CN103840825A - 全数字集成电容式传感器接口电路 - Google Patents

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CN103840825A CN201410108964.8A CN201410108964A CN103840825A CN 103840825 A CN103840825 A CN 103840825A CN 201410108964 A CN201410108964 A CN 201410108964A CN 103840825 A CN103840825 A CN 103840825A
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何怡刚
邓芳明
陈震
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Abstract

全数字集成电容式传感器接口电路，由传感器控制振荡器和开关式锁相环两部分组成；开关式锁相环输入端接传感器控制振荡器输出端，开关式锁相环输出端为数字信号输出端；开关式锁相环是由鉴相器和数字控制振荡器构成闭合回路，传感器控制振荡器输出端与鉴相器一输入端相连，鉴相器一输入端接数字控制振荡器反馈输出端，鉴相器输出端与数字控制振荡器输入端相连；鉴相器用于比较传感器控制振荡器信号与数字控制振荡器信号的相位差，得到数字输出信号，数字输出信号经反馈作用于数字控制振荡器。本发明传感器控制振荡器直接将传感器电容值转化为频率信号，用开关式锁相环为整个电路控制环路，低压低功耗，节省芯片面积，易改变尺寸，受工艺影响小。

Description

全数字集成电容式传感器接口电路
技术领域
本发明涉及传感器接口电路领域，特别涉及一种全数字集成电容式传感器接口电路。
背景技术
电容式传感器利用电容器原理，将外界环境中待测的非电量转换为电容量，再将电容量的变化转换为电压、频率等输出量，被广泛的应用在压力、湿度、加速度、位移、气体等检测中。当前，得益于微电子技术的发展，作为集成电路制造主流工艺的CMOS工艺能很好的将电容式传感器与读出电路、信号处理电路等集成在同一芯片上，不仅大大降低系统成本，而且可以提高检测精度，所以电容式传感器被广泛的应用于集成传感器的设计中。
CMOS工艺的发展主要是针对于数字集成电路。随着工艺尺寸的减小，数字集成电路的速度、功耗和面积等性能都获得很大提高。但是对于模拟集成电路来说，工艺尺寸的减小所带来的性能提高并不如数字电路那么大。除了匹配和噪声性能的下降，MOS管阈值电压的减小也不像电源电压的减小那么显著，这就导致在模拟集成电路设计中可允许的输出电压范围的减小。因此，当器件工艺进入纳米时代后，在低的电源电压下设计低功耗传感器接口电路成为难点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有集成电容式传感器接口电路的在低功耗设计中的不足，提出一种基于锁相环原理的全数字集成电容式传感器接口电路，此接口电路直接将传感器电容值转换为频率信号，整个接口电路结构简单，可以工作在接近工艺阈值电压的超低电源电压下，有利于降低电路的整体功耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
全数字集成电容式传感器接口电路，由传感器控制振荡器和开关式锁相环两部分组成；开关式锁相环的输入端接传感器控制振荡器的输出端，开关式锁相环的输出端为数字信号输出端；所述开关式锁相环是由鉴相器和数字控制振荡器构成的闭合回路，传感器控制振荡器的输出端与鉴相器的一输入端相连，鉴相器的另一输入端接数字控制振荡器的反馈输出端，鉴相器的输出端与数字控制振荡器的输入端相连；
所述鉴相器用于比较传感器控制振荡器信号与数字控制振荡器信号的相位差，从而得到数字输出信号，且所述数字输出信号经反馈作用于数字控制振荡器。
进一步，所述传感器控制振荡器采用环形振荡器，此环形振荡器由至少两个反相器Ⅰ首尾相连构成。
进一步，传感器控制振荡器所采用的环形振荡器的一级反相器Ⅰ输出端接有一个传感器电容，传感器电容为一级反相器Ⅰ的负载电容。
进一步，所述数字控制振荡器亦采用环形振荡器，此环形振荡器由至少两个反相器Ⅱ首尾相连构成，反相器Ⅱ的个数与反相器Ⅰ的个数相同，即反相器Ⅱ的级数与反相器Ⅰ的级数相同，反相器Ⅱ所选用的反相器类型亦与反相器Ⅰ所选用的反相器类型相同。
进一步，数字控制振荡器所采用的环形振荡器的一级反相器Ⅱ输出端接一个偏置电容和一个开关电容，偏置电容和开关电容并联，偏置电容和开关电容共同构成一级反相器Ⅱ的负载电容，开关电容受鉴相器的输出端控制。
所述鉴相器采用1比特的D触发器。
本发明中，频率调制通过一个传感器控制振荡器（SCO）实现，它直接将传感器电容的值转换为相应的频率                                               
Figure 2014101089648100002DEST_PATH_IMAGE002
；频率解调通过是开关式锁相环（BBPLL）实现，它由一个1比特鉴相器（PD）和一个数字控制振荡器（DCO）组成。开关式锁相环的鉴相器（PD）用于检测
Figure 325665DEST_PATH_IMAGE002
是超前还是落后于数字控制振荡器（DCO）的频率
Figure 2014101089648100002DEST_PATH_IMAGE004
，鉴相器输出端输出的比特信号即为开关式锁相环的数字信号输出端的数字输出信号
Figure 2014101089648100002DEST_PATH_IMAGE006
，开关式锁相环的数字信号输出端的数字输出信号
Figure 177559DEST_PATH_IMAGE006
是一个过采样输出的1比特信号，它所代表的电压值（平均占空比）与传感器电容值变化成正比例。
传感器电容值
Figure 2014101089648100002DEST_PATH_IMAGE008
为某一恒定值时，环路稳定情况下各相应点的波形图如图2所示。因为传感器电容值
Figure 105367DEST_PATH_IMAGE008
恒定，所以传感器控制振荡器为一固定频率
Figure 625210DEST_PATH_IMAGE002
。数字控制振荡器的频率在最大值和最小值间切换。数字输出信号代表着传感器控制振荡器和数字控制振荡器的相位差，因此，在环路锁定的情况下，
Figure 588465DEST_PATH_IMAGE002
的平均值等于
Figure 538098DEST_PATH_IMAGE004
。所以当过采样输出经数字滤波后，
Figure 141730DEST_PATH_IMAGE006
就是相对应的数字信号输出。
本发明采用全数字结构，电路结构简单，输入与输出之间保持良好的线性，可以工作在接近工艺阈值电压的超低电源电压下，降低整体电路的功耗。本发明选用开关式锁相环（BBPLL）为整个电路的控制环路，具有低压低功耗、节省芯片面积、容易改变尺寸及受工艺影响小等优点。
附图说明
图1为本发明全数字集成电容式传感器接口电路结构图；
图2为本发明传感器电容值恒定时，接口电路结构各相应点波形图；
图3为本发明传感器电容变化值与输出电压平均占空比对比图；
图4为本发明全数字集成电容式传感器接口电路具体实现电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，以使本发明的优点和特征能更易于本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明晰的界定。
参照图1，全数字集成电容式传感器接口电路，由传感器控制振荡器SCO和开关式锁相环两部分组成；开关式锁相环的输入端接传感器控制振荡器SCO的输出端，开关式锁相环的输出端为数字信号输出端；所述开关式锁相环是由鉴相器PD和数字控制振荡器DCO构成的闭合回路，传感器控制振荡器SCO的输出端与鉴相器PD的一输入端相连，鉴相器PD的另一输入端接数字控制振荡器DCO的反馈输出端，鉴相器PD的输出端与数字控制振荡器DCO的输入端相连；
所述鉴相器PD用于比较传感器控制振荡器SCO信号与数字控制振荡器DCO信号的相位差，从而得到数字输出信号，且所述数字输出信号经反馈作用于数字控制振荡器DCO。
本实施例中，所述传感器控制振荡器SCO采用环形振荡器，此环形振荡器由五个两个反相器Ⅰ首尾相连构成。
本实施例中，传感器控制振荡器所采用的环形振荡器的一级反相器Ⅰ输出端接有一个传感器电容，传感器电容为一级反相器Ⅰ的负载电容。
所述数字控制振荡器DCO亦采用环形振荡器，此环形振荡器也由五个反相器Ⅱ首尾相连构成，反相器Ⅱ的个数与反相器Ⅰ的个数相同，即反相器Ⅱ的级数与反相器Ⅰ的级数相同，反相器Ⅱ所选用的反相器类型亦与反相器Ⅰ所选用的反相器类型相同。
数字控制振荡器DCO所采用的环形振荡器的一级反相器Ⅱ输出端接一个偏置电容
Figure 2014101089648100002DEST_PATH_IMAGE010
和一个开关电容
Figure 2014101089648100002DEST_PATH_IMAGE012
，偏置电容
Figure 446678DEST_PATH_IMAGE010
和开关电容
Figure 325641DEST_PATH_IMAGE012
并联，偏置电容
Figure 751069DEST_PATH_IMAGE010
和开关电容共同构成一级反相器Ⅱ的负载电容，开关电容受鉴相器PD的输出端控制。
所述鉴相器采用1比特的D触发器。
传感器电容值
Figure 818360DEST_PATH_IMAGE008
为某一恒定值时，开关式锁相环环路稳定情况下各相应点的波形图如图2所示。因为
Figure 31167DEST_PATH_IMAGE008
恒定，所以传感器控制振荡器为一固定频率
Figure 300737DEST_PATH_IMAGE002
（周期为
Figure 2014101089648100002DEST_PATH_IMAGE014
）。数字控制振荡器的频率
Figure 760537DEST_PATH_IMAGE004
在最大值和最小值间切换（频率
Figure 174944DEST_PATH_IMAGE004
最大值对应图2中的
Figure 2014101089648100002DEST_PATH_IMAGE016
，频率
Figure 316076DEST_PATH_IMAGE004
最小值对应图2中的）。数字输出信号
Figure 627102DEST_PATH_IMAGE006
代表着传感器控制振荡器和数字控制振荡器的相位差，因此，在开关式锁相环环路锁定的情况下，
Figure 336432DEST_PATH_IMAGE002
的平均值等于
Figure 972557DEST_PATH_IMAGE004
。所以当过采样输出经数字滤波后，
Figure 979696DEST_PATH_IMAGE006
就是相对应的数字信号输出。
本实施例中，频率调制通过一个传感器控制振荡器（SCO）实现，它直接将传感器电容的值转换为相应的频率
Figure 82912DEST_PATH_IMAGE002
；频率解调通过是开关式锁相环（BBPLL）实现，它由一个1比特鉴相器（PD）和一个数字控制振荡器（DCO）组成。开关式锁相环的鉴相器（PD）用于检测
Figure 963143DEST_PATH_IMAGE002
是超前还是落后于数字控制振荡器（DCO）的频率
Figure 110001DEST_PATH_IMAGE004
，鉴相器输出端输出的比特信号即为开关式锁相环的数字信号输出端的数字输出信号
Figure 655252DEST_PATH_IMAGE006
，开关式锁相环的数字信号输出端的数字输出信号
Figure 691604DEST_PATH_IMAGE006
是一个过采样输出的1比特信号，它所代表的电压值（平均占空比）与传感器电容值变化成正比例。
本发明采用全数字结构，电路结构简单，输入与输出之间保持良好的线性（如图3所示），可以工作在接近工艺阈值电压0.4V电源电压下，功耗仅为0.5??W。
图4为本发明全数字集成电容式传感器接口电路具体应用。
传感器控制振荡器SCO与数字控制振荡器DCO都是5级环形振荡器，不同的是，SCO包含传感器电容，而DCO包含一个开关控制的可变负载电容。所以SCO频率受到传感器电容
Figure 478087DEST_PATH_IMAGE008
的调制，DCO频率受到鉴相器PD输出的数字输出信号
Figure 827028DEST_PATH_IMAGE006
的调制。DCO的可变负载电容由偏置电容
Figure 514624DEST_PATH_IMAGE010
和开关电容
Figure 923608DEST_PATH_IMAGE012
构成，其中
Figure 21621DEST_PATH_IMAGE010
始终接入电路且和偏置大小一致；而开关电容Cm受到开关控制接入，考虑到线性度及流片后的误差， 一般开关电容设计为可编程电容，且取值为
Figure 171608DEST_PATH_IMAGE008
最大变化范围的1-2倍。为了减小功耗和增加灵敏度，虚拟电容
Figure 2014101089648100002DEST_PATH_IMAGE020
取值较小。鉴相器PD是简单的D触发器DFF，它的输出经反馈去控制开关电容
Figure 756917DEST_PATH_IMAGE012
是否接入。在环路稳定的情况下，鉴相器PD输出是一个占空比（Duty Cycle）受到调制的信号，且该信号的平均值和传感器电容的值变化成比例。 

Claims (6)

1.全数字集成电容式传感器接口电路，其特征在于，由传感器控制振荡器和开关式锁相环两部分组成；开关式锁相环的输入端接传感器控制振荡器的输出端，开关式锁相环的输出端为数字信号输出端；所述开关式锁相环是由鉴相器和数字控制振荡器构成的闭合回路，传感器控制振荡器的输出端与鉴相器的一输入端相连，鉴相器的另一输入端接数字控制振荡器的反馈输出端，鉴相器的输出端与数字控制振荡器的输入端相连；
所述鉴相器用于比较传感器控制振荡器信号与数字控制振荡器信号的相位差，从而得到数字输出信号，且所述数字输出信号经反馈作用于数字控制振荡器。
2.根据权利要求1所述的全数字集成电容式传感器接口电路，其特征在于，所述传感器控制振荡器采用环形振荡器，此环形振荡器由至少两个反相器Ⅰ首尾相连构成。
3.根据权利要求2所述的全数字集成电容式传感器接口电路，其特征在于，传感器控制振荡器所采用的环形振荡器的一级反相器Ⅰ输出端接有一个传感器电容，传感器电容为一级反相器Ⅰ的负载电容。
4.根据权利要求2所述的全数字集成电容式传感器接口电路，其特征在于，所述数字控制振荡器亦采用环形振荡器，此环形振荡器由至少两个反相器Ⅱ首尾相连构成，反相器Ⅱ的个数与反相器Ⅰ的个数相同，反相器Ⅱ所选用的反相器类型亦与反相器Ⅰ所选用的反相器类型相同。
5.根据权利要求4所述的全数字集成电容式传感器接口电路，其特征在于，数字控制振荡器所采用的环形振荡器的一级反相器Ⅱ输出端接一个偏置电容和一个开关电容，偏置电容和开关电容并联，偏置电容和开关电容共同构成一级反相器Ⅱ的负载电容，开关电容受鉴相器的输出端控制。
6.根据权利要求1或2所述的全数字集成电容式传感器接口电路，其特征在于，所述鉴相器采用1比特的D触发器。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104485938A (zh) * 2015-01-13 2015-04-01 合肥工业大学 一种低功耗电容式传感器接口电路
CN106571804A (zh) * 2015-10-09 2017-04-19 张伟林 高阻型数字鉴相器输出级的标准型接口电路
CN109188555A (zh) * 2018-08-07 2019-01-11 杜建平 一种排泄物感测系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202486245U (zh) * 2012-03-29 2012-10-10 浙江特雷斯电子科技有限公司 一种基于幅值变化无功电流扰动的孤岛检测装置
CN202750071U (zh) * 2012-06-07 2013-02-20 上海市七宝中学 一种车辆加油用电容传感器控制电路
CN103097860A (zh) * 2010-04-08 2013-05-08 硅石传感系统有限公司 传感器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103097860A (zh) * 2010-04-08 2013-05-08 硅石传感系统有限公司 传感器
CN202486245U (zh) * 2012-03-29 2012-10-10 浙江特雷斯电子科技有限公司 一种基于幅值变化无功电流扰动的孤岛检测装置
CN202750071U (zh) * 2012-06-07 2013-02-20 上海市七宝中学 一种车辆加油用电容传感器控制电路

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H.DANNEELS ET.: "A novel,PLL-based frequency-to-digital conversion mechanism for sensor interfaces", 《SENSORS AND ACTUATORS A:PHYSICAL》 *
HANS DANNEELS ET.: "A Fully-Digital,0.3V,270nW Capacitive Sensor Interface Without External References", 《2011 PROCEEDINGS OF THE ESSCIRC》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104485938A (zh) * 2015-01-13 2015-04-01 合肥工业大学 一种低功耗电容式传感器接口电路
WO2016112720A1 (zh) * 2015-01-13 2016-07-21 合肥工业大学 一种低功耗电容式传感器接口电路
CN106571804A (zh) * 2015-10-09 2017-04-19 张伟林 高阻型数字鉴相器输出级的标准型接口电路
CN106571804B (zh) * 2015-10-09 2023-08-11 张伟林 高阻型数字鉴相器输出级的标准型接口电路
CN109188555A (zh) * 2018-08-07 2019-01-11 杜建平 一种排泄物感测系统

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