CN104316087B - 一种电容式传感器的测量电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式传感器的测量电路，包括时序和控制电路、Σ‑Δ转换器，所述Σ‑Δ转换器包括开关电容电路、Σ‑Δ转换器积分电路，数字滤波器，在所述开关电容电路中接入至少一个负电容，所接入负电容的开关电容电路用于依据采样时钟信号控制开关状态实现将所接入的负电容抵消传感器的基准电容且将抵消之后剩余的电容作为输入电容信号输入到Σ‑Δ转换器积分电路中；通过在现有技术的基础上整合负电容，降低Σ‑Δ转换器的输入电容范围，实现高精度，低功率的Σ‑Δ转换器在电容式传感器中的使用。
Description
技术领域
本发明涉及传感器的测量技术领域，尤其涉及一种电容式传感器的测量电路。
背景技术
现有的传感器测量主要是测量电压或电容的变化。电压测量是测量传感器装置电阻的变化，从而产生不同的电压。由于电阻和电压会产生电流，一般的压阻式的传感器装置会消耗功率。其次，电容式传感器具有非常高的电阻值，在兆欧姆的范围，功耗接近于零。所以电容式传感器用测量电容的方法更加适合低功耗应用。
在现有技术中测量电容有两种方法。第一种方法如图1所示，图1是现有技术电容式传感器的测量电路示意图一。首先将电容变换成时间，然后把变换的时间转换成数字，利用一个恒定电流源对传感器充电容，再利用数字计数器计算充电到一个特定的电压所需要的周期。数字计数器可以实现高分辨率，通常15位，但是数字计数器的工作时钟需要非常高的频率，功率消耗很高。要添加一个位的分辨率，时钟频率必须增加一倍，这将使高分辨率电容数位转换器的功耗更大。
第二种方法如图2所示，图2是现有技术中电容式传感器的测量电路示意图二。把传感器直接连接到Σ-Δ转换器上，无需添加任何接口或转换电路。Σ-Δ转换器大部分都是采用开关电容的方式来实现，Σ-Δ转换器可以利用自动归零，相关双采样等技术来检测微细电容变化，实现高分辨率。Σ-Δ转换器有2个部分：模拟部分和数字滤波器。模拟部分包括开关，电容器和2-4个积分运算放大器。数字滤波器通常是一个sinc滤波器，其量级取决于积分运算放大器的数目。相对于电容器时间转换器，Σ-Δ转换器的分辨率不受时钟频率的限制。所以功耗比电容器时间转换器小。
Σ-Δ转换器具有低功耗和接口简单的优点，但是输入范围是有限的。如果转换器内部使用的单元电容是Cunit，转换器的量级是1，最大的输入电容是Cunit，如图3所示，图3为不同转换器量级的输入电容与有效数字的函数关系图，其中，横轴为Σ-Δ转换器的输入电容Cin，纵轴为Σ-Δ转换器输出的有效数字ENOB。对于高量级转换器，输入电容比单元电容Cunit小，如果需要输入电容范围很大，单元电容Cunit就必须增大。但是大的单元电容Cunit会把分辨率降低，所以不能应用于输入电容大而测量电容小的传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种电容式传感器的测量电路，以降低Σ-Δ转换器的输入电容，使Σ-Δ转换器实现在功耗、精度和分辨率方面的要求。
一种电容式传感器的测量电路，包括时序和控制电路、Σ-Δ转换器，所述Σ-Δ转换器包括开关电容电路、Σ-Δ转换器积分电路，数字滤波器：
所述时序和控制电路的输入端与系统时钟连接，所述时序和控制电路的第一输出端与所述开关电容电路的输入端连接，用于向所述开关电容电路输出采样时钟信号，所述时序和控制电路的第二输出端与所述数字滤波器的第一输入端连接，用于向所述数字滤波器输出滤波时钟信号；
所述开关电容电路的输出端与Σ-Δ转换器积分电路的输入端相连，在所述开关电容电路中接入至少一个负电容，所接入负电容的开关电容电路用于依据采样时钟信号控制开关状态实现将所接入的负电容抵消传感器的基准电容且将抵消之后剩余的电容作为输入电容信号输入到Σ-Δ转换器积分电路中；
所述Σ-Δ转换器积分电路用于将所述输入电容信号转换为第一数字信号；
所述数字滤波器的第二输入端与Σ-Δ转换器积分电路的输出端连接，用于根据所述滤波时钟信号对所述第一数字信号进行滤波，抽取多位第二数字信号并输出；
进一步的，所接入的负电容并联在传感器电容的两端。
进一步的，所接入的负电容为一对电容值相等的电容。
进一步的，所接入的负电容能够部分或者全部抵消所述传感器的基准电容。
进一步的，所述负电容由至少一个并联的负电容单元组成。
进一步的，还包括至少一个可编程的数字电路控制开关，所述数字电路控制开关用于控制每个并联的所述负电容单元的接入。
进一步的，所述数字滤波器为sinc数字滤波器。
本发明实施例提供的一种电容式传感器的测量电路，通过在现有的电容式传感器的测量电路中整合负电容，负电容Cc抵消了传感器中的基准电压C0，输入Σ-Δ转换器的输入电容为传感器电容的变化量ΔC，在现有技术中输入Σ-Δ转换器的输入电容为传感器的有效电容C0±ΔC，两者相比较而言，本发明大大降低了Σ-Δ转换器的输入电容，克服输入电容范围对Σ-Δ转换器的限制，使高精度，低功率的Σ-Δ转换器可以在电容式传感器中使用。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是现有技术电容式传感器的测量电路示意图一；
图2是现有技术中电容式传感器的测量电路示意图二；
图3为现有技术中不同转换器量级的输入电容与有效数字的函数关系图；
图4为本发明实施例一提供的电容式传感器的测量电路示意图；
图5为本发明实施例一提供的模拟信号转换为数字信号的过程图；
图6是本发明实施例一提供的接入负电容的开关电容电路的电路示意图；
图7是本发明实施例一提供的时序和控制电路的电路示意图；
图8是本发明实施例一提供的开关在不同时刻的闭合或断开状态图；
图9为本发明实施例二提供的负电容可编程的电容式传感器的测量电路示意图。
1、Σ-Δ转换器； 2、开关电容电路； 3、时序和控制电路；
4、Σ-Δ转换器积分电路； 5、数字滤波器； 6、负电容；
7、传感器电容； 8、数字电路控制开关。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
本发明实施例提供一种电容式传感器的测量电路，如图4所示，图4为本发明实施一例提供的电容式传感器的测量电路示意图，上述的电容式传感器的测量电路包括时序和控制电路3、Σ-Δ转换器1，Σ-Δ转换器1包括开关电容电路2、Σ-Δ转换器积分电路4，数字滤波器5，时序和控制电路3的输入端与系统时钟连接，时序和控制电路3的第一输出端与所述开关电容电路2的输入端连接，用于向所述开关电容电路2输出采样时钟信号，所述时序和控制电路3的第二输出端与所述数字滤波器5的第一输入端连接，用于向所述数字滤波器5输出滤波时钟信号；所述开关电容电路2的输出端与Σ-Δ转换器积分电路4的输入端相连，在所述开关电容电路2中接入至少一个负电容6，所述接入负电容6的电容开关电路2用于依据采样时钟信号控制开关状态实现将所述的负电容6抵消传感器的基准电容且将抵消之后剩余的电容作为输入电容信号输入到Σ-Δ转换器积分电路4中；所述Σ-Δ转换器积分电路4用于将所述输入电容信号转换为第一数字信号；所述数字滤波器5的第二输入端与Σ-Δ转换器积分电路4的输出端连接，用于根据所述滤波时钟信号对所述第一数字信号进行滤波，抽取多位第二数字信号并输出，所述数字滤波器为sinc数字滤波器。
具体的，电容式传感器具有一基准电容C0，当外加作用使传感器的基准电容发生了变化且变化量为ΔC，那么此时传感器的有效电容为C0±ΔC，在Σ-Δ转换器积分电路4的输入端整合一个负电容6，所接入的负电容能够部分或者全部抵消所述传感器的基准电容。当所接入的负电容的值为Cc，且Cc＝C0，负电容全部抵消了基准电容C0，只有电容的变化量ΔC作为传感器的有效电容输入Σ-Δ转换器积分电路4中，然后完成电容信号到数字信号的转换，当所接入的负电容6的值Cc比基准电容C0小(Cc<C0)时，也可以实现降低输入电容的目的，负电容部分的抵消基准电容C0，把C0-Cc±ΔC作为传感器的有效电容输入Σ-Δ转换器积分电路4，而后完成电容信号到数字信号的转换。具体的，如图5所示，图5本发明实施例一提供的模拟信号转换为数字信号的过程图。电容信号经过Σ-Δ转换器的模拟部分(Σ-Δ转换器的模拟部分为开关电容电路2和Σ-Δ转换器的积分电路4)产生第一数字信号，数字滤波器5把第一数字信号用高bit数(如16bit)的数字运算进行滤波，抽取多位第二数字信号并输出，第一数字信号一般为1/3/5bit，这个需要依据Σ-Δ转换器的阶数而定。
图6是本发明实施例一提供的接入负电容的开关电容电路的电路示意图，将一对电容值相等的电容接入开关电容电路2中。图7是本发明实施例一提供的时序和控制电路的电路示意图，图8是本发明实施例一提供的开关在不同时刻的闭合或断开状态图，如图6、7、8所示，时序和控制电路3向开关电容电路2中的第一开关Φ1和第二开关Φ2输出采样不重叠时钟，当时序和控制电路3输出的时钟信号高时，第一开关Φ1闭合，第二开关Φ2断开，传感器电容C0+ΔC与第一负电容Cc组成并联回路，第一负电容Cc将传感器的基准电容抵消，剩余电容+ΔC。当时序和控制电路3输出的时钟信号低时，第一开关Φ1断开，第二开关Φ2闭合，剩余电容+ΔC作为输入电容输入到Σ-Δ转换器积分电路4中，接着传感器电容C0-ΔC与第二负电容Cc组成并联回路，第二负电容Cc将传感器的基准电容抵消剩余电容-ΔC，剩余电容-ΔC作为输入电容输入到Σ-Δ转换器积分电路4中。
实施例二
本发明实施例二提供的一种负电容可编程的电容式传感器的测量电路，不同的传感器，其基准电容不同意味着负电容的值也随着基准电容的不同而发生变化。图9为本发明实施例二提供的负电容可编程的电容式传感器的测量电路示意图。如图9所示，可编程负电容6由至少一个并联的负电容单元组成(电容阵列)，还包括至少一个可编程的数字电路控制开关8，所述数字电路控制开关8用于控制每个并联的负电容单元的接入。具体的，可编程的负电容6输出的值与传感器基准电容大小一致，每一个电容式传感器都会有确定的基准电容值，根据该数值编程负电容的值。
通过在Σ-Δ转换器积分电路4的输入端整合可编程的负电容，降低Σ-Δ转换器的输入电容，使得Σ-Δ转换器1可以在电容式传感器的测量电路中使用。由于Σ-Δ转换器1可以在低工作频率之中得到高的分辨率，使得整个传感器系统可以实现高精确度和低功耗。且Σ-Δ转换器1也可实现大于12位的分辨率，把功耗降低在微瓦范围内。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (7)
1.一种电容式传感器的测量电路，包括时序和控制电路、Σ-Δ转换器，所述Σ-Δ转换器包括开关电容电路、Σ-Δ转换器积分电路，数字滤波器，其特征在于，
所述时序和控制电路的输入端与系统时钟连接，所述时序和控制电路的第一输出端与所述开关电容电路的输入端连接，用于向所述开关电容电路输出采样时钟信号，所述时序和控制电路的第二输出端与所述数字滤波器的第一输入端连接，用于向所述数字滤波器输出滤波时钟信号；
所述开关电容电路的输出端与Σ-Δ转换器积分电路的输入端相连，在所述开关电容电路中接入至少一个负电容，所接入负电容的开关电容电路用于依据采样时钟信号控制开关状态实现将所接入的负电容抵消传感器的基准电容且将抵消之后剩余的电容作为输入电容信号输入到Σ-Δ转换器积分电路中；
所述Σ-Δ转换器积分电路用于将所述输入电容信号转换为第一数字信号；
所述数字滤波器的第二输入端与Σ-Δ转换器积分电路的输出端连接，用于根据所述滤波时钟信号对所述第一数字信号进行滤波，抽取多位第二数字信号并输出。
2.根据权利要求1所述的电容式传感器的测量电路，其特征在于，所接入的负电容并联在传感器电容的两端。
3.根据权利要求2所述的电容式传感器的测量电路，其特征在于，所接入的负电容为一对电容值相等的电容。
4.根据权利要求1所述的电容式传感器的测量电路，其特征在于，所接入的负电容能够部分或者全部抵消所述传感器的基准电容。
5.根据权利要求1-4任一所述的电容式传感器的测量电路，其特征在于，所述负电容由至少一个并联的负电容单元组成。
6.根据权利要求5所述的电容式传感器的测量电路，其特征在于，还包括至少一个可编程的数字电路控制开关，所述数字电路控制开关用于控制每个并联的所述负电容单元的接入。
7.根据权利要求1-4任一所述的电容式传感器的测量电路，其特征在于，所述的数字滤波器为sinc数字滤波器。
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