CN103888128A - 基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，包括开关网络、待测电容阵列、运算放大器和电容反馈网络。其中，开关网络包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4。待测电容阵列包括待测电容Cx和寄生旁路电容Cp1、Cp2。电容反馈网络包括反馈电容Cf和第五开关S5。本发明通过交错的开关时序，将待测电容Cx充放电步骤调节至相反，寄生旁路电容Cp1、Cp2的充放电步骤保持一致，通过后端处理，将寄生旁路电容的电荷转移量消除，从而在较大寄生旁路电容的影响下，依旧可以准确的检测出微小的待测电容，特别适用于阵列式电容传感器的读出应用。

Description

基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路

技术领域

本发明涉及电容阵列传感器接口设计技术领域，特别涉及一种基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，通过交错的开关时序，将寄生旁路电容的影响消除，从而在较大寄生旁路电容影响下依旧可以准确的检测出微小的待测电容。

背景技术

电容传感器具有很好的应用前景，被广泛应用在测距、测力、测加速度、测液体流速等诸多方面。尤其近两年来智能机器人触觉研究的飞速崛起，更是带动了相关方向的发展。电容式传感器因其结构简单，温度系数小，灵敏度高，输出稳定，动态响应特性好，功耗极低等优点，在智能机器人柔性触觉传感器阵列制作中占到了一席之地。但是基于电容式的传感器阵列在读出电容值时，其他电容会以寄生旁路电容的形式对待测电容值产生影响，给电容值读出带来了一定的困难，对调理电路的要求变高，这就需要对其读出电路做出进一步研究。

传统的电容传感器接口电路采用电荷转移的方式进行测量。首先对待测电容充电，通过电荷守恒原理，将电荷转移到已知电容值的反馈电容中，根据电压和电容的比例关系检测出待测电容值。这种检测方法结构简单、功耗小，但是由于充放电时均有寄生旁路电容的参与，此种检测方法对寄生旁路电容极其敏感，不适用于电容阵列的检测。

Xiujun，Li，and G.C.M.Meijer.IEEE Transactions on51.5(2002)：935-39.等人提出了一种新型的电容传感器接口。该接口设计基于一阶电荷平衡振荡器，通过两端口检测和自动校准技术消除寄生旁路电容影响。该接口电路每检测一次需要四个周期，电路结构复杂，且电容值的计算公式是关于时间的函数，加大了测量难度。因此一种简单的、实用的、不受寄生旁路电容影响的阵列式电容传感器接口需要被探索。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有电容阵列电路接口受寄生旁路电容影响较大带来测量误差的问题，本发明的主要目的在于提供一种基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，该接口电路包括开关网络7、待测电容阵列6、运算放大器8和电容反馈网络9，其中：开关网络7包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4，第一开关S1的一端连接于系统电源Vdd，另一端与第二开关S2的一端相连接，形成第一节点A；第二开关S2的另一端接地；第三开关S3的一端接地，另一端与第四开关S4的一端相连接，形成第二节点B；第四开关S4的另一端连接于运算放大器8的负输入端；待测电容阵列6包括待测电容Cx、第一寄生旁路电容Cp1和第二寄生旁路电容Cp2，其中第一寄生旁路电容Cp1为待测电容Cx左侧的接地电容，第二寄生旁路电容Cp2为待测电容Cx右侧的接地电容；待测电容Cx的一端连接于第一节点A，另一端连接于第二节点B；电容反馈网络9包括反馈电容Cf和第五开关S5，其中反馈电容Cf与第五开关S5并联后，一端与运算放大器8的负输入端相连接，另一端与运算放大器8的输出端相连接；运算放大器8的正输入端与Vdd／2等电势点相连接。

上述方案中，在第一个检测周期中，第一开关S1、第三开关S3与第五开关S5的控制信号采用第一时钟相位，开关先闭合后断开；第二开关S2与第四开关S4的控制信号采用第二时钟相位，开关先断开后闭合；在第二个检测周期中，第二开关S2、第三开关S3与第五开关S5的控制信号采用第一时钟相位，开关先闭合后断开；第一开关S1与第四开关S4的控制信号采用第二时钟相位，开关先断开后闭合；在第一和第二两个检测周期中，通过待测电容Cx的电流方向相反，而通过第一寄生旁路电容Cp1、第二寄生旁路电容Cp2与反馈电容Cf的电流方向一致，通过计算，将所述第二寄生旁路电容Cp2的影响消除，便可计算出待测电容Cx的大小。

上述方案中，所述左侧的第一寄生旁路电容Cp1的一端随着第一开关S1或第二开关S2的开启，连接到系统电源或者地上，另一端直接与地相连接；所述第一节点A由电源充电，放电时电荷直接被地吸走；在电源稳定的条件下，对第一寄生旁路电容Cp1的充放电过程对运算放大器8的电荷转移基本没有贡献，不会影响测量结果。

上述方案中，该接口电路还包括配置产生第一时钟相位和第二时钟相位的两相不交叠时钟相位发生器，第一时钟相位和第二时钟相位是两相非重叠时钟。

上述方案中，该接口电路还包括配置产生第一时钟相位延迟信号和第二时钟相位延迟信号的延迟信号发生器，其延迟时间长短受延迟模块中电容的大小决定。

上述方案中，所述待测电容Cx与反馈电容Cf之间成正比例关系，可通过修改所述反馈电容Cf的容值改变该接口电路的量程和精度。

上述方案中，所述反馈电容Cf大于3倍的目标测量范围，以保证输出电压在整个检测范围内都不趋于饱和。

上述方案中，所述待测电容Cx的测量值为

其中Vo1是第一测量周期的输出电压，Vo2是第二测量周期的输出电压，Cf为反馈电容值，Vdd为系统电压。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于所述开关阵列在两个检测周期中采用不同的时序控制，导致通过待测电容的电流方向相反，通过寄生旁路电容的电流方向相同，所以寄生电容的影响可以通过后续处理抵消，从而在较大寄生旁路电容影响下依旧可以准确的检测出微小的待测电容。

2、利用本发明，由于所述电容传感器电路接口通过两个检测周期进行检测，运算放大器的不理想因素在两个检测周期中被抵消，所以相比于单周期测量的电容传感器电路接口而言，该设计对运算放大器的要求大大降低。

3、利用本发明，由于所述待测电容Cx与反馈电容Cf之间成正比例关系，所以通过调节所述反馈电容Cf的容值可以方便的修改量程和精度。

4、利用本发明，由于所述电容传感器电路接口中只含有一个运算放大器和若干开关，所以传感器接口在精度大幅提升的同时依旧保持低功耗。

5、利用本发明，由于所述电容传感器电路接口可以消除寄生旁路电容对待测电容的影响，所以特别适合阵列式电容传感器的测量应用。

附图说明

图1是本发明提供的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路的示意图。

图2是图1中待测电容阵列工作时的示意图。

图3是图2的等效电路图。

图4是图1中待测电容阵列工作时的开关时序图。

图5是图4中T1阶段的电流流向图。

图6是图4中T2阶段的电流流向图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明针对现有电容阵列电路接口受寄生旁路电容影响较大带来测量误差的问题，提出了一种基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，该接口电路包括待测电容阵列6、开关网络7、运算放大器8和电容反馈网络9。

其中，待测电容阵列6包括待测电容Cx、第一寄生旁路电容Cp1和第二寄生旁路电容Cp2，其中第一寄生旁路电容Cp1为待测电容Cx左侧的接地电容，第二寄生旁路电容Cp2为待测电容Cx右侧的接地电容；待测电容Cx的一端连接于第一节点A，另一端连接于第二节点B。开关网络7包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4。第一开关S1的一端连接于系统电源Vdd，另一端与第二开关S2的一端相连接，形成第一节点A；第二开关S2的另一端接地；第三开关S3的一端接地，另一端与第四开关S4的一端相连接，形成第二节点B；第四开关S4的另一端连接于运算放大器8的负输入端。运算放大器8的正输入端与Vdd／2等电势点相连接。电容反馈网络9包括反馈电容Cf和第五开关S5，其中反馈电容Cf与第五开关S5并联后，一端与运算放大器8的负输入端相连接，另一端与运算放大器8的输出端相连接。

左侧的第一寄生旁路电容Cp1的一端随着第一开关S1或第二开关S2的开启，连接到系统电源或者地上，另一端直接与地相连接。第一节点A由电源充电，放电时电荷直接被地吸走。在电源稳定的条件下，对第一寄生旁路电容Cp1的充放电过程对运算放大器8的电荷转移基本没有贡献，不会影响测量结果。

图1所示的接口电路还包括配置产生第一时钟相位和第二时钟相位的两相不交叠时钟相位发生器，第一时钟相位和第二时钟相位是两相非重叠时钟。另外，图1所示的接口电路还包括配置产生第一时钟相位延迟信号和第二时钟相位延迟信号的延迟信号发生器，其延迟时间长短受延迟模块中电容的大小决定。

待测电容Cx与反馈电容Cf之间成正比例关系，可通过修改所述反馈电容Cf的容值改变该接口电路的量程和精度。反馈电容Cf大于3倍的目标测量范围，以保证输出电压在整个检测范围内都不趋于饱和。

图2是图1中待测电容阵列工作时的示意图。如图2所示，Cm-1 n-1为待测电容，检测时，将待测电容Cm-1 n-1选中接入电路，其余电容接地。其简化电路如图3所示，待测电容Cm-1 n-1两侧的接地电容均会以寄生旁路电容Cp1和Cp2的形式接入电路；并且寄生旁路电容Cp1和Cp2的电容值与待测电容Cm-1 n-1的电容值接近甚至更大，对充放电荷的贡献相仿。因此，电容阵列检测时，待测电容中的电荷转移极其容易淹没在两侧寄生旁路电容中，寄生旁路电容的影响是不可忽视的。

本发明提供的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，其主要是通过交错的开关时序，将寄生旁路电容的影响消除。接口电路主要通过放大器的“虚短虚断”特性实现电荷的转移，其中左侧寄生旁路电容Cp1的一端随着所述第一开关S1或第二开关S2的开启，连接到系统电源或者地上，另一端直接与地相连，所述第一节点A由电源充电，放电时电荷直接被地吸走。在电源稳定的条件下，对旁路电容Cp1的充放电过程对放大器端的电荷转移基本没有贡献，不会影响测量结果，需要消除的主要是右侧寄生旁路电容Cp2的影响。

所谓交错开关时序分为两个检测周期：

如图4所示，在第一个检测周期中，第一开关S1、第三开关S3以及第五开关S5的控制信号采用第一时钟相位，即开关先闭合后断开；第二开关S2与第四开关S4的控制信号采用第二时钟相位，即开关先断开后闭合。

第一时钟相位和第二时钟相位为非重叠时钟相位信号，由两相不交叠时钟相位发生器产生。为了保证电容充电时电荷全部贡献于电源，且放电时电荷转移仅存在于放大器反馈回路，耦合到所述第一开关S1的时钟相位采用所述第三开关S3时钟相位的延迟信号，耦合到所述第二开关S2的时钟相位采用所述第四开关S4时钟相位的延迟信号，其延迟时间的长短受延迟模块中电容的大小决定。

首先，所述第一开关S1、第三开关S3以及第五开关S5闭合，所述待测电容Cx充电至Vdd·Cx，所述右侧寄生旁路电容Cp2以及反馈电容Cf放电至空。设定电流流出第二节点B的方向为正，反之为负，此时电路中的总电荷量Q1为：

$Q1=-\frac{\mathrm{Vdd}\·\mathrm{Cx}}{2}---\left(1\right)$

然后所述第一开关S1、第三开关S3以及第五开关S5断开，所述第二开关S2与第四开关S4闭合，所述待测电容Cx将储存电荷注入到右侧寄生旁路电容Cp2和反馈电容Cf中直至稳定。由放大器“虚短虚断”特性计算得，此时所述待测电容Cx电荷量为Vdd·Cx／2，所述右侧寄生旁路电容Cp2电荷量为Vdd·Cp2／2，所述反馈电容Cf电荷量为(Vo1-Vdd／2)·Cf。设定电流流出第二节点B的方向为正，反之为负，此时电路中的总电荷量Q2为：

$Q2=\frac{\mathrm{Vdd}\·(\mathrm{Cx}+\mathrm{Cp}2)}{2}+(\frac{\mathrm{Vdd}}{2}-\mathrm{Vo}1)\·\mathrm{Cf}---\left(2\right)$

根据电荷守恒原理Q1＝Q2，得到其电压电容之间的关系式为：

$\mathrm{Vo}1=\frac{\frac{\mathrm{Vdd}}{2}\·(\mathrm{Cp}2+3\mathrm{Cx})}{\mathrm{Cf}}+\frac{\mathrm{Vdd}}{2}---\left(3\right)$

如图4所示，在第二个检测周期中，第二开关S2、第三开关S3以及第五开关S5的控制信号采用第一时钟相位，即开关先闭合后断开；第一开关S1与第四开关S4的控制信号采用第二时钟相位，即开关先断开后闭合。同样，为了保障电路测量的精准性，耦合到所述第二开关S2的时钟相位采用所述第三开关S3时钟相位的延迟信号，耦合到所述第一开关S1的时钟相位采用所述第四开关S4时钟相位的延迟信号。

首先，所述第二开关S2、第三开关S3以及第五开关S5闭合，所述待测电容Cx、右侧寄生旁路电容Cp2以及反馈电容Cf均放电至空；此时电路中的总电荷量Q3为空。

然后所述第二开关S2、第三开关S3以及第五开关S5断开，所述第一开关S1与第四开关S4闭合，所述待测电容Cx充电的同时也将电荷注入到右侧寄生旁路电容Cp2和反馈电容Cf中，直到电荷转移停止。此时，所述待测电容Cx电荷量为Vdd·Cx／2，所述右侧寄生旁路电容Cp2电荷量为Vdd·Cp2／2，所述反馈电容Cf电荷量为(Vo2-Vdd／2)·Cf。设定电流流出第二节点B的方向为正，反之为负，此时电路中的总电荷量Q4为：

$Q4=\frac{\mathrm{Vdd}\·(-\mathrm{Cx}+\mathrm{Cp}2)}{2}+(\frac{\mathrm{Vdd}}{2}-\mathrm{Vo}1)\·\mathrm{Cf}---\left(4\right)$

根据电荷守恒原理Q3＝Q4，得到其电压电容之间的关系式为：

$\mathrm{Vo}2=\frac{\frac{\mathrm{Vdd}}{2}\·(\mathrm{Cp}2-\mathrm{Cx})}{\mathrm{Cf}}+\frac{\mathrm{Vdd}}{2}---\left(5\right)$

如图5和图6所示，在第一和第二两个检测周期中，通过所述待测电容Cx的电流方向正好相反，而通过其他电容的电流方向一致，通过计算，将所述右侧寄生旁路电容Cp2的影响消除，便可计算出待测电容Cx的大小：

$\mathrm{Cx}=\frac{\mathrm{Cf}\·(\mathrm{Vo}1-\mathrm{Vo}2)}{2\mathrm{Vdd}}---\left(6\right)$

选反馈电容值Cf为100pF，待测电容Cx为60pF，右侧旁路电容Cp2为1.000476pF，在系统电压为1.8V的条件下，对所述接口电路进行检测，第一测量周期的输出电压Vo1为1.435V，第二测量周期的输出电压Vo2为1.471V，计算所得待测电容Cx的大小为1pF，与实际电容偏差0.05％。修改右侧旁路电容Cp2的容值发现，Cp2在95pF范围内，其影响均可消除，误差在1％之内。

由于系统电源的限制，输出电压Vo1和Vo2不可能无限大，当其达到系统电源Vdd大小时，电压会趋于饱和，不再增加，也就是满足：

$\mathrm{Vo}1=\frac{\frac{\mathrm{Vdd}}{2}\·(\mathrm{Cp}2+3\mathrm{Cx})}{\mathrm{Cf}}+\frac{\mathrm{Vdd}}{2}\≤\mathrm{Vdd}---\left(7\right)$

$\mathrm{Vo}2=\frac{\frac{\mathrm{Vdd}}{2}\·(\mathrm{Cp}2-\mathrm{Cx})}{\mathrm{Cf}}+\frac{\mathrm{Vdd}}{2}\≤\mathrm{Vdd}---\left(8\right)$

化简得到：

Cp2+3Cx≤Cf     (9)

Cp2-Cx≤Cf     (10)

由式(6)可知所述待测电容Cx的大小与反馈电容Cf成比例关系，通过调节所述反馈电容Cf的电容值大小，可以简单的改变电路的测量范围和测量精度。根据式(9)和式(10)可知，检测时，所述反馈电容Cf必须大于3倍的目标测量范围，才能保证输出电压在整个检测范围内都不趋于饱和。由于所述运算放大器8的带负载能力有限，所述反馈电容Cf的值也不可能无限大，当达到一定程度时，所述运算放大器8不能带动反馈电容Cf的充放电导致电路失灵。例如，如果反馈电容值最大可达1nF，则该接口电路最大可检测300pF范围内的电容。

本发明提供的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，通过如上所述的时序控制，可以在较大寄生旁路电容影响下依旧可以准确的检测微小的待测电容。当Cx：Cp2为1：100时，测量误差在3％之内，当Cx：Cp2为1：1时，测量误差可以减小到0.1％。电路具有测量准，精度高，功耗小，结构简单等优点，并且对运算放大器的要求大大降低。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，其特征在于，该接口电路包括开关网络(7)、待测电容阵列(6)、运算放大器(8)和电容反馈网络(9)，其中：

开关网络(7)包括第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)和第四开关(S4)，第一开关(S1)的一端连接于系统电源(Vdd)，另一端与第二开关(S2)的一端相连接，形成第一节点(A)；第二开关(S2)的另一端接地；第三开关(S3)的一端接地，另一端与第四开关(S4)的一端相连接，形成第二节点(B)；第四开关(S4)的另一端连接于运算放大器(8)的负输入端；

待测电容阵列(6)包括待测电容(Cx)、第一寄生旁路电容(Cp1)和第二寄生旁路电容(Cp2)，其中第一寄生旁路电容(Cp1)为待测电容(Cx)左侧的接地电容，第二寄生旁路电容(Cp2)为待测电容(Cx)右侧的接地电容；待测电容(Cx)的一端连接于第一节点(A)，另一端连接于第二节点(B)；

电容反馈网络(9)包括反馈电容(Cf)和第五开关(S5)，其中反馈电容(Cf)与第五开关(S5)并联后，一端与运算放大器(8)的负输入端相连接，另一端与运算放大器(8)的输出端相连接；

运算放大器(8)的正输入端与Vdd／2等电势点相连接。

2.如权利要求1所述的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，其特征在于：

在第一个检测周期中，第一开关(S1)、第三开关(S3)与第五开关(S5)的控制信号采用第一时钟相位，开关先闭合后断开；第二开关(S2)与第四开关(S4)的控制信号采用第二时钟相位，开关先断开后闭合；

在第二个检测周期中，第二开关(S2)、第三开关(S3)与第五开关(S5)的控制信号采用第一时钟相位，开关先闭合后断开；第一开关(S1)与第四开关(S4)的控制信号采用第二时钟相位，开关先断开后闭合；

在第一和第二两个检测周期中，通过待测电容(Cx)的电流方向相反，而通过第一寄生旁路电容(Cp1)、第二寄生旁路电容(Cp2)与反馈电容(Cf)的电流方向一致，通过计算，将所述第二寄生旁路电容(Cp2)的影响消除，便可计算出待测电容(Cx)的大小。

3.如权利要求1所述的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，其特征在于：所述左侧的第一寄生旁路电容(Cp1)的一端随着第一开关(S1)或第二开关(S2)的开启，连接到系统电源或者地上，另一端直接与地相连接；所述第一节点(A)由电源充电，放电时电荷直接被地吸走；在电源稳定的条件下，对第一寄生旁路电容(Cp1)的充放电过程对运算放大器(8)的电荷转移基本没有贡献，不会影响测量结果。

4.如权利要求1所述的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，其特征在于，该接口电路还包括配置产生第一时钟相位和第二时钟相位的两相不交叠时钟相位发生器，第一时钟相位和第二时钟相位是两相非重叠时钟。

5.如权利要求1所述的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，其特征在于，该接口电路还包括配置产生第一时钟相位延迟信号和第二时钟相位延迟信号的延迟信号发生器，其延迟时间长短受延迟模块中电容的大小决定。

6.如权利要求1所述的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，其特征在于：所述待测电容(Cx)与反馈电容(Cf)之间成正比例关系，可通过修改所述反馈电容(Cf)的容值改变该接口电路的量程和精度。

7.如权利要求1所述的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，其特征在于：所述反馈电容(Cf)大于3倍的目标测量范围，以保证输出电压在整个检测范围内都不趋于饱和。

8.如权利要求1所述的基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，其特征在于：所述待测电容(Cx)的测量值为其中Vo1是第一测量周期的输出电压，Vo2是第二测量周期的输出电压，Cf为反馈电容值，Vdd为系统电压。

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