31，32，33，34)配置成具有相同的延时。
8.一种用于测量测量电容(CM)的方法，其中
-时钟振荡器(7)以扫描频率(fA)振荡并传送时钟信号(T)；
-测量振荡器(3)以依赖于测量电容(CM)的测量频率振荡；
其特征在于：
边沿计数器(9)计数在给定数量的测量振荡中时钟振荡的数量，并且
测量振荡器(3)与时钟振荡器(7)同步开始工作，且
用于测量精化的电路从最后扫描到的测量振荡的测量脉冲边沿开始工作，到紧随的时钟振荡的同相边沿停止工作。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述测量振荡器(3)与所述时钟振荡器(7)同步开始工作。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述测量振荡的数量根据预定的测量时间来设定。
11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：
为了测量精化，测量信号(M)被反复延时，
延时的测量信号(M)每次与时钟信号(T)比较，并且
这个比较的结果构成了所述时钟信号(T)的一部分，其从时钟振荡的数量中被减去。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：
所述用于测量精化的电路从测量信号(M)的下降沿开始工作，到所述时钟信号(T)的紧随边沿停止工作。
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