CN106257839B - 传感器装置以及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的传感器装置以及检测方法，其特征在于，包括根据外部环境输出不同的电压值的测定电压生成部；生成周期与被输入的电压呈比例的脉冲的脉冲生成部；将上述脉冲生成部的输出进行分频的分频部；以及将上述分频部的输出脉冲的长度按照时钟单位进行测定的计数部。其结果，在包含利用脉冲宽度转换技术的ADC的传感器中，不仅实现装置的小型化，而且使分辨率高。

Description

传感器装置以及检测方法
技术领域
本发明涉及传感器装置以及检测方法，更详细而言，涉及包含小型、高分辨率的ADC的传感器装置以及检测方法(sensor device and sensing method using the same)，
背景技术
在各种技术领域使用各种传感器装置，为了将传感器测定值转换为数字信号，需要使用ADC(analog-digital converter：模数转换器)。
作为现有ADC技术之一的脉冲宽度转换技术(利用脉冲宽度转换器的方法)，虽然具有诸多优点，但以芯片实现时，无法放大脉冲宽度，因而很难提高分辨率。即，为了以小型芯片实现，电容器的值会变小，若为了放大脉冲宽度而使被充电的电流的大小过小，则容易受杂波的影响，因此也不能将电流的值小于一定值以下。因此无法将脉冲宽度增大到一定值以上，难以提高分辨率。
专利文献1：韩国公开特许公报2001-0101464A(公开日:2001.11.14.)
发明内容
本发明是为了解决上述的问题而提出的，本发明的目的在于，在包含利用了脉冲宽度转换技术的ADC的传感器装置以及检测方法中，不仅实现装置的小型化，而且使分辨率高。
本发明的传感器装置，包括：根据外部环境输出不同的电压值的测定电压生成部10；生成周期与被输入的电压值呈比例的脉冲的脉冲生成部30；将上述脉冲生成部30的输出进行分频的分频部40；以及将上述分频部40的输出脉冲的长度按照时钟单位进行测定的计数部50。
上述传感器装置还包括对上述测定电压生成部10的输出电压值进行取样并维持的取样维持部20。
上述传感器装置可包括两个以上的取样维持部20、脉冲生成部30、分频部40以及计数部50，上述测定电压生成部10连接于两个以上的取样维持部20，各个取样维持部20的输出电压连接于不同的脉冲生成部30、分频部40以及计数部50，从而能够进行电压测定的并行处理。
上述脉冲生成部30还可包括电容器、电流源、开关以及比较器。
上述传感器装置还可包括在分频部40的输出脉冲中除去除脉冲生成部30输出的脉冲宽度之外的成分的电路。
上述分频部40可以是2n分频部(divider)。
本发明的检测方法是利用包含测定电压生成部10、脉冲生成部30、分频部40以及计数部50的传感器装置的检测方，包括：根据外部环境而由测定电压生成部10输出不同的电压值的第一步骤；由脉冲生成部30生成周期与被输入的电压值呈比例的脉冲的第三步骤；由分频部40将脉冲生成部30的输出进行分频的第四步骤；由计数部50将分频部40的输出脉冲的长度按照时钟单位进行测定的第五步骤。
上述检测方法还可在第一步骤与第三步骤之间，包括由取样维持部20存储测定电压生成部10的输出电压的特定瞬间的电压值后输出的第二步骤。
上述第四步骤可以将按照2倍进行分频的过程反复进行n次，其中，n为整数。
在包含利用脉冲宽度转换技术的ADC的传感器中，不仅装置小，而且分辨率高，因此即便是值非常小的变化，也能够测定出。
附图说明
图1为本发明的传感器装置的概念图。
图2为S/H部的结构图。
图3为脉冲生成部的实施例的结构图。
图4为分频部的实施例的结构图。
图5为图3和图4的电路的电压图表。
图6为图3和图4的变形实施例。
图7为图6的电路的电压图表。
图8为测定电压生成部的输出电压的例子。
图9为并行高速转换电路的例子。
具体实施方式
本发明可实施各种变更，并且可具有多种实施例，将特定实施例示于附图，并在详细说明中详细说明。然而，这并非表示将本发明限定为特定的实施形态，应当理解为包含本发明的思想以及技术范围所包含的所有变形、等同物或替代物。在本发明的说明中，在判断为有关公知技术的具体说明可能混淆本发明的要旨的情况下，省略对其的详细说明。
本申请所使用的用语，仅是用于说明特定实施例而使用的，并非用于限定本发明。单数形式除在文脉上明确表示其他含义的情况之外包含复数形式。
图1为本发明的传感器装置的结构图。
本发明的传感器装置包括测定电压生成部10、取样维持部(S/H部)20、脉冲生成部30、分频部40以及计数部50。
测定电压生成部10根据外部环境输出不同的电压值。
S/H部20起到对测定电压生成部的输出电压值进行取样并维持的作用。
脉冲生成部30生成周期与S/H部20的输出电压值呈比例的脉冲。
分频部40起到对脉冲生成部30的输出进行分频的作用。
计数部50将分频部40的输出脉冲的长度按时钟单位进行测定。
此时越提高分频部40的分频比率，分辨率越提高。
测定电压生成部10可以以各种形态实现。现有传感其中经常使用的方式为，利用随外部环境(温度，湿度等)的变化而产生电阻变化的元件或产生电容变化的元件。若对电阻变化的元件施加一定的电流，则随着外部环境的变化而产生电压的变化。若对随着外部环境的变化而产生电容的变化的元件施加一定的电流，则随着外部环境的变化而产生电压增加速度的不同。若对随着外部环境的变化而产生电容的变化的元件施加一定的电压，则随着外部环境的变化而产生电流量的不同，若使该电流通过电阻流动，则施加于电阻的电压的大小产生不同。
随着外部环境的变化使输出电压不同的技术，由于是公知的，因此省略详细的说明。
随着外部环境的变化而使输出电压不同的元件，一般而言其输出非常小，因此可使用放大器。放大器根据设计上的需要可选择各种放大器(例如，电压-电压放大器，电流-电压放大器，电压-电流放大器等)使用。之所以使用上述放大器，是因为由外部环境产生的信号小，如果不使用放大器也能具有相当大的值，则无需使用放大器。
此外，测定电压生成部10还可包括滤波电路，若在由外部环境产生的信号中无杂音，则不要求滤波电路。
在现有的传感器中，测定电压生成部10一般使用随着外部环境(温度，湿度等)的变化而产生电阻的变化的元件或产生电容的变化的元件，然而也可以不使用这种元件，而是生成外部环境的测定电压值。例如，在测定心电图的情况下，只要将电极连接于能够获得心电图电压的地点，就能作为测定电压生成部10工作。在这种情况下，有可能其信号非常小，因此优选包含放大器。
图2为S/H部的结构图。
S/H部20为对输入电压进行取样并维持的取样维持(Sample&Hold)电路。
在S/H部20的开关SWSH处于关闭时，电容器CSH的电压与输入电压Vin相同，但若开启S/H部20的开关SWSH时，电容器CSH的电压维持开关SWSH开启瞬间的值。
此时的输出电压为测定周边环境的电压值，因此从测定电压(sensing voltage)这一含义出发，可将其名称设为Vsen。
在测定电压生成部10的输出有可能存在杂波，因此优选设置滤波电路。
既可以在测定电压生成部10与S/H部20之间设置除去杂波的滤波电路，也可以在S/H部20与脉冲生成部30之间设置除去杂波的滤波电路。
在本发明的传感器装置中，若S/H部20的输入电压在一定时间以上的期间不变，则可以去掉S/H部20。
图3为脉冲生成部的实施例的结构图。
图3的脉冲生成部包括电容器CS1、电流源IS1、开关SW1、比较器comp1以及与非门(NAND gate)。
比较器(comparator，comp1)可以由运算放大器实现。
电容器CS1的一端被接地，另一端连接于电流源IS1。开关SW1与电容器CS1并联连接。比较器comp1的+输入端连接于Vsen(S/H部的输出电压，比较器comp1的-输入端连接于电容器CS1与电流源IS1的连接点。
比较器comp1的输出和Start信号成为与非门(NAND gate)的输入，与非门的输出成为high状态时，开关SW1关闭。
Start值为low状态时，与非门的输出值成为high状态，开关SW1被关闭，图3的脉冲生成部不工作。
若Start值转换为high状态，则与非门的输出值成为low状态，开关SW1被开启。
在开关SW1处于开启的状态下，因电流源IS1而蓄积于电容器CS1的电荷量增加，随着蓄积于电容器CS1的电荷量的增加，电容器CS1的电压VC1增加。
若随着VC1的增大而大于Vsen，则比较器comp1的输出电压VP1从high状态反转为low状态。
对于VP1而言，如果high状态成为low状态，则与非门(NAND gate)的输出值成为high状态，开关SW1关闭。若开关SW1关闭，则电容器CS1的电压VC1重新成为0，VP1则从low状态反转为high状态。
对于VP1而言，若成为high状态，与非门(NAND gate)的输出值成为low状态，开关SW1开启。
即，VP1反复low状态和high状态，脉冲的宽度和周期与Vsen的大小呈比例。
即便将图3中的与非门替换为与门(AND gate)，并在与门的输出值成为high状态时使开关SW1开启，也进行相同的动作。
优选为，在与非门的输出追设缓冲器，以便具有一定以上的延迟时间。
在图3中，向比较器的+输入端输入Vsen值，但也可以变更电路而从比较器的-输入端输入Vsen值。
此时，VC1的值以爬坡(ramp)形态增加，图3的电路(包含比较器的电路)可称为电流模式爬坡积分器(Current mode ramp integrator)。
由于VP1的脉冲宽度与Vsen的大小呈比例，因此如测定脉冲的宽度，则能够知道Vsen的大小。
假设利用判断脉冲的宽度相当于几个时钟周期这样的方法来判断Vsen的大小时，为了提高Vsen的分辨率，优选脉冲的宽度相比时钟周期非常大。
然而，缩减时钟周期、即增大时钟频率是存在极限的。若过于增大时时钟频率，则电力消耗增加，存在误操作的危险增加的问题。
此外，如果想增大VP1的脉冲宽度，则需要增大电容器CS1的电容或减少电流源IS1的电流值，但若增大电容则电容器CS1的大小增大，无法实现装置的小型化，并且若减小电流源IS1的电流值，则存在容易受杂波影响的问题。
为了解决这种问题，在本发明中，使脉冲生成部30的输出通过分频部40来增大脉冲的宽度。
图4为分频部的实施例的结构图。
分频部40(divider)可以以各种方式实现，在图4的分频部中，多个D触发器被串联连接，各D触发器的输出Qb连接于输入D，所以在输入CK的状态改变2次时，输出Q的状态改变1次。
若图4的D触发器以串联方式连接有n个，则将输入的状态变化次数以2n倍变更为小，因此又称为2n分频部(divider)。
本发明的分频部40(divider)为将输入的状态变化次数以一定比率减小的电路，除图4的形态之外，还可根据设计上的需要，变更为各种形态。
图4的分频部40中，将按照2倍分频的电路串联连接了多个，但理论上也可按照除2倍之外的整数倍(例如，3倍或10倍等)分频。然而，按照2倍分频的情况下，电路简单且最有效，因此优选如图4所示，将按照2倍分频的电路串联连接多个。
图5为图3和图4的电路中的电压图表。
即，在将图3的电路和图4的电路连接时，将电路的各处的电压值做了比较的图表。
TP1为VP1处于high状态的时间，TSW为VP1处于low状态的时间。
若Start值变更为high状态，则VP1具有TP1的脉冲宽度和TP1+TSW的周期，进行规则的变化。
VP1增加至成为Vref值为止，但在图3中Vref值与Vsen值相同。
一般情况下，每通过图4的D触发器，脉冲宽度和周期就以2倍增加，因此VP1通过一个D触发器后的值可分别称为VP2、VP4、...、VP1024。
对于VP1024的脉冲宽度512(TP1+TSW)而言，脉冲宽度宽，分辨率高，是与Vsen值呈比例地增加的值，因此若判断VP1024的脉冲宽度相当于几个时钟，就能以高分辨率获悉Vsen值。
计数部50为判断分频部40的输出脉冲的宽度相当于几个时钟的电路，可以以各种方法实现。
最简单的实现方法是在计数电路(每接收时钟输入，N位输出值增加1的电路)中将分频部40的输出值以计数电路的允许输入(enable input)接收的方法。若这样实现电路，则分频部40的输出值每当处于high状态时，计数电路就会工作。可测定分频部40的输出值的脉冲宽度相当于几个时钟。若采用这种方法，则需要在要测定的脉冲变换为high状态使计数电路的值初始化为0的过程。
计数部50的具体电路，可根据设计上的需要，进行各种变更。
此外，图3和图4所示的实施例，可变更成如下形态来实施，即，计算出不需要的时间要素(开关时间，时钟延迟时间)，并在分频部的脉冲宽度将该不需要的时间要素去除的形态。
图6为图3和图4的变形实施例。即，变更了连接有图3的电路、图4的电路以及计数部50的电路的例子。
图7为图6的电路的电压图表。
图6的电路的优点在于，具有在输出电压VP_OUT中去除了TSW的512TP1的脉冲宽度。即，插入将最终脉冲宽度所包含的不需要的时间要素(开关时间，时钟延迟时间)去除的电路，从而将在脉冲生成部30产生的脉冲的宽度，按照整数倍准确放大，来提高准确率。
因此，图6的电路可以认为，追设在分频部40的输出脉冲中去除“脉冲生成部30输出的脉冲宽度之外的成分”的电路。此时，图6的电路的脉冲生成部30，需要周期性地生成具有与S/H部20的输出电压值呈比例的脉冲宽度的脉冲。
在计数部50中按照时钟单位测定的数据值被存储于存储元件(例如，寄存器)。
本发明的传感器装置具有提高分辨率的优点，但存在测定时间增加的缺点。其结果，存在无法准确地表现随时间变化而产生的电压的变化的缺点。
图8为测定电压生成部的输出电压的例子。
测定电压生成部10的输出电压Vin随时间变化。为了准确测定随时间变化而产生的电压的变化，优选以短的时间间隔测定电压，但存在在一时刻(例如，t＝t1)的电压测定完成之前无法开始另一时刻(t＝t2)的电压测定的问题。
若将取样的电压值以并联方式处理，则可以解决这种问题。
图9为并行高速转换电路的例子。
图9的电路中，S/H部20、脉冲生成部30、分频部40、计数部50分别具有n个，相比具有1个的情况，能够以n倍稠密的时间间隔测定电压。因此，能够准确地表现随时间变化产生的电压的变化。
换句话说，本发明的传感器装置中，包括2个以上的S/H部20、脉冲生成部(3个以上的S/H部20)，各个S/H部20的输出电压连接于不同的脉冲生成部30、分频部40以及计数部50，从而能够进行电压测定的并行处理。
本发明的检测方法为利用包括测定电压生成部10、S/H部20、脉冲生成部30、分频部40以及计数部50的传感器装置的检测方法，包括如下步骤。
第一步骤：根据外部环境，测定电压生成部10输出不同电压值的步骤；
第二步骤：S/H部20在存储测定电压生成部10的输出电压的特定瞬间的电压值后输出的步骤；
第三步骤：脉冲生成部30生成周期与被输入的电压值呈比例的脉冲的步骤；
第四步骤：分频部40对脉冲生成部30的输出进行分频的步骤；
第五步骤：计数部50将分频部40的输出脉冲的长度按照时钟单位进行测定的步骤。
在本发明的检测方法中，在S/H部20的输入电压在一定时间以上的期间不变化的情况下，可去掉第二步骤。
在上述第五步骤中按照时钟单位测定出的值为数据值，需要存储于存储元件(例如，寄存器)，因此本发明的检测方法还可包括下述的第六步骤。
第六步骤：寄存器存储按照时钟单位测定的值的步骤。

Claims (6)

1.一种传感器装置，其特征在于，包括：
根据外部环境输出不同的电压值的测定电压生成部(10)；
生成周期与被输入的电压值呈比例的脉冲的脉冲生成部(30)；
将上述脉冲生成部(30)的输出进行分频的分频部(40)；
将上述分频部(40)的输出脉冲的长度按照时钟单位进行测定的计数部(50)；以及将上述测定电压生成部(10)的输出电压值进行取样并维持的取样维持部(20)，其中，
通过所述分频部(40)来增大脉冲的宽度，并且，
所述传感器装置还包括在分频部(40)的输出脉冲中除去除脉冲生成部(30)的输出的脉冲宽度之外的成分的电路，其中，所述脉冲宽度之外的成分包括时钟延迟时间。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
包括两个以上的取样维持部(20)、脉冲生成部(30)、分频部(40)以及计数部(50)，
上述测定电压生成部(10)连接于两个以上的取样维持部(20)，各个取样维持部(20)的输出电压连接于不同的脉冲生成部(30)、分频部(40)以及计数部(50)，从而能够进行电压测定的并行处理。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
上述脉冲生成部(30)包括电容器、电流源、开关以及比较器。
4.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，上述分频部(40)为n2分频部。
5.一种检测方法，该方法为利用包括测定电压生成部(10)、脉冲生成部(30)、分频部(40)以及计数部(50)的传感器装置的检测方法，其特征在于，包括：
根据外部环境由测定电压生成部(10)输出不同的电压值的第一步骤；
由取样维持部(20)存储测定电压生成部(10)的输出电压的特定瞬间的电压值后输出的第二步骤；
由脉冲生成部(30)生成周期与被输入的电压值呈比例的脉冲的第三步骤；
由分频部(40)将脉冲生成部(30)的输出进行分频的第四步骤；以及
由计数部(50)将分频部(40)的输出脉冲的长度按照时钟单位进行测定的第五步骤，
其中，所述取样维持部(20)对所述电压值进行取样并维持，并且，
通过所述分频部(40)来增大脉冲的宽度，此外，
所述传感器装置还包括在分频部(40)的输出脉冲中除去除脉冲生成部(30)的输出的脉冲宽度之外的成分的电路，其中，所述脉冲宽度之外的成分包括时钟延迟时间。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，
第四步骤将按照2倍分频的过程反复进行n次，其中n为整数。
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